Механикалык инженериядагы жылуулук системаларындагы энтальпиянын өзгөрүшү
Машина куруу дүйнөсүндө энергия жөнүндөгү талкуулар жылуулук системалары, мисалы, казандар, буу турбиналары, компрессорлор, конденсаторлор, жылуулук алмаштыргычтар жана ички күйүүчү кыймылдаткычтар менен тыгыз байланышта. Бул түзүлүштөрдө энергиянын өтүшүн талдоо үчүн эң көп колдонулган термодинамикалык чоңдуктардын бири - энтальпия. Энтальпия өзгөчө пайдалуу, анткени жылуулук түзүлүштөрүндөгү процесстер көбүнчө жабык системанын (башкаруу массасынын) ичинде эмес, суюктук агымынын ичинде (башкаруу көлөмү) жүрөт. Ошондуктан, энтальпиянын өзгөрүшүн түшүнүү энергиянын процессте кайда баратканын түшүнүүнүн ачкычы болуп саналат.
1. Энтальпияны жана анын физикалык маанисин түшүнүү
Аныктама боюнча, энтальпия (Н) - бул төмөнкүдөй формула менен берилген термодинамикалык чоңдук:
H = U + pV
менен:
– U = ички энергия
– p = басым
– V = көлөм
Агым системаларын талдоо үчүн, адатта, төмөнкү белгилүү бир форма колдонулат:
h = u + pv
мында h - салыштырмалуу энтальпия (кДж/кг). Кошумча pv термини көбүнчө "агым иши" менен байланышкан энергия катары чечмеленет, башкача айтканда, суюктукту башкаруу көлөмүнө же андан чыгаруу үчүн талап кылынган жумуш. Ошондуктан энтальпия турбиналар, соплолор, диффузорлор, насостор жана компрессорлор сыяктуу түзүлүштөрдү талдоо үчүн абдан ыңгайлуу.
2. Жылуулук процесстериндеги энтальпиянын өзгөрүшү (Δh)
Машина куруу практикасында эң маанилүү нерсе жөн гана энтальпиянын мааниси эмес, энтальпиянын өзгөрүшү:
Δh = h₂ − h₁
Бул өзгөрүү суюктуктун ысытуу, муздатуу, кеңейүү, кысуу же фазанын өзгөрүшүнөн (мисалы, суунун бууга айланышынан) улам энергия курамынын өзгөрүшүн сүрөттөйт. Көптөгөн жылуулук компоненттеринде энтальпиянын өзгөрүшү жылуулукка жана ага кеткен жумушка түздөн-түз байланыштуу.
Мисал катары:
– Казандарда энтальпия жогорулайт, анткени суюктук жылуулукту алат.
– Турбиналарда энтальпия азаят, анткени суюктуктун энергиясы валдын ишине айланат.
– Конденсатордо энтальпия азаят, анткени буу жылуулукту айлана-чөйрөгө же муздатуучу чөйрөгө бөлүп чыгарат.
3. Туруктуу агымдын энергия теңдемесиндеги энтальпия
Механикалык инженериянын жылуулук системаларын талдоодо эң кеңири таралган ыкма туруктуу агым болуп саналат. Туруктуу агым башкаруу көлөмү үчүн энергия теңдемеси (Туруктуу агым энергия теңдемеси/SFEE) көбүнчө төмөнкүдөй жазылат:
q − w = (h₂ − h₁) + (V₂² − V₁²)/2 + g(z₂ − z₁)
менен:
– q = массанын бирдигине туура келген жылуулук (кДж/кг)
– w = массанын бирдигине туура келген жумуш (кДж/кг)
– V = агым ылдамдыгы (м/с)
– z = бийиктик (м)
– g = тартылуу күчүнөн улам ылдамдануу (м/с²)
Көптөгөн механикалык инженерия колдонмолорунда кинетикалык жана потенциалдык энергиянын өзгөрүшү энтальпиянын өзгөрүшүнө салыштырмалуу анча чоң эмес, ошондуктан алар көбүнчө төмөнкүдөй жөнөкөйлөтүлөт:
q − w ≈ h₂ − h₁
Бул жөнөкөй байланыш абдан күчтүү: эгерде биз жылуулук жана жумуш кантип пайда болорун билсек, энтальпиянын өзгөрүшүн баалай алабыз; же тескерисинче, эгерде энтальпиянын маалыматтары белгилүү болсо (мисалы, буу таблицаларынан), биз турбинанын ишин же компрессордун кубаттуулугунун талаптарын эсептей алабыз.
4. Жылуулук системасынын негизги компоненттериндеги энтальпиянын өзгөрүшү
а) Казан жана жылыткыч
Казандарда суу бууга айланганга чейин ысытылат. Бул процесс төмөнкүлөрдү камтышы мүмкүн:
1) суюк сууну жылытуу (акылга сыярлык жылытуу),
2) буулануу (жашыруун жылытуу),
3) ашыкча ысытуу (андан ары буу менен жылытуу).
Үчөө тең энтальпияны бир кыйла жогорулатат. Концептуалдык жактан:
q_in ≈ h_out − h_in
Казандын чыгуучу түтүгүндөгү басым жана температура канчалык жогору болсо, буу энтальпиясы ошончолук жогору болот жана жалпысынан турбинада алынышы мүмкүн болгон жумуш ошончолук жогору болот.
б) Буу турбиналары жана газ турбиналары
Турбинада суюктук калактарда жана валда иштейт. Адиабаттык шарттарда (болжол менен жылуулук алмашуу жок):
w_out ≈ h_in − h_out
Бул турбинанын энтальпиясынын азайышы түздөн-түз өндүрүлгөн жумушка байланыштуу экенин билдирет. Буу турбиналары үчүн энтальпия маалыматтары адатта таблицалардан же Молье (hs) диаграммаларынан алынат. Газ турбиналары үчүн энтальпия көбүнчө идеалдуу газ ыкмасын колдонуу менен салыштырмалуу жылуулук сыйымдуулугун колдонуу менен эсептелет.
в) Насостор жана компрессорлор
Насостор (суюктуктар үчүн) жана компрессорлор (газдар үчүн) киргизүү иштерин талап кылат. Насостор үчүн, суюктуктар дээрлик кысылбагандыктан, энтальпиянын өзгөрүшү салыштырмалуу кичинекей жана көбүнчө төмөнкүчө болжолдонот:
w_in ≈ v (p₂ − p₁)
Газ компрессорлорунда энтальпиянын жогорулашы чоң болушу мүмкүн жана кысуудан улам температуранын жогорулашына байланыштуу. Адиабаттык компрессордо:
w_in ≈ h_out − h_in
Энтальпиянын жогорулашы валдын иши аркылуу суюктукка кошулган энергияны көрсөтөт.
г) Конденсатор
Конденсатор буудан суюктукка айланганга чейин жылуулукту алып салат. Вал иштебей турганда:
q_out ≈ h_in − h_out
Конденсатордогу энтальпиянын төмөндөшү, адатта, чоң болот, анткени ал конденсация учурунда жашыруун жылуулуктун бөлүнүп чыгышын камтыйт, ал кадимки температуранын төмөндөшүнө салыштырмалуу абдан басымдуулук кылат.
д) Кеңейтүү клапаны (Дроссельдөөчү клапан)
Кеңейүүчү клапандар көбүнчө муздатуу системаларында жана кээ бир буу системаларында кездешет. Дроссельдөө процесси маанилүү мүнөздөмөгө ээ: көптөгөн инженердик шарттарда туруктуу энтальпия (изентальпиялык).
h₁ ≈ h₂
Энтальпия өзгөрүүсүз калганы менен, басым кескин төмөндөйт жана суюктуктун бир бөлүгү фазасын өзгөртүшү мүмкүн (мисалы, суюктук-буу аралашмасына айланышы мүмкүн). Бул муздатуу циклдеринде маанилүү, анткени кеңейүүдөн кийин температуранын төмөндөшүнө алып келет.
5. Жумушчу суюктуктардын энтальпиясы жана фазасынын өзгөрүшү
Энтальпиянын өзгөрүүлөрү фазалык өзгөрүүлөрдү камтыган процесстерде эң көрүнүктүү болот, мисалы:
– кайнак суу бууга айланат,
– буу сууга айланат,
– муздаткыч бууланткычта бууланып кетет.
Буулануунун же конденсациянын жашыруун жылуулугу туруктуу басым астында температуранын олуттуу жогорулашысыз энтальпиянын жогорулашын пайда кылат. Ошондуктан, энтальпияны талдоо казандарды, конденсаторлорду, бууланткычтарды жана эки фазалуу жылуулук алмаштыргычтарды долбоорлоодо абдан маанилүү.
6. Энтальпия маалыматтарын машина куруу практикасында колдонуу
Көптөгөн реалдуу учурларда, инженерлер энтальпияны негизги формуладан эсептешпейт, тескерисинче, төмөнкүлөрдү колдонушат:
– буу столдору,
– hs диаграммасы (Молье),
– термодинамикалык касиеттер программасы (REFPROP, EES, CoolProp),
- өндүрүүчүнүн маалыматтары.
Энтальпия көрсөткүчтөрүндөгү кичинекей каталар турбинанын кубаттуулугун, күйүүчү майга болгон муктаждыкты же муздатуу кубаттуулугун баалоодо олуттуу айырмачылыктарды жаратышы мүмкүн. Ошондуктан, тиешелүү иштөө шарттарын (басым/температура) тандоо жана буу сапатын түшүнүү абдан маанилүү.
7. Кесимпулан
Энтальпиянын өзгөрүшү механикалык инженериядагы жылуулук системаларын талдоодогу негизги түшүнүк болуп саналат, анткени ал агым жабдууларындагы жылуулуктун, жумуштун жана суюктуктун абалынын өзгөрүшүнүн кубулуштарын түздөн-түз байланыштырат. Туруктуу абалдагы энергия теңдемесин колдонуу менен, энтальпиянын өзгөрүшү турбинанын ишин, компрессордун кубаттуулугун, казанга кошулган жылуулукту жана конденсатордо четке кагылган жылуулукту эсептөө үчүн колдонулушу мүмкүн. Энтальпия инженерлер үчүн Ранкин, Брейтон жана муздатуу системалары сыяктуу жылуулук циклдеринин иштешин жана натыйжалуулугун түшүнүү үчүн практикалык "тил" катары кызмат кылат. Энтальпиянын өзгөрүшүн өздөштүрүү жылуулук системаларын так, коопсуз жана натыйжалуу окуй жана долбоорлой билүү дегенди билдирет.
Кааласаңыз, макаланы лекциялардын/практикалык иштердин муктаждыктарына жакындатуу жана колдонууга ыңгайлуу кылуу үчүн жөнөкөй эсептөө мисалдарын (мисалы, буу турбиналары же компрессорлор) кошо алам.
