Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

Chương 12
CHU TRÌNH ĐỘNG CƠ NHIỆT
12.1. Khái niệm chung
Động cơ nhiệt là loại máy nhiệt được thực hiện theo chu trình thuận chiều để chuyển hóa nhiệt
năng thành công cơ học.
Động cơ đốt trong là loại động cơ nhiệt có quá trình cháy của nhiên liệu tiến hành bên trong
động cơ. Không khí và sản phẩm cháy là môi chất. Nguồn nóng là phản ứng cháy tỏa nhiệt của
nhiên liệu. Nguồn lạnh là môi trường xung quanh. Sản phẩm cháy sau khi dãn nở, sinh công được
thải ra môi trường. Do đó, động cơ đốt trong làm việc theo chu trình hở. Các quá trình biến đổi
năng lượng bên trong động cơ là các quá trình không thuận nghịch.
Động cơ đốt trong có các loại như: động cơ đốt trong kiểu piston, động cơ turbine khí, động cơ
phản lực, động cơ tên lửa, súng pháo.
Khi nghiên cứu các chu trình nhiệt động của các động cơ nhiệt người ta đưa ra các giả thiết sau:
- Môi chất là khí lí tưởng. Thành phần và khối lượng của nó không thay đổi trong quá trình làm
việc. Nhiệt dung riêng không thay đổi theo nhiệt độ.
- Các quá trình xảy ra trong động cơ đều là quá trình thuận nghịch.
- Quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ được thay bằng quá trình cấp nhiệt.
- Quá trình nén và dãn nở trong động cơ đều là các quá trình đoạn nhiệt.
- Quá trình thải sản phẩm cháy được coi là quá trình thải nhiệt.
- Coi quá trình nạp khí và thải sản phẩm cháy triệt tiêu nhau về công, biến hệ hở thành hệ kín.
Như vậy, có thể coi động cơ làm việc theo chu trình kín.
Động cơ đốt ngoài là loại động cơ nhiệt mà quá trình cấp nhiệt cho môi chất được tiến hành bên
ngoài động cơ. Ví dụ như: động cơ hơi nước.
12.2. Chu trình động cơ đốt trong kiểu piston
12.2.1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí làm việc của động cơ đốt trong kiểu piston
Động cơ đốt trong kiểu piston là động cơ nhiệt có quá trình cháy và biến đổi nhiệt thành công
xảy ra trong xilanh động cơ, môi chất công tác của động cơ là sản phẩm cháy của hỗn hợp của
nhiên liệu và không khí.
6

1. Xilanh động cơ
2. Piston
3. Thanh truyền
4. Tay quay (tay biên)
5. Vỏ máy
6. Van nạp (xupap nạp)
7. Nến điện (bugi) hoặc
vòi phun dầu
8. Van xả (xupap xả)

7

8

p

3

1
2
3

2

4
5

4
0

V0 = V2

Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong

1
V1

V

Chu trình làm việc động cơ bốn kì

Khi động cơ làm việc, piston đi từ điểm chết trên (đỉnh piston cách xa tâm trục khuỷu nhiều
nhất) đến điểm chết dưới (đỉnh piston gần tâm trục khuỷu nhất) thực hiện quá trình nạp môi chất 01,
piston đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên thực hiện quá trình nén 12, gần điểm chết trên xuất
hiện quá trình cháy 23 và quá trình dãn nở 34 đẩy piston từ điểm chết trên đến điểm chết dưới,
piston từ điểm chết trên đến điểm chết dưới thực hiện quá trình thải 40 và tiếp tục chu kì mới.
BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

1


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

Động cơ thực hiện chu trình làm việc bằng bốn lần lên xuống của piston (bốn hành trình) gọi là
động cơ bốn kì, động cơ bốn kì cần hai vòng quay của trục khuỷu để thực hiện một chu trình làm
việc. Nếu trong hành trình lên xuống của piston xilanh có những lỗ để nạp hoặc thải môi chất, một
lần lên xuống của piston thực hiện hai quá trình làm việc, chu trình làm việc của động cơ chỉ cần
hai hành trình. Động cơ thực hiện chu trình làm việc bằng hai hành trình lên xuống của piston hay
một vòng quay trục khuỷu là động cơ hai kì.
12.2.2. Chu trình nhiệt động

Chu trình làm việc thực của động cơ đốt trong bao gồm quá trình nạp, quá trình nén, quá trình
cháy dãn nở và quá trình thải là chu trình hở có số lượng môi chất, thành phần hóa học và tính chất
vật lí của môi chất thay đổi. Chu trình thực tế phức tạp và bị nhiều yếu tố ảnh hưởng, để nhận được
những yếu tố cơ bản cần có những giả thiết lí tưởng:
- Chu trình động cơ là chu trình kín có lượng môi chất không đổi.
- Môi chất là khí lí tưởng có nhiệt dung riêng không đổi.
- Quá trình cháy là quá trình cấp nhiệt, quá trình thải là quá trình thải nhiệt.
- Quá trình nén và dãn nở là những quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch.
Những giả thiết trên đưa chu trình làm việc thực tế về chu trình lí tưởng hay chu trình nhiệt động.
a. Chu trình cấp nhiệt đẳng tích
• Chu trình cấp nhiệt đẳng tích là chu trình nhiệt động của động cơ xăng.
Chu trình gồm bốn quá trình:
v1
- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 được đặc trưng bởi tỉ số nén ε = .
v2
p3
- Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 23 được đặc trưng bởi hệ số tăng áp λ =
. Ở quá trình này,
p2
chu trình nhận nhiệt q1 từ nguồn nóng:
q1 = Cv (T3 − T2 ) = CvT1ε k −1 ( λ − 1)
- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34.
- Quá trình thải nhiệt đẳng tích 41. Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q2 vào môi trường:
q2 = Cv (T4 − T1 ) = CvT1 (λ − 1)
p

T
3

3

q1

q1

4

2

2

4

q2
1

v2 = v3

1
v

v1 = v4

s1 = s2

q2
s3 = s4

s

Chu trình cấp nhiệt đẳng tích


• Hiệu suất nhiệt chu trình:
ηtv = 1 −

hay

ηtv = 1 −

Cv T1 ( λ −1)
q2
=
q1 Cv T1 ε k −1 ( λ −1)

1

ε k −1
Nhận xét: Muốn tăng hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ cấp nhiệt đẳng tích ta cần tăng tỉ số nén.
BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

2


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

b. Chu trình cấp nhiệt đẳng áp
• Chu trình cấp nhiệt đẳng áp là chu trình nhiệt động động cơ diesel phun dầu vào xilanh bằng
khí nén.
T

p

q1

2

3

2
4

q2

v3

4
q2

1

1
v2

3

q1

v

v1 = v4

s1 = s2


s3 = s4

s

Chu trình cấp nhiệt đẳng áp

Chu trình bao gồm 4 quá trình:
- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 được đặc trưng bởi tỉ số nén ε =

v1
.
v2

- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 23 được đặc trưng bởi hệ số dãn nở sớm ρ =

v3
. Ở quá trình này,
v2

chu trình nhận nhiệt q1 từ nguồn nóng:
q1 = C p (T3 − T2 ) = C pT1ε k −1 ( ρ − 1)
- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34.
- Quá trình thải nhiệt đẳng tích 41. Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q2 cho môi trường:
q2 = Cv (T4 − T1 ) = CvT1 ( ρ k − 1)
• Hiệu suất nhiệt chu trình:
q2
CvT1 ( ρ k − 1)
ηtp = 1 − = 1 −
q1

C pT1ε k −1 ( ρ − 1)

ρ k −1
kε k −1 ( ρ − 1)
Nhận xét: Muốn tăng hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ cấp nhiệt đẳng áp ta cần tăng tỉ số
nén và giảm tỉ số dãn nở sớm.
c. Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
• Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp là chu trình nhiệt động động cơ diesel phun dầu vào xilanh bằng
bơm cao áp.
ηtp = 1 −

hay

p

T
3
q1′

q1′′

q1′

4

3

2

2


4

5

5
q2

1

1
v2 = v3

q1′′

v4

v = v5

v

s1 = s2 s3

q2
s4 = s5

s

Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp
BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT


3


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

Chu trình cấp nhiệt hỗn hợp gồm 5 quá trình:
- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 có đặc trưng là tỉ số nén ε =

v1
.
v2

- Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 23 có đặc trưng là hệ số tăng áp λ =

p3
. Ở quá trình này, chu
p2

trình nhận nhiệt q1′ từ nguồn nóng:
q1′ = Cv (T3 − T2 )
- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 34 có đặc trưng là độ dãn nở sớm ρ =

v4
. Ở quá trình này, chu
v3

trình nhận nhiệt q1′′ từ nguồn nóng:
q1′′ = C p (T4 − T3 )
- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 45.

- Quá trình thải nhiệt đẳng tích 51. Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q2 cho môi trường:
q2 = Cv (T5 − T1 )
• Hiệu suất nhiệt của chu trình:

ηtvp = 1 −

q2
q
Cv (T5 − T1 )
= 2 = 1−
q1 q1′ + q1′′
Cv (T3 − T2 ) + C p (T4 − T3 )

Thay các giá trị nhiệt độ và rút gọn ta được:
λρ k − 1
ηtvp = 1 − k −1
ε [ (λ − 1) + k λ ( ρ − 1)]
Nhận xét: Muốn hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ cấp nhiệt hỗn hợp ta cần tăng tỉ số nén,
tăng hệ số tăng áp và giảm khi hệ số dãn nở sớm.
d. So sánh chu trình
T
• Khi các chu trình có cùng tỉ số nén và nhiệt lượng cấp:
3v
4
Chu trình cấp nhiệt đẳng tích 123v 4 v1 , chu trình cấp
3p
3
nhiệt hỗn hợp 123451 và chu trình cấp nhiệt đẳng áp
123 p 4 p1 có công sinh ra khác nhau và nhiệt thải cho
2

4p
nguồn lạnh khác nhau. Nhiệt thải cho nguồn lạnh ở chu
4v
5
trình cấp nhiệt đẳng áp là lớn nhất được biểu thị bằng diện
tích s114 p s4b và nhiệt thải ở chu trình cấp nhiệt đẳng tích
là nhỏ nhất được biểu thị bằng diện tích s114 v s4 v .
Như vậy, hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng tích
là lớn nhất và hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng áp
là nhỏ nhất:
ηtv > ηtvp > ηtp

1
s1 = s2

s4v s5 s4p

s

Các chu trình động cơ đốt trong có cùng
tỉ số nén và cùng nhiệt cung cấp

• Khi các chu trình có cùng nhiệt độ, áp suất cực đại
và nhiệt độ, áp suất cực tiểu:
- Trong điều kiện cùng nhiệt độ cực đại, theo đồ thị nhiệt ta thấy các chu trình có cùng nhiệt
thải cho nguồn lạnh và được biểu thị bằng diện tích s114v s4 . Chu trình cấp nhiệt đẳng áp có công
sinh ra lớn nhất được biểu thị bằng diện tích 12 p 3 p 4 p1 và công sinh ra trong chu trình cấp nhiệt
đẳng tích nhỏ nhất được biểu thị bằng diện tích 12v3v 4v1 . Vì vậy, hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt
đẳng áp lớn nhất.
ηtp > ηtvp > ηtv

BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

4


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

T

p

pCN
2p
2
2v

3

TCN

3v = 4 = 3p
2p
4v = 5 = 4p

3
2

1

3v = 3p = 4

2v

4v = 4p = 5
1

s1 = s2v = s2 = s2p

s4v = s4p = s5 s

v
Các chu trình có cùng áp suất cực đại
trên đồ thị p-v

Chu trình có cùng nhiệt độ cực đại
trên đồ thị T-s

- Trong điều kiện cùng áp suất cực đại, theo đồ thị công ta thấy công sinh ra trong chu trình cấp
nhiệt đẳng áp là lớn nhất. Vì vậy, hiệu suất nhiệt chu trình cấp nhiệt đẳng áp lớn nhất:
ηtp > ηtvp > ηtv
12.3. Chu trình súng pháo
a. Nguyên lí cấu tạo và làm việc
• Nguyên lí cấu tạo: Súng pháo được nạp đạn là động cơ nhiệt kiểu pittông gồm xilanh 1 là
nòng, pittông 2 là đầu đạn, buồng đốt 3 chứa hỗn hợp cháy (thuốc phóng) và cơ cấu phát hỏa 4.
4

3

2

1


Sơ đồ cấu tạo súng pháo

• Nguyên lý làm việc:
Khi bắn cơ cấu phát hỏa đốt cháy thuốc mồi làm cháy p
3
thuốc phóng tạo ra sản phẩm cháy là khí có áp suất và nhiệt
4
độ cao đẩy đầu đạn vào nòng. Thuốc phóng tiếp tục cháy
đẩy đầu đạn dịch chuyển trong nòng và đạt được áp suất
cực đại pmax sau đó khí dãn nở sinh công đẩy đầu đạn ra
2
khỏi nòng với tốc độ lớn. Khi đầu đạn ra khỏi nòng, khí
5
cháy thải nhiệt vào môi trường. Quá trình làm việc của súng
được biểu thị bằng đường cong quan hệ áp suất khí trong
1
nòng với chiều dài nòng gọi là đường cong thuật phóng của
súng pháo. Những điểm đặc trưng của đường cong thuật
x
phóng là điểm mồi cháy ban đầu 1, điểm áp suất khí thuốc
Đường cong thuật phóng
đẩy đầu đạn vào nòng 2, điểm áp suất khí thuốc cực đại 3,
của súng pháo
điểm kết thúc quá trình cháy 4 và điểm khí thuốc chiếm
toàn bộ thể tích nòng 5.
Sự khác biệt cơ bản của súng pháo và động cơ nhiệt thông thường là súng pháo làm việc ở miền
áp suất cao của chất khí đến hàng ngàn bar.
b. Chu trình nhiệt động
• Súng pháo thực có quá trình cháy kéo dài không chỉ xảy ra trong buồng đốt mà còn xảy ra

trong nòng súng và cả khi thuốc phụt vào môi trường.
BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

5


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

T

p
2

q1v

q1′′

3

q1′

q1v

1
1

4

q2


2

3

4
q2
s

v

Chu trình nhiệt động súng pháo thông thường

- Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 12 tương ứng với quá trình xảy ra trong buồng đốt rất nhanh
p2
được giả thiết là quá trình đẳng tích được đặc trưng bởi hệ số tăng áp λ =
. Ở quá trình này, chu
p1
trình nhận nhiệt q1′ từ nguồn nóng:
q1′ = Cv (T2 − T1 )
- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 23 tương ứng với quá trình cháy trong nòng được giả thiết là đẳng áp
v3
được đặc trưng bởi hệ số dãn nở sớm ρ = . Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q1′′ từ nguồn nóng:
v1
q1′′ = C p (T3 − T2 )
- Quá trình dãn nở 34 là quá trình khí thuốc dãn nở đoạn nhiệt.
- Quá trình thải nhiệt đẳng áp 41. Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q2 ra môi trường:
q2 = C p (T1 − T4 )
• Hiệu suất nhiệt chu trình súng pháo:
q
ηt = 1 − 2

q1
= 1−

C p (T4 − T1 )
Cv (T2 − T1 ) + C p (T3 − T2 )

(T4 − T1 )
k (T4 − T1 )
=
1
(T2 − T1 ) + (T3 − T2 ) (T2 − T1 ) + k (T3 − T2 )
k
Thay các giá trị của T3 và T4 vào biểu thức trên và biến đổi, ta được:
= 1−

1− k 


λρ 
k
RT1 λ ( ρ − 1) +
1
−
λ
 − p1vh

÷
÷
k
−

1

 

ηt =
Cv (T2 − T1 ) + C p (T3 − T2 )

ở đây: vh =

Vh
= v4 − v1 , trong đó Vh là thể tích công tác của súng pháo, m3/kg.
m

π D2
Vh =
L
4
với: D là đường kính của nóng súng pháo, m; L là chiều dài công tác của súng pháo, m.

Nhận xét: Hiệu suất nhiệt của chu trình súng pháo phụ thuộc tính chất vật lý khí thuốc, phụ thuộc
trạng thái ban đầu khí thuốc, phụ thuộc tính chất quá trình cháy và phụ thuộc kích thước nòng.
BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

6


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

12.4. Chu trình động cơ turbine khí
12.4.1. Chu trình động cơ turbine cấp nhiệt đẳng áp

• Nguyên lí cấu tạo: Động cơ turbine khí gồm turbine khí 1 kéo tải 5, máy nén 2, hệ thống cung
cấp nhiên liệu 3 và buồng đốt 4 (hình vẽ).
p
4

q1
2

3

5

3

4
1
2

1

q2
v

Sơ đồ cấu tạo động cơ turbine và chu trình nhiệt động

• Nguyên lí làm việc: Không khí từ môi trường được nén vào buồng đốt gặp nhiên liệu bốc
cháy, sản phẩm cháy có nhiệt độ áp suất cao đi vào turbine dãn nở sinh công đến áp suất và nhiệt độ
thấp được thải vào môi trường.
• Chu trình cấp nhiệt đẳng áp gồm:
p2

- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 trong máy nén được đặc trưng bởi hệ số tăng áp của máy nén β =
.
p1
- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 23. Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q1 từ nguồn nóng:
q1 = C p (T3 − T1 )
- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34 trong turbin.
- Quá trình thải nhiệt đẳng áp 41. Ở quá trình này, chu trình nhả nhiệt q2 cho môi trường:
q2 = C p (T1 − T4 )
• Hiệu suất nhiệt của chu trình:
T

T1  4 − 1÷
C (T − T )
T
q
ηt = 1 − 2 = 1 − p 4 1 = 1 −  1 
q1
C p (T3 − T2 )
T

T2  3 − 1÷
 T2

Từ quá trình đoạn nhiệt 12 và quá trình đoạn nhiệt 34, ta được:
k −1

⇒

T3  p3  k 
= ÷ =

T4  p4 

T3 T2
=
hoặc
T4 T1

k −1

p2  k
T2
÷ =
p1 
T1
T4 T3
=
T1 T2
k −1

Vậy:

p k
T
1
ηt = 1 − 1 = 1 −  1 ÷ = 1 − k −1
T2
 p2 
β k
k


v1
= ε là tỉ số nén của máy nén, ta được: p2 =  v1 ÷
Đặt
v2
p1  v2 
Vậy:

ηt =

hay

β =εk

1
εk −1

BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

7


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

Nhận xét: Muốn tăng hiệu suất nhiệt của chu trình turbine cấp nhiệt đẳng áp ta cần tăng hệ số
tăng áp (tăng tỉ số nén) của máy nén.
12.4.2. Chu trình động cơ turbine cấp nhiệt đẳng tích
• Nguyên lí cấu tạo: Động cơ turbine khí có quá trình cháy đẳng tích gồm turbine 1 gắn tải máy
nén 2, bơm nhiên liệu 6, các van 3, 4, 5, động cơ có cấu tạo buồng đốt phức tạp nên hiện nay không
được sử dụng.
4


p

5

3
q1

6
3

2
4

2

1

1

q2

v

Động cơ turbine đốt cháy đẳng tích và chu trình nhiệt động

• Chu trình nhiệt động động cơ turbine bao gồm:
- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 trong máy nén được đặc trưng bởi hệ số tăng áp β =
- Quá trình cháy đẳng tích 23 được đặc trưng bởi hệ số tăng áp λ =


p2
.
p1

p3
. Ở quá trình này, chu
p2

trình nhận nhiệt q1 từ nguồn nóng:
k −1
k (λ

q1 = Cv (T3 − T2 ) = CvT1β
− 1)
- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34 trong turbin.
- Quá trình thải nhiệt đẳng áp. Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q2 cho môi trường:
q2 = C p (T4 − T1 ) = C pT1

1
(λ k

− 1)

• Hiệu suất nhiệt chu trình:
1
(λ k

1

C pT1

− 1)
q
k ( λ k − 1)
ηt = 1 − 2 = 1 −
=
1
−
k −1
k −1
q1
k
CvT1β (λ − 1)
β k ( λ − 1)
Thay β = ε k , ta được:
1

k ( λ k − 1)
ηt = 1 − k −1
ε (λ − 1)
Nhận xét: Muấn tăng hiệu suất chu trình turbine cấp nhiệt đẳng tích ta cần tăng tỉ số nén của
máy nén, tăng hệ số tăng áp của quá trình cháy.
12.5. Chu trình động cơ phản lực
12.5.1. Chu trình động cơ phản lực không khí
Chu trình và các tính toán hoàn toàn giống với chu trình turbine khí.
12.5.2. Chu trình động cơ tên lửa
a. Chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu rắn
• Nguyên lí làm việc: Thuốc phóng cháy đẳng áp tạo ra dòng khí dãn nở trong loa phụt sinh lực
đẩy đẩy động cơ.
BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT


8


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

p

p

2

1

τ

q1

3

q2

4
v

Các quá tình làm việc và chu trình nhiệt động của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn

Giả thiết mồi cháy là tức thời và quá trình dãn nở của sản phẩm cháy trong loa phụt là đoạn
nhiệt, quá trình phụt khí ra môi trường sinh lực đẩy là quá trình thải nhiệt vào môi trường.
• Chu trình nhiệt động động cơ tên lửa nhiên liệu rắn gồm:
- Quá trình mồi cháy đẳng tích 12.

- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 23. Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt q1 từ nguồn nóng:
q1 = C p (T3 − T2 )
- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 34 sinh công đẩy động cơ.
- Quá trình thải nhiệt đẳng áp 41. Ở quá trình này, chu trình thải nhiệt q2 vào môi trường:
q2 = C p (T4 − T1 )
• Công chu trình sinh ra được biểu thị bằng diện tích hình 1234 và được xác định theo biểu thức:
k −1


k


k
p

4
l=
RT3 1 −  ÷ 
  p3  
k −1


• Tốc độ dòng khí ra khỏi loa phụt ở chế độ tính toán:
k −1


k


2k

p

4
ω=
RT3 1 −  ÷ 
  p3  
k −1


• Lực đẩy động cơ ở chế độ tính toán:
k −1


k


2k
p

4
P = G.
RT3 1 −  ÷ 
  p3  
k −1


Nhận xét: Muốn tăng lực đẩy động cơ phải tăng lưu lượng dòng khí qua loa phụt, tăng hằng số
chất khí, tăng nhiệt độ cuối quá trình cháy và giảm áp suất tại tiết diện ra loa phụt.
• Hiệu suất nhiệt của chu trình:
C (T − T )

ηt = 1 − p 4 1
C p (T3 − T2 )

Giả thiết nhiệt độ ban đầu (T1 ) của động cơ là nhỏ so với nhiệt độ khí thải (T4 ) và nhiệt mà chu
trình nhận được ở quá trình mồi cháy (quá trình 12) là rất nhỏ so với nhiệt cung cấp trong quá trình
cháy đẳng áp, ta nhận được:
T
ηt = 1 − 4
T3
Vì quá trình 34 là đoạn nhiệt nên:
k −1

T4  p4  k
= ÷
T3  p3 

BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

9


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt
k −1

p k
Vậy:
ηt = 1 −  4 ÷
 p3 
Nhận xét: Để tăng hiệu suất nhiệt của chu trình cần tăng áp suất quá trình cháy và giảm áp suất
tại tiết diện ra của loa phụt.

b. Chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng
1

2

3
4
5
6
7
8

1. Bình khí cao áp
2. Thùng chứa nhiên liệu và thùng chứa
chất oxi hóa
3. Buồng đốt của turbine
4. Van nhiên liệu và van chất oxi hóa
5. Turbine
6. Bơm nhiên liệu và bơm chất oxi hóa
7. Ống dẫn
8. Loa phụt

Sơ đồ động cơ tên lửa
nhiên liệu lỏng

Giả thiết nhiên liệu và chất oxy hóa có thể tích rất nhỏ so với thể tích sản phẩm cháy.
Chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng giống chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu rắn, bao
gồm: quá trình cháy đẳng áp, dãn nở đoạn nhiệt, chu trình nhiệt động động cơ tên lửa nhiên liệu
lỏng gồm quá trình nén đẳng tích 12, cháy đẳng áp 23, dãn đoạn nhiệt 34 và thải nhiệt đẳng áp 41.
Việc tính toán các đại lượng đặc trưng cho chu trình giống như động cơ tên lửa nhiên liệu rắn.

c. Chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu hạt nhân
5

H2

1

4
3

2
H2

Sơ đồ cấu tạo động cơ tên lửa nhiên liệu hạt nhân

Buồng đốt động cơ 1 là một lò phản ứng hạt nhân chứa thỏi phản ứng hạt nhân 3, thanh điều
khiển 4 và tường phản xạ 5. Giữa thỏi hạt nhân có những rãnh để hyđro lỏng từ bên ngoài bơm qua
vách làm lạnh vào lò phản ứng nhận nhiệt của phản ứng hạt nhân biến thành khí có áp suất và nhiệt
độ cao dãn nở qua loa phụt sinh lực đẩy. Thanh điều khiển có nhiệm vụ duy trì tốc độ phản ứng hạt
BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

10


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

nhân không đổi, tường phản xạ phản xạ những tia bức xạ hạt nhân về phía luồng phụt bảo vệ những
phương tiện ở phía trước khỏi tác dụng phá hoại.
Chu trình làm việc của động cơ tên lửa hạt nhân giống chu trình động cơ tên lửa nhiên liệu
lỏng. Khối lượng mol khí hydro rất nhỏ hằng số chất khí của hyđro lớn, nhiệt độ xảy ra phản ứng

hạt nhân rất cao làm cho nhiệt độ hyđro cũng rất cao, dòng khí hyđro ra khỏi loa phụt với tốc độ rất
lớn gây lực đẩy động cơ bay đi.
12.6. Chu trình động cơ hơi nước
2

T

1

K
3

3
4

5

4

2
1

6

s
Sơ đồ nguyên lý làm việc và chu trình động cơ hơi nước

• Nguyên lí cấu tạo: Hệ thống thiết bị để thực hiện chu trình động cơ hơi nước gồm thiết bị sinh
hơi 1 (lò hơi, lò nguyên tử, lò mặt trời hoặc địa nhiệt), động cơ hơi nước 2 (máy hơi nước hoặc
turbine hơi nước), bình ngưng 3 và bơm nước 4.

• Chu trình động cơ hơi nước là chu trình Rankin được thực hiện trong vùng hơi ẩm và hơi quá
nhiệt. Việc tính toán chu trình hơi nước bằng bảng hoặc đồ thị. Chu trình bao gồm:
- Quá trình nén đoạn nhiệt 12 là quá trình bơm nước.
- Quá trình cấp nhiệt đẳng áp 2345 trong thiết bị sinh hơi. Ở quá trình này, chu trình nhận nhiệt
q1 từ nguồn nóng:
q1 = i5 − i2
- Quá trình dãn nở đoạn nhiệt 56 trong động cơ (máy hơi nước hoặc turbine hơi).
- Quá trình thải nhiệt đẳng áp 61 là quá trình ngưng tụ trong bình ngưng. Ở quá trình này, chu
trình thải nhiệt q2 cho nguồn lạnh:
q2 = i6 − i1
• Công sinh ra trong chu trình:
lct = q1 − q2 = (i5 − i2 ) − (i6 − i1 )
Gần đúng có thể coi i2 = i1 , ta có:
lct = i5 − i6
• Hiệu suất nhiệt của chu trình:
l i −i
i −i
ηt = = 5 6 = 5 6
q1 i5 − i2 i5 − i1
13.8. Chu trình máy lạnh nén hơi
Theo tính chất môi chất, máy lạnh được phân thành máy lạnh nén không khí, máy lạnh nén hơi
và máy lạnh hấp thụ. Máy lạnh nén hơi được sử dụng phổ biến gồm máy nén hơi 1, thiết bị ngưng
tụ 2, van tiết lưu 3 và thiết bị bay hơi 4. Chu trình máy nén hơi là chu trình ngược chiều 123451
gồm 12 là quá trình nén hơi đoạn nhiệt trong máy nén, 234 là quá trình tỏa nhiệt đẳng áp để hơi
ngưng tụ thành trạng thái lỏng ở nhiệt độ nguồn nóng T 1, 45 là quá trình tiết lưu qua van để biến đổi
môi chất lạnh ở trạng thái ngưng tụ thành hơi, 51 là quá trình nhận nhiệt làm lạnh buồng lạnh xảy ra
BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

11



Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt

trong thiết bị bay hơi. Hơi trong máy nén hơi là môi chất lạnh; môi chất lạnh Freon R 12 và R22 trong
phân tử chứa nguyên tử cacbon, nguyên tử clo và nguyên tử flo gây phá hủy tầng ozon không được
phép sử dụng, đang được thay thế bằng R143a và R152a; môi chất lạnh trong máy lạnh công suất
lớn là amoniac. Với môi chất đã cho tính được chu trình máy lạnh:
2

T
2

3

1

3

4

T1

T2

5'

1

5


1’
s

s5' = s4 s5

4

s1' = s3 s1 = s2

Sơ đồ nguyên lý làm việc và chu trình nhiệt động của máy lạnh nén hơi

Nhiệt nhận từ nguồn lạnh nhiệt độ T2 trong quá trình bay hơi đẳng áp q2:
q2 = i1 − i5 = T2(s1 − s5)
Nhiệt môi chất tỏa ra cho nguồn nóng nhiệt độ T1 thực hiện trong quá trình ngưng tụ q1:
q1 = i2 − i4
Công cung cấp cho chu trình l:
l = q1 − q2 = i2 − i4 − i1 + i5
Vì 45 là quá trình tiết lưu qua van nên i4 = i5 nhận được:
l = i2 − i1
ε =

Hệ số lạnh:

i1 − i5

q2
l

= i −i
2

1
13.9. Chu trình máy lạnh điện nhiệt
Máy lạnh điện nhiệt gồm hai thanh kim loại được nối với nhau và nối với nguồn điện, một đầu
đặt vào nguồn nóng T1 đầu kia đặt vào nguồn lạnh T2.
Khi có dòng điện chạy qua máy lạnh thực hiện chu trình ngược 12341. Giả thiết quá trình thuận
nghịch, nhận nhiệt từ nguồn lạnh và tỏa nhiệt cho nguồn nóng chỉ xảy ra ở nơi tiếp xúc giữa hai kim
loại.
T
2

3

T1
I
T1

T2

T2

1

4

s

Sơ đồ nguyên lý làm việc và chu trình nhiệt động của máy lạnh điện nhiệt
Theo hiệu ứng Pelter nhiệt nhận được từ nguồn lạnh Q2:
Q2 = αZT2I
Nhiệt tỏa cho nguồn nóng Q1: Q1 = αZT1I

Công dòng điện sinh ra:
L = Q1 − Q2
Hệ số lạnh:

ε =

Q2
L

Q2

α Z T2I

= Q − Q = α TI − α T I
1
2
Z 1
Z 2

BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

12


Chương 12 - Chu trình động cơ nhiệt
T2

ε = T −T
1
2

13.10. Chu trình bơm nhiệt
Bơm nhiệt được dùng để nung nóng một đối tượng nào đó, ví dụ để sưởi ấm một phòng làm
việc trong điều kiện môi trường giá lạnh. Bơm nhiệt giống như máy lạnh làm việc theo chu trình
ngược chiều bao gồm 12 là quá trình nén môi chất trong máy nén 1, 234 là quá trình ngưng tụ tỏa
nhiệt q1 trong thiết bị ngưng tụ 2 để bơm 5 đưa nhiệt đến nơi sử dụng, 45 là quá trình tiết lưu qua
van 3, 51 là quá trình nhận nhiệt q2 tại thiết bị bay hơi 4.
5
T
2
2

4
3

1

3

5
4

1
s

Sơ đồ nguyên lý làm việc và chu trình nhiệt động của bơm nhiệt
Chu trình bơm nhiệt giống chu trình máy lạnh nhưng làm việc trong khoảng nhiệt độ khác. Tính
kinh tế của chu trình bơm nhiệt đặc trưng bằng hệ số biến đổi nhiệt ϕ là tỉ số giữa nhiệt tỏa ra cho
nguồn nóng q1 với công cung cấp cho chu trình l:
ϕ =


q1
l

Thay q1 = q2 + l nhận được:
ϕ =

q2 + l
l

= ε+1

Hệ số biến đổi nhiệt càng tăng khi hệ số lạnh chu trình tương ứng càng tăng hay khi nhiệt độ
nguồn lạnh càng cao và hiệu nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh càng nhỏ.

BÀI GIẢNG KĨ THUẬT NHIỆT

13