115 Chương 7 CHU TRÌNH CỦA KHÍ THỰC 7.1. Chu trình Carnot hơi nước Ở chương 5 ta đã biết chu trình Carnot thuận chiều là chu trình có hiệu suất nhiệt cao nhất. Về mặt kĩ thuật, dùng khí thực trong phạm vi bão hòa có thể thực hiện được chu trình Carnot và vẫn đạt được hiệu suất nhiệt lớn nhất khi ở cùng phạm vi nhiệt độ. Chu trình Carnot áp dụng cho khí thực trong vùng hơi bão hòa được biểu diễn trên hình 7-1. Tuy nhiên, đối với khí thực và hơi nước thì việc thực hiện chu trình Carnot rất khó khăn, vì những lý do sau đây: - Quá trình hơi nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-3) sẽ thực hiện không hoàn toàn. Muốn nén đoạn nhiệt hơi ẩm theo qúa trình 3-4, cần phải có máy nén kích thước rất lớn và tiêu hao công rất lớn. - Nhiệt độ tới hạn của nước thấp (374,15 o C ) nên độ chênh nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh của chu trình không lớn lắm, do đó công của chu trình nhỏ. - Các giọt ẩm của hơi sẽ va đập vào cánh tuabin gây tổn thất năng lượng và ăn mòn và mài mòn nhanh cánh Tuabin. 7.2. Chu trình Rankine (chu trình nhà máy nhiệt điện) Như đã phân tích ở trên, tuy có hiệu suất nhiệt cao nhưng chu trình Carnot có một số nhược điểm khi áp dụng cho khí thực, nên trong thực tế người ta không áp dụng chu trình này mà áp dụng một chu trình cải tiến gần với chu trình này gọi là chu trình Rankine. Chu trình Rankine là chu trình thuận chiều, biến nhiệt thành công. Chu trình Rankine là chu trình nhiệt được áp dụng trong tất cả các lọai nhà máy nhiệt điện, môi chất là nước. Tất cả các thiết bị của các nhà máy nhiệt điện đều giống nhau trừ thiết bị sinh hơi I. Trong thiết bị sinh hơi, nước nhận nhiệt để biến thành hơi. Đối với nhà máy nhiệt điện thiết bị sinh hơi là lò hơi, trong đó nước nhận nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Đối với nhà máy điện mặt trời hoặc địa nhiệt, nước nhận nhiệt từ năng lượng mặt trời hoặc từ nhiệt năng trong lòng đất. Đối với nhà máy điện nguyên tử, thiết bị sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nước nhận nhiệt từ chất tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân ra. Sơ đồ thiết bị của chu trình Rankine được trình bày trên hình 7-2. Đồ thị T-s của chu trình được biểu diễn trên hình 7-2. Hình 7-1. Chu trình Carnot của hơi nước Hình 7-2. Sơ đồ chu trình nhà máy nhiệt điện PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 116 Nước ngưng trong bình ngưng IV (ở trạng thái 2’ trên đồ thị) có thông số p 2 , t 2 , i 2 được bơm V bơm vào thiết bị sinh hơi I với áp suất p 1 (quá trình 2’-3). Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống sinh hơi nhận nhiệt đẳng áp đến sôi (quá trình 3- 4), hoá hơi (quá trình 4-5) và thành hơi quá nhiệt trong bộ quá nhiệt II (quá trình 5-1). Quá trình 3-4-5-1 là quá trình hóa hơi đẳng áp ở áp suất p 1 = const. Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (ở trạng thái 1) có thông số p 1 , t1 đi vào tuabin III, ở đây hơi dãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái 2 (quá trình 1-2) và sinh công trong tuabin. Hơi ra khỏi tuabin có thông số p2, t2, đi vào bình ngưng IV, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-2’), rồi lại được bơm V bơm trở về lò. Quá trình nén đoạn nhiệt trong bơm có thể xem là quá trình nén đẳng tích vì nước không chịu nén (thể tích ít thay đổi). 7.2.1. Xác định hiệu suất nhiệt Công thức chung: 1 2 1 21 1 o t q q 1 q qq q l −= − ==η Trong đó: q 1 - lượng nhiệt nhận vào của chu trình. Quá trình 3-4-5-1 là quá trình đun nước đến nhiệt độ sôi, hoá hơi và quá nhiệt cho hơi trong điều kiện áp suất không thay đổi cho nên q 1 = q 3451 = ∆i = i 1 – i 3 = i 1 – i 3 (7-1) q 2 - lượng nhiệt thải ra môi trường có nhiệt độ thấp. Quá trình 2-2’ là quá trình ngưng hơi đẳng nhiệt, đẳng áp cho nên: q 22’ = i 2’ – i 2 . (7-2) Công của chu trình là: o1212 lqqii =−=− (7-3) Hiệu suất nhiệt của chu trình sẽ là: o 12 t 113 l ii qii − η== − (7-4) 7.2.2. Các biện pháp nâng cao hiệu suất của chu trình Hiệu suất nhiệt của chu trình Rankine cũng có thể biểu thị bằng hiệu suất chu trình Carnot tương đương: 1 2 c max t T T 1−=η=η (7-5) Từ (7-5) ta thấy: hiệu suất nhiệt của chu trình khi giảm nhiệt độ trung bình T 2tb của quá trình nhả nhiệt trong bình ngưng hoặc tăng nhiệt độ trung bình T 1tb của quá trình cấp nhiệt trong lò hơi. * Giảm nhiệt độ trung bình của quá trình nhả nhiệt T 2tb Hình 7-3 biểu diễn chu trình Rankine có áp suất cuối giảm từ p 2 xuống p 2o , khi nhiệt độ đầu t 1 và áp suất đầu p 1 không thay đổi. Khi giảm áp suất ngưng tụ p 2 của hơi trong bình ngưng, thì nhiệt độ bão hòa t s cũng giảm theo, do đó nhiệt độ trung bình T 2tb của quá trình nhả nhiệt giảm xuống. Theo (7-5) thì hiệu suât nhiệt η t của chu trình tăng lên. Tuy nhiên, nhiệt độ t s bị giới hạn bởi nhiệt độ nguồn lạnh (nhiệt độ nước làm mát trong bình ngưng), do đó áp suất cuối của chu trình cũng không thể xuống quá thấp, thường từ 2 kPa đến 5kPa tùy theo điều kiện khí hậu từng vùng. Mặt khác, khi giảm áp suất p 2 xuống thì độ ẩm của hơi ở các tầng cuối tuabin cũng giảm xuống, sẽ làm giảm hiệu suất và tuổi thọ tuabin, do đó cũng làm giảm hiệu suất chung của toàn nhà máy. Hình 7-3. Ảnh hưởng của áp suất cuối PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 117 * Nâng cao nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt T 1tb Để nâng nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt T 1tb , có thể tăng áp suất đầu p 1 hoặc nhiệt độ đầu t 1 . - Hình 7- 4 biểu diễn chu trình Rankine có nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng từ t 1 lên t 10 khi áp suất hơi quá nhiệt p 1 và áp suất cuối p 2 không đổi. Khi đó nhiệt độ trung bình T 1tb của quá trình cấp nhiệt 3451 tăng lên, do đó theo (7-4) thì hiệu suất nhiệt η t của chu trình tăng lên. - Hình 7-4 biểu diễn chu trình Rankine có áp suất đầu tăng từ p 1 đến p 10 , khi nhiệt độ hơi quá nhiệt t 1 và áp suất cuối p 2 không thay đổi. Nếu giữ nguyên nhiệt độ hơi quá nhiệt t 1 và áp suất cuối p 2 , tăng áp suất p 1 thì nhiệt độ sôi của quá trình 4-5 tăng, do đó nhiệt độ trung bình T 1tb của quá trình cấp nhiệt 3451 cũng tăng lên trong khi T 2tb giữ nguyên, dẫn đến hiệu suất nhiệt η t của chu trình tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng áp suất p 1 thì độ khô của hơi các tầng cuối tuabin sẽ giảm, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ tuabin. Khi tăng nhiệt độ đầu thì độ ẩm giảm, nhưng tăng áp suất đầu thì độ ẩm tăng. Do đó trên thực tế người ta thường tăng đồng thời cả áp suất và nhiệt độ đầu để tăng hiệu suất chu trình mà độ ẩm không tăng, nên hiệu suất của chu trình Rankine thực tế sẽ tăng lên. Chính vì vậy, ứng với một giá trị áp suất đầu người ta sẽ chọn nhiệt độ đầu tương ứng, hai thông số này gọi là thông số kết đôi. 7.3. Chu trình Rankine có quá nhiệt trung gian Muốn nâng cao hiệu suất nhiệt càng tăng áp suất p 1 và giảm áp suất cuối p 2 , nhưng khi đó độ ẩm của hơi nước ở các tầng cánh cuối của tuabin sẽ tăng, ảnh hưởng không tốt đến hiệu suất, năng suất và độ bền của tuabin. Độ ẩm cho phép hiện nay không quá 14%. Nếu tăng t 1 thì tăng được hiệu suất nhiệt, vừa giảm độ ẩm ở các tầng cánh cuối của tuabin, nhưng nhiệt độ t 1 bị hạn chế bởi độ bền vật liệu và chế độ vận hành nên hiện nay nhiệt độ không vượt quá 650 o C. Để giảm bớt độ ẩm ta có thể sử dụng chu trình có quá nhiệt trung gian, hơn nữa nếu chọn nhiệt độ quá nhiệt trung gian thích hợp có thể nâng cao hiệu suất của chu trình. 7.3.1. Hệ thống thiết bị và chu trình Hệ thống thiết bị không khác mấy so với chu trình Rankine cơ bản, chỉ khác ở thiết bị sinh hơi, ngoài bộ quá nhiệt còn có bộ quá nhiệt trung gian 1b để cấp nhiệt cho hơi nước sau khi giãn nở trong phần tuabin cao áp 2a trước khi đi vào phần tuabin hạ áp 2b( hình 7-5). Tương ứng, chu trình khác ở quá trình cấp nhiệt đẳng áp gồm giai đoạn 31’1’’1 giống như trước, thêm giai đoạn ab. Quá trình giãn nở cũng chia thành hai giai đoạn 1a trong phần tuabin cao áp và b2 trong phần tuabin hạ áp. Có thể giãn nở và gia nhiệt trung gian nhiều lần, nhưng xét về kinh tế kỹ thuật thường dùng không quá hai lần. 7.3.2. Công, nhiệt lượng, hiệu suất và suất tiêu hao hơi Công của chu trình có thể tính theo tổng đại số công giãn nở của các quá trình 31; ab; b2 và 22’; hoặc tổng công kỹ thuật của các quá trình 2’3; 1a; b2 hoặc tổng đại số nhiệt lượng của các quá trình 31; ab và 22’ kết quả được: s s Hình 7-4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đầu và áp suất đầu PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 118 Công của chu trình: l o =( i 1 -i a ) + (i b -i 2 ) – (i 3 -i 2’ ) ≈( i 1 -i a ) + (i b -i 2 ) vì coi i 3 =i 2’ (7-6) Nhiệt lượng cấp vào: q 1 =(i 1 -i 3 )+(i b -i a ) (7-7) Nhiệt lượng thải ra: q 2 =i 2 -i 2’ Hiệu suất của chu trình: ( ) ( ) ()() 1ab2 T 13ba iiii iiii −+− η= −+− (7-8) Suất tiêu hao hơi: ()() 1ab2 1 d iiii = −+− ; (kg/kJ) (7-9a) hoặc: ()() 1ab2 3600 d iiii = −+− ; (kg/kW.h) (7-9b) 7.4. Chu trình hồi nhiệt và chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp Chu trình hồi nhiệt lý tưởng cũng có hiệu suất bằng hiệu suất của chu trình Carnot. Chu trình khí thực trong phạm vi bão hòa, về mặt kỹ thuật có thể thực hiện chu trình hồi nhiệt lý tưởng và hiệu suất nhiệt vẫn bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot, nhưng trong thực tế vẫn rất khó thực hiện chu trình hồi nhiệt hoàn toàn, vừa giãn nở sinh công, vừa nhả nhiệt cho môi chất; cho nên trong thực tế thường thay thế bằng chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp. 7.4.1. Hệ thống thiết bị và chu trình: Thiết bị sinh hơi 1, bình ngưng 3, tuabin 2, chia thành ba giai đoạn: 2a-cao áp. 2b- trung áp và 2c-hạ áp; ngoài bơm 4 còn thêm hai bơm 4a và 4b; hai bình gia nhiệt 5a và 5b dùng hơi trích từ tuabin để gia nhiệt nước cấp. Hình 7-5. Sơ đồ thiết bị và chu trình Rankine có quá nhiệt trung gian Hình 7-6. Chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 119 Nguyên lý làm việc của chu trình như sau: 1 kg nước cấp từ trạng thái 3a qua thiết bị sinh hơi 1 được cấp nhiệt đẳng áp theo quá trình 31’1’’1, tiếp đó vào tuabin 2, sau phần cao áp 2a thì trích ra g 1 kg hơi đưa vào bình gia nhiệt 5a để tiến hành quá trình thải nhiệt đẳng áp 2a2’a cấp nhiệt cho (1-g 1 ) kg nước cấp từ trạng thái 3 b đến 2’ a . (1-g 1 ) kg hơi nước đi tiếp qua tuabin trung áp 2b để tiếp tục giãn nở đoạn nhiệt 2 a 2 b sinh công, lại trích tiếp g 2 kg hơi ở áp suất p 2b đưa vào bình gia nhiệt 5b, thải nhiệt cho nước cấp và ngưng tụ thành nước 2’ b và cấp nhiệt cho (1-g 1 -g 2 ) kg nước cấp từ trạng thái 3 đến 2’ b. (1-g 1 -g 2 ) kg hơi nước đi tiếp qua tuabin hạ áp 2c để tiếp tục giãn nở đoạn nhiệt đến áp suất p 2 , đi vào bình ngưng 3, thải nhiệt ra môi trường bên ngoài theo quá trình 22’ và được bơm 4 bơm đoạn nhiệt theo quá trình 2’3; đưa vào bình gia nhiệt 5b được cấp nhiệt đẳng áp đến 32’ b rồi hỗn hợp với g 2 kg nước ngưng trong bình gia nhiệt 5b tạo thành nước ở trạng thái 3 b cùng đi vào 5a để cấp nhiệt theo quá trình 3 b 2’ a, tất cả qua bơm đến trạng thái 3 a vào thiết bị sinh hơi để kết thúc một chu trình. Ở đây, cần dựa vào sự cân bằng nhiệt trong các bộ gia nhiệt 5a và 5b để tính lượng hơi trích g 1 và g 2 . Trong bình gia nhiệt 5b, lượng nhiệt do g 2 kg hơi trích thải ra trong quá trình ngưng tụ phải vừa đủ để gia nhiệt (1-g 1 -g 2 ) kg nước ngưng từ trạng thái 3 thành nước bão hòa 2’ b , nghĩa là: g 2 (i 2b -i’ 2b ) = (1-g 1 -g 2 )(i’ 2b -i 3 ) Trong bình gia nhiệt 5a, lượng nhiệt do g 1 kg hơi trích thải ra trong quá trình ngưng tụ phải vừa đủ gia nhiệt (1-g 1 ) kg nước từ trạng thái 3b thành nước bão hòa ở trạng thái 2’ a . Ta có: g 1 (i 2a -i’ 2a ) = (1-g 1 )(i’ 2a -i 3b ) Từ đó rút ra: ' 2a3b 1 2a3b ii g ii − = − (7-10a) và: ' 2b3 2 2b3 ii g ii − = − (7-10b) 7.4.2. Công, nhiệt lượng, hiệu suất và suất tiêu hao hơi Công sinh ra trong các quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong các cấp tuabin: l o =1( i 1 -i 2a ) + (1-g 1 )(i 2a -i 2b ) +(1-g 1 -g 2 )(i 2b -i 2 ) Nếu đặt g=1-g 1 -g 2 ta được: l o = i 1 – i 2a g 1 –i 2b g 2 –i 2 g (7-11a) Công dùng để bơm thường rất nhỏ nhưng có thể tính: l b = (1-g 1 -g 2 )(i 3b -i 2 )+(1-g 1 )(i 3a -i’ 2b ) + 1.(i 3 –i’ 2a ) Nhiệt lượng cấp vào: q 1 =(i 1 -i 3 )≈i 1 -i’ 2a (7-11b) Nhiệt lượng thải ra: q 2 = (1-g 1 -g 2 )(i 2 -i’ 2 ) (7-11c) Hiệu suất của chu trình: () o12a12b22 T 113 liigigig qii −−− η== − (7-12a) Suất tiêu hao hơi: o12a12b22 11 d liigigig == −−− ; (kg/kJ) (7-12b) Chu trình gia nhiệt nước cấp được dùng khá rộng rãi vì: PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 120 1. Có thể nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, áp suất đầu càng cao, số lần gia nhiệt càng nhiều thì hiệu quả càng cao, nhưng thiết bị phức tạp hơn nên thường chọn 3 đến 5 lần, hiện đại có thể đến 10 lần. 2. Giảm được kích thước của tuabin ở các tầng cánh cuối vì lượng hơi nước đi qua giảm. 3. Có thể giảm hoặc bỏ hẳn bộ hâm nước. 7.5. Nhà máy điện dùng chu trình kết hợp Tuabin khí - hơi 7.5.1. Sơ đồ thiết bị và nguyên lý hoạt động Chu trình hỗn hợp là một chu trình ghép, gồm chu trình Rankine hơi nước và chu trình Tuabin khí. Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình được thể hiện trên hình 7-7. Hệ thống thiết bị bao gồm: thiết bị sinh hơi 1 (buồng đốt); tuabin hơi nước 2; bình ngưng hơi 3; bơm nước cấp 4; bộ hâm nước 5; tuốc bin khí 6; máy nén không khí 7. Nguyên lý làm việc của chu trình thiết bị như sau: Không khí được nén đoạn nhiệt trong máy nén 7 đến áp suất và nhiệt độ cao, được đưa vào buồng đốt 1 cùng với nhiên liệu và cháy trong buồng đốt dưới áp suất cao, không đổi. Sau khi nhả một phần nhiệt cho nước trong dàn ống của buồng đốt 1, sản phẩm cháy đi vào tuabin khí 6, giãn nở sinh công. Ra khỏi tua bin khí, sản phẩm cháy có nhiệt độ còn cao, tiếp tục đi qua bộ hâm nước 5, gia nhiệt cho nước rồi thải ra ngoài. Nước được bơm 4 bơm qua bộ hâm nước 5, vào dàn ống của buồng đốt 1. Ở đây nước nhận nhiệt và biến thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt đi vào tuabin hơi 2, giãn nở đoạn nhiệt và sinh công. Ra khỏi tuabin, hơi đi vào bình ngưng 3 nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước rồi được bơm 4 bơm trở về lò, lặp lại chu trình cũ. Đồ thị T-s của chu trình nhiệt được biểu diễn trên hình 7-7. Nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tỏa ra trong quá trình b-e chia thành hai phần: một phần dùng để sản xuất hơi nước trong thiết bị sinh hơi 1, một phần cấp cho tuốc bin khí 6; a-b: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén khí 7; b-c: quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt 1; c-d: quá trình giãn nở đoạn nhiệt sinh công trong tuốc bin khí 6; d-a: quá trình nhả nhiệt đẳng áp trong bộ hâm nước 5; 3-1’-1”-1: quá trình nước nhận nhiệt đẳng áp trong bộ hâm 5 và buồng đốt 1; 1-2; 2-2’; 2’-3 là các quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong tuốc bin, ngưng đẳng áp trong bình ngưng, nén đoạn nhiệt trong bơm như ở chu trình Rankine. 7.5.2. Tính nhiệt, công và hiệu suất của chu trình Ta tính ứng với 1 kg hơi nước. Để lượng nhiệt thải ra của tuabin khí đủ gia nhiệt nước cấp đến trạng thái 4, khi dùng 1 kg hơi nước cần dùng m kg sản phẩm cháy tính theo phương trình cân bằng nhiệt: m(i d –i a ) = i 4 – i 3 43 da ii m ii − = − (7-13) Hình 7-7. Chu trình kết hợp tuabin khí - hơi PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 121 Nhiệt lượng cấp vào là nhiệt lượng cấp cho tuabin khí theo quá trìn b-c và gia nhiệt đẳng áp cho hơi nước theo quá trình 41’1’’1: q 1 = (i 1 – i 4 ) + m(i c –i b ) (7-14a) Nhiệt lượng thải ra là của quá trình 22’: q 2 = i 2 – i 2’ (7-14b) Nhiệt lượng do quá trình d-a thải ra cung cấp để hâm nước theo quá trình 34 nên không tính vào nhiệt lượng trao đổi với nguồn. Công của chu trình có thể vẫn tính theo: o12 lqq =− , nhưng để rõ thêm ý nghĩa vật lý, ta tính theo công thức của từng chu trình ứng với 1 kg hơi nước: l o = [(i 1 – i 2 ) +m(i c – i d )]-[( i 4 – i 3 )+m(i b –i a )] (7-14c) Hiệu suất nhiệt của chu trình kết hợp là: o12cd43ba t 114cb l(ii)m(ii)(ii)m(ii) q(ii)m(ii) −+−−−−− η== −+− (7-15) 7.6. Chu trình làm lạnh dùng máy nén hơi * Như ở trên đã giới thiệu: để nhận được lạnh theo phương pháp nhân tạo từ xưa tới nay có rất nhiều cách. Riêng thiết bị làm lạnh có rất nhiều loại: Thiết bị lạnh dùng máy nén (hơi và khí ), thiết bị lạnh kiểu hấp thụ, máy lạnh kiểu phun (ejecto), thiết bị lạnh kiểu nhiệt điện * Nhưng nói đến thiết bị lạnh ta phải quan tâm trước tiên đến loại thiết bị lạnh dùng máy nén, nhất là thiết bị lạnh dùng máy nén hơi. Thiết bị lạnh nén hơi chiếm 90% đến 95% tổng số thiết bị lạnh. Sở dĩ thiết bị lạnh nén hơi chiếm vị trí quan trọng như vậy vì chúng có những ưu điểm cơ bản sau: - Ứng dụng thuận lợi vào mọi trường hợp có nhu cầu về lạnh - Tổ hợp máy nén động cơ gọn nhẹ đơn giản - Khoảng nhiệt độ và công suất lạnh gần như không giới hạn, đáp ứng mọi nhu cầu khác nhau. - Thiết bị làm việc với độ an toàn, tin cậy cao, có khả năng tự động hoá cao v.v * Để đánh giá hiệu quả của một chu trình ngược chiều người ta dùng hệ số làm lạnh ε. Chu trình ngược chiều Carnot là chu trình có hệ số làm lạnh cao nhất so với các chu trình khác có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh - Với chu trình Carnot ta có hệ số làm lạnh: 21 2 C TT T − =ε Trong đó: - T 1 là nhiệt độ nguồn nóng (nhiệt độ quá trình ngưng hơi - nhả nhiệt cho nên ở đây ta ký hiệu là T k ). - T 2 là nhiệt độ nguồn lạnh (trong bình bốc hơi chất môi giới nhận nhiệt của nguồn lạnh bay hơi ta ký hiệu là T 0 ). Do đó: 0k 0 C TT T − =ε PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 122 Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot là lớn nhất nên được coi là hệ số làm lạnh lý tưởng và được dùng để so sánh hiệu quả của các chu trình ngược chiều khác nhau. Để làm điều đó người ta đưa ra khái niệm hiệu suất execgi (hiệu suất hữu ích có thể đạt được) ta ký hiệu là ν: 0 0k C T TT . − ε= ε ε =ν Trong đó: - ε - hệ số làm lạnh của chu trình thực tế. - ε C - hệ số làm lạnh của chu trình Carnot (chu trình lý tưởng). 7.6.1. Chu trình Carnot Chu trình ngược chiều Carnot là chu trình có hệ số làm lạnh ε C là lớn nhất nhưng trong thực tế người ta không sử dụng nó vào thiết bị làm lạnh vì nó có những nhược điểm sau: - Để thực hiện hai quá trình hoá hơi đẳng nhiệt và nhả nhiệt đẳng nhiệt phải thực hiện chu trình hoàn toàn trong vùng hơi bão hoà (như hình vẽ). - Trạng thái 1 của môi chất (trước khi được nén đoạn nhiệt) là hơi bão hoà ẩm. Độ ẩm của nó phải điều chỉnh sao cho để cuối quá trình nén có trạng thái 2 là hơi bão hoà khô. Mặt khác việc nén hỗn hợp vừa hơi và nước là điều rất khó khăn, cả hai đều rất khó thực hiện. - Quá trình 3-4: giãn nở đoạn nhiệt đòi hỏi phải có xy lanh giãn nở, tuy có sinh ngoại công nhưng thiết bị cồng kềnh phức tạp, chi phí đầu tư lớn. Chu trình ngược chiều dùng cho máy nén hơi là một chu trình đã được cải tiến: + Máy nén: nén hơi bão hoà khô + Xy lanh giãn nở được thay bằng thiết bị tiết lưu Đối với thiết bị làm lạnh môi chất là khí thực trong khoảng nhiệt độ thường gặp quá trình tiết lưu làm áp suất và nhiệt độ môi chất giảm. Như vậy, thiết bị này rất đơn giản vận hành thuận lợi, giá thành hạ. Nó được gọi là chu trình thiết bị làm lạnh khô dùng chủ yếu cho môi chất là Amoniac. Trạng thái 1 của môi chất luôn là hơi bão hoà khô, việc tách ẩm nhờ thiết bị tách ẩm bố trí giữa máy nén và bình bốc hơi (buồng lạnh). 2 3 q k s 1 4 q o T T k T o K PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 123 MN NT BH TL 7.6.2. Chu trình làm lạnh khô: a. Sơ đồ thiết bị: TL: Thiết bị tiết lưu. MN: Máy nén. NT: Bình ngưng tụ. BH: Bình bốc hơi. b. Đồ thị (T - s) và (lgp - i) Chu trình khô gồm các quá trình sau: 1-2: Nén đoạn nhiệt (s 1 = s 2 ) xảy ra trong vùng hơi quá nhiệt. 2-2': Nhả nhiệt đẳng áp nhiệt độ giảm từ t 2 xuống t k (nhiệt độ ngưng tụ ở áp suất p k ). 2'-3: Quá trình ngưng hơi đẳng áp, đẳng nhiệt trong bình ngưng hơi nhả nhiệt cho môi trường không khí hoặc nước làm mát. 3-4: Quá trình tiết lưu môi chất lỏng i 3 = i 4 , áp suất giảm từ p k xuống p o . Quá trình tiết lưu là đoạn nhiệt không thuận nghịch nên entropi tăng s 4 > s 3 4-1: Quá trình hoá hơi đẳng áp, đẳng nhiệt nhận nhiệt của vật cần làm lạnh. * Năng suất lạnh riêng: Nhiệt lượng 1(kg) môi chất nhận được trong buồng lạnh (ứng với quá trình hoá hơi ) được gọi là năng suất lạnh riêng của chu trình kí hiệu là q o : q o = i 1 - i 4 ; (kJ/kg) (7-16) * Năng suất lạnh của thiết bị : Q o = m.q o (Kw) m: khối lượng môi chất lạnh được nén trong một đơn vị thời gian 1(giây) *Công nén đoạn nhiệt: Công của chu trình: l o = q k - q o (7-17) Trong đó: q k : nhiệt lượng của 1(kg) môi chất nhả cho nguồn nóng trong bình ngưng. q k = i 2 - i 3 T S 1 =const T 0 p 0 i= const 4 1 K 3 i lgp q 0 5 6 7 s 2' 2 2'' 1 3 4' 4 K Hình 7-8. Chu trình làm lạnh khô PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com 124 l o = q k - q o = i 2 - i 3 - (i 1 - i 4 ) = i 2 - i 1 do i 3 = i 4 (3-4: là quá trình tiết lưu) Công nén đoạn nhiệt: N s = m.l = m(i 2 – i 1 ) * Hệ số làm lạnh của chu trình khô: l q o =ε = 12 31 12 41 ii ii ii ii − − = − − (7-18) Vì q o < q oC l o > l oC Trên đồ thị T-s : q oC - Biểu diễn bằng dt(4'571) < q o - Biểu diễn bằng dt(4671) Do đó: ε < ε C * Hiệu suất execgi của chu trình : 1 C < ε ε =ν (7-19) Trong đó: ε C - hệ số làm lạnh của chu trình Carnot Ví dụ 1 Một máy lạnh nén hơi có hiệu suất execgi ν = 0,8 năng suất lạnh Q o = 10(Kw), t o = -10 o C, t k = 30 o C. Xác định hệ số làm lạnh ε và công nén đoạn nhiệt N s . Giải: Từ biểu thức: 26,5 263303 263 .8,0 TT T ok o c c = − = − ν=νε=ε→ ε ε =ν )Kw(9,1 26,5 10 Q N N Q l q o s s o o o == ε =→==ε Ví dụ 2: Một chu trình máy lạnh nén hơi làm việc ở nhiệt độ ngưng tụ t k = 30 o C và nhiệt độ bay hơi t o = - 10 o C môi chất là amoniac. Hãy xác định các thông số áp suất, nhiệt độ, entanpi, entropi của các điểm nút của chu trình . Hệ số lạnh và hiệu suất execgi cho hai trường hợp: a. Chu trình Carnot ngược chiều b. Chu trình khô Giải +Với chu trình Carnot: Sử dụng đồ thị lgp-i: lgp i D 4 A 1 B 2 K C PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com [...]... Tính toán Đồ thị: T-s và lgp-i T 2 ∆tql lgp 2' 3’ ∆tql 1 3 ∆tqn 4 4' 3 2 1' 4 4' ∆qo b c c’ 2' 3' 1 1' a s ∆tqn i - Đồ thị: T -s + Quá trình 1-2 : nén đoạn nhiệt môi chất lạnh (môi chất ở trạng thái hơi quá nhiệt ) + Quá trình 2-3 : nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường trong bình ngưng ( 2-2 ’: làm lạnh hơi quá nhiệt, 2 -3 ’: ngưng hơi, 3 -3 : quá trình quá lạnh môi chất lỏng) + Quá trình 3-4 : tiết lưu môi chất... lgp - i ta có trị số tại các điểm trên: Chu trình Carnot o Chu trình khô Trạng thái P (MPa) tC i (kj/kg) s (kj/kgoK) Trạng thái P (MPa) toC i (kj/kg) s (kj/kgoK) A B C D 0,29 1, 17 1, 17 0,29 -1 0 30 30 -1 0 1620 178 0 635 625 5,3 5,3 1,48 1,48 1 2 3 4 0,29 1, 17 1, 17 0,29 -1 0 87 30 -1 0 174 8 1940 635 635 5 ,77 5 ,77 1,48 1,55 Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot: To 263 εC = = = 6,6 Tk − To 303 − 263 Hoặc : εC... 7- 9 Chu trình làm lạnh quá lạnh – quá nhiệt TL: van tiết lưu; QL: thiết bị quá lạnh môi chất; BH: bình bốc hơi; 126 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com ∆tqn i MN: máy nén Quá trình 1 - 1' độ quá nhiệt hơi hút 3 - 3' độ quá lạnh lỏng trước khi vào van tiết lưu Độ quá nhiệt hơi hút : ∆tqn = t1 - t1' = t1 - to ( 7- 2 0a) Độ quá lạnh lỏng: ∆tql = t3' - t3 = tk-... 4 nhiệt độ: - Nhiệt độ sôi to của ,môi chất trong bình bốc hơi - Nhiệt độ ngưng tụ tk của môi chất trong bình ngưng - Độ quá lạnh của môi chất lỏng trước van tiết lưu tql - Độ quá nhiệt của hơi được hút vào máy nén tqn Ví dụ 3: Cho chu trình làm lạnh nén hơi một cấp môi chất là freon R12 nhiệt độ t 0 = -2 0 0 C, t k = 35 0 C, t ql = 30 0 C, t qn = -5 0 C Biểu diễn chu trình trên đồ thị T-s và lgp-i... chu trình khô: ε= i1 − i 4 = 5,8 i 2 − i1 ν= ε 5,8 = = 0,88 ε C 6,6 Hiệu suất execgi: 7. 6.3 Chu trình quá lạnh - quá nhiệt a/ Khái niệm Chu trình được gọi là quá lạnh khi nhiệt độ của môi chất lỏng trước khi đi vào van tiết lưu nhỏ hơn nhiệt độ ngưng tụ (tk) và gọi là chu trình quá nhiệt khi nhiệt độ hơi hút về máy nén lớn hơn nhiệt độ bay hơi( to ) Trạng thái của hơi hút nằm trong vùng hơi quá nhiệt. .. 0,00 077 429,08 0,03 429,08 s(kj/kg.độ) 4, 57 4,60 4,60 4,55 4,12 4,09 4,10 Từ các thông số trong bảng trên ta có thể tính được các đại lượng sau: - Năng suất lạnh: qo = i1 - i4 = 551,96 - 429,08 = 122,88(kj/kg) - Lượng nhiệt môi chất nhả ra trong bình ngưng: qk = i2 - i3 = 584,81 - 429,08 = 155 ,73 (kj/kg) - Công nén 1(kg) môi chất của chu trình: lo = i2 - i1 = 584,81 - 551,96 = 32,85 (kj/kg) 129 PDF created... (entanpi không đổi) + Quá trình 4-1 : nhận nhiệt của môi chất và hoá hơi( 4-1 ’) sau đó quá nhiệt môi chất ( 1-1 ’) Trên đồ thị T-s ta thấy: năng suất lạnh q0 được biểu diễn bằng diện tích (c41a), nhiệt môi chất nhả trong bình ngưng qk biểu diễn bằng diện tích (a23b), công tiêu tốn để thực hiện chu trình lo được biểu diễn bằng diện tích (c4123b) Bằng các diện tích trên đồ thị T-s ta thiết lập được các cân... qk - Đồ thị lgp-i: Nhiệt môi chất nhả ra (ngưng hơi đẳng áp), nhận vào (hoá hơi), công được xác định theo các hiệu số của entanpi tại các điểm đặc trưng cho từng chu trình: qo = i1 - i4 ; qk = i2 - i3 ; lo = i2 - i1 1 27 PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Trên đồ thị lgp - i : qo, qk , lo được biểu diễn bằng các đoạn thẳng trên trục hoành Thực tế, quá trình. .. tk- t3 ( 7- 2 0b) So sánh với chu trình khô ta thấy: - Do có độ quá nhiệt hơi hút nên công nén riêng lớn hơn chút ít ,năng suất hút cũng giảm chút ít do có thể tích riêng v tăng Công nén riêng l = i 2- i1 - Do có độ quá lạnh lỏng nên năng suất lạnh riêng tăng một khoảng ∆qo Năng suất lạnh riêng: qo = i1' - i4 Nếu nhiệt độ buồng lạnh cao hơn t1 hoặc thiết bị bay hơi là ngược dòng có thể tính: qo = i1 - i4... năng suất lạnh của chu trình lên một lượng biểu diễn bằng diện tích(544’6) còn công tiêu tốn không thay đổi *Quá trình quá nhiệt môi chất: Việc quá nhiệt cho môi chất trước khi được hút vào máy nén được tiến hành do: - Sử dụng van tiết lưu nhiệt, hơi ra khỏi thiết bị bay hơi bao giờ cũng có một độ quá nhiệt nhất định - Do tải nhiệt quá lớn và thiếu lỏng cấp cho thiết bị bay hơi - Do tổn thất lạnh trên . Công của chu trình: l o =( i 1 -i a ) + (i b -i 2 ) – (i 3 -i 2’ ) ≈( i 1 -i a ) + (i b -i 2 ) vì coi i 3 =i 2’ ( 7- 6 ) Nhiệt lượng cấp vào: q 1 =(i 1 -i 3 )+(i b -i a ) ( 7- 7 ) Nhiệt lượng. 30 30 -1 0 1620 178 0 635 625 5,3 5,3 1,48 1,48 1 2 3 4 0,29 1, 17 1, 17 0,29 -1 0 87 30 -1 0 174 8 1940 635 635 5 ,77 5 ,77 1,48 1,55 Hệ số làm lạnh của chu trình Carnot:. i 1 – i 3 ( 7- 1 ) q 2 - lượng nhiệt thải ra môi trường có nhiệt độ thấp. Quá trình 2-2 ’ là quá trình ngưng hơi đẳng nhiệt, đẳng áp cho nên: q 22’ = i 2’ – i 2 . ( 7- 2 ) Công của chu trình là: o1212 lqqii =−=−