Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 8: Quá trình nén khí và hơi - Hà Anh Tùng

Nội dung text: Bài giảng Nhiệt động lực học - Chương 8: Quá trình nén khí và hơi - Hà Anh Tùng

1. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Chương 8: Quá trình nén khí và hơi ¾ 8.1 Khái niệm chung Máy nén piston 1 cấp ¾ 8.2 Máy nén PISTON Máy nén piston nhiều cấp p.1
2. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 8.1 Khái niệm chung ¾ Máy nén khí (hơi) dùng để tăng áp suất khí (hơi) ¾ Nếu p 2 bar: dùng các loại MÁY NÉN Nhóm 1: Nhóm 2: dùng công cơ học để nén khí dùng nhiệt năng để nén khí MN piston MN tuabin MN ejectơ ¾ Dù khác nhau về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, vv nhưng các máy nén này đều có quá trình nhiệt động như nhau p.2
3. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ minh họa một số loại máy nén khí (hơi) p.3
4. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM 8.2 Máy nén piston a) Máy nén piston 1 cấp p.4
5. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Những quá trình cơ bản của máy nén piston 1 cấp 1) Quá trình nạp khí AB 3) Quá trình xả khí CD p1 = const 2) Quá trình nén khí BC p2 = const p -BC : đẳng nhiệt n = 1 -BC : đa biến D CC1 C2 1 -BC : đoạn nhiệt n = k T 2 C2 p2 n 1 < = n C1 < k p2 k p1 C A B p1 v n = 1 B s p.5
6. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Tính công tiêu hao của máy nén piston 1 cấp Công tiêu hao để nén 1 kg khí từ áp suất p đến áp suất p p2 1 2 w = − vdp = w (J / kg) được tính theo công thức tính ∫ KT p công kỹ thuật: 1 a) Nén theo quá trình đẳng nhiệt T = const (n = 1) p p 2 2 T w = −RT ln = − p1v1 ln (J / kg) C2 p2 p1 p1 n 1 < = k n b) Nén theo quá trình đoạn nhiệt pv = const (n = k) k C1 < k p1 ⎡ k −1 ⎤ − k − k ⎛ p ⎞ k C w = ()p v − p v = p v ⎢⎜ 2 ⎟ −1⎥ 2 2 1 1 1 1 ⎢⎜ ⎟ ⎥ n = 1 B k −1 k −1 ⎝ p1 ⎠ s ⎣⎢ ⎦⎥ ⎡ k −1 ⎤ − k ⎛ p ⎞ k = RT ⎢⎜ 2 ⎟ −1⎥ (J / kg) 1 ⎢⎜ ⎟ ⎥ k −1 ⎝ p1 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ p.6
7. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM c) Nén theo quá trình đa biến pvn = const ( 1 < n < k ) Tương tự quá trình đoạn nhiệt, công nén cho 1kg khí của quá trình đa biến là: ⎡ n−1 ⎤ − n − n ⎛ p ⎞ n w = ()p v − p v = p v ⎢⎜ 2 ⎟ −1⎥ 2 2 1 1 1 1 ⎢⎜ ⎟ ⎥ n −1 n −1 ⎝ p1 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ ⎡ n−1 ⎤ − n ⎛ p ⎞ n = RT ⎢⎜ 2 ⎟ −1⎥ (J / kg) 1 ⎢⎜ ⎟ ⎥ n −1 ⎝ p1 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ p CCC D 1 2 Nhận xét: dựa vào đồ thị p-v suy ra * Công nén của quá trình đẳng nhiệt p2 = diện tích ABCD là nhỏ nhất A * Công nén của quá trình đoạn nhiệt B p1 v = diện tích ABC2D là lớn nhất p.7
8. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Tính nhiệt lượng thải qua xylanh của máy nén piston 1 cấp a) Nén theo quá trình đẳng nhiệt T = const (n = 1) p2 p2 Nhiệt lượng thải ra = công q = w = −RT ln = − p1v1 ln (J / kg) p1 p1 nhận vào b) Nén theo quá trình đoạn nhiệt pvk = const (n = k) q = 0 k−1 ⎛ p ⎞ k Nhiệt độ cuối quá trình: ⎜ 2 ⎟ ( K ) T2 = T1 ⎜ ⎟ ⎝ p1 ⎠ c) Nén theo quá trình đa biến pvn = const ( 1 < n < k ) n−1 ⎛ p ⎞ n Nhiệt độ cuối quá trình: ⎜ 2 ⎟ ( K ) T2 = T1 ⎜ ⎟ ⎝ p1 ⎠ Nhiệt lượng thải qua n − k xylanh củaquátrình q = cv ()T2 − T1 (kJ / kg) n −1 nén đabiến: p.8
9. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ 8.1 trong sách “Nhiệt động lựchọckỹ thuật”: Máy nén lý tưởng 1 cấp, không khí được nén từ thông số ban đầu p1 = 1 bar, t1 = o 20 C đến trạng thái cuối có p2 = 4.5 bar. Xác định nhiệt độ cuối quá trình t2, công tiêu hao của máy nén w và nhiệt lượng thải ra q ứng với3 trường hợp: a) Nén đẳng nhiệt; b) Nén đoạn nhiệt và c) Nén đa biến vớin = 1.3 o Giải: a) Nén đẳng nhiệt: t2 = t1 = 20 C ⎛ p2 ⎞ 8314 ⎛ 4.5 ⎞ w = −RT ln⎜ ⎟ = − (20 + 273)ln⎜ ⎟ = −126342 J / kg = −126.3 kJ / kg ⎝ p1 ⎠ 29 ⎝ 1 ⎠ q = w = −126.3 kJ / kg k −1 1.4−1 ⎛ p ⎞ k ⎛ 4.5 ⎞ 1.4 ⎜ 2 ⎟ o b) Nén đoạn nhiệt: T2 = T1 ⎜ ⎟ = (20 + 273)⎜ ⎟ = 450 K ()177 C ⎝ p1 ⎠ ⎝ 1 ⎠ ⎡ k −1 ⎤ − k ⎛ p ⎞ k w = RT ⎢⎜ 2 ⎟ −1⎥ = −157834 J / kg = −157.8 kJ / kg 1 ⎢⎜ ⎟ ⎥ k −1 ⎝ p1 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ q = 0 c) Nén đa biến: tính tương tự như quá trình đoạnnhiệt vớin = 1.3 p.9
10. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM ¾ Tác hại của dung tích thừa ¾ Để tránh va đập trên thựctế giữa nắp xi lanh và piston có 1 khoảng p trống, gọi là dung tích thừa Vt 3’ 2’ Quá trình 1234 thể hiện đồ thị máy nén có dung tích thừa 3 2 p’2 Do dung tích thừa, lượng khí nạp thực sự vào xi lanh chỉ còn p2 (V1 -V4) Để đánh giá năng suất của máy 4 4’ 1 p1 V nén piston bị suy giảm do dung Vt Vh tích thừa: dùng hiệu suất thể tích V1 −V4 ĐCT ĐCD λ = (λ = 0.7 ÷ 0.9) V1 −V3 Khi áp suất nén càng cao (1’2’3’4’) Æ λ càng thấp Æ dùng máy nén p.10 nhiều cấp
11. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM b) Máy nén piston nhiều cấp - Dùng để nén khí ở áp suất cao p2/p1 > 10 -Giảm được công tiêu hao do có bộ làm mát trung gian (diện tích 2344’) Bộ làm mát trung gian p 4 4’ c Xy Xy 2 lanh lanh p b 3 hạ cao 3 áp áp p2 a 1 p1 V a-1: quá trình hút khí vào xylanh cấp 1 b-3: quá trình làm mát khí trong bình làm 1-2: quá trình nén đa biến trong xylanh cấp1 mát trung gian và nạp vào xylanh cấp2 2-b: quá trình đẩy khí qua bình làm mát trung 3-4: quá trình nén đa biến trong xylanh cấp2 gian trước khi nạp khi vào xylanh cấp2 4-c: quá trình thải khí từ xylanh cấp 2 vào bình chứa p.11
12. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM T = T ¾ Phân phối áp suất nén giữa các cấp Chọn: 1 3 T2 = T4 p 4 4’ T p c p3 p2 1 T = T 2 2 4 4 2 4 b 3 p 3 p T1= T3 = 2 1 p a 1 1 p 3 V s Vì các cấp nén đều có cùng số mũ đa biến n như nhau, ta có: n p ⎛ T ⎞ n−1 Tỉ số tăng áp p2 p4 p4 (Vì Cấp 1: 2 = ⎜ 2 ⎟ x = = = ⎜ ⎟ mỗi cấp là: p p p p2 = p3 ) p1 ⎝ T1 ⎠ 1 3 1 n p ⎛ T ⎞ n−1 Tỉ số tăng áp của p Cấp 2: 4 = ⎜ 4 ⎟ 4 = x 2 ⎜ ⎟ máy nén 2 cấp là: p3 ⎝ T3 ⎠ p1 p.12
13. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM T3 = T1 n−1 ¾ Tính toán cho máy nén 2 cấp p = p và ⎛ p ⎞ n 2 3 T = T = T ⎜ 2 ⎟ 4 2 1 ⎜ p ⎟ p 4 ⎝ 1 ⎠ c a) Tỉ số tăng áp của từng cấp là như nhau: p p p 32 x = 2 = 4 = 4 4 b p p p p 1 3 1 3 p = 1 Tỉ số tăng áp của toàn máy 2 1 p a nén 2 cấp là: p V 2 p x = 4 p1 3 b) Dung tích xylanh cấp 1 (Xylanh hạ áp) là V1 (m ) 3 Dung tích xylanh cấp 2 (Xylanh cao áp) là V3 (m ) V1 3 Vì T1 = T3 , áp dụng pt khí lý tưởng suy ra quan hệ: V = (m ) 3 x p.13
14. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM c) Công tiêu hao (cho 1 kg khí) của máy nén 2 cấp: ⎡ n−1 ⎤ − n ⎛ p ⎞ n Chú ý: Cấp 1: w = RT ⎢⎜ 2 ⎟ −1⎥ 1 1 ⎢⎜ ⎟ ⎥ n −1 ⎝ p1 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ n : là số mũ đa biến của quá ⎡ n−1 ⎤ trình nén đa biến nói chung − n ⎛ p ⎞ n Cấp 2: w = RT ⎢⎜ 4 ⎟ −1⎥ 2 3 ⎢⎜ ⎟ ⎥ n −1 ⎝ p3 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ T1 = T3 Vì: p p w1 = w2 2 = 4 = x p1 p3 Công tiêu hao cho 1 kg khí của máy nén 2 cấp là: ⎡ n−1 ⎤ − 2n ⎢⎛ p ⎞ n ⎥ w = w + w = 2 w = RT ⎜ 4 ⎟ −1 ( J /kg) mn 1 2 1 1 ⎢⎜ ⎟ ⎥ n −1 ⎝ p1 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ p.14
15. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM d) Nhiệt lượng khí nén thải qua xylanh và qua bình làm mát trung gian của máy nén 2 cấp: ¾ Nhiệt lượng thải qua vỏ xylanh của mỗi cấp nén là như nhau và bằng: n−1 n − k n − k ⎛ ⎞ p4 là tỉ số tăng áp q = c ΔT = c T ⎜ x n −1⎟ kJ / kg với x = 1 v v 1 ⎜ ⎟ p của từng cấp n −1 n −1 ⎝ ⎠ 1 Nhiệt lượng thải qua 2 vỏ xylanh của máy nén 2 cấplà: 2q1 ¾ Nhiệt lượng thải qua bình làm mát trung gian của máy nén là: q2 = c p ()T2 − T1 kJ / kg vớicp là nhiệt dung riêng đẳng áp của khí nén Nhiệt lượng thảitổng cộng của máy q = 2q + q kJ / kg nén 2 cấp là: mn 1 2 p.15
16. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM Ví dụ 8.2: Máy nén lý tưởng 2 cấp có làm mát trung gian, áp suất ban đầu p1 = 1 bar, t1 = o 20 C, áp suất cuối quá trình nén p4 = 9 bar. Xác định công tiêu hao của máy nén, nhiệt độ cuối quá trình nén, nhiệt thải qua bình làm mát trung gian nếu quá trình nén xem là đoạn nhiệt. Giải: Quá trình nén là đoạn nhiệt Æ n = k = 1.4 (không khí) k −1 Công tiêu hao của ⎡ ⎤ − 2k ⎢⎛ p ⎞ k ⎥ máy nén 2 cấp: w = RT ⎜ 4 ⎟ −1 J / kg mn 1 ⎢⎜ ⎟ ⎥ k −1 ⎝ p1 ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥ k−1 Nhiệt độ cuối k k −1 ⎛ p ⎞ p4 quá trình nén: T = T = T ⎜ 2 ⎟ = T x k với x = = 3 4 2 1 ⎜ ⎟ 1 p ⎝ p1 ⎠ 1 Nhiệt thải qua bình làm mát trung gian: q2 = c p (T2 − T1 ) kJ / kg p.16
17. Người soạn: TS. Hà anh Tùng 1/2009 ĐHBK tp HCM * YÊU CẦU VỀ NHÀ: 1) Đọc thêm trong sách để hiểu phần tính toán cho máy nén piston nhiều cấp 2) Tự tính lại 2 ví dụ 8.1 và 8.2 để nắm vững cách tính toán p.17