Chu trình nhiệt là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm chu trình nhiệt

Chu trình nhiệt (thermodynamic cycle) là tập hợp các quá trình nhiệt động lực học liên tiếp, trong đó hệ thống chất làm việc trải qua một dãy biến đổi trạng thái rồi quay trở về trạng thái ban đầu. Mỗi quá trình trong chu trình có thể là đẳng nhiệt (nhiệt độ không đổi), đẳng áp (áp suất không đổi), đẳng tích (thể tích không đổi) hoặc đẳng entropi (entropy không đổi). Khi kết thúc chu trình, tổng công thực hiện bởi hệ thống có thể dương (động cơ) hoặc âm (máy bơm, máy lạnh).

Cơ chế hoạt động của chu trình nhiệt dựa trên nguyên lý bảo toàn năng lượng: nhiệt lượng Qin đưa vào hệ sẽ được chuyển hóa thành công Wout và một phần nhiệt Qout thải ra môi trường. Hiệu suất chu trình được xác định bởi tỉ số giữa công nhận được và nhiệt đưa vào, thể hiện khả năng chuyển đổi năng lượng nhiệt thành cơ năng hoặc ngược lại.

Chu trình nhiệt là mô hình lý tưởng hóa nhưng cung cấp khuôn khổ phân tích cơ bản cho động cơ đốt trong, tua-bin hơi nước, tua-bin khí, máy nén, máy lạnh và nhiều hệ thống nhiệt khác. Việc phân tích chu trình giúp kỹ sư tối ưu hóa thiết kế, lựa chọn chất làm việc, điều kiện vận hành và cải thiện hiệu suất tổng thể.

Phân loại chu trình nhiệt

Chu trình nhiệt lý tưởng được chia làm hai nhóm chính: chu trình đóng (closed cycle) và chu trình mở (open cycle). Trong chu trình đóng, chất làm việc luân chuyển tuần hoàn trong hệ khép kín, không trao đổi khối lượng với môi trường (ví dụ chu trình Rankine, Brayton lý tưởng). Chu trình mở cho phép chất làm việc (khí hoặc hỗn hợp khí-nhiên liệu) đi vào và ra khỏi hệ, thường áp dụng cho động cơ phản lực và động cơ đốt trong Otto, Diesel.

Theo tính chất quá trình, chu trình còn được phân loại thành kiểu đẳng nhiệt—đẳng entropi (như Carnot), kiểu đẳng tích—đẳng áp (như Otto), kiểu đẳng áp—đẳng entropi (như Brayton) hoặc kết hợp nhiều quá trình khác nhau. Chu trình lý tưởng thường bỏ qua ma sát, tổn thất nhiệt và biến đổi không hoàn hảo nhằm xác định giới hạn hiệu suất cao nhất.

Chu trình thực tế (real cycle) bao gồm các yếu tố tổn thất như ma sát, mất áp trong quá trình nén/giãn nở, truyền nhiệt không hoàn toàn đẳng nhiệt và thất thoát nhiệt qua thành vách. Phân tích chu trình thực tế đòi hỏi thêm các hệ số hiệu suất, hệ số tổn thất và thông số kỹ thuật của thiết bị thực thi (máy nén, tua-bin, lò đốt, bộ làm mát).

Các tham số đặc trưng

Hiệu suất nhiệt (thermal efficiency) của chu trình là tỉ số giữa công thực hiện hữu ích Wout và nhiệt lượng cung cấp Qin:

$\eta = \frac{W_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}} = 1 - \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}.$

Hiệu suất lý tưởng được giới hạn bởi biểu thức Carnot: $\eta_{\text{Carnot}} = 1 - \frac{T_C}{T_H},$trong đó TH và TC là nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nóng và nguồn lạnh.

Các tham số quan trọng khác bao gồm:

• Tỉ số nén (r): tỷ lệ giữa thể tích lúc kết thúc và lúc bắt đầu quá trình nén trong chu trình Otto và Diesel.
• Nhiệt độ cực đại và cực tiểu: ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất và khả năng chịu nhiệt của vật liệu.
• Lưu lượng chất làm việc: khối lượng hoặc thể tích chất làm việc tuần hoàn, xác định công suất thực tế.

Việc tối ưu hóa các tham số này—tăng tỉ số nén, nâng nhiệt độ đốt cháy, giảm nhiệt độ ngưng tụ—giúp nâng cao hiệu suất và giảm tiêu hao nhiên liệu.

Chu trình Carnot

Chu trình Carnot là mô hình lý tưởng của máy nhiệt, gồm bốn quá trình đảo chiều tuần tự: đẳng nhiệt nạp nhiệt tại TH, đẳng entropi giãn nở, đẳng nhiệt thải nhiệt tại TC, và đẳng entropi nén trở về trạng thái ban đầu. Chu trình này có hiệu suất tối đa giữa hai nguồn nhiệt, không có tổn thất nội tại.

Các quá trình chi tiết:

1. Đẳng nhiệt giãn nở (1→2): hệ hấp thụ nhiệt QH từ nguồn nóng ở TH và thực hiện công nén.
2. Đẳng entropi giãn nở (2→3): chất làm việc giãn nở cách nhiệt, entropy không đổi, nhiệt độ giảm từ TH xuống TC.
3. Đẳng nhiệt nén (3→4): hệ thải nhiệt QC ra nguồn lạnh ở TC, entropy giảm.
4. Đẳng entropi nén (4→1): chất làm việc nén cách nhiệt, entropy không đổi, nhiệt độ tăng từ TC đến TH.

Hiệu suất chu trình Carnot chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ hai nguồn và không phụ thuộc vào chất làm việc:

$\eta_{\text{Carnot}} = 1 - \frac{T_C}{T_H}.$

Chu trình Carnot lý tưởng giúp xác định giới hạn cao nhất về hiệu suất cho bất kỳ chu trình nhiệt nào, đồng thời cung cấp cơ sở so sánh cho các chu trình thực tế.

Chu trình Otto

Chu trình Otto lý tưởng mô hình hóa hoạt động của động cơ đánh lửa bằng bugi. Nó bao gồm bốn quá trình biến đổi: đẳng tích nén (1→2), đẳng áp cháy (2→3), đẳng tích giãn nở (3→4) và đẳng áp thải (4→1). Tỉ số nén r = V1/V2 (V1 là thể tích đầu chu trình, V2 là thể tích sau nén) là tham số quyết định hiệu suất chu trình.

Hiệu suất của chu trình Otto được tính theo công thức:

$\eta_{\text{Otto}} = 1 - \frac{1}{r^{\gamma-1}}$

Trong đó γ là tỉ số nhiệt dung (Cp/Cv) của chất khí. Khi r tăng, hiệu suất tăng tuy nhiên giới hạn hiện thực do kích nổ và chịu lực cơ học của vật liệu.

• Ưu điểm: cơ chế đơn giản, chi phí sản xuất thấp, ứng dụng rộng rãi trong ô tô nhỏ.
• Hạn chế: tỉ số nén giới hạn bởi nhiên liệu, tổn thất nhiệt qua thành xi-lanh và ma sát.

Chu trình Diesel

Chu trình Diesel tương tự Otto nhưng quá trình cháy diễn ra ở áp suất gần không đổi (2→3) thay vì đẳng tích. Các bước bao gồm đẳng tích nén, đẳng áp cháy, đẳng tích giãn nở và đẳng áp thải. Tỉ số nén cao (r từ 14 đến 22) khiến nhiệt độ nén đủ cao để nhiên liệu tự bốc cháy.

Hiệu suất chu trình Diesel được biểu diễn qua hai tham số: tỉ số nén r và tỉ số giãn xấp xỉ (cut-off ratio) ρ = V3/V2:

$\eta_{\text{Diesel}} = 1 - \frac{1}{r^{\gamma-1}} \frac{\rho^\gamma - 1}{\gamma(\rho - 1)}$

Nhờ tỉ số nén cao hơn và đặc tính cháy chậm, chu trình Diesel có hiệu suất nhiệt cao hơn Otto, phù hợp cho động cơ công suất lớn như máy phát điện và ô tô tải.

Chu trình Brayton

Chu trình Brayton lý tưởng mô tả tua bin khí, gồm bốn quá trình: đẳng entropi nén, đẳng áp gia nhiệt, đẳng entropi giãn nở và đẳng áp thải. Chất làm việc thường là hỗn hợp khí-nhiên liệu, vận hành ở áp suất cao để cải thiện hiệu suất và công suất riêng.

Hiệu suất chu trình Brayton lý tưởng phụ thuộc vào tỉ số nén rp = P2/P1:

$\eta_{\text{Brayton}} = 1 - \frac{1}{r_p^{(\gamma-1)/\gamma}}$

Ứng dụng chủ yếu trong tua bin khí và động cơ phản lực. Trong thực tế, thêm hồi nhiệt (regenerator) và nén nhiều cấp giúp nâng cao hiệu suất và giảm tổn thất nhiệt.

Chu trình Rankine

Chu trình Rankine là cơ sở cho tua bin hơi nước, bao gồm bốn bước: đẳng áp bay hơi, đẳng entropi giãn nở, đẳng áp ngưng tụ và đẳng entropi nén. Chất làm việc là nước – hơi, tận dụng độ biến hóa thể tích lớn khi chuyển pha.

Hiệu suất lý tưởng của chu trình Rankine phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất bay hơi cũng như ngưng tụ. Nâng cao áp suất nồi hơi và hồi nhiệt tùy từng bậc (feedwater heater) giúp tăng hiệu suất, thường đạt 35–45% ở nhà máy nhiệt điện hiện đại.

Ứng dụng thực tiễn

Chu trình Otto và Diesel ứng dụng trong động cơ ô tô, động cơ công nghiệp và máy phát điện nhỏ. Chu trình Brayton dùng cho tua bin khí, động cơ phản lực. Chu trình Rankine là nền tảng của tua bin hơi nước trong nhà máy nhiệt điện than, khí và hạt nhân.

Các chu trình hỗn hợp (combined cycle) kết hợp Brayton và Rankine tận dụng nhiệt thải tua bin khí để tạo hơi nước, nâng hiệu suất tổng thể lên 55–60%. Kỹ thuật hồi nhiệt, siêu đốt và tăng áp giúp cải thiện hiệu suất và giảm phát thải carbon.

Đánh giá hiệu suất và cải tiến

Tối ưu hiệu suất chu trình dựa trên hai chiến lược chính: tăng nhiệt độ nguồn nóng (TH) và giảm nhiệt độ nguồn lạnh (TC), theo giới hạn Carnot. Ứng dụng vật liệu chịu nhiệt cao, hạ nhiệt độ ngưng tụ qua làm mát khô hoặc đốt lạnh.

Hồi nhiệt (regeneration) tận dụng nhiệt thải nóng để tiền gia nhiệt chất làm việc. Siêu đốt (superheating) và nghiền áp (intercooling) trong tua bin khí giảm tổn thất lý thuyết. Sử dụng nhiên liệu sinh học và khí tổng hợp giúp giảm phát thải và tăng hiệu quả kinh tế.

Chu trình hỗn hợp (combined cycle) và chu trình tái sinh (reheat cycle) là các hướng cải tiến phổ biến, cho phép khai thác tối đa nhiệt thải và nâng cao hiệu suất chu trình thực tế gần giới hạn lý thuyết.

Tài liệu tham khảo

• Çengel, Y. A., & Boles, M. A. (2015). Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill.
• Moran, M. J., & Shapiro, H. N. (2010). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. Wiley.
• NASA Glenn Research Center. Carnot Cycle. grc.nasa.gov
• Engineering Toolbox. Steam Power Plant Efficiency. engineeringtoolbox.com
• DOE Report (2014). Advanced Gas Turbine Combined Cycle Systems. US Department of Energy.