động lực học kỹ thuật

- Trạng thái 3: Tiếp tục cấp nhiệt chất lỏng tiếp tục hóa hơi- Trạng thái 4: T= 100oC gọi là nhiệt độ bão hòa, chỉ có hơi bão hòa không còn chất lỏng - Trạng thái 5: Tiếp tục cấp nhiệt

TR¯àNG Đ¾I HàC CÔNG NGHà KHOA C¡ KỸ THUÀT VÀ Tþ ĐÞNG HÓA

TIàU LUÀN CUàI KỲ

MÔN: <NHIàT ĐÞNG LþC HàC TRONG KỸ THUÀT= NM 2021

*** Lßp : EMA2038_1

Há và tên sinh viên:

Lê Công Hiếu Mã sinh viên : 18020508 – Nam Lớp: K63H1 – Khoa CHKT&TĐH

Giảng viên : PGS TS Nguyßn Thế Hián

A Lý thuyết

I.Thußc tính của n°ßc và h¢i n°ßc đ°ợc trình bày trên mßt giản đồ tổng thá T,v

Trong chu trình rankine người ta sử dụng môi chất là nước với hơi nước Phân tích: Ta tìm hiểu đến quá trình chuyển pha ẩn nhiệt trong nước và hơi nước

- Từ trạng thái 1 đến trạng thái 2: nước là chất lỏng, thể tích riêng tăng rất ít Chất lỏng dưới trạng thái 2 được gọi là chất lỏng siêu lạnh hoặc chất lỏng bị nén - Trạng thái 2(100oC): Chất lỏng bão hòa

- Trạng thái 3: Tiếp tục cấp nhiệt chất lỏng tiếp tục hóa hơi

- Trạng thái 4: T= 100oC gọi là nhiệt độ bão hòa, chỉ có hơi bão hòa ( không còn chất lỏng)

- Trạng thái 5: Tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ hơi tiếp tụ tăng gọi là hơi siêu nhiệt

Từ kêt quả của qusa trình chuyán pha ta tổng hợp đ°ợc các tr¿ng thái và sử

dụng biáu đồ T-V:

Kết quả của quá trình chuyển pha:

Nước ở điểm A: Nước ở nhiệt độ bão hòa (nước sôi – chất lỏng bão hòa) Hơi nước ở điểm B: được gọi là hơi bão hòa ẩm (tồn tại song song nước và hơi) Hơi ở điểm C được gọi là hơi bão hòa khô

Tại điểm D, hơi được gọi là hơi siêu nhiệt

Giản đồ T-V biểu diễn sự phụ thuộc của thể tích riêng và nhiệt độ của nước ở áp suất khác nhau Biểu đồ T-V (ở hình dạng chuông) chuông có đỉnh điểm gọi là điểm tới hạn

- Trên điểm tới hạn không phân biệt được hơi và lỏng (siêu nhiệt), - trong chuông là hơi, lỏng bão hòa.

- Bên trái đỉnh điểm tới hạn là chất lỏng bão hòa, nhiệt dộ sôi tương ứng với aps suất khác nhau

- Bên phải là đường hơi bão hòa (hơi ở áp suất và nhiệt độ khác nhau, - Bên trong là hơi lỏng bão hòa

Chúng ta đi xem xét đến định nghĩa các trạng thái mỗi trạng thái được định nghĩa bởi hệ sế phẩm chất

Hệ số phẩn chất: X= �㕣−�㕣ÿ�㕣ÿĀ

Trong đó:

vg là thể tích riêng của hơi bão hòa vf là thể tích riêng củ ỏng bão hòaa l vfg= vg-vf

X là hệ số ph m chẩ ất (là giá trị đơn trị cho mỗi một điểm, có một giá trị số duy nhất)

* T¿i sao ng°ái ta sử dụng môi chất là n°ßc và h¢i n°ßc trong chu trình rankine - Tng đ°ợc hiêu suất cho tru chình

- Tng đ°ợc há sá phẩm chất của turbine

- Tránh đ°ợc sÿ n mòn của cánh turbine

* Giải thích

Dùng n°ßc ở tr¿ng tái lßng, n°ßc bình th°áng ở nhiát đß th°áng, áp suất th°áng ta cấp nhiát vào cho nó thì nó sái Ta nén nó lên h¢i n°ßc áp suất cao nhiát đß cao, do ta biết nhiát hóa h¢i là rất lßn cho nên h¢i n°ßc biến thành h¢i nó nhÁn đ°ợc rất nhißu nhiát, nhÁn đ°ợc mßt l°ợng nhiát có nng l°ợng của nó

tng lên rất nhißu và khi nó hóa h¢i hoàn toàn ở tr¿ng thái này thì ta cấp đ°ợc

mßt l°ợng nhiát là t°¢ng ứng vßi công này

Sau đó cho nó trở l¿i tr¿ng thái h¢i, nh°ng mà hóa h¢i, lúc đó nó sinh công,

giảm nhiát đß, giảm áp suất, sinh công trên turbine ( Quá trình 1->2) Ta lấy nhiát của ,môi chất làm giảm Entropy xuáng thì h¢i biến thành n°ßc

Tr¿ng thái siêu nhiát, h¢i nh°ng mà h¢i nóng h¢n cùng cáp suất ở tr¿ng

thái 1 thì ta sẽ đ°ợc tr¿ng thái 1’ Cùng áp suất đó cho giãn nở qua Turbine thì sẽ nhÁn đ°ợc công lßn h¢n khi ở tr¿ng thái 1, đồng thái ở tr¿ng thái 2’ thì d¿n đến há sá phẩm chất cao, gặp thuÁn lợi cho viác tng hiáu suất nhiát, vừa tng há sá phẩm chất, bảo vá đ°ợc tuarbine không bß h° Do h¿t n°ßc ở áp suất cao,

nhiát đß cao

II Nguyên lý thiết kế, ho¿t đßng và hiáu suất nhiát của Chu trình Rankine 1 Đßnh nghĩa

Chu trình Rankine là một mô hình được sử dụng để dự đoán hiệu suất của các

cơ hơi nước qua lại Chu trình Rankine là một chu trình nhiệt động lý tưởng hóa của động cơ nhiệt chuyển đổi nhiệt thành công cơ học trong khi trải qua thay đổi pha Đó là một chu trình lý tưởng hóa trong đó tổn thất ma sát ở mỗi trong bốn thành phần bị bỏ qua Nhiệt được cung cấp bên ngoài vào một vòng kín, thường sử dụng nước làm chất lỏng làm việc

hơi nước thường thấy trong các nhà máy phát điện nhiệt tạo ra năng lượng Sinh nhiệt bằng cách đốt các nhiên liệu tạo ra công suất lớn Công suất phụ thuộc vào sự chênh

học càng được tạo ra từ năng lượng nhiệt càng lớn, theo định lý của Carnot

Từ đó ra thấy nguyên lý thiết kế phụ thuộc vào nguồn nóng và nguồn lạnh Nguồn nóng: Là nguồn tạo nhiệt, sử dụng các nhiên liệu hóa thạch trong tự nhiên như

th¿ c¿n có sÿ góp mặt cÿa ngußn l¿nh trong chu trình rankine Có thß hißu ngußn l¿nh trong chu trình rankine là n¡i có nhißu n±ßc, n±ßc ch¿y m¿nh nh± sông hoặc bißn, đó là lý do vì sao các nhà máy đißn đßu đặt ß các con sông lßn.Do đó khi thi¿t k¿ hß thßng Rankine th±ßng sẽ sử dÿng nhißu cho các nhà máy nhißt đißn và n¡i có đ¿p, hß chÿa lßn

Ngoài n±ßc thì cũng có r¿t nhißu ch¿t lßng khác đ±ÿc sử dÿng làm ngußn nóng cÿa chu trình rankine nh±ng suy cho cùng lÿi ích cÿa ngußn l¿nh n±ßc này là sÿ phong phú, không đßc h¿i, chi phí th¿p và và đặt tính nhißt đßng cÿa nó H¡i n±ßc đ±ÿc ng±ng tÿ, giúp gi¿m áp su¿t đ¿u ra cÿa tuabin và b¡m c¿p lißu chß tiêu thÿ ch±a đ¿n 3% công su¿t đ¿u ra mang l¿i hißu qu¿ cao h¡n

3 Nguyên lý ho¿t đßng của Chu trình Rankine

Có bốn quy trình trong chu trình Rankine Các trạng thái được xác định bằng số (màu nâu) trong sơ đồ T - s P-V

1.Máy b¢m: là thiết bị nén nước sau khi ngưng tụ ở áp suất thấp đến áp suất cao để đưa trở lại vào lò hơi

2 Lò h¢i: Sản xuất ra hơi nước nhờ quá trình đốt cháy nhiên liệu Nhiên liệu sau khi cháy sẽ phát sinh nhiệt và thông qua bề mặt trao đổi nhiệt sẽ truyền nhiệt cho nước biến thành hơi bão hòa khô

3 Turbine: Hơi quá nhiệt áp suất và nhiệt độ cao sau khi ra khỏi bộ quá nhiệt được phun lên cánh turbine làm trục turbine quay kéo máy phát điện để biến công thành điện

4 Bình ng°ng: Là thiết bị trao đổi nhiệt, có nhiệm vụ biến hơi nước sau giãn nở sau turbine thành trạng thái lỏng bão hòa Quá trình này là quá trình ngưng tụ, hơi sẽ nhả nhiệt ccho nguồn nước giải nhiệt bên ngoài

Sơ đồ nguyên lý:

• Quy trình 1-2: Chất lỏng làm việc được bơm từ áp suất thấp đến cao Vì chất lỏng

là chất lỏng ở giai đoạn này, máy bơm đòi hỏi ít năng lượng đầu vào, công không

suất không đổi bằng nguồn nhiệt bên ngoài để trở thành hơi bão hòa khô Năng lượng đầu vào cần thiết có thể được tính toán một cách dễ dàng bằng phần mềm, sử dụng biểu đồ biểu đồ Mollier hoặc bằng số, sử dụng bảng hơi nước Mặt khác,

-quay cánh quạt của động cơ turbine tạo ra năng lượng Điều này làm giảm nhiệt độ và áp suất của hơi, và một số hiện tượng ngưng tụ có thể xảy ra Kết quả của quá trình này có thể được tính toán dễ dàng bằng biểu đồ hoặc bảng được ghi chú ở

suất không đổi để trở thành chất lỏng bão hòa Mặt khác, Quy trình 4-1 là loại bỏ nhiệt áp suất không đổi trong thiết bị ngưng tụ

Trong một chu trình Rankine lý tưởng, bơm và tua-bin sẽ là đẳng hướng, tức là,

và gần giống với chu trình Carnot hơn

Chu trình Rankine được hiển thị ở đây ngăn chặn trạng thái của chất lỏng làm việc kết thúc ở vùng hơi quá nhiệt sau khi giãn nở trong turbine, làm giảm năng lượng được loại bỏ bởi các bình ngưng

Chu trình năng lượng hơi thực tế khác với chu trình Rankine lý tưởng do không thể đảo ngược các thành phần vốn có do ma sát chất lỏng và mất nhiệt với môi trường xung quanh; ma sát chất lỏng làm giảm áp suất trong nồi hơi, thiết bị ngưng tụ và đường ống giữa các bộ phận và kết quả là hơi nước rời khỏi lò hơi ở áp suất thấp hơn; mất nhiệt làm giảm sản lượng công việc ròng, do đó cần thêm nhiệt vào hơi trong lò hơi để duy trì cùng mức sản lượng công việc ròng

Ngày nay, 80% nng l°ợng đián trên thế gißi sản xuất bằng chu trình

Rankine

hiáu suất của chu trình h¢i sinh công sử dụng rßng rãi nhất trong công nghá nng l°ợng đián hián nay

Các giải pháp:

- Áp suất nhiệt độ của nồi hơi lên cao giúp tăng hiệu suất nhiệt Bên cạnh đó nhược điểm của phương pháp này là hệ số phẩm chất ở điểm 2 kém hơn điểm 2’, chu trình đi qua 2’ được hiệu suất cao hơn Khi đó hệ số phẩm chất của hơi thấp đi, lượng nước đặt vào turbine rất ít

- Giảm áp suất bình ngưng, áp suất nồi hơi giữ cố định làm tặng hiệu suất nhiệt nhược điểm: Các giọt nước li ti đập vào mặt turbine với tốc độ cao làm cho cánh turbine nhanh hỏng.

- Chu trình dùng hơi siêu nhiệt có nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt cao hơn với chu trình giúp tăng hiệu suất nhiệt

Sau khi đến cung cấp nhiát cho tr¿ng thái 1 -> ta thêm nhiát vào thì tng lên

đến 1 v¿n ở cùng cáp suất, khi đó có há sá t¿i 2’ thì dián tích a1’2’34 lßn h¢n dián tích của hình ban đầu a1234, d¿n đến công lßn h¢n, d¿n đến hiáu suất

của chu trình sẽ tng

Vßi chu trình tái sinh nhiát, sau khi ở tr¿ng thái 1 2 h¢i giãn nở qua tần áp suất cao của tua bin thì tiếp tục tái sinh nhiát sẽ thu đ°ợc nhiát đß siêu nhiát T3 nh°ng không bằng T1 ( Chu trình Rankine lý t°ởng vßi siêu nhiát) Ta thu đ°ợc há sá phẩm chất T4 có Dián tích lßn h¢n hình ban đầu Khi đó công lßn h¢n và hiáu suất lßn h¢n

- Hơi nước gây xói mòn , ăn mòn đối với ống van và cánh turbine.

- Trong quá trình, chỉ một phần năng lượng có thể phụ hồi từ chênh lệch áp suất được chuyển thành công có ích Phần khác được chuyển thành nhiệt và bị mất Hiệu suất bị giảm

- Trong các bộ trao đổi nhiệt thì môi chất làm việc có một quãng đưỡng dài, đảm bảo trao đổi nhiệt tốt nhưng gây ra sụt áp làm giảm lượng điện năng có thể phục hồi từ chu kỳ Tương tự như vậy, chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt và môi chất làm việc tạo ra sự phá hủy exergy và làm giảm hiệu suất của chu trình

- Ngày nay công nghệ năng lượng điện hiện đại sử dụng công nghệ chu trình Organic Rankine (ORG) có nhiều ứng dụng khả thi Có hơn 2,7 GW công suất lắp đặt và 698 nhà máy điện được xác định trên toàn thế giới

Các giải pháp được đưa ra và đã đi vào hoạt động như: 1 Tái tạo nguồn nhiệt thải

2 Khắc phục lượng nhiên liệu đầu vào tưởng đối nhỏ ở nhiều khu vực 3 Sử dụng chu trình ông nghệ năng lượng ORG cho các công trình năng lượng

điện mặt trời, năng lượng địa nhiệt, nhà máy điện sinh khối…

B Bài tập