Tài liệu nhiệt động lực học kỹ thuật

Nhiệt Động lực học Kỹ thuật
Engineering Thermodynamics Phần II: Các Hệ thống
Nhiệt động lực học Kỹ thuật Tài liệu tham khảo:
Nhiệt Động lực học, Nguyễn Quang Học, 2 tập, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009
Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Fifth Edition, M.J. Moran
and H.N. Shapiro, John Wiley & Son, New York, 2006; 847 trang.
Engineering Thermodynamics - A Graphical Approach by Israel Urieli , Ohio
University; http://www.ohio.edu/mechanical/thermo/
PGS TS Nguyễn Thế Hiện Điện thoại: 0913505436
TS Nguyễn Hoàng Quân Điện thoại: 0966089418
Nhiệt Động lực học Kỹ thuật Chương VI: Các Chu trình
Nhiệt động lực học Kỹ thuật Tài liệu tham khảo:
Nhiệt Động lực học, Nguyễn Quang Học, 2 tập, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009
Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Fifth Edition, M.J. Moran
and H.N. Shapiro, John Wiley & Son, New York, 2006; 847 trang.
Engineering Thermodynamics - A Graphical Approach by Israel Urieli , Ohio
University; http://www.ohio.edu/mechanical/thermo/
PGS TS Nguyễn Thế Hiện
E-mail: thehien@vnu.edu.vn; ĐT: 0913505436
TS Nguyễn Hoàng Quân
E-mail: nhquan@vnu.edu.vn; ĐT: 0966089418
Nhiệt Động lực học Kỹ thuật Chương 6a:
Các Chu trình Khí Sinh công Tài liệu tham khảo:
Nhiệt Động lực học, Nguyễn Quang Học, 2 tập, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009
Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Fifth Edition, M.J. Moran
and H.N. Shapiro, John Wiley & Son, New York, 2006; 847 trang.
Engineering Thermodynamics - A Graphical Approach by Israel Urieli , Ohio
University; http://www.ohio.edu/mechanical/thermo/
PGS TS Nguyễn Thế Hiện
E-mail: thehien@vnu.edu.vn; ĐT: 0913505436
TS Nguyễn Hoàng Quân
E-mail: nhquan@vnu.edu.vn; ĐT: 0966089418
Mục tiêu cụ thể của Chương 6
▪ Thể hiện đã hiểu được các nguyên lý cơ bản của các nhà máy điện
cũng như các động cơ, thiết bị nhiệt khác chạy bằng các chu trình
hơi nước, các chu trình khí…
▪ Tự xây dựng và phân tích được các mô hình NĐLH của các thiết bị
năng lượng chạy bằng hơi và khí trên cơ sở Chu trình Rankine,
Chu trình Otto, Chu trình Diesel, Chu trình Stirling và các
dạng cải biến của chúng, bao gồm:
• Phác họa được sơ đồ các bộ phận thiết bị, chu trình và giản đồ T-s đi cùng các chu trình.
• Xác định (đánh giá) được các dữ liệu về các thuộc tính ở các trạng thái chính trong chu trình.
• Áp dụng các phương trình cân bằng khối lượng, năng lượng và entropy
cho các quá trình cơ bản.
• Xác định hoạt động của chu trình, hiệu suất nhiệt, tổng công thu được,
và lưu lượng dòng chất.
▪ Giải thích được các hiệu ứng ảnh hưởng tới các thông số chính
trong hoạt động của Chu trình Rankine, Chu trình Otto, Chu trình Diesel...
▪ Thảo luận các nguồn chính gây ra sự sụt giảm và mất mát exergy
trong các nhà máy điện chạy bằng hơi nước.
Các Chu trình Nhiệt động lực học
▪ Các chu trình NĐLH được quan tâm nghiên cứu trong chương này
là các chu trình sinh công (Power Cycles) và các chu trình
tương tự ứng dụng trong thực tiễn kỹ thuật và công nghệ. Chúng
gồm hai loại chủ yếu là: các chu trình hơi và các chu trình khí.
▪ Các chu trình hơi là các chu trình mà trong đó môi chất có thể
tồn tại dưới cả trạng thái hơi lẫn trạng thái lỏng trong các
quá trình khác nhau của chu trình.
▪ Trong các chu trình khí sinh công, môi chất chỉ tồn tai ở trạng
thái khí trong suốt cả chu trình.
▪ Định luật II của NĐLH và Chu trình Carnot là cơ sở lý thuyết
căn bản cho tất cả các chu trình này.
Kruse Technology Partnership describes the four-stroke diesel cycle operation including
a short history of Rudolf Diesel. The four-stroke diesel engine is usually used in motor
vehicle systems, whereas larger marine systems usually use the two-stroke diesel cycle.
Once again we have an excellent animation produced by Matt Keveney presenting the
operation of the four-stroke diesel cycle.
Kruse Technology Partnership presents a description of the four-stroke Otto cycle
Matt Keveney presenting both the four-stroke and the two-stroke spark-ignition internal
combustion engine. http://www.animatedengines.com/twostroke.html
Các chu trình khí sinh công
Các hệ khí sinh công – Gas Power Systems
Các chu trình khí sinh công: Các nhà sáng chế
Nhà sáng chế chu trình bốn kỳ Nicolaus August Nicolaus August Otto
Otto sinh ngày 14 tháng 6 năm 1831 ở Đức.
Năm 1862 ông bắt đầu những thí nghiệm đầu
tiên với các động cơ bốn kỳ. Ảnh dưới cho thấy
các động cơ bốn kỳ đầu tiên của ông, chúng
hoàn toàn tương ứng với các động cơ đương
đại ngày nay. Ông qua đời ngày 26 tháng 1
năm 1891 tại Cologne (Đức).
Các chu trình khí sinh công: Các nhà sáng chế
Rudolf Diesel (1858 – 1913) sinh tại Paris vào năm
1858. Sau khi học xong đại học ông nhận được việc
làm với tư cách một kỹ sư kỹ thuật lạnh. Tuy nhiên,
tình yêu đích thực của ông là thiết kế động cơ. Vào
năm 1893, ông công bố một bài báo miêu tả một
động cơ cháy nổ bên trong một xylanh, gọi là động
cơ đốt trong. Năm 1894, ông đăng ký bằng phát
minh cho phát minh mới của mình về Động cơ
Diesel. Trong một lần thí nghiệm, Diesel suýt bị
đông cơ của ông giết chết khi nó bị nổ vỡ - tuy
nhiên, chiếc động cơ đó là cái đầu tiên chứng minh Rudolf Diesel
rằng nhiên liệu có thể tự cháy nổ mà không cần tia
lửa điện. Năm 1897 ông đã vận hành thành công
chiếc đông cơ đầu tiên của mình.
Nhắc lại thuật ngữ về các thiết bị hành trình
Terminology for Reciprocating Devices
Các chu trình Otto và Diesel đều thực hiện
trong một hệ thiết bị gọi là động cơ hành trình
– là thiết bị piston-xylanh điển hình.
Cần ghi nhớ các đinh nghĩa như sau:
▪ Tâm chết đỉnh trên (Top Dead Center - TDC),
▪ Tâm chết đáy dưới (Bottom Dead Center - BDC),
▪ Độ dài hành trình của piston (stroke),
▪ Khẩu độ xylanh (bore), ▪ Van hút (intake valve), ▪ Van xả (exhaust valve),
▪ Thể tích dung sai (clearance volume),
▪ Thể tích dịch chuyển (displacement volume),
▪ Tỷ số nén (compression ratio), và
▪ Áp suất trung bình hiệu dụng (mean effective pressure).
(Xem mô tả và chú thích ở các hình bên) 9
Động cơ Hành trình Piston-Xylanh
▪ Nổ nhờ đánh lửa (Otto), hỗn hợp
không khí-nhiên liệu (xăng) nén (cấp Động cơ bốn kỳ nhiệt đẳng tích)
▪ Kỳ hút cấp nhiên liệu
▪ Nén nổ (Diesel), nén không khí, sau ▪ Kỳ nén đoạn nhiệt
đó cấp nhiên liệu cho cháy (cấp nhiệt
▪ Kỳ sinh công (Giãn đoạn nhiệt) đẳng áp). ▪ Kỳ xả khí thải
Các chu trình khí sinh công Gas Power Cycles
Các chu trình khí sinh công tức là các chu trình của các
động cơ nhiệt mà trong đó môi chất công tác ở trạng Chu trình thực tế
thái khí trong tất cả các quá trình của chu trình. Chúng
ta chỉ xem xét chu trình lý tưởng hóa, tức là chu Chu trình ý tưởng hóa
trình mà trong đó các tính chất bất thuận nghịch và các
tính chất phức tạp nội tại (quá trình tiếp nhận không khí
và nhiên liệu thực tế, quá trình cháy nổ thực tế và quá
trình thải xả các sản phẩm của quá trình cháy nổ và các
thứ khác) bị bỏ qua không tính đến. Chúng ta sẽ quan
tâm xem xét các thông số chính của chu trình ảnh
hưởng như thế nào tới hiệu quả của các động cơ nhiệt
tức là hiệu suất nhiệt của chu trình.
Giả thiết Chuẩn Không khí (Air-Standard Assumptions)
Trong các động cơ đốt trong, môi chất công tác là hỗn hợp giữa không khí và nhiên
liệu và hỗn hợp này tồn tại dưới dạng khí trong suôt chu trình sinh công của động cơ.
Vì lý do đó, chúng ta đặt giả thiết môi chất công tác là không khí, và không khí sẽ
đi qua chu trình NĐLH mặc dù trong thực tế môi chất công tác trong hệ sinh công
này không hề đi qua một chu trình thực sự. Các quá trình liên quan đều được giả
thiết là các quá trình thuận nghịch.
Giả thiết chuẩn không khí
Air-Standard Assumptions
Để đơn giản hóa việc phân tích, chúng ta tạo ra chu trình
gần đúng với các giả thiết như sau:
▪ Không khí liên tục lưu chuyển trong một vòng khép kín
và luôn thể hiện như một khí lý tưởng.
▪ Tất cả các quá trình tạo thành chu trình đều là những quá trình thuận nghịch.
▪ Quá trình cháy nổ (đốt trong) được thay thế bằng một
quá trình cấp nhiệt từ một nguồn bên ngoài.
▪ Quá trình thải nhiệt và tái lập môi chất ở trạng thái ban
đầu thay thế cho quá trình xả trong thực tế.
▪ Giả thiết chuẩn không khí lạnh áp dụng được khi môi
chất công tác chính là không khí, có nhiệt dung không
đổi, với giá trị cố định ở nhiệt độ phòng (25oC hay 77oF).
▪ Các chu trình khí sinh công đặc trưng là Chu trình Otto,
Chu trình Diesel và Chu trình Brayton
Nhắc lại thuật ngữ về các thiết bị hành trình
Terminology for Reciprocating Devices
▪ Tương tự như đã thảo luận ở ‘máy nén’, tỷ
số nén r trong một động cơ nhiệt (động
cơ đốt trong) cũng được định nghĩa là tỷ số
giữa thể tích cực đại và thể tích cực
tiểu tạo ra trong quá trình nén trong xy- lanh. 𝑉 𝑉 𝑟 = max = BDC 𝑉min 𝑉TDC
▪ Áp suất hiệu dụng trung bình (MEP)
là một giá trị áp suất có tính hư cấu (ta
định nghĩa nó như thế) mà nó chỉ tác
động lên piston trong suốt hành trình sinh
công, sẽ sản sinh ra cùng chính một lượng
công hiệu dụng như là một chu trình thực tế sinh ra. 𝑊 𝑤 𝑀𝐸𝑃 = net = net 𝑉max − 𝑉min 𝑣max − 𝑣min Chu trình Otto
The Ideal Cycle for Spark-Ignition Engines
Vị trí của Piston trong xylanh ở các kỳ trong chu trình
và Giản đố p-v và T-s của động cơ Otto Hỗn hợp Điểm đốt cuối không khí- Các khí thải nhiên liệu Kích nổ Van xả mở Hỗn hợp không khí- Van hút mở nhiên liệu Xả Hút Kỳ nén Kỳ giãn sinh công Kỳ xả Kỳ hút
(a) Động cơ bốn kỳ kích nổ bằng tia lửa điện trong thực tế Không khí Không khí Không khí Không khí v = const Nén đẳng entropy v cấp nhiệt = const Giãn đẳng entropy giải nhiệt
(a) Chu trình Otto lý tưởng
Chu trình Otto lý tưởng:
Động cơ đốt trong bốn kỳ
Các kỳ hoạt động của Giản đồ (p,V)
động cơ trong một chu trình lý thuyết Đoạn nhiệt κ p V = c
• Hút nhiên liệu (0 1)
• Kỳ 1: Nén đoạn nhiệt (1 2)
• Kỳ 2: Nổ - Nén đẳng tích (2 3)
• Kỳ 3: Giãn đoạn nhiệt (3 4)
• Kỳ 4: Xả đẳng tích (4 1) Giản đồ (p,V) Giản đồ (T,s)
• Dồn khí thải ra ngoài (1 0)
Chu trình Otto - Chu trình Lý tưởng
cho các động cơ kích nổ bằng tia lửa điện
• Chu trình Otto chuẩn không khí (The air-standard Otto cycle)
là chu trình lý tưởng thể hiện sự gần đúng cho một động cơ đốt
trong bằng tia lửa điện. Chúng ta phân tích chu trình sinh công này
trên cơ sở miêu tả hoạt động của hệ piston-xylanh hành trình trong
mô hình vẽ ở các trang trên.
Các quá trình thực tế
Quá trình Miêu tả theo chu trình lý tưởng Hút nạp nhiên liệu 1-2
Nén đẳng entropy (đoạn nhiệt) Nén 2-3 Cấp nhiệt đẳng tích Giãn sinh công 3-4
Giãn đẳng entropy (đoạn nhiệt) Xả khí thải 4-1 Giải nhiệt đẳng tích
• Quá trình đánh lửa (ignition) và quá trình cháy nổ (combustion)
thường bắt đầu trước khi kết thúc kỳ nén. Giá trị số của góc trục tay
đòn ở điểm trước khi piston đạt tới điểm TDC trên piston thứ nhất mà
tai đó tia lửa điện xuất hiện sẽ được gọi là thời điểm nổ (engine
timing). Em có biết tỷ số nén và thời điểm nổ của động cơ trong một
xe ô-tô dân dụng thông thường (personal car), một xe tải (truck) hay 16
một xe gắn máy (motorcycle) lần lượt là bao nhiêu không?
Chu trình Otto - Chu trình Lý tưởng
cho các động cơ kích nổ bằng tia lửa điện
Tính toán hiệu suất nhiệt  W Q Q − Q Q net net in out out = = = = Giản đồ 1− th Q Q Q Q (p,V) in in in in Qin lý thuyết
Q = m  c  T − T = Q (qt đẳng tích) 23 V ( 3 2) in Đoạn nhiệt κ p V = c
Q = m c  T −T = Q (qt đẳng tích) 41 V ( 4 1) out Q − Q Q T − T 23 41 41 ( 4 1)  = = 1− = 1− Q Q T − T Qout 23 23 ( 3 2)  1 −  − T V  1 T V  κ-1 T V = const 3 4 Do: =   1 2 = ( qt đoạn nhiệt) T V   4  3  T V 2  1   T  1 1  −  và:
V = V ;V = V T T   3 2 = T T   T 4 4 4  = 1− = 1− 4 1 3 2 T T  T     T  T 4 1 3 2 3 1  − T   3  V1 Với: = r 1   − = 1 − r V2 Tỷ nố nén Chu trình Diesel:
Động cơ đốt trong bốn kỳ
Bốn kỳ hoạt động của động cơ Tỷ số nén r = v1/v2 =18; trong chu trình Tỷ số cắt rC = v3/v2 =2;
Giản đồ (p,v) lý thuyết
• Hút nhiên liệu (0 1) Các quá trình
• Kỳ 1: Nén đoạn nhiệt (1 2) đoạn nhiệt κ p V = c
• Kỳ 2: Nổ - Giãn đẳng áp (2 3)
• Kỳ 3: Giãn đoạn nhiệt (3 4)
• Kỳ 4: Xả đẳng tích (4 1) 0
• Dồn khí thải ra ngoài (1 0) Thể tích riêng
Bốn quá trình lý tưởng
Giản đồ (p,V) lý tưởng Giản đồ (T,s)
của chu trình Diesel:
Bốn quá trình thuận nghịch nội tại:
• Nén đẳng entropy (đoạn nhiệt) • Cấp nhiệt đẳng áp
• Giãn đẳng entropy (đoạn nhiệt)
• Thải nhiệt đẳng tích
Chu trình Diesel: Động cơ đốt trong bốn kỳ
• Chu trình Diesel: Tính toán hiệu suất nhiệt Tỷ số nén r = v  W Q Q − Q Q net net in out out = = = = 1− 1/v2 =18; th Q Q Q Q Tỷ số cắt rC = v3/v2 =2; in in in in
Giản đồ (p,v) lý thuyết
Q = m  c  T − T = m  h − h 23 p ( 3 2 ) ( 3 2)
Q = m  c  T − T = m  h − h Các quá trình 41 V ( 4 1) ( 1 4) đoạn nhiệt κ 𝑊 p V = c
12 = 𝑚 ∙ 𝑐𝑉 ∙ 𝑇1 − 𝑇2 = 𝑚 ∙ (𝑢1 − 𝑢2)
𝑊34 = 𝑚 ∙ 𝑐𝑉 ∙ 𝑇3 − 𝑇4 = 𝑚 ∙ (𝑢3 − 𝑢4)
𝑊23 = 𝑝2 ∙ (𝑉3 − 𝑉2) T  4 1 Thể tích riêng
 1  (T − T T T 4 1 )  −   1    1  1   =1−   1 V T3
  (T − T  T 3 Vì r = và p = p r = 3 2 ) = −       2   T  C 3 2 C  3 −  1 V T2 T 2 2     (r  − c )1 1 1
rC được gọi là tỷ số ngắt (cutoff ratio), được định  =1−    1 nghĩa là r     r −
C = V3 /V2, và là số đo về độ dài của quá   (r − c )1
trình cấp nhiệt ở áp suất không đổi.
Vì nhiên liệu được cấp trực tiếp vào xylanh nên tỷ số ngắt này có thể liên hệ tới giá
trị số của góc vị trí trục cơ đã quay trong khi nhiên liệu được bơm vào xylanh.
Các chu trình khí sinh công –
Hiệu suất nhiệt của Chu trình Otto Hiệu suất nhiệt Tỉ số nén
Hiệu suất nhiệt của các động cơ đốt trong theo Chu trình Otto
trong sự phụ thuộc vào tỷ số nén và hệ số đoạn nhiệt của môi chất