Машина жасаудағы жылу жүйелеріндегі энтальпия өзгерістері
Машина жасау әлемінде энергия туралы талқылаулар қазандықтар, бу турбиналары, компрессорлар, конденсаторлар, жылу алмастырғыштар және іштен жану қозғалтқыштары сияқты жылу жүйелерімен тығыз байланысты. Бұл құрылғыларда энергия тасымалын талдау үшін жиі қолданылатын термодинамикалық шамалардың бірі - энтальпия. Энтальпия әсіресе пайдалы, себебі жылу құрылғыларындағы процестер көбінесе жабық жүйеде (басқару массасы) емес, сұйықтық ағынында (басқару көлемінде) жүреді. Сондықтан, энтальпия өзгерістерін түсіну энергияның процесте қайда баратынын түсінудің кілті болып табылады.
1. Энтальпияны және оның физикалық мағынасын түсіну
Анықтама бойынша, энтальпия (H) - термодинамикалық шама, ол келесідей тұжырымдалады:
H = U + pV
бірге:
– U = ішкі энергия
– p = қысым
– V = көлем
Ағын жүйелерін талдау үшін әдетте келесі нақты форма қолданылады:
h = u + pv
мұндағы h - меншікті энтальпия (кДж/кг). Қосымша pv термині көбінесе «ағын жұмысымен» байланысты энергия ретінде түсіндіріледі, яғни сұйықтықты басқару көлеміне немесе одан шығаруға қажетті жұмыс. Сондықтан энтальпия турбиналар, форсункалар, диффузорлар, сорғылар және компрессорлар сияқты құрылғыларды талдау үшін өте ыңғайлы.
2. Жылулық процестердегі энтальпияның өзгеруі (Δh)
Машина жасау тәжірибесінде ең маңыздысы тек энтальпия мәні ғана емес, сонымен қатар энтальпияның өзгеруі:
Δh = h₂ − h₁
Бұл өзгеріс қыздыру, салқындату, кеңею, сығылу немесе фазаның өзгеруіне (мысалы, судың буға айналуына) байланысты сұйықтықтың энергия мөлшерінің өзгеруін сипаттайды. Көптеген жылулық компоненттерде энтальпияның өзгеруі жылу мен жұмысқа тікелей байланысты.
Мысал ретінде:
– Қазандықта сұйықтық жылуды қабылдағандықтан энтальпия артады.
– Турбиналарда энтальпия төмендейді, себебі сұйықтық энергиясы білік жұмысына айналады.
– Конденсаторда энтальпия төмендейді, себебі бу қоршаған ортаға немесе салқындатқыш ортаға жылу бөледі.
3. Тұрақты ағын энергия теңдеуіндегі энтальпия
Машина жасау жылу жүйелерінің ең көп таралған талдауы - тұрақты ағын. Тұрақты ағынды басқару көлемінің энергия теңдеуі (Тұрақты ағын энергия теңдеуі/SFEE) көбінесе келесідей жазылады:
q − w = (h₂ − h₁) + (V₂² − V₁²)/2 + g(z₂ − z₁)
бірге:
– q = бірлік массаға шаққандағы жылу мөлшері (кДж/кг)
– w = масса бірлігіне шаққандағы жұмыс (кДж/кг)
– V = ағын жылдамдығы (м/с)
– z = биіктік (м)
– g = ауырлық күшінің әсерінен үдеу (м/с²)
Көптеген машина жасау қолданбаларында кинетикалық және потенциалдық энергияның өзгерістері энтальпияның өзгеруімен салыстырғанда салыстырмалы түрде аз, сондықтан олар көбінесе былайша жеңілдетіледі:
q − w ≈ h₂ − h₁
Бұл қарапайым байланыс өте күшті: егер біз жылу мен жұмыстың қалай пайда болатынын білсек, энтальпияның өзгеруін бағалай аламыз; немесе керісінше, егер энтальпия деректері белгілі болса (мысалы, бу кестелерінен), турбина жұмысын немесе компрессордың қуат талаптарын есептей аламыз.
4. Жылу жүйесінің негізгі компоненттеріндегі энтальпия өзгерістері
а) Қазандық және жылытқыш
Қазандықта су буға айналғанша қыздырылады. Процесс мыналарды қамтуы мүмкін:
1) сұйық суды қыздыру (ақылға қонымды қыздыру),
2) булану (жасырын қыздыру),
3) аса қыздыру (бумен қыздыру).
Үшеуі де энтальпияны айтарлықтай арттырады. Тұжырымдамалық тұрғыдан:
q_in ≈ h_out − h_in
Қазандықтың шығыс қысымы мен температурасы неғұрлым жоғары болса, будың энтальпиясы соғұрлым жоғары болады және әдетте турбинада алынуы мүмкін жұмыс соғұрлым жоғары болады.
b) Бу турбиналары және газ турбиналары
Турбинада сұйықтық қалақшалар мен білікте жұмыс істейді. Адиабаталық жағдайда (шамамен жылу алмасу жоқ):
w_out ≈ h_in − h_out
Бұл турбинадағы энтальпияның төмендеуі өндірілген жұмысқа тікелей байланысты екенін білдіреді. Бу турбиналары үшін энтальпия деректері әдетте кестелерден немесе Молье (hs) диаграммаларынан алынады. Газ турбиналары үшін энтальпия көбінесе идеалды газ тәсілін қолдана отырып, меншікті жылу сыйымдылығын пайдаланып есептеледі.
c) Сорғылар мен компрессорлар
Сорғылар (сұйықтықтар үшін) және компрессорлар (газдар үшін) кіріс жұмысын қажет етеді. Сорғылар үшін, сұйықтықтар сығылмайтын дерлік болғандықтан, энтальпия өзгерісі салыстырмалы түрде аз және көбінесе келесідей жуықталады:
w_in ≈ v (p₂ − p₁)
Газ компрессорларында энтальпияның жоғарылауы үлкен болуы мүмкін және бұл сығылуға байланысты температураның жоғарылауымен байланысты. Адиабаталық компрессорда:
w_in ≈ h_out − h_in
Энтальпияның жоғарылауы білік жұмысы арқылы сұйықтыққа қосылған энергияны көрсетеді.
d) Конденсатор
Конденсатор будан сұйықтыққа айналғанша жылуды кетіреді. Білік жұмыс істемеген кезде:
q_out ≈ h_in − h_out
Конденсатордағы энтальпияның төмендеуі әдетте үлкен, себебі ол конденсация кезінде жасырын жылудың бөлінуін қамтиды, ол қалыпты температураның төмендеуімен салыстырғанда өте басым.
e) Кеңейту клапаны (дроссельдеу клапаны)
Кеңейту клапандары көбінесе тоңазытқыш жүйелерінде және кейбір бу жүйелерінде кездеседі. Дроссельдеу процесінің маңызды сипаттамасы бар: көптеген инженерлік жағдайларда тұрақты энтальпия (изентальпиялық).
h₁ ≈ h₂
Энтальпия өзгеріссіз қалса да, қысым күрт төмендейді және сұйықтықтың бір бөлігі фазаны өзгертуі мүмкін (мысалы, сұйық-бу қоспасына айналуы мүмкін). Бұл тоңазыту циклдарында маңызды, себебі ол кеңеюден кейін температураның төмендеуіне әкеледі.
5. Жұмыс сұйықтықтарының энтальпиясы және фазалық өзгерістері
Энтальпия өзгерістері фазалық өзгерістерді қамтитын процестерде ең айқын көрінеді, мысалы:
– қайнаған су буға айналады,
– бу суға айналады,
– хладагент буландырғышта буланып кетеді.
Булану немесе конденсацияның жасырын жылуы тұрақты қысым кезінде температураның айтарлықтай жоғарылауынсыз энтальпияның жоғарылауын тудырады. Сондықтан, энтальпияны талдау қазандықтарды, конденсаторларды, буландырғыштарды және екі фазалы жылу алмастырғыштарды жобалауда өте маңызды.
6. Машина жасау тәжірибесінде энтальпия деректерін пайдалану
Көптеген нақты жағдайларда инженерлер энтальпияны негізгі формуладан есептемейді, керісінше келесі формуланы қолданады:
– бу үстелдері,
– hs диаграммасы (Молье),
– термодинамикалық қасиеттер бағдарламалық жасақтамасы (REFPROP, EES, CoolProp),
- өндірушінің деректері.
Энтальпия көрсеткіштеріндегі шағын қателіктер турбина қуатын, отынға деген қажеттілікті немесе салқындату қуатын бағалауда айтарлықтай айырмашылықтар тудыруы мүмкін. Сондықтан, тиісті жұмыс жағдайларын (қысым/температура) таңдау және бу сапасын түсіну өте маңызды.
7. Кесімпулан
Энтальпияның өзгеруі механикалық инженерия жылу жүйелерін талдаудағы негізгі ұғым болып табылады, себебі ол ағын жабдықтарындағы жылу, жұмыс және сұйықтық күйінің өзгеруі құбылыстарын тікелей байланыстырады. Тұрақты күйдегі энергия теңдеуін пайдалану арқылы энтальпияның өзгеруін турбина жұмысын, компрессор қуатын, қазандыққа қосылған жылуды және конденсаторда бөлініп шыққан жылуды есептеу үшін пайдалануға болады. Энтальпия инженерлерге Ранкин, Брэйтон және тоңазыту жүйелері сияқты жылу циклдерінің өнімділігі мен тиімділігін түсіну үшін практикалық «тіл» ретінде қызмет етеді. Энтальпияның өзгеруін меңгеру жылу жүйелерін дәлірек, қауіпсіз және тиімдірек оқып, жобалай білуді білдіреді.
Қаласаңыз, мақаланы дәрістердің/практикалық жұмыстардың қажеттіліктеріне жақындату және оны қолдану үшін қарапайым есептеу мысалдарын (мысалы, бу турбиналары немесе компрессорлар) қоса аламын.
