Bài giảng nhiệt động lực học kỹ thuật - Chương 9: Quá trình nén khí và hơi

Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 9: QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ VÀ HƠI CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -1- CHƯƠNG 9 QUÁÙ TRÌNH NÉÙN KHÍ VÀØ HƠI Có nhiều loại máy nén khí như: - Máy nén pittông - Máy nén trục vít - Máy nén xoắn ốc - Máy nén ly tâm, Về mặt nhiệt động các loại máy nén trên đều giống nhau nên chương này chỉ nghiên cứu máy nén pittông là loại sử dụng rất phổ cập. 1. MÁY NÉN PITTÔNG 1 CẤP 1.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG Cấu tạo: van nạp khí, van thải khí, piston, xylanh. Nguyên tắc hoạt động: NẠP KHÍ NÉN KHÍ THẢI KHÍ Khi piston chuyển động từ trên xuống van nạp mở van xả đóng, khí được nạp vào xylanh (quá trình nạp khí AB), áp suất lúc nạp khí không thay đổi là p1. Tiếp theo là quá trình nén khí (piston đi từ dưới lên), trong quá trình nén khí hai van nạp và xả đóng, nén khí có thể tiến hành theo quá trình đẳng nhiệt BC (n=1), quá trình đa biến BC1 hoặc quá trình đoạn nhiệt BC2 (n=k), áp suất tăng từ p1 đến p2. Sau quá trình nén khí là quá trình thải khí CD áp suất khí trong Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 9: QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ VÀ HƠI CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -2- xylanh đạt đến p2 đẩy van thải mở trong khi van nạp vẫn đóng, trong quá trình thải khí p2=const. v p ĐOẠN NHIỆT ĐA BIẾN ĐẲNG NHIỆT p 1 p 2 A D C C1 C2 B 1.2 CÔNG TIÊU HAO CỦA MÁY NÉN: Nén đẳng nhiệt: 1 2 1 2 11 p p lnRT v v lnvpw  biểu thị bằng diện tích ABCD Nén đoạn nhiệt: k )vpvp(k w    1 1122 )tt( k kR 12 1    biểu thị bằng diện tích ABC2D Nén đa biến: n )vpvp(n w    1 1122 )tt( n nR 12 1    biểu thị bằng diện tích ABC1D Nhận xét: nén theo quá trình đoạn nhiệt công tiêu hao nhiều nhất và nén theo quá trình đẳng nhiệt công tiêu hao ít nhất, do đó nếu máy nén được làm mát tốt công tiêu hao sẽ giảm đi. Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 9: QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ VÀ HƠI CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -3- 1.3 TÁC HẠI CỦA DUNG TÍCH THỪA v p 2'3' 23 4 4' 1 Vt V h V' h Do đó lượng khí nạp thực sự vào xylanh chỉ còn (V1 – V4) nhỏ hơn khi nạp không có dung tích thừa (máy nén lý tưởng). Lượng nạp vào càng giảm khi áp suất càng tăng (p’2 > p2) khi đó V’h < Vh. Để đánh giá năng suất của máy nén piston bị suy giảm do dung tích thừa gây nên người ta dùng đại lượng hiệu suất thể tích máy nén  : 31 41 VV VV    Aùp suất càng cao  càng thấp vì vậy dùng máy nén 1 cấp để nén khí đến áp suất quá cao là không có lợi. Do đó muốn có tỷ số nén cao phải dùng máy nén nhiều cấp. Để đảm bảo anh toàn khi hoạt động, giữa nắp xylanh và pittông có khe hở nhỏ khi piston di chuyển đến điểm chết trên, dung tích này không có lợi và được gọi là dung tích thừa Vt. Từ đồ thị ta thấy có thêm quá trình giãn nở phụ 3-4 khi piston dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD vì khí chứa trong dung tích thừa có áp suất cao p2 phải được giãn nở đến áp suất hút p1 thì khí mới thực sự nạp vào xylanh. Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 9: QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ VÀ HƠI CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -4- 2. MÁY NÉN PITTÔNG NHIỀU CẤP p 1 t 1 p 2 t 2 p 2 t 3 p 3 t 4 p 3 t 5 p 4 t 6 v p 4 2 1 V h V' h 3 5 Công nén tiết kiệm p 1 p 2 p 3 p 4 6 Các áp suất trung gian được chọn theo điều kiện tối ưu là làm thế nào để tổng công suất tiêu hao của máy nén nhỏ nhất khi đó nhiệt độ khí ra khỏi bộ làm mát trung gian bằng nhiệt độ hút vào của cấp thứ nhất: t3 = t5 = t1. Đồng thời điều kiện làm mát xy lanh giống nhau (số mũ đa biến n của các cấp giống nhau) thì công tiêu hao của máy nén sẽ nhỏ nhất ở điều kiện: 312 ppp  423 ppp  Hay x p p p p p p  3 4 2 3 1 2 Hay 3 1 4 x p p  hay m đ c p p x  Trong đó m là số cấp máy nén pđ là áp suất ban đầu hút vào máy nén pc là áp suất cuối của máy nén Bài giảng Nhiệt động học kỹ thuật CHƯƠNG 9: QUÁ TRÌNH NÉN KHÍ VÀ HƠI CBGD: TS. NGUYỄN MINH PHÚ -5- Công tiêu hao của máy nén m cấp                      1 1 1 1 n n m đ c mn p p RT n n mw