Bandora Germahîyê li ser Karîgeriya Motora Germê
Motora germê amûrek e ku enerjiya germî vediguherîne karê mekanîkî. Nimûne pir in: motorên buharê di santralên elektrîkê de, motorên şewitandina navxweyî di wesayîtan de, turbînên gazê di balafiran de, û heta pergalên hêzê yên li ser bingeha çerxa termodînamîk a nûjen. Tevî cûrbecûrbûna wan, hemî motorên germê li ser heman prensîbê dixebitin: ew germê ji çavkaniyek germahiya bilind derdixin, beşek ji wê vediguherînin kar, û germahiya mayî ber bi hawîrdorek germahiya nizm ve dişînin. Faktora herî girîng a ku diyar dike ka çiqas ji vê germê vediguhere kar germahî ye. Ev gotar lêkolîn dike ka germahî çawa bandorê li karîgeriya motorên germê dike, hem ji perspektîfa teoriya termodînamîk û hem jî ji pratîka endezyariyê ve.
Têgeha bingehîn a karîgeriya motora germê
Karîgeriya motora germê bi gelemperî wekî rêjeya karê net ê ku ji hêla motorê ve tê hilberandin û germahiya ku ji çavkaniya germê tê kişandin tê îfade kirin. Bi gelemperî:
\[
\eta = \frac{W}{Q_{in}} = 1 – \frac{Q_{out}}{Q_{in}}
\]
bi:
– \( \eta \) = karîgeriya germî,
– \( W \) = xebata net a hilberandî,
– \( Q_{in} \) = têketina germê (ji depoya germ hatiye kişandin),
– \( Q_{derve} \) = germahî tê redkirin (bo depoya sar).
Ji vê hevkêşeyê, tê dîtin ku ger beşa germa ku tê redkirin \(Q_{out}\) ji germa têketinê \(Q_{in}\) piçûktir be, karîgerî dê zêde bibe. Li vir germahî roleke pir girîng dilîze, ji ber ku rêça "meyla" veguhestina germê û sînorê teorîk ê veguherîna germê bo kar ji hêla cûdahiya germahiyê di navbera çavkaniya germê û lavaboya germê de têne destnîşankirin.
Karîgeriya herî zêde: sînorê Carnot û rola germahiyê
Di termodînamîkê de, motoreke germê ya îdeal ku di germahiyek diyarkirî de ji bo du rezervuaran xwedî karîgeriya herî zêde ye, wekî motora Carnot tê binavkirin. Karîgeriya Carnot wiha tê formulekirin:
\[
\eta_{Carnot} = 1 – \frac{T_c}{T_h}
\]
bi:
– \(T_h\) = germahiya depoya germ (bi Kelvin),
– \(T_c\) = germahiya depoya sar (bi Kelvin).
Ev formul dersek girîng dide: karîgeriya motorek germê bi rêjeya germahiyê ve tê destnîşankirin, ne tenê bi cudahiya germahiyê. Li gorî Carnot, du rêbazên sereke hene ku karîgeriya herî zêde zêde bikin:
1. Germahiya çavkaniya germê \(T_h\) zêde bike
Eger \(T_h\) zêde bibe û \(T_c\) sabît bimîne, wê demê \(T_c/T_h\) kêm dibe, ji ber vê yekê karîgerî zêde dibe.
2. Kêmkirina germahiya depoya sar \(T_c\)
Eger \(T_c\) kêm bibe dema ku \(T_h\) sabît bimîne, karîgerî jî zêde dibe ji ber ku rêjeya \(T_c/T_h\) kêm dibe.
Ji ber ku germahî divê bi Kelvin were îfadekirin, hesabkirina karîgeriyê divê pîvanek mutleq bikar bîne. Mînakî, heke \(T_h = 800 \, K\) û \(T_c = 300 \, K\), wê hingê:
\[
\eta_{Carnot} = 1 – \frac{300}{800} = 1 – 0{,}375 = 0{,}625
\]
Karîgeriya herî zêde ya teorîk %62,5 e. Motorên cîhana rastîn ji ber windahiyên cûrbecûr dê her gav ji vê nirxê kêmtir bin.
Çima germahî sînorê karîgeriyê diyar dike?
Ji hêla fîzîkî ve, motora germê ji ber gradyana germahiyê dixebite: germ bi awayekî xweber ji germahiyek bilindtir ber bi germahiyek nizmtir ve "diherike". Ji bo ku ev herikîna enerjiya germê veguherîne karê arastekirî (mînak, tevgera pistonê an zivirîna turbînê), divê pergal di navbera du germahiyan de bixebite. Qanûna Duyemîn a Termodînamîkê dibêje ku ne gengaz e ku hemî germahiya kişandî veguherîne karê bêyî ku hin ji wê red bikin nav rezervuarek sartir. Bi gotineke din, hebûna \(T_c\) "bihayek" e ku divê were dayîn.
Her ku cudahiya şert û mercên germî di navbera çavkaniya germê û rakêşê germê de mezintir be (bi rasttir, rêjeya \(T_c/T_h\) piçûktir be), derfeta veguherandina hin ji germê bo kar berî ku enerjiya mayî di dawiyê de were redkirin, ewqas mezintir dibe.
Bandora zêdekirina germahiya çavkaniya germê (Th) li ser motorek rastîn
Di pratîkê de, zêdekirina \(T_h\) pir caran stratejiya sereke ye ji bo baştirkirina karîgeriya santralên elektrîkê û motorên wesayîtan. Nimûne turbînên gazê û santralên hêza buharê yên superkrîtîk in: zêdekirina germahiya têketina turbînê bi gelemperî karîgeriya çerxê baştir dike.
Lêbelê, zêdebûna \(T_h\) bi sînorkirinên endezyariyê re rû bi rû ye:
1. Hêza materyal û berxwedana germê
Pêkhateyên wekî perên turbînê, odeyên şewitandinê û lûleyên boylerê divê li hember germahiyên pir bilind li ber xwe bidin. Di germahiyên bilind de, materyal dikarin bi şikestin (deformasyona hêdî), oksîdasyon, korozyona germ û windabûna hêza mekanîkî re rû bi rû bimînin.
2. Pêdiviyên sarkirina pêkhateyan
Di turbînên gazê yên nûjen de, perên turbînê bi hewa an jî bi pergaleke sarkirinê ya navxweyî têne sarkirin. Ev sarkirin alîkariya materyalê dike ku bijî, lê di heman demê de dikare karîgeriyê kêm bike ji ber ku hin enerjî ji bo pergala sarkirinê tê bikar anîn û herikîn tevlihevtir dibe.
3. Zêdebûna windahiyên bêvegerandinê
Di germahiyên bilind de, hin pêvajo (mînak şewitandina rastîn, tevlihevkirin, turbulans, veguhastina germê li ser cûdahiyên mezin ên germahiyê) dikarin entropiyê zêde bikin û karîgeriya rastîn li gorî karîgeriya îdeal kêm bikin.
Lêbelê, trendên teknolojîk bi rêya pêşxistina materyalan (superalloy, seramîk), pêçanên berxwedêr ên germê, û sêwiranên sarkirinê yên sofîstîketir, di T_h de pêşketinan didomînin.
Bandora kêmkirina germahiya depoya sar (Tc)
Kêmkirina \(T_c\) jî karîgeriyê zêde dike, lê pir caran ji ya ku xuya dike dijwartir e. Di santralên elektrîkê de, \(T_c\) bi gelemperî bi germahiya ava sarkirinê an hewaya derdorê ve girêdayî ye. Ji ber ku jîngeh bi dilxwazî nayê "sar kirin", kêmkirina \(T_c\) bi van sînordar e:
1. Avhewa û germahiya jîngehê
Santralên elektrîkê yên li deverên germ bi gelemperî \(T_c\)-ya wan bilindtir e, ji ber vê yekê karîgerî li gorî santralên elektrîkê yên li deverên sartir kêm dibe.
2. Teknolojiya kondenserê û pergalên sarkirinê
Kondensatorên çêtir dikarin germahiya dûmanê nêzîkî germahiya derdorê bikin, lê bêyî lêçûn û tevliheviya zêde nikarin ji wê sînorê derbas bibin.
3. Sînorkirinên li ser rêjeya veguhestina germê
Kêmkirina bandora \(T_c\) tê wateya zêdekirina kapasîteya rakirina germê. Ev yek hewceyê qadeke veguhestina germê ya mezintir, herikîna sarincokê ya bilindtir, an rêbazên sarkirinê yên taybetî dike - ku hemî bandorê li lêçûn û xerckirina enerjiya parazît dikin (pompe, fan).
Di çarçoveya motora şewitandina navxweyî ya wesayîtekê de, "depoya sar" dikare wekî pergala sarkirina motorê û jîngeha wê ya derdorê were fêmkirin. Hewaya germ pir caran dibe sedema bilindbûna germahiya xebitandinê, ku dikare karîgeriyê kêm bike û xetera lêxistin an jî germbûna zêde zêde bike.
Karîgeriya îdeal li hember karîgeriya rastîn: bandora germahiyê li ser windahiyan
Her çend Carnot sînorên herî zêde peyda dike jî, makîneyên rastîn bi dezavantajên din re rû bi rû dimînin:
- Xurandina mekanîkî (mîl, piston, bearing) ku kar vediguherîne germê.
- Windabûnên veguhestina germê yên nexwestî bo jîngehê.
- Şewitandina netemam di motorên şewitandina navxweyî de, ji ber vê yekê ne hemî enerjiya kîmyewî vediguhere germahiya kêrhatî.
- Windabûnên herikîna şilavê (daketina zextê) di boriyan, valvan, guhêrkerên germê de.
- Nevegerandina ji ber pêvajoyên ne-nîv-statîk, turbulans û tevlihevkirinê.
Germahî bi van windahiyan ve girêdayî ye. Bo nimûne, cudahiyeke germahiyê ya mezintir di guhêrkerê germê de dikare veguhestina germê bileztir bike, lê ev yek pir caran ji ber hilberîna entropiyê ya mezintir, nevegerandinê zêde dike. Ev tê vê wateyê ku sêwirana germî divê hewcedariyên performansê bi kêmkirina nevegerandinê re hevseng bike.
Nimûneyên serîlêdanê: Çerxên Rankine û Brayton
Di santraleke bi buharê de (çerxa Rankine), zêdekirina germahî û zexta buhara têketina turbînê (mînak, ji bo germkirina zêde an jî ji bo rewşa superkrîtîk) bi gelemperî karîgeriyê zêde dike. Berevajî vê, karanîna kondenserek bi bandor ji bo kêmkirina zext/germahiya buhara derxistinê jî karîgeriyê zêde dike, her çend bi sînorkirinên jîngehê be jî.
Di turbînên gazê de (çerxa Brayton), karîgerî bi zêdebûna germahiya têketina turbînê re zêde dibe. Wekî din, teknîkên wekî nûjenkirin, sarbûna navberê, û germkirina ji nû ve profîla germahiyê rêk dixin da ku bermayiyê kêm bikin û karê net zêde bikin. Çerxa hevgirtî, ku germahiya derxistinê ya turbîna gazê bikar tîne da ku di çerxa Rankine de buharê çêbike, mînakek zelal a stratejiyek zêdekirina germahiyê ye: germahiya di germahiyên navîn de ku berê bermayiyê dikir, naha ji bo çêkirina karê zêde tê bikar anîn.
Xelasî
Germahî guherbarek sereke ye ku karîgeriya motorek germê diyar dike. Bi teorîkî, karîgeriya herî zêde bi karîgeriya Carnot, \(\eta = 1 – T_c/T_h\) ve sînorkirî ye, ku nîşan dide ku karîgerî zêde dibe dema ku germahiya çavkaniya germê zêde dibe û/an germahiya depoya sar kêm dibe. Di pratîkê de, zêdebûna \(T_h\) bi şiyanên materyal, hewcedariyên sarkirinê û windahiyên bêveger ve sînorkirî ye; lê kêmkirina \(T_c\) bi germahiya hawîrdorê û şiyana pergalê ya redkirina germê ve sînorkirî ye. Ji ber vê yekê, baştirkirina karîgeriya motorek germê ne tenê meseleya "germtir kirin" an "sartir kirin" e, lê belê meseleya baştirkirina pergala germê bi tevahî ye - hilbijartina materyalan, sêwirandina guhêrbarên germê, kontrolkirina windahiyan û karanîna germê di astên germahiyê yên cûda de. Bi têgihîştina têkiliya di navbera germahî û karîgeriyê de, em dikarin motorên germê sêwirînin ku ji hêla enerjiyê ve bikêrtir, pêbawertir û ji bo jîngehê dostanetir in.
Heke hûn bixwazin, ez dikarim vê gotarê biguherînim guhertoyek: (1) akademîktir bi çavkanî û hevkêşeyên zêde, (2) ji bo xwendekarên lîseyê populertir, an (3) balkişandina ser mînakên motorên wesayîtan an santralên hêzê.
