TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP. HCM
⁕-⁕-⁕
NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KỸ THUẬT
THERMODYNAMICS
CHƯƠNG 9: CHU TRÌNH THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC
TS. HUỲNH PHƯỚC HIỂN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH – KHOA CƠ KHÍ
1
CHƯƠNG 9: CHU TRÌNH THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC HƠI NƯỚC

9.1 GIỚI THIỆU

9.2 CHU TRÌNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐÔNG LỰC HƠI NƯỚC –
RANKINE CYCLE

9.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HƠI ĐẾN HIỆU SUẤT NHIỆT
CỦA CHU TRÌNH

9.4 CHU TRÌNH CÓ QUÁ NHIỆT TRUNG GIAN
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 2
9.1 GIỚI THIỆU

9.1.1 Chu trình thiết bị động lực hơi nước (vapor power cycle)
 Là một trong các loại chu trình chuyển đổi nhiệt năng thành công cơ học với
nước là môi chất làm việc bên trong, và được ứng dụng rộng rãi trong các nhà
máy nhiệt điện (thermal power plant)
 Nhiệt năng cung cấp có thể được tạo ra từ quá trình đốt than (coal), khí thiên
nhiên(narural gas), năng lượng hạt nhân (nuclear energy), etc…
 Các thiết bị cơ bản trong chu trình

Lò hơi (boiler)
 Tuabin hơi (steam turbine)
 Bình ngưng (condenser)
 Bơm nước (pump)
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 3
9.1 GIỚI THIỆU

9.1.2 Lò hơi (Boiler)
 Là thiết bị tạo hơi có áp suất và nhiệt độ cao thông qua quá trình chuyển đổi
hóa năng thành nhiệt năng.
 Phân loại:
 Theo sản lượng hơi:
 Lò công suất lớn: > 75 tấn hơi / giờ
 Lò hơi công suất nhỏ: < 10 tấn hơi / giờ
 Theo áp suất hơi sinh ra:
 Lò hơi cao áp: > 60 bar.
 Lò hơi thấp áp: < 20 bar.
QT nước hóa hơi trong lò hơi là đẳng áp
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 4
9.1 GIỚI THIỆU

9.1.3 Tuabin hơi (steam turbin)
 Là thiết bị chuyển đổi nhiệt năng thành công cơ học.
 Nguyên tắc làm việc:
 Năng lượng của dòng hơi chuyển đổi từ nhiệt năng (áp suất, nhiệt độ cao)
sang động năng (vận tốc lớn)
 Động năng của dòng hơi chuyển thành động năng của tuabin.
 QT hơi giãn nở trong tuabin là đoạn nhiệt
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 5
9.1 GIỚI THIỆU

9.1.4 Thiết bị ngưng tụ (condenser)
 Thiết bị đưa dòng hơi ra khỏi tuabin về trạng thái lỏng sôi theo quá trình đẳng
áp.
 Hơi thường được ngưng tụ tại trạng thái có áp suất chân không.

9.1.5 Bơm nước cấp
 Tăng áp suất của nước từ áp suất ngưng tụ đến giá trị áp suất của hơi trong lò hơi.
 Nước thay đổi theo quá trình đoạn nhiệt khi qua bơm nước cấp
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 6
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)

Chu trình Rankine (Rankine cycle) là chu trình cơ bản của thiết bị động lực hơi
nước.
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 7
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)

9.2.1 Tính toán chu trình Rankine có tính đến công tiêu thụ của bơm nước cấp
❖ Hiệu suất nhiệt của CT
(thermal efficiency)
𝐢𝟑 − 𝐢𝟒 − 𝐢𝟐 + 𝐢𝟏
𝛈=
𝐢𝟑 − 𝐢𝟐
QT 1 → 2
QT 2 → 3
QT 3 → 4
QT 4 → 1
Chu trình
Bơm nước cấp
Lò hơi
Tuabin
Bình ngưng
s1 = s2
p2 = p3 = po
s3 = s4
p4 = p1 = pk
Nhiệt lượng cấp vào
qo = i3 – i2
q=0
qin = i3 – i2
q=0
│qout│= i4– i1
│wp,in│= i2 – i1
w=0
wT,out = i3 – i4
w=0
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
Công nhận được trong cả CT
w = wT,out - │wp,in│
H.P.Hien (Dr.Eng.) 8
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)

9.2.2 Tính toán chu trình Rankine không tính đến công tiêu thụ của bơm nước
cấp
❖ Hiệu suất nhiệt của CT (thermal efficiency)
𝐢𝟑 − 𝐢𝟒
𝛈=
𝐢𝟑 − 𝐢𝟏
❖ Suất tiêu hao hơi để tạo ra 1 kWh điện
𝟑𝟔𝟎𝟎
𝐝=
, 𝐤𝐠/𝐤𝐖𝐡
𝐢𝟑 − 𝐢𝟒
❖ Lượng hơi tiêu thụ nếu tuabin có công suất
phát N kW
𝐃 = 𝐍 𝐱 𝐝, 𝐤𝐠/𝐡
QT 1 → 2
QT 2 → 3
QT 3 → 4
QT 4 → 1
Chu trình
Bơm nước cấp
Lò hơi
Tuabin
Bình ngưng
s1 = s2
p2 = p3 = po
s3 = s4
p4 = p1 = pk
Nhiệt lượng cấp vào
qo = i3 – i1
q=0
qin = i3 – i1
q=0
│qout│= i4– i1
THERMODYNAMICS
│wp,in
│= 0
w = 0– CHAPTER
wT,out9 = i3 – i4
w=0
Công nhận được trong cả CT
w = wT,out
H.P.Hien
(Dr.Eng.) 9
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 10
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 11
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 12
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)

9.2.3 Tính toán cân bằng nhiệt tại lò hơi và bình ngưng
 Tính toán cân bằng nhiệt tại lò hơi
 HV: heating value of fuel
Gv (p2, t2, i2)
Tổn thất nhiệt
Qloss = Gf.HV.(1-ηL)
LÒ HƠI
Gf.HV.ηL = Gw.(i3 – i2)/1000
Gv (p3, t3, i3)
Fuel
HV (MJ/kg)
Gasolin
44,4
Diesel
43,4
Butane (C4H10)
49,75
Than Anthracite
27
Qf = Gf.HV
QT CHÁY
NHIÊN LIỆU
Nhiên liệu
hóa thạch
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
Gf
Khối lương nhiên liệu (kg/s)
Gv
Lưu lượng nước tuần hoàn
trong chu trình (kg/s)
ηL
Hiệu suất lò hơi
HV
Nhiệt trị của nhiên liệu
(MJ/kg) H.P.Hien (Dr.Eng.)
13
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)

9.2.3 Tính toán cân bằng nhiệt tại lò hơi và bình ngưng
 Tính toán cân bằng nhiệt tại bình ngưng
Gv (p4, x4, i4)
Gwa, twa-in
Gwa, twa-out
Gv (p1, x1 = 0, i1)
BÌNH NGƯNG TỤ
Gv(i4 – i1) = Gwacp(twa-out – twa-in)
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 14
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)

9.2.3 Tính toán cân bằng nhiệt tại lò hơi và bình ngưng
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 15
9.2 CHU TRÌNH RANKINE (RANKINE CYCLE)

9.2.3 Tính toán cân bằng nhiệt tại lò hơi và bình ngưng
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 16
9.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HƠI ĐẾN CHU TRÌNH RANKINE

Các thông số của nước và hơi nước ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của CT
Rankine như
 Áp suất hơi vào tuabin.
 Nhiệt độ hơi vào tuabin.
 Áp suất hơi ra khỏi tuabin
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 17
9.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HƠI ĐẾN CHU TRÌNH RANKINE
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 18
9.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HƠI ĐẾN CHU TRÌNH RANKINE
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 19
9.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HƠI ĐẾN CHU TRÌNH RANKINE
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 20
9.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HƠI ĐẾN CHU TRÌNH RANKINE
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 21
9.4 CHU TRÌNH CÓ QUÁ NHIỆT TRUNG GIAN

Tăng hiệu suất của chu trình nhưng vẫn đảm bảo hơi vào tuabin có nhiệt độ
không quá cao và độ khô của hơi nước ra khỏi tuabin không quá thấp.
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 22
9.4 CHU TRÌNH CÓ QUÁ NHIỆT TRUNG GIAN
Chu trình Rankine có quá nhiệt trung gian: tính đến công cấp vào cho bơm cấp.
QT
1→5
5→6
6→2
2→3
3→4
4→1
Chu trình
ĐĐ
s1 = s5
p5 = p6
s6 = s2
p2 = p3
= pk
s3 = s4
p4 = p1
= po
q
(kJ/kg)
0
i6 – i5
0
i2 – i3
(độ
lớn)
0
i1 – i4
Nhiệt lượng cấp vào cho
chu trình
q = qo = q41 + q56
Q = Qo = Gh.qo
wkt
(kJ/kg)
i1 – i5
0
i6 – i2
0
i4 – i3
(độ
lớn)
0
𝜼=
Bỏ qua công
bơm cấp
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
w = wkt15+ wkt62 - │wkt34│
W = Gh.w
𝒊𝟏 − 𝒊 𝟓 + 𝒊𝟔 − 𝒊𝟐 − 𝒊𝟒 + 𝒊𝟑
𝒊 𝟏 − 𝒊𝟒 + 𝒊𝟔 − 𝒊𝟓
𝜼=
𝒊𝟏 − 𝒊𝟓 + 𝒊 𝟔 − 𝒊𝟐
𝒊𝟏 − 𝒊𝟑 + 𝒊 𝟔 − 𝒊𝟓
H.P.Hien (Dr.Eng.) 23
4 components associated with the Rankine
cycle
?
Pump
?
Condenser
?
Boiler
?
Turbine
4 processes make up the Rankine cycle
? → ? Constant pressure heat addition in a boiler
? → ? Isentropic compression in a pump
? → ? Constant pressure heat rejection in a
condenser
4 states of water in the Rankine
cycle
?
Compressed liquid
?
Superheated vapor
?
Saturated liquid – vapor
mixture
?
Saturated liquid
? → ? Isentropic expansion in a turbine
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 24

Khảo sát chu trình thiết bị động lực hơi nước làm việc theo chu trình Rankine cơ
bản. Hơi nước đi vào tuabin có áp suất và nhiệt độ lần lượt là 14 MPa và 450oC. Hơi
nước ra khỏi tuabin được ngưng tụ tại nhiệt độ 45oC. Hãy xác định:

Bài 1: Enthalpy của hơi nước ra khỏi tuabin

a) 3175,7 kJ/kg
c) 1956,1 kJ/kg

b) 2582,43 kJ/kg
d) 2892,9 kJ/kg

Bài 2: Hiệu suất nhiệt của chu trình (bỏ qua công tiêu hao của bơm nước cấp)

a) 9,5%
c) 59,2%

b) 19,9%
d) 40,8%
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 25
Khảo sát thiết bị ngưng tụ trong chu trình thiết bị động lực hơi nước với các thông số như
sau:
 Hơi nước vào thiết bị ngưng tụ có áp suất p = 0,09 bar, độ khô x1 = 0,85
 Hơi nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ ở trạng thái lỏng sôi (x2 = 0)
 Lưu lượng hơi nước G = 0,2kg/s
 Bình ngưng được giải nhiệt bằng nước, độ chênh lệch nước vào và ra khỏi bình ngưng là
tn=6oC, nhiệt dung riêng của nước Cpn = 4,18kJ/kgđộ.
 Entanpi của hơi nước vào thiết bị ngưng tụ:
 a.
i = 2220,495 kJ/kg
 b.
i = 2460,165 kJ/kg
 c.
i = 2100,66 kJ/kg
 d.
i = 2340,33 kJ/kg
 Lưu lượng nước giải nhiệt cho bình ngưng:
 a.
Gn = 13,62 kg/s
 b.
Gn = 8,12 kg/s
 c.
Gn = 16,25 kg/s
 d.
Gn = 18,16 kg/s
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 26
Khảo sát chu trình thiết bị động lực hơi nước có thực hiện quá trình quá nhiệt trung
gian với các đặc điểm như sau:

Nhiệt độ và áp suất của hơi nước vào tuabin cao áp lần lượt là 550oC và 16 MPa. Áp
suất làm việc của bộ quá nhiệt trung gian là 30 bar.

Nhiệt độ hơi nước vào tuabin hạ áp là 500oC.

Hơi nước ra khỏi thiết bị ngưng tụ ở trạng thái lỏng sôi và có nhiệt độ 45oC.

Công suất phát của tuabin cao áp: WTCA = 40 MW.
Hãy xác định
a)
Thông số (p,t,i) của các điểm đặc trưng.
b)
Công suất phát của tuabin hạ áp
c)
Hiệu suất nhiệt của chu trình.
d)
Lượng tiêu hao nhiên liệu cho chu trình biết lò hơi sử dụng dầu có nhiệt trị là
10000 kcal/kg và hiệu suất của lò hơi ηL = 90%.
e)
So sánh giá trị hiệu suất nhiệt với chu trình không thực hiện quá nhiệt trung gian
với thông số hơi vào tuabin và áp suất ngưng tụ không thay đổi.
f)
Biểu diễn chu trình trên đồ thị p – v và T-s.
THERMODYNAMICS – CHAPTER 9
H.P.Hien (Dr.Eng.) 27