Chương 8: Quá trình nén khí và hơi

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.1p.1

8.2 Máy nén PISTON

8.1 Khái niệm chung

Máy nén piston 1 cấp

Máy nén piston nhiều cấp

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.2p.2

8.1 Khái niệm chungMáy nén khí (hơi) dùng để tăng áp suất khí (hơi)

Nếu p < 2 bar : đây là phạm vi sử dụng các loại QUẠT

Nếu p > 2 bar: dùng các loại MÁY NÉN

MN piston MN tuabin MN ejectơ

Dù khác nhau về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, vv… nhưng các máy nén này đều có quá trình nhiệt động như nhau

Nhóm 1: dùng công cơ học để nén khí

Nhóm 2: dùng nhiệt năng để nén khí

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.3p.3

Ví dụ minh họa một số loại máy nén khí (hơi)

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.4p.4

8.2 Máy nén pistona) Máy nén piston 1 cấp

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.5p.5

Những quá trình cơ bản của máy nén piston 1 cấp

C C1 C2

p2

D

1) Quá trình nạp khí ABp1 = const 2) Quá trình nén khí BC

3) Quá trình xả khí CD

p2 = const

p1A B

p

v

- BC : đẳng nhiệt n = 1- BC1 : đa biến - BC2 : đoạn nhiệt n = k T

s

p1

p2

BC

C1

C2

n = 1

n = k

1< n < k

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.6p.6

Tính công tiêu hao của máy nén piston 1 cấpCông tiêu hao để nén 1 kg khítừ áp suất p1 đến áp suất p2được tính theo công thức tính công kỹ thuật:

a) Nén theo quá trình đẳng nhiệt T = const (n = 1)

T

s

p1

p2

BC

C1

C2

n = 1

n = k

1< n < k

)/(lnln1

211

1

2 kgJppvp

ppRTw −=−=

b) Nén theo quá trình đoạn nhiệt pvk = const (n = k)

( )

)/(11

111

1

1

21

1

1

2111122

kgJppRT

kk

pp

vpk

kvpvpk

kw

kk

kk

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=−−−

=

−

−

)/(2

1

kgJwvdpwp

pKT∫ =−=

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.7p.7

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:

( )

)/(11

111

1

1

21

1

1

2111122

kgJpp

RTn

n

pp

vpn

nvpvpn

nw

nn

nn

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=−−−

=

−

−

C C1 C2

p2

D

p1A B

p

v

Nhận xét: dựa vào đồ thị p-v suy ra

* Công nén của quá trình đẳng nhiệt = diện tích ABCD là nhỏ nhất

* Công nén của quá trình đoạn nhiệt= diện tích ABC2D là lớn nhất

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.8p.8

Tính nhiệt lượng thải qua xylanh của máy nén piston 1 cấpa) Nén theo quá trình đẳng nhiệt T = const (n = 1)

)/(lnln1

211

1

2 kgJppvp

ppRTwq −=−== Nhiệt lượng thải ra = công

nhận vào

b) Nén theo quá trình đoạn nhiệt pvk = const (n = k) 0=q

Nhiệt độ cuối quá trình:k

k

pp

TT

1

1

212

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ( K )

c) Nén theo quá trình đa biến pvn = const ( 1 < n < k )

Nhiệt độ cuối quá trình:n

n

pp

TT

1

1

212

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ( K )

Nhiệt lượng thải qua xylanh của quá trìnhnén đa biến:

( ) )/(1 12 kgkJTT

nkncq v −

−−

=

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.9p.9

Ví dụ 8.1 trong sách “Nhiệt động lực học kỹ thuật”:

Máy nén lý tưởng 1 cấp, không khí được nén từ thông số ban đầu p1 = 1 bar, t1 = 20oC 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 với 3 trường hợp: a) Nén đẳng nhiệt; b) Nén đoạn nhiệt và c) Nén đa biến với n = 1.3

Giải: a) Nén đẳng nhiệt: Ctt o2012 ==

kgkJkgJpp

RTw /3.126/12634215.4ln)27320(

298314ln

1

2 −=−=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

kgkJwq /3.126−==

b) Nén đoạn nhiệt: ( )CKppTT o

kk

17745015.4)27320(

4.114.11

1

212 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−−

kgkJkgJpp

RTk

kwk

k

/8.157/15783411

1

1

21 −=−=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=

−

0=q

c) Nén đa biến: tính tương tự như quá trình đoạn nhiệt với n = 1.3

Tác hại của dung tích thừa

V4

2

p2

3

p11

p

VhVt

4’

ĐCT ĐCD

Để tránh va đập trên thực tế giữa nắp xi lanh và piston có 1 khoảng trống, gọi là dung tích thừa Vt

Quá trình 1234 thể hiện đồ thị máy nén có dung tích thừa

Do dung tích thừa, lượng khí nạp thực sự vào xi lanh chỉ còn (V1 - V4)

2’3’

p’2

Để đánh giá năng suất của máy nén piston bị suy giảm do dung tích thừa: dùng hiệu suất thể tích

)9.07.0(31

41 ÷=−−

= λλVVVV

Khi áp suất nén càng cao (1’2’3’4’) λ càng thấp dùng máy nén

nhiều cấp

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.10p.10

a-1: quá trình hút khí vào xylanh cấp 1

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’)

1-2: quá trình nén đa biến trong xylanh cấp 1

2-b: quá trình đẩy khí qua bình làm mát trung gian trước khi nạp khi vào xylanh cấp 2

b-3: quá trình làm mát khí trong bình làm mát trung gian và nạp vào xylanh cấp 2

3-4: quá trình nén đa biến trong xylanh cấp 2

4-c: quá trình thải khí từ xylanh cấp 2 vào bình chứa

Xy lanh hạ áp

Xy lanh cao áp

Bộ làm mát trung gian

32

p2

b

p1a 1

p

V

c4 4’

p3

p.11p.11

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.12p.12

Phân phối áp suất nén giữa các cấp

32

p 2=

p 3

b

p 1a 1

p

V

c4 4’

p 4

T

s

p1p2p3

T1= T3

T2 = T4

1

2

3

4

Vì các cấp nén đều có cùng số mũ đa biến n như nhau, ta có:

Chọn: 31 TT =42 TT =

Cấp 1:1

1

2

1

2−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

nn

TT

pp

1

3

4

3

4−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

nn

TT

ppCấp 2:

Tỉ số tăng áp mỗi cấp là: 1

4

3

4

1

2

pp

pp

pp

x ===(Vì

p2 = p3 )

Tỉ số tăng áp của máy nén 2 cấp là:

2

1

4 xpp

=

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.13p.13

Tính toán cho máy nén 2 cấp

3 2

p 2=

p 3

b

p 1a1

p

V

c4

p 4

a) Tỉ số tăng áp của từng cấp là như nhau:

1

4

3

4

1

2

pp

pp

pp

x ===

1

42

ppx =

32 pp =

b) Dung tích xylanh cấp 1 (Xylanh hạ áp) là V1 (m3)Dung tích xylanh cấp 2 (Xylanh cao áp) là V3 (m3)

Vì T1 = T3 , áp dụng pt khí lý tưởng suy ra quan hệ: )( 313 m

xV

V =

Tỉ số tăng áp của toàn máy nén 2 cấp là:

và13 TT =

nn

ppTTT

1

1

2124

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.14p.14

c) Công tiêu hao (cho 1 kg khí) của máy nén 2 cấp:

Cấp 1:⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=

−

11

1

1

211

nn

ppRT

nnw

Cấp 2:⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=

−

11

1

3

432

nn

ppRT

nnw

Vì:x

pp

pp

TT

==

=

3

4

1

2

31

Công tiêu hao cho 1 kg khí của máy nén 2 cấp là:

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−−

==+=

−

11

22

1

1

41121

nn

mn pp

RTn

nwwww

n : là số mũ đa biến của quá trình nén đa biến nói chung

Chú ý:

( J /kg)

21 ww =

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.15p.15

d) Nhiệt lượng khí nén thải qua xylanh và qua bình làm mát trung giancủa máy nén 2 cấp:

Nhiệt lượng thải qua vỏ xylanh của mỗi cấp nén là như nhau và bằng:

kgkJxTn

kncTn

kncq nn

vv /111

1

11 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−−

=Δ−−

=−

với1

4

pp

x = là tỉ số tăng áp của từng cấp

Nhiệt lượng thải qua bình làm mát trung gian của máy nén là:

Nhiệt lượng thải qua 2 vỏ xylanh của máy nén 2 cấp là: 12 q

( ) kgkJTTcq p /122 −=

Nhiệt lượng thải tổng cộng của máy nén 2 cấp là: kgkJqqqmn /2 21 +=

với cp là nhiệt dung riêng đẳng áp của khí nén

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.16p.16

Máy nén lý tưởng 2 cấp có làm mát trung gian, áp suất ban đầu p1 = 1 bar, t1 = 20oC, 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 n = k = 1.4 (không khí)

Công tiêu hao của máy nén 2 cấp: kgJ

pp

RTk

kwk

k

mn /11

21

1

41

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−−

=

−

Nhiệt độ cuốiquá trình nén: k

kkk

xTpp

TTT1

1

1

1

2124

−−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛== với 3

1

4 ==pp

x

Nhiệt thải qua bình làm mát trung gian: ( ) kgkJTTcq p /122 −=

Ví dụ 8.2:

Người soạn: TS. Hà anh Tùng ĐHBK tp HCM

1/2009

p.17p.17

* 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