- 61 - Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008 Chương 5 : CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ NHIỆT ĐIỂN HÌNH 5.1. KHÁI NIỆM CHUNG • Chu trình nhiệt động bao gồm hàng loạt quá trình nhiệt động kế tiếp nhau, trong đó trạng thái của MCCT thay đổi liên tục rồi trở lại trạng thái ban đầu. • Biểu diễn chu trình nhiệt động : 50 20 V V S V C p a b c z Q 1 Q 2 W out s T c z Q 1 Q 2 W out a b a 1 b 1 a) b) H. 5.1-1. Chu trình nhiệt động của động cơ xăng trên đồ thị công (a) và đồ thị nhiệt (b) • Ý nghĩa của chu trình nhiệt động - để biến nhiệt thành cơ năng trong máy nhiệt, người ta cấp nhiệt cho MCCT rồi cho MCCT dãn nở. Để tạo ra cơ năng một cách liên tục, MCCT phải dãn nở liên tục. Điều này được giải quyết bằng cách cho MCCT dãn nở, sau đó nén MCCT về trạng thái ban đầu rồi lại cho dãn nở. 5.2. CHỈ TIÊU HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 1) Hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt : in out t Q W = η Trong đó : η t - Hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt ; W out - Công do MCCT sinh ra trong 1 chu trình ; Q in - nhiệt lượng cấp cho MCCT trong 1 chu trình. 2) Hệ số làm lạnh của máy lạnh : in in ref W Q = η - 62 - Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008 η ref - Hệ số làm lạnh của máy lạnh ; Q in - Nhiệt lượng mà MCCT lấy từ nguồn lạnh trong 1 chu trình ; W in - Công tác dụng lên MCCT trong 1 chu trình. 3) Hệ số bơm nhiệt của bơm nhiệt : in out hp W Q = η η hp - Hệ số bơm nhiệt của bơm nhiệt ; Q out - Nhiệt lượng mà MCCT truyền cho nguồn nóng trong 1 chu trình ; W in - Công tác dụng lên MCCT trong 1 chu trình. 5.3. CHU TRÌNH CARNOT vs 1 q 1 0 2 3 4 1 0 2 3 4 p T T 1 T 2 s 1 s 2 q 2 W out q 1 - q 2 H. 5.3-1. p-v and T-s Diagram for Carnot Cycle • Hiệu suất của chu trình carnot thuận : q1 = T 1 (s 2 - s 1 ) ; q 2 = T 2 (s 2 - s 1 ) 1 2 1 21 1 1 || T T q qq q w carnot −= − == η • Nhận xét 1) Hiệu suất nhiệt của chu trình carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và nhiệt độ của nguồn lạnh. T 1 càng lớn và T 2 càng nhỏ thì η carnot càng cao. 2) Với cùng T 1 và T 2 , hiệu suất nhiệt của bất kỳ chu trình động cơ nhiệt nào khác đều nhỏ hơn η carnot . 3) Hiệu suất của động cơ nhiệt bao giờ cũng nhỏ hơn 1. - 63 - Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008 5.4. CHU TRÌNH LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG • Nhiệt độ cực tiểu : T min = T 0 • Nhiệt độ cực đại : T max ≈ 2800 K • Áp suất cực tiểu : p min = p 0 • Áp suất cức đại : p max ≈ 150 bar T T max T min a c c' z b b' s p > p max p max p min p < p min p a b c z b' p 0 0 V C V S H. 5.4-1. Thiết lập chu trình nhiệt đông của ĐCĐT trên cơ sở chu trình carnot BÀI TẬP CHƯƠNG 5 1) Định nghĩa các khái niệm sau đây : chu trình nhiệt động, chu trình nhiệt động thuận nghịch, chu trình nhiệt động hở, chu trình nhiệt động kín ? 2) Biểu diễn chu trình Carnot trên đồ thị công và đồ thị nhiệt ? Lập công thức hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot η carnot = f(T 1 , T 2 ) và chứng minh rằng : η carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nguồn nóng T 1 và nhiệt động nguồn lạnh T 2 ? 3) Chứng minh rằng : hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot (η carnot ) cao hơn hiệu suất nhiệt của bất kỳ chu trình của động cơ nhiệt nào khác có cùng nhiệt độ nguồn nóng (T 1 ) và nguồn lạnh (T 2 ) ? 4) Thiết lập chu trình nhiệt động của động cơ đốt trong trên cơ sở chu trình Carnot và các hạn chế kỹ thuật ? 5) Biểu diễn chu trình lý thuyết của động cơ xăng trên đồ thị công, đồ thị nhiệt và lập công thức hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết của động cơ xăng ? 6) Phân tích và biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suấ t nhiệt của động cơ xăng vào tỷ số nén (ε) và tính chất của môi chất công tác (k) ? 7) Biểu diễn chu trình lý thuyết của động cơ diesel trên đồ thị công, đồ thị nhiệt và lập công thức hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết của động cơ diesel ? 8) Phân tích và biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất nhiệt của động cơ diesel vào tỷ số nén (ε), phương pháp cấp nhiệt (ψ, ρ) và tính chất của môi chất công tác (k) ? 9) So sánh chu trình cấp nhiệt đẳng tích với chu trình cấp nhiệt đẳng áp về phương diện hiệu quả kinh tế ? 10) Phân tích và biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất nhiệt của động cơ xăng vào tỷ số nén (ε) và tính chất của môi chất công tác (k) ? - 64 - Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008 BÀI TẬP CHƯƠNG 5 Bài tập 5-1 : Chu trình carnot được thực hiện nhờ 2 nguồn nhiệt có nhiệt độ T max = 900 0 K, T min = 300 0 K. Áp suất lớn nhất mà chu trình đạt được là p max = 60 bar, áp suất nhỏ nhất p min = 1 bar. MCCT là khí lý tưởng với m = 1 kg và k = 1,4. 1) Biểu diễn chu trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt ? 2) Thông số trạng thái (p, v, T) ở các điểm đặc trưng của chu trình ? 3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận và thải ra (q 1 , q 2 ) ? 4) Công chu trình (w) ? 5) Hiệu suất nhiệt (η)? Bài tập 5-2 : Máy nén một cấp lý tưởng nén không khí từ áp suất p 1 = 1 at, nhiệt độ t 1 = 27 0 C đến áp suất p 2 = 8 at. Năng suất máy nén V = 100 m 3 /h, độ tăng nhiệt độ nước làm mát máy nén ∆t m = 13 0 C, nhiệt dung riêng của nước c m = 4180 J/kg.deg. Xem quá trình nén là đa biến có n = 1,2, không khí là khí lý tưởng có khối lượng phân tử µ = 29, nhiệt dung riêng mol đẳng tích c µv = 20,9 kJ/kmol.deg, nhiệt dung riêng mol đẳng áp c µp = 29,3 kJ/kmol.deg, chỉ số nén đoạn nhiệt k = 1,4. 1) Biểu diễn chu trình nhiệt động trên đồ thị công ? 2) Xác định công suất lý thuyết của máy nén (N) ? 3) Xác định lưu lượng nước làm mát máy nén (m m ) ? Bài tập 5-3 : Máy nén một cấp có tỷ số giữa thể tích chết V c và dung tích công tác V s là ω = V c /V s = 0,05. Nén lượng không khí V = 400 m 3 /h từ áp suất p a = 1 bar, nhiệt độ t a = 20 0 C đến áp suất p c = 7 bar. Các quá trình nén và dãn nở là quá trình đa biến với n = 1,3. Hiệu suất hiệu dụng của máy nén η N = 0,7. Xem không khí lý tưởng có khối lượng phân tử µ = 29. 1) Biểu diễn chu trình trên đồ thị công ? 2) Xác định công suất tiêu thụ cho máy nén (N) ? 3) Xác định thể tích riêng của không khí tại các điểm đặc trưng ? 4) Hiệu suất thể tích của máy nén (η v ) ? Bài tập 5-4 : Động cơ xăng 1 xylanh có dung tích công tác V S = 0,006 m 3 , thể tích buồng đốt V C = 0,001 m 3 . Chu trình trình lý thuyết bao gồm các quá trình : nén đoạn nhiệt (a-c), cấp nhiệt đẳng tích (c-z), dãn nở đoạn nhiệt (z-b) và nhả nhiệt đẳng tích (b-a). - 65 - Ass. Prof. Nguyễn Văn Nhận - Engineering Thermodynamics - 2008 t a = 20 0 C, p a = 1 bar, p z = 25 bar. Môi chất công tác là khí lý tưởng có chỉ số đoạn nhiệt k = 1,4, khối lượng phân tử µ = 29, nhiệt dung riêng đẳng tích c µv = 20,9 kJ/kmol.deg. 1) Biểu diễn chu trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt ? 2) Thông số trạng thái (p, v, T) ở các điểm đặc trưng của chu trình ? 3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận và thải ra (Q 1 , Q 2 ) ? 4) Công chu trình (W) ? 5) Hiệu suất nhiệt (η)? Bài tập 5-5 : Chu trình lý thuyết của động cơ diesel bao gồm các quá trình : nén đoạn nhiệt a - c, cấp nhiệt đẳng áp c - z, dãn nở đoạn nhiệt z - b, nhả nhiệt đẳng tích b - a. Môi chất công tác là khí lý tưởng có khối lượng m = 1 kg, phân tử lượng µ = 29, nhiệt dung riêng đẳng áp c µp = 29,3 kJ/kmol.deg, chỉ số đoạn nhiệt k = 1,4. Biết : p a = 1 bar; t a = 20 0 C; tỷ số nén ε = v a /v c = 12,7; tỷ số dãn nở ban đầu ρ = v z /v c = 2 1) Biểu diễn chu trình trên đồ thị công và đồ thị nhiệt ? 2) Thông số trạng thái (p, v, T) ở các điểm đặc trưng của chu trình ? 3) Lượng nhiệt mà MCCT nhận và thải ra (Q 1 , Q 2 ) ? 4) Công chu trình (W) ? 5) Hiệu suất nhiệt (η)? . TẾ CỦA CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 1) Hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt : in out t Q W = η Trong đó : η t - Hiệu suất nhiệt của chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt. Chương 5 : CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ NHIỆT ĐIỂN HÌNH 5.1. KHÁI NIỆM CHUNG • Chu trình nhiệt động bao gồm hàng loạt quá trình nhiệt động kế tiếp nhau, trong đó trạng thái của MCCT. Thiết lập chu trình nhiệt đông của ĐCĐT trên cơ sở chu trình carnot BÀI TẬP CHƯƠNG 5 1) Định nghĩa các khái niệm sau đây : chu trình nhiệt động, chu trình nhiệt động thuận nghịch, chu trình