3 Chu trình nhiệt động 1. Định nghĩa chu trình nhiệt động Để biến nhiệt thành công trong các máy nhiệt phải dùng chất môi giới và cho chất môi giới giãn nở. Muốn nhận được công liên tục chất môi giới phải giãn nở liên tục. Nhưng chất môi giới không thể giãn nở mãi vì kích thước máy có hạn. Vì vậy muốn nhận được công liên tục sau khi giãn nở người ta nén chất môi giới để cho nó trở về trạng thái ban đầu và tiếp tục giãn nở, nén lần thứ hai... Chu trình nhiệt động là quá trình trong đó chất môi giới thay đổi trạng thái một cách liên tục rồi lại trở về trạng thái ban đầu. 3. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 3 Chu trình nhiệt động Q 1 Q 2 Q 2 Q 2 W= Q 1 -Q 2 3. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 4 - Công của chu trình Công của chu trình là công của chất môi giới tác dụng tới môi trường khi chất môi giới thực hiện một chu trình. Ký hiệu: Wo (J) hoặc wo (J/kg). Vì d(pv) = pdv + vdp, chu trình là quá trình khép kín nên ta có: Vì tích số pv là một hàm trạng thái nên: và ; Vậy ta có thể viết: suy ra (2)
####### d pv ( )= pdv +vdp ####### d pv ( )= 0 pdv = wi vdp = − −vdp = −wkti ####### 0 = w i − wkt i i kti w =w - KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7 Mặt khác, ta nhận thấy nhìn về toàn bộ thì chu trình là một hệ kín mà công ngoài của hệ kín là công thay đổi thể tích công của chu trình là công thay đổi thể tích và ta có: Kết hợp (2) và (2), công của chu trình được tính bằng biểu thức: n 0 i i 1w w
\= (2)i n n 0 i kt i 1 i 1 W w w = = \= = (2)
- KHÁI NIỆM CƠ BẢN 8
- Công của chu trình tính theo nhiệt:
- Từ PT Định luật I: dq=du+dw
- Đối với chu trình ta có thể viết: Trong đó: Vì u là hàm trạng thái Vì w là hàm trạng thái Là tổng đạo số của các quy trình trong chu trình n 0 i i 1w q
\= Vậy ta có: (2) (2’) 𝑞𝑖 3. KHÁI NIỆM CƠ BẢN 9 - Đối với động cơ nhiệt: q1>0, q2<0, nên biểu thưc 2’ có dạng
- Đối với chu trình máy lạnh hoặc bơm nhiệt: q1<0, q2>0, nên biểu thưc 2’ có dạng w o = q 1 − q 2 q 1 q 2 w o 0 w o = q 2 − q 1 w o = q 1 − q 2 q 1 q 2 w o 0 Vì Vì Nên hay Nên
- KHÁI NIỆM CƠ BẢN 10
3.2. Khái niệm chung Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt có pit tông trong đó nhiên liệu cháy trực tiếp trong xy lanh của động cơ và thực hiện quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng. ❖ Khi nghiên cứu để thuận tiện người ta đưa ra một số giả thiết : + Các tính chất vật lý của môi chất không thay đổi trong chu trình. + Các quá trình xảy ra đều là thuận nghịch, coi quá trình nén và giãn nở là quá trình đoạn nhiệt. + Quá trình cháy thay bằng quá trình cấp nhiệt và quá trình thải sản phẩm cháy bằng quá trình nhả nhiệt đẳng tích. 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 13 ❖ Phân loại theo nhiên liệu sử dụng : - Động cơ dùng nhiên liệu lỏng loại nhẹ – động cơ xăng.
- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng loại nặng – động cơ điêzen.
- Động cơ dùng nhiên liệu khí – động cơ ga. ❖ Phân loại theo quá trình cấp nhiệt
- Chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp.
- Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp.
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 14
❖ Phân loại theo số kỳ để thực hiện một chu trình: + Động cơ 4 kỳ. + Động cơ 2 kỳ. → Chu trình làm việc gồm 4 quá trình: Quá trình nạp Quá trình nén Quá trình cháy và giãn nở Quá trình thải 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 15 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 16 3.2. Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong cấp nhiệt đẳng tích a. Đồ thị chu trình b. Mô tả các quá trình chu trình + 1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt + 2-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng tích với nhiệt lượng cấp vào là q 1 + 3-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt + 4-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng tích với nhiệt lượng nhả ra là q 2 T s 1 v = const 2 3 4 v = const 1 q 2 2 4 p v q 1 dq = 0 dq = 0 3 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 19 c. Các đại lượng đặc trưng của chu trình Tỷ số nén (trong quá trình nén): Tỷ số tăng áp (trong quá trình cấp nhiệt): Nhiệt lượng cấp cho chu trình: q 1 = Cv(T 3 −T 2 ) Nhiệt lượng nhả ra trong chu trình: |q 2 | = Cv(T 4 −T 1 ) Hiệu suất của quá trình: 1 2 v v = 3 2 p p = ( ) ( ) ( ) ( ) 2 v 4 1 4 1 t 1 v 3 2 3 2 q C T T T T 1 1 1 q C T T T T − − = − = − = − − − (3) (3) (3) (3) (3) 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 20 Xét các quá trình để tìm mối quan hệ nhiệt độ: + Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2: + Trong quá trình đẳng tích 2-3: + Trong quá trình đoạn nhiệt 3-4: Hiệu suất của chu trình là: k 1 2 1 k 1 k 1 2 2 1 T v 1 T v T T − = = − − = k 1 3 2 1 3 3 2 2 T p T T T p = = = T = − k 1 k 1 4 3 2 k 1 3 4 1 4 1 T v v 1 T v T v T − − − = = = = t k 1 1 = 1 − − (3) (3) (3) (3) 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 21 ❖ Nhận xét: - chỉ phụ thuộc vào số mũ đoạn nhiệt k và tỷ số tăng áp .
- Vì k phụ thuộc vào bản chất của môi chất, nhưng k thay đổi ít khi thành phần nhiên liệu thay đổi → hiệu suất nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào .
- Khi tăng → tăng → p và T cuối quá trình nén tăng → dễ gây ra hiện tượng kích nổ ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc bình thường của động cơ → có thể phá huỷ các bộ phận của động cơ. thường lấy trong khoảng (8 12).
- Trong thực tế các quá trình của động cơ xăng tương ứng với chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 22
Xét các quá trình để tìm mối quan hệ nhiệt độ: - Trong quá trình đoạn nhiệt 1-2:
- Trong quá trình đẳng áp 2-3:
- Trong quá trình đoạn nhiệt 3-4: Hiệu suất của chu trình là: k 1 2 1 k 1 2 1 k 1 1 2 T v T T T v − − − = = = k 1 3 2 1 3 3 2 2 T v T T T T v = = = = − k 1 k 1 k 4 1 k 1 4 3 3 2 k 1 3 4 2 1 T v v v . T T T v v v − − − − = = = ( ) k t k 1 1 1
- k 1 − − = − − (3) (3) (3) (3)
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 25 ❖ Nhận xét:
- Hiệu suất nhiệt của chu trình phụ thuộc vào k, , .
- Khi tỷ số nén tăng, độ giãn nở sớm giảm thì tăng.
- Chu trình cấp nhiệt đẳng áp tương ứng với các quá trình của động cơ điêzen với việc phun nhiên liệu bằng không khí nén.
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 26
3.2. Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong cấp nhiệt hỗn hợp a. Đồ thị chu trình b. Mô tả các quá trình chu trình + 1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt. + 2-3: Quá trình cấp nhiệt đẳng tích với nhiệt lượng cấp vào là q 1 ’. + 3-4: Quá trình cấp nhiệt đẳng áp với nhiệt lượng cấp vào là q 1 ’’. + 4-5: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt. + 5-1: Quá trình nhả nhiệt đẳng tích với nhiệt lượng nhả ra là q 2. p v q 2 1 dq = 0 dq = 0 2 3 4 5 ,, q 1 , q 1 T s 1 v = const 2 4 5 p = const 3 v = const 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 27 c. Các đại lượng đặc trưng của chu trình Tỷ số nén (trong quá trình nén): Tỷ số tăng áp (trong quá trình cấp nhiệt): Độ giãn nở sớm (trong quá trình cấp nhiệt): Nhiệt lượng cấp cho chu trình: Nhiệt lượng nhả ra trong chu trình: 1 2 v v = 3 2 p p = 4 3 v v = ( ) ( ) ( ) ( ) , ,, 1 1 1 v 3 2 p 4 3 1 v 3 2 v 4 3 q q q C T T C T T q C T T kC T T = + = − + − = − + − q 2 = C v ( T 5 −T 1 ) (3) (3) (3) (3) (3) 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 28 3.2. So sánh hiệu suất nhiệt của các chu trình động cơ đốt trong a> Cùng tỷ lệ nén và cùng nhiệt lượng cấp q 1 1-2-3-4 : Là chu trình cấp nhiệt đẳng tích. 1-2-3”-4” : Là chu trình cấp nhiệt đẳng áp. 1-2-3’-4’ : Là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Hiệu suất nhiệt được tính theo công thức: - Từ đồ thị → nhiệt lượng nhả ra trong chu trình: q2v < q2hh < q2p
- Mặt khác q1v = q1hh = q1p nên ta được: v > hh > p Nếu các chu trình làm việc với cùng tỷ lệ nén thì chu trình cấp nhiệt đẳng tích có hiệu suất nhiệt cao nhất. T s 1 v=const 2 ' 2 3 3 ' '' 3 4 4 ' 4 '' a b c d v=const p=const 2 t 1 q 1 q = −
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 31 b> Cùng nhiệt lượng nhả ra q 2 , cùng pmax, Tmax (chế độ làm việc nặng nhọc) 1-2-3-4 : Là chu trình cấp nhiệt đẳng tích. 1-2’’-3-4: Là chu trình cấp nhiệt đẳng áp. 1-2’-3’-3-4: Là chu trình cấp nhiệt hỗn hợp. Hiệu suất nhiệt được tính theo công thức:
- Từ đồ thị → nhiệt lượng cấp cho chu trình: q1p > q1hh > q1v
- Mặt khác q2v = q2hh = q2p nên ta được: p > hh > v
- Hiệu suất nhiệt của chu trình cấp nhiệt đẳng áp trong điều kiện trên là lớn nhất cũng vì: p > hh > v. 2 t 1 q 1 q = − T s 1 2 ' 2 3 3 ' 4 a b v=const 2 '' v=const p=const
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 32 (3)
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 33 3.1. Chu trình tua bin khí
- Là chu trình cấp nhiệt đẳng áp
- Hiệu suất nhiệt
- Trong đó: tỷ số tăng áp tróng quá trình nén T 1 , T 2 : nhiệt độ không khí vào và ra khỏi máy nén k : hệ số mũ đoạn nhiệt 1 t (k 1)/k 2 T 1 1 1 T − = − = − 2 1 p p = 3.3. Khái niệm chung ❖ Làm lạnh một vật là làm giảm nhiệt độ của vật đó:
- Làm lạnh tự nhiên → chỉ giảm tới nhiệt độ môi trường xung quanh.
- Làm lạnh nhân tạo → có thể giảm xuống thấp hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh.
- Máy lạnh dùng để hạ nhiệt độ của vật xuống thấp hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh và giữ nhiệt độ đó trong một thời gian dài.
- Máy lạnh làm việc theo chu trình ngược – tức là nhiệt truyền từ vật có nhiệt độ thấp đến vật có nhiệt độ cao bằng cách tiêu tốn công từ ngoài.
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH 34
- Amôniac thường được sử dụng trong các máy lạnh (hoặc bơm nhiệt) công nghiệp như để sản xuất nước đá, làm đông lạnh... vì nhiệt hoá hơi của NH 3 lớn nên cho công suất lớn.
- Các loại Frêon thường được sử dụng trong máy lạnh sinh hoạt như: tủ lạnh, tủ đá,... vì ở đây không đòi hỏi công suất lớn và ưu điểm của Frêon là không mùi, không độc.
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH 37 3.2. Chu trình máy lạnh dùng hơi có máy nén a. Sơ đồ máy lạnh Môi chất của máy lạnh dùng hơi là hơi của các chất lỏng dễ bay hơi như: NH 3 , CO 2 , Frêon... I - Máy nén hơi II - Dàn ngưng hơi III - Van tiết lưu IV - Buồng lạnh trong đó có dàn bay hơi. I II IV III p 0 1 x= x= T 0 s q 2 pk 2 43 5 b. Chu trình làm việc của máy lạnh gồm: 1-2: Là quá trình nén đoạn nhiệt hơi trong máy nén I. 2-3-4: Là quá trình ngưng hơi đẳng áp trong dàn ngưng II. 4-5: Là quá trình tiết lưu ở van tiết lưu III. 5-1: Là quá trình bay hơi xảy ra ở dàn bay hơi trong buồng lạnh IV. 1 4 2 5
- CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH 38
- Nguyên lý làm việc của máy lạnh - Hơi bão hoà khô từ buồng lạnh IV được hút vào máy nén I - Trong máy nén, hơi bão hoà khô được nén từ p 0 tới pk và trở thành hơi quá nhiệt (điểm 2). - Hơi quá nhiệt có pk đi vào dàn ngưng II tại đó được làm lạnh đẳng áp pk = const nhờ không khí hoặc nước làm mát. - Sau dàn ngưng là chất lỏng sôi có áp suất pk biểu diễn bằng điểm 4. - Chất lỏng sôi được tiết lưu qua van tiết lưu III → Áp suất giảm từ pk đến p 0 và nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của buồng làm lạnh. - Sau van tiết lưu là hơi bão hoà ẩm có độ khô x nào đó, hơi này vào dàn bay hơi đặt trong buồng lạnh IV, tại đây hơi nhận nhiệt từ vật cần làm lạnh → Hơi bão hoà ẩm trở thành hơi bão hoà khô đi vào máy nén tiếp tục chu trình tiếp theo. 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH 39 d. Các đại lượng đặc trưng của chu trình là: ❖ Hệ số làm lạnh: Trong đó: q 1 : Là nhiệt lượng môi chất lạnh nhả ra ở dàn ngưng; |q 1 | = i 2 – i 4 q 2 : Là nhiệt lượng môi chất lạnh nhận được từ buồng lạnh; q 2 = i 1 – i 5 w 0 : Là công tiêu tốn trong chu trình; |w 0 | = |q 1 | – q 2 = (i 2 – i 4 ) – (i 1 – i 5 ) Vì i 4 = i 5 nên |w 0 | = i 2 – i 1 Thay q 2 và w 0 vào PT trên, ta có: 2 2 0 1 2 q q w q q = = − 1 5 2 1 i i i i − = − (3) (3) 3. CHU TRÌNH LÝ TƯỞNG CỦA CÁC THIẾT BỊ LẠNH 40
| 
