ʻO ke kānāwai mua o Thermodynamics ma ka loiloi mīkini ʻoihana
Ma hope o ke kani ʻana o nā turbine, ka wela o nā umu paila, a me ke kani ʻana o nā compressors ma nā hale hana, aia kekahi kumumanaʻo nui e kū mau ana: ʻo ke Kānāwai Mua o Thermodynamics. ʻO kēia kānāwai ke kumu no ka hoʻomaopopo ʻana pehea e neʻe ai ka ikehu a me nā loli i loko o nā mīkini ʻoihana. Ma ka hoʻomaopopo ʻana iā ia, hiki i nā ʻenekinia ke helu i nā koi wahie , kuhi i ka pono, hoʻolālā i nā ʻōnaehana hoʻoluʻu, a hiki ke nānā i ka ʻōpala ikehu i nā lako hana. Kūkākūkā kēia ʻatikala i nā manaʻo, nā kaulike koʻikoʻi, a me nā laʻana o nā noi o ke Kānāwai Mua o Thermodynamics i ka loiloi mīkini ʻoihana.
1. Ke hoʻomaopopo nei i ke kānāwai mua o Thermodynamics
ʻO ke Kānāwai Mua o Thermodynamics ke kānāwai o ka mālama ʻana i ka ikehu. ʻAʻole hiki ke hana ʻia a luku ʻia paha ka ikehu; hiki ke hoʻoili wale ʻia mai kekahi ʻōnaehana i kekahi ʻano a i ʻole e hoʻololi ʻia mai kekahi ʻano i kekahi. I loko o ke ʻano o ka thermodynamics, ʻo nā ʻano o ka ikehu i kūkākūkā pinepine ʻia:
– Wela (wela, Q): ikehu i hoʻoili ʻia ma muli o nā ʻokoʻa o ka mahana.
– Hana (W): ikehu i hoʻoili ʻia ma muli o kahi ikaika e hoʻoneʻe ai, no ka laʻana ka hana o ke koʻokoʻo ma luna o kahi turbine a i ʻole ka compressor.
– Ikehu kūloko (U): ikehu microscopic i loko o kahi mea (e pili ana i ka mahana, ka pae, a me nā pilina molekala).
– Nā mea hoʻohui koʻikoʻi i ka ʻōnaehana kahe: ikehu kinetic (KE) a me ka ikehu hiki (PE).
I nā huaʻōlelo maʻalahi, ʻōlelo ke Kānāwai Mua: ʻo ka loli o ka ikehu o kahi ʻōnaehana ua like ia me ka ikehu i hoʻokomo ʻia me ka hoʻemi ʻana o ka ikehu i hoʻopuka ʻia.
2. Nā ʻōnaehana Thermodynamic i nā mīkini ʻoihana
I ka nānā ʻana i nā mīkini ʻoihana, koho pinepine mākou i kekahi o nā ʻano ʻōnaehana ʻelua:
1. ʻŌnaehana pani
ʻAʻole hele ke kaumaha ma waena o nā palena o ka ʻōnaehana, akā hiki ke hoʻoili ʻia ka ikehu (wela/hana). Laʻana: cylinder-piston i kekahi mau kaʻina hana batch (e.g., nā hoʻokolohua hale hana a i ʻole nā kaʻina hana kūikawā).
2. ʻŌnaehana wehe / ka leo hoʻomalu
Massa a me ka ikehu hiki ke hele i nā palena. ʻO kēia ka mea maʻamau i ka ʻoihana: nā turbine, nā compressors, nā pumps, nā paila, nā condensers, nā mea hoʻololi wela, nā nozzles, nā diffusers, a me nā paipu.
ʻIke ʻia ka hapa nui o nā lako hana ma ke ʻano he leo kaohi ma lalo o nā kūlana paʻa, ʻo ia hoʻi, ʻaʻole e loli ka nui o ke kahe a me nā waiwai wai me ka manawa ma kekahi wahi i hāʻawi ʻia.
3. Ka Hoʻohālikelike Laulā o ke Kānāwai Mua o Thermodynamics
3.1. No nā ʻōnaehana pani ʻia
ʻO ke kaulike kumu:
\[
ʻO Delta E = Q – W
\]
kahi e hoʻokomo pū ai ʻo \(\Delta E\) i nā loli i loko o ka ikehu kūloko, kinetic, a me ka hiki. I nā hihia hana he nui, ua hoʻowahāwahā ʻia nā loli i ka ikehu kinetic a me ka hiki ke hana pēlā:
\[
ʻO ka Delta U = Q – W
\]
ʻO ka wehewehe ʻana: ʻo ke komo ʻana o ka wela e hoʻonui i ka ikehu kūloko, ʻoiai ʻo ka hana i hana ʻia e ka ʻōnaehana e hoʻemi ana i ka ikehu kūloko (ma muli o ka ʻaelike hōʻailona, akā ʻo ke kuʻuna ʻenekinia maʻamau: ʻo Q ke komo ʻana he maikaʻi, ʻo W e haʻalele ana (i hana ʻia e ka ʻōnaehana) he maikaʻi).
3.2. No nā ʻōnaehana hāmama (mana leo)
No ke kahe paʻa o hoʻokahi-i-hoʻokahi-i waho, ʻo ke ʻano i hoʻohana pinepine ʻia:
\[
\dot{Q} – \dot{W} = \dot{m}\left[(h_2-h_1) + \frac{V_2^2 – V_1^2}{2} + g(z_2-z_1)\ʻākau]
\]
ʻIkepili:
– (kiko{Q}): helu hoʻoili wela (kW)
– \(\dot{W}\): ka nui o ka hana (kW), pinepine ma ke ʻano o ka hana ʻauamo
– \(\dot{m}\): ka nui o ke kahe ʻana o ka nuipa (kg/s)
– \(h\): enthalpy kikoʻī (kJ/kg)
– \(V\): ka wikiwiki o ke kahe ʻana (m/s)
– \(z\): kiʻekiʻe (m)
I loko o nā mīkini ʻoihana he nui, ʻuʻuku iki nā loli o ke kiʻekiʻe a me ka ikehu kinetic i hoʻohālikelike ʻia me ka loli o ka enthalpy , no laila ua hoʻomaʻalahi ʻia i:
\[
\dot{Q} – \dot{W} \approx \dot{m}(h_2-h_1)
\]
ʻO kēia ʻano maʻalahi ka mea e hoʻolilo ai i ke Kānāwai Mua i mea kūpono loa: me ka ʻikepili enthalpy komo-puka wale nō, hiki iā mākou ke kuhi i nā koi wela a i ʻole ka mana o ke koʻokoʻo.
4. Hoʻohana ʻia ma nā mīkini ʻoihana
4.1. ʻO ka mīkini mahu a i ʻole mīkini hoʻoheheʻe kinoea
Hoʻololi nā turbine i ka ikehu wela o kahi wai i ka hana shaft. No kahi turbine paʻa, ua manaʻo pinepine ʻia he adiabatic (\(\dot{Q}\approx 0\)):
\[
-\dot{W} \approx \dot{m}(h_2-h_1)
\]
ʻOiai ʻo \(h_2 < h_1\) (emi ka enthalpy), a laila maikaʻi ʻo \(\dot{W}\) e like me ka mana i hana ʻia. Mai ʻaneʻi, hiki ke helu ʻia ka mana turbine inā ʻike ʻia ka nui o ke kahe ʻana o ka nuipa a me ka emi ʻana o ka enthalpy ma muli o nā papa mahu a i ʻole ka ʻikepili waiwai kinoea. Nā pono ʻoihana : ka helu ʻana o ka mana i hoʻopuka ʻia, ka loiloi ʻana o ka pono isentropic turbine, a me ka manaʻo o ka hoʻohana ʻana i ka mahu no kWh. 4.2. Mea hoʻoheheʻe ea Pono ka mea hoʻoheheʻe i ka hana shaft e hoʻonui i ke kaomi i mea e hoʻonui ai ka enthalpy (\(h_2>h_1\)). No kahi mea hoʻoheheʻe adiabatic:
\[
\dot{W}_{in} \approx \dot{m}(h_2-h_1)
\]
ʻO ke ʻano kēia, ua hoʻoholo ʻia ka nui o ka mana uila e pono ai ka compressor e ka piʻi ʻana o ka enthalpy, ka mea i hoʻopili ʻia e ka lakio kaomi, ka mahana komo, a me ka pono o ka compression.
Nā pono ʻoihana : ka hoʻoholo ʻana i nā kikoʻī o ka motika, ka helu ʻana i nā kumukūʻai ikehu compression, a me ka hoʻohālikelike ʻana i nā compressors pae hoʻokahi vs. multistage me ka intercooling.
4.3. Pamu wai
Hoʻonui nā pamu i ke kaomi o kahi wai. No nā wai hiki ʻole ke kaomi ʻia, ua manaʻo pinepine ʻia ka loli enthalpy e:
\[
w_p \approx v \Delta p
\]
kahi ʻo \(v\) ka nui kikoʻī (m³/kg) a ʻo \(\Delta p\) ka piʻi ʻana o ke kaomi. No ka mea he liʻiliʻi ʻo \(v\), ʻoi aku ka liʻiliʻi o ka hana pamu no kg ma mua o ka mea hoʻopili kinoea.
Nā pono ʻoihana: ka nui o ka pamu a me ka motika, ka nānā ʻana i ka pohō poʻo, a me ka loiloi ʻana i ka hoʻohana ʻana i ka ikehu o ka ʻōnaehana paipu.
4.4. Paila (paila mahu)
Hoʻoili ka paila i ka wela mai ke kuni ʻana i ka wai e hana i ka mahu. No ka hoʻomalu ʻana i ka leo paʻa me ka hana ʻauamo liʻiliʻi (\(\dot{W}\approx 0\)):
\[
\dot{Q}_{in} \approx \dot{m}(h_{out}-h_{in})
\]
Kōkua kēia helu ʻana i ka hoʻoholo ʻana i ka wela e pono ai e hana i kahi helu hana mahu i hāʻawi ʻia. Eia kekahi, hiki ke helu ʻia nā koi wahie ma ka noʻonoʻo ʻana i ka pono o ke ahi a me ka waiwai calorific o ka wahie.
Nā pono ʻoihana: nā loiloi ikehu paila, ka hoʻolālā mana, a me ka hoʻonui ʻana i ka blowdown a me ka economizer.
4.5. Mea hoʻohuihui
Hoʻopau ka mea hoʻomāʻū i ka wela mai ka mahu a hiki i ka wā e hoʻomāʻū ai i loko o kahi wai. Ke manaʻo nei ʻaʻohe hana o ke koʻokoʻo:
\[
\dot{Q}_{out} \approx \dot{m}(h_{in}-h_{out})
\]
ʻO ka nui o \(\dot{Q}_{out}\) e hoʻoholo ai i ka pono o ka wai hoʻolulu a i ʻole ka mana o ka hale kiaʻi hoʻolulu.
Nā pono ʻoihana: ka hoʻolālā ʻana o ka ʻōnaehana hoʻomaʻalili, ka kaohi ʻana i ka mahana o ke kaʻina hana, a me ka nānā ʻana i ka haumia i loko o nā mea hoʻololi wela.
4.6. Mea hoʻololi wela
I loko o kahi mea hoʻololi wela, hoʻololi nā kahawai ʻelua i ka wela, a manaʻo pinepine ʻia he adiabatic e pili ana i nā mea e puni ana (\(\dot{Q}_{surroundings}\approx 0\)) a me ka hana ʻole:
\[
\dot{m}_h(h_{h,in}-h_{h,out}) = \dot{m}_c(h_{c,out}-h_{c,in})
\]
ʻO kēia kaulike kahi ʻano o ke Kānāwai Mua he mea nui loa ia no ka helu ʻana i nā ukana wela a me ka hōʻoia ʻana i ka hana o nā lako ma ke kahua.
5. Ka Hoʻohana ʻana i ka Ikehu a me nā Diagnostics ʻŌpala
ʻAʻole ʻōlelo pololei ke Kānāwai Mua i ka maikaʻi o kahi mīkini (ʻo ia ke aupuni o ke Kānāwai ʻElua a me ke kumumanaʻo o ka entropy), akā he mana loa ia no:
– E hana i kahi kaulike ikehu no nā ʻāpana hana āpau.
– E ʻike i ka pohō wela ma o ka insulation maikaʻi ʻole, nā liki mahu, a i ʻole ke kuni ʻana ma lalo o ka maikaʻi ʻole.
- Ana ka pono wela ma nā huaʻōlelo maʻalahi, no ka laʻana:
– Ka pono o ka paila: ikehu mahu pono / ikehu kemika o ka wahie.
– Ka pono o ka mea hana turbine: ka hoʻemi ʻana o ka mana uila / ka ikehu mahu.
– E hoʻoholo i nā mea nui e mālama ai: ʻo nā lako me ka \(\dot{Q}\) a i ʻole \(\dot{W}\) nui loa ka pahuhopu nui no ka hoʻonui ʻana.
Ma kahi loiloi ikehu, hōʻiliʻili nā ʻenekinia i ka ʻikepili mahana, kaomi, ka nui o ke kahe ʻana, a me ka mana uila a laila e palapala i nā kahe ikehu e komo mai ana a me waho. Hōʻike pinepine nā ʻokoʻa kaulike ikehu i nā pilikia o ka mea hana, ka haumia, nā leaka, a i ʻole nā kuhi hana pono ʻole.
6. He Laʻana Pōkole o ke ʻAno o ka Noʻonoʻo ʻana (Me ka ʻole o nā Helu Paʻakikī)
Manaʻo ʻia e loaʻa ana i kahi turbine ka mahu me ka enthalpy kiʻekiʻe a hoʻokuʻu i ka mahu me ka enthalpy haʻahaʻa. Inā ʻike ʻia ka wikiwiki o ka mahu, a laila kūpono ka mana o ka turbine i ka \(\dot{m}(h_1-h_2)\). Inā ʻoi aku ka liʻiliʻi o ka mana maoli, e noiʻi ka ʻenekinia i nā mea hiki ke hiki:
- ka pono o ka turbine ka emi ʻana (ka hōʻino ʻana o ka pahi, ka ʻino ʻana, nā waihona),
- kahe ka mahu ma mua o ke sila,
- ʻaʻole i hoʻolālā ʻia nā kūlana komo (hāʻule ke kaomi/mahana),
– ke alo o ka hoʻoili wela i makemake ʻole ʻia a i ʻole nā loli i nā kūlana kahe.
Hoʻomaka kēia mau noiʻi a pau mai ke Kānāwai Mua: "ma hea e hele ai ka ikehu?"
7. Hopena
ʻO ke Kānāwai Mua o Thermodynamics ka mea hana kumu loa akā hoʻohana pinepine ʻia i ka nānā ʻana i nā mīkini ʻoihana. Ma ka hoʻopili ʻana i nā kaulike ikehu i nā turbines, compressors, pumps, boilers, condensers, a me nā mea hoʻololi wela, hiki i nā ʻenekinia ke helu pono i nā koi wela, ka mana o ke koʻokoʻo, ka hana hana, a me nā ukana hoʻomaʻalili. ʻOiai ʻo ka pono o ka ikehu e koi ana i ke Kānāwai ʻElua, ʻo ke Kānāwai Mua ke kumu hoʻomaka koʻikoʻi no ka hoʻolālā, ka hana, a me ka hoʻonui ʻana i ka ikehu o nā mea kanu hou.
Inā makemake ʻoe, hiki iaʻu ke hoʻohui i kahi mana o ka ʻatikala e pili ana i nā hihia helu (e like me ka helu ʻana o ka mana turbine/compressor a i ʻole nā kaulike ikehu paila) me nā ʻanuʻu kikoʻī a me nā papa waiwai pili.
