CHƯƠNG 5. CHU TRÌNH LÝ THUYẾT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC TUABIN KHÍ
Vào những năm 70 của thế kỷ 19 ĐCĐT được xuất hiện. Hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, và được gọi là ĐCĐT vì có quá trình cháy xảy ra ngay trong xianh của động cơ giải phóng hoá năng thành nội năng của sản phẩm cháy được coi là cấp nhiệt cho chất công tác. Việc nghiên cứu động cơ đốt trong là xác định những nhân tố ảnh hưởng tới hiệu suất nhiệt của nó. Để phát huy những ưu điểm và hạn chế nhược điểm nhằm thiết kế chế tạo sửa chữa và sử dụng chúng có hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao. Để đơn giản cho việc nghiên cứu ta đưa ra các giả thiết sau:
- Chu trình là thuận nghịch (bỏ qua ma sát, xoáy lốc...)
- Trong xilanh của động cơ luôn chứa 1 kg khí làm việc và coi là khí lý tưởng.
Vì chu trình là thuận nghịch nên hai quá trình cháy (nổ) thải (xả) xảy ra rất nhanh do đó không phải là quá trình thuận nghịch nhưng coi là hai qúa trình cấp, nhả nhiệt thuận nghịch. Xen kẽ với hai quá trình trên là hai quá trình nén, giãn nở rất nhanh (thực tế là quá trình đa biến) coi là đoạn nhiệt thuận nghịch. Hai quá trình nạp, thải (đẩy khí ra khỏi xupap) không phải là qúa trình nhiệt động mà chỉ là quá trình thay đổi lượng khí trong xilanh vì thế chúng ta không nghiên cứu.
Các ĐCĐT thường làm việc theo các chu trình sau: chu trình cấp nhiệt đẳng tích, đẳng áp, hỗn hợp.
5.1. chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích
Là chu trình có quá trình cháy xảy ra tức thời, piston chưa kịp dịch chuyển nên thể tích công tác của xilanh gần như không đổi.
Đó là chu trình của các động cơ chạy nhiên liệu nhẹ như động cơ chạy xăng, động cơ máy bay, ôtô. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích được biểu diễn trên đồ thị p- và T-s như hình 8.1.
Các đại lượng đặc trưng của chu trình:
- Tỷ số nén:
- Tỷ số tăng áp đẳng tích:
Hai đại lượng này được nhà chế tạo cho trước.
Chu trình gồm các quá trình sau:
a-1: nạp khí vào xilanh (không phải là quá trình nhiệt động, chỉ thay đổi lượng không khí nạp).
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt với tỷ số nén
2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng tích q1, thực chất là quá trình cháy đẳng tích.
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh công.
4-1: quá trình nhả nhiệt đẳng tích q2.
1-a: thải khí ra ngoài.
Hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích:
q1 = q23 = Cv(T3 – T2), q2 = q41 = Cv(T4 – T1)
Ta có:
(5.1)
Nhận xét:
Hiệu suất nhiệt không phụ thuộc vào trạng thái đầu của khí, không phụ thuộc hệ số l. Để tăng hiệu suất nhiệt thì e tăng nhưng không thể tăng mãi e vì T2 bị chặn bởi nhiệt độ tự cháy của nhiên liệu (TC).
Mặt khác e qúa lớn xảy ra hiện tượng nổ cướp làm giảm hiệu suất nhiệt, vì thế với chu trình này (nén hỗn hợp không khí và nhiên liệu) thì e không quá lớn thường ev = 6¸9.
5.2. chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp
Là chu trình có quá trình cháy xảy ra trong điều kiện áp suất không đổi.
Thực tế chu trình cấp nhiệt đẳng áp được áp dụng cho động cơ diesel nhiên liệu là dầu mazút, ở cuối quá trình nén nhiên liệu sẽ tự bốc cháy một cách từ từ. Như vậy sẽ không cần nguồn đánh lửa như động cơ cháy cưỡng bức (đẳng tích). Nhiên liệu được phun vào bằng không khí nén. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng áp được biểu diễn trên đồ thị p- và T-s như hình 5.2.
Các đại lượng đặc trưng của chu trình:
- Tỷ số nén:
- Tỷ số giãn nở sớm:
Hai đại lượng này được nhà chế tạo cho trước.
Chu trình gồm các quá trình sau:
a-1: nạp khí vào xilanh (không phải là quá trình nhiệt động, chỉ thay đổi lượng không khí nạp).
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt với tỷ số nén
2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng áp q1.
3-4: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh công.
4-1: quá trình nhả nhiệt đẳng tích q2
1-a: thải khí ra ngoài.
Hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích:
q1 = q23 = Cp(T3 – T2), q2 = q41 = Cv(T4 – T1)
Ta có:
(8.2)
Nhận xét:
Hiệu suất nhiệt không phụ thuộc vào trạng thái đầu của khí. Để tăng hiệu suất nhiệt thì k, e tăng và r giảm.
5.3. chu trình lý thuyết động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp
Là chu trình có quá trình cháy vừa đẳng tích và vừa đẳng áp.
Thực tế đó là quá trình của động cơ diesel. Chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp được biểu diễn trên đồ thị p-v và T-s như hình 8.3.
Các đại lượng đặc trưng của chu trình:
- Tỷ số nén đoạn nhiệt:
- Tỷ số tăng áp:
- Tỷ số giãn nở sớm:
Các đại lượng này được nhà chế tạo cho trước.
Chu trình gồm các quá trình sau:
a-1: nạp khí vào xilanh (không phải là quá trình nhiệt động, chỉ thay đổi lượng không khí nạp).
1-2: quá trình nén đoạn nhiệt với tỷ số nén
2-3: quá trình cấp nhiệt đẳng tích q1v.
3-4: quá trình cấp nhiệt đẳng áp q1p.
4-5: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh công.
5-1: quá trình nhả nhiệt đẳng tích q2
1-a: thải khí ra ngoài.
Hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích:
q1 = q1v + q1p = Cv(T3 – T2) + Cp(T4 – T3), q2 = Cv(T5 – T1)
Ta có:
(5.3)
Nhận xét: Để hiệu suất nhiệt tăng thì k tăng và e, l, r¯.
Thực tế cho thấy rằng khi tăng tỷ số nén e và chỉ số đoạn nhiệt k thì hiệu suất của chu trình tăng lên nhiều, nhưng tuỳ từng điều kiện cụ thể của nhiên liệu mà tỷ số nén của các loại động cơ có khác nhau. Đối với động cơ cấp nhiệt đẳng tích là loại động cơ cháy cưỡng bức trị số của tỷ số nén thường lấy trong khoảng 6¸9. Đối với động cơ tự cháy tỷ số nén phải có trị số lớn hơn để đảm bảo cho nhiên liệu tự cháy được, nhưng nếu quá lớn sẽ gây ra tổn thất nhiều về cơ khí và khó khăn trong việc chế tạo vì vậy đối với các động cơ này e không vượt quá từ 15¸20.
Đối với tỷ số giãn nở sớm r càng giảm càng tốt vì nếu r tăng thì tổn thất nhiệt sẽ tăng nhiều.
Đây là chu trình tổng quát, từ biểu thức hiệu suất nhiệt ht ta có thể suy ra được biểu thức của các chu trình đã nghiên cứu. Vậy nếu chu trình hỗn hợp này có:
5.4. so sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình động cơ đốt trong
Tuỳ theo từng điều kiện cụ thể mà động cơ làm việc theo những chu trình khác nhau. Việc so sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình động cơ đốt trong cùng trong điều kiện nhất định để thấy được chu trình nào có tính ưu việt hơn cả.
Việc so sánh được tiến hành bằng cách so sánh các diện tích biểu thị q1, q2 trên đồ thị T-s.
5.4.1. So sánh khi cùng tỷ số nén e và nhiệt lượng cấp vào q1
Hình vẽ bên biểu diễn ba chu trình có cùng tỷ số nén e và q1 trong đó:
1v2v3v4v1v- chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
1p2p3p4p1p- chu trình cấp nhiệt đẳng áp.
123451- chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.
Vì các trị số q1 bằng nhau nên diện tích (s123vs4vs1) = diện tích (s1234s5s1) = diện tích (s123ps4ps1), còn trị số q2 của các chu trình là: (của chu trình đẳng tích) diện tích (s114vs4vs1) < (của chu trình hỗn hợp) diện tích (s115s5s1) < (của chu trình đẳng áp) diện tích (s14ps4ps1).
Như vậy nhiệt lượng thải ra của chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn nhất và của chu trình cấp nhiệt đẳng tích nhỏ nhất, chu trình hỗn hợp có trị số trung gian.
htp < ht < htv (5.4)
5.4.2. So sánh khi cùng pmax, Tmax, pmin và Tmin
Ba chu trình được biểu diễn trên một đồ thị có áp suất p3 nhiệt độ T3 áp suất p1, nhiệt độ T1 như nhau. Trong đó:
12v3v4v1- là chu trình cấp nhiệt đẳng tích;
12p3p4p1- là chu trình cấp nhiệt đẳng áp;
123451- là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.
Từ hình vẽ ta thấy trong cả ba chu trình trên đều có q2 bằng nhau được biểu diễn bằng diện tích (15s5s11) theo một tỷ lệ xích nào đó, còn nhiệt lượng q1 thì có trị số khác nhau. Trong đó chu trình cấp nhiệt đẳng áp có trị số q1 lớn nhất. Vì vậy theo công thức chung tính hiệu suất nhiệt của chu trình thì chu trình cấp nhiệt đẳng áp có hiệu suất lớn nhất, chu trình cấp nhiệt đẳng tích có hiệu suất nhỏ nhất và chu trình cấp nhiệt hỗn hợp có trị số trung gian. Ta có:
htp > ht > htv (5.5)
5.5. chu trình tuabin khí
Tuabin khí là loại thiết bị có nhiều ưu điểm so với động cơ đốt trong vì:
- Không có lực chuyển động qua lại nên không cần có cơ cấu thanh truyền-trục khuỷu.
- Số vòng quay lớn, khối lượng thiết bị nhỏ.
- Công suất trong mỗi máy có thể rất lớn.
- Có thể dùng những loại nhiên liệu rẻ tiền.
- Trong chu trình có thể thực hiện được quá trình giãn nở hoàn toàn nên hiệu suất của thiết bị lớn.
Với những ưu điểm ở trên tuabin khí được dùng nhiều trong kỹ thuật nhất là đối với ngành hàng không.
Nguyên lý làm việc của tuabin khí khác với động cơ đốt trong: không khí nén được đưa vào buồng cháy, tạo thành sản phẩm cháy rồi đi vào ống tăng tốc của tuabin. Trong ống tăng tốc chất môi giới giãn nở đoạn nhiệt tạo nên vận tốc lớn rồi thổi vào cánh quạt gắn trên bánh động làm quay trục máy.
Chu trình lý thuyết tuabin khí gồm hai loại sau: Chu trình cấp nhiệt đẳng áp và chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
5.5.1. Chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp
Sơ đồ đơn giản của tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp được biểu diễn như hình 8.5. Máy nén 1 được dẫn động bằng tuabin khí 2, không khí nén từ máy nén đi vào buồng cháy 3, nhiên liệu lỏng từ bơm 5 cũng được đưa vào buồng cháy qua vòi phun. Bơm nhiên liệu cũng gắn lên trục của tuabin. Sản phẩm cháy được giãn nở trong ống phun 4 và một phần trên cánh công tác của tuabin rồi thải ra ngoài.
Chu trình nhiệt động của tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp được biểu diễn trên đồ thị p-v và T-s như hình 5.6.
Công của chu trình được biểu diễn bằng diện tích (12341) trên đồ thị p-v. Trong chu trình ấy:
1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt của không khí trong máy nén.
2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng áp, thực chất là quá trình cháy đẳng áp trong buồng cháy với nhiệt lượng q1.
3-4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt của không khí trong tuabin.
4-1 là quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra ngoài môi trường với nhiệt lượng q2.
Tỷ số tăng áp suất của không khí trong máy nén (giả thiết là nén đoạn nhiệt):
Tỷ số giãn nở sớm:
Hiệu suất nhiệt của chu trình có thể biểu diễn bằng biểu thức chung:
Ở đây: q1 = Cp(T3 – T2)
q2 = Cp(T4 – T1)
Các thông số ở các điểm đặc trưng của chu trình có thể tìm theo công thức liên hệ giữa các thông số của chất khí trong quá trình đoạn nhiệt và đẳng áp.
Điểm 2:
Điểm 3:
Điểm 4:
Vậy hiệu suất nhiệt của chu trình bằng:
(5.6)
Công của chu trình bằng:
Công thức trên chứng tỏ hiệu suất nhiệt của tuabin khí đối với chất môi giới đã cho (k đã cho) chỉ phụ thuộc vào mức độ tăng áp của động cơ và khi tăng p thì hiệu suất nhiệt của chu trình cũng tăng.
5.5.2. Chu tình lý tưởng của tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích
Tua bin khí làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng tích thì qúa trình cháy tiến hành trong buồng kín.
Máy nén 1 cùng quay với tuabin 2, đưa không khí nén qua van vào buồng cháy 3. Nhiên liệu được vào buồng cháy từ bơm 5 gắn trên trục máy và qua vòi phun nhờ van trong vòi phun để điều chỉnh thời gian phun. Sau khi cháy xong sản phẩm cháy qua van 6 ở cuối buồng cháy rồi qua ống phun 4 để vào tuabin. Khi qua các cánh tuabin chất môi giới thực hiện công sau đó thải ra ngoài môi trường.
Quá trình cháy trong buồng cháy là quá trình đẳng tích vì khi đó các van đều đóng lại.
Chu trình lý thuyết của tuabin khí cấp nhiệt đẳng tích được biểu diễn trên đồ thị p-v và T-s.
Ở đây: 1-2 là quá trình nén đoạn nhiệt không khí nén trong máy nén.
2-3 là quá trình cấp nhiệt đẳng tích (nhiên liệu được phun vào và thực hiện quá trình cháy).
3-4 là quá trình giãn nở đoạn nhiệt của sản phẩm cháy trong tuabin.
4-1 là quá trình nhả nhiệt đẳng áp ra môi trường bên ngoài.
Tỷ số tăng áp suất của không khí trong máy nén (giả thiết là nén đoạn nhiệt):
Tỷ số tăng áp trong quá trình cấp nhiệt:
Hiệu suất nhiệt của chu trình có thể biểu diễn bằng biểu thức chung:
Ở đây: q1 = Cv(T3 – T2)
q2 = Cp(T4 – T1)
Các thông số ở các điểm đặc trưng của chu trình có thể tìm theo công thức liên hệ giữa các thông số của chất khí trong quá trình đoạn nhiệt và đẳng áp.
Điểm 2:
Điểm 3:
Điểm 4:
Vậy hiệu suất nhiệt của chu trình bằng:
(8.7)
Công của chu trình bằng:
Từ công thức tính hiệu suất nhiệt ở trên chứng tỏ rằng hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào mức độ tăng áp của không khí trong máy nén và mức tăng áp trong quá trình cháy l.
5.5.3. So sánh chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp và đẳng tích
5.5.3.1. So sánh khi cùng tỷ số tăng áp trong máy nén p
Trên đồ thị T-s biểu thị chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp và đẳng tích khi có cùng tỷ số tăng áp trong quá trình nén p.
Từ hình 8.8a ta thấy trong cả hai chu trình đều có nhiệt lượng thải ra bằng nhau và bằng diện tích (14s4s11). Nhưng đối với chu trình cấp nhiệt đẳng tích q1 lớn hơn nhiều nên hiệu suất nhiệt của chu trình đẳng tích lớn hơn. Sự so sánh này không có ý nghĩa thực tế vì mức độ giãn nở của chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn hơn chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
5.5.3.2. So sánh khi có cùng nhiệt độ và áp suất lớn nhất, nhỏ nhất
Trên đồ thị biểu diễn chu trình tuabin khí cấp nhiệt đẳng áp và đẳng tích khi cùng điều kiện áp suất và nhiệt độ lớn nhất, nhỏ nhất. Từ hình vẽ ta thấy cả hai chu trình có q2 như nhau nhưng q1p > q1v. Do đó hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn hơn hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
Điều đó đã giải thích tại sao phần lớn các tuabin hiện đại lại làm việc theo chu trình cấp nhiệt đẳng áp.
Bài tập chương
Bài 1:
Một chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích có tỉ số nén bằng 8, trước khi nén không khí có áp suất bằng 0,1 MPa và nhiệt độ là 15oC; Nhiệt lượng cung cấp cho 1 kg không khí trong 1 chu trình bằng 1800kJ/kg.
a) Biểu diễn chu trình trên đồ thị p - v và T - s. Xác định áp suất và nhiệt độ ở các đỉnh của chu trình;
b) Tính nhiệt lượng, công và hiệu suất của chu trình;
c) Vẽ chu trình Cacnô trong cùng phạm vi nhiệt độ nguồn nhiệt và so sánh hiệu suất nhiệt.
Bài 2:
Cho một chu trình động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích, thể tích làm việc là Vh = 0,006m3, thể tích thừa Vth = 0,001 m3; môi chất la không khí có thông số khi nạp là 20oC và 1 bar; áp suất lớn nhất trong chu trình là 25bar
a) Biểu diễn chu trình trên đồ thị p - v và T - s;
b) Tính nhiệt lượng, công trao đổi trong chu trình;
c) Tính hiệu suất nhiệt của chu trìnhvà so sánh với chu trình Cacnô thuận chiều thuận nghịch trong cùng phạm vi nhiệt độ nguồn nhiệt.
Bạn đang đọc truyện trên: Truyen2U.Pro