Дулааны хөдөлгүүрийн чадлын томъёо
Дулааны хөдөлгүүр гэдэг нь дулааны энергийг механик энерги болгон хувиргадаг төхөөрөмж юм. Дулааны хөдөлгүүрийн ажиллах зарчим нь автомашины хөдөлгүүрээс эхлээд цахилгаан станц хүртэл өдөр тутмын амьдралд өргөн хэрэглэгддэг. Энэ нийтлэлд дулааны хөдөлгүүрийн чадлын томъёо, дулааны хөдөлгүүрийн төрөл, тэдгээрийн ажиллах зарчим, тооцооллын жишээ, тэдгээрийн хэрэглээний талаар дэлгэрэнгүй авч үзэх болно.
Дулааны хөдөлгүүрийн хүчийг ойлгох
Дулааны хөдөлгүүрийн чадлыг дулааны энергийг механик энерги болгон хувиргах хурд гэж нэрлэдэг. Чадлыг ватт (Вт)-аар хэмждэг бөгөөд 1 ватт нь секундэд 1 жоультэй тэнцүү байна. Дулааны хөдөлгүүрүүд нь термодинамикийн зарчмаар, ялангуяа дулаан ба ажлын солилцоог хамарсан термодинамик мөчлөгийн зарчмаар ажилладаг.
Дулааны хөдөлгүүрийн чадлын (\( P \)) үндсэн томъёо нь:
\[ P = \frac{W}{t} \]
ди мана:
– \( P \) нь чадал (ваттаар),
– \( W \) нь ажил (жоулоор),
– \( t \) нь хугацаа (секундээр) байна.
Дулааны хөдөлгүүрийн ажиллах зарчим
Дулааны хөдөлгүүрүүд нь хэд хэдэн үндсэн процессыг хамарсан термодинамик мөчлөг дээр суурилдаг:
1. Дулаан шингээлт (\( Q_H \)): Машин нь дулааны эх үүсвэрээс дулааныг шингээдэг.
2. Дулааныг ажил болгон хувиргах (\( W \)): Шингээсэн дулааны зарим хэсэг нь механик ажил болж хувирдаг.
3. Дулаан татан буулгах (\( Q_C \)): Үлдсэн дулааныг хүйтэн усан сан руу татан буулгадаг.
Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг (\( \eta \)) нь үйлдвэрлэсэн ажлын шингээсэн дулаантай харьцуулсан харьцаа юм:
\[ \eta = \frac{W}{Q_H} \]
Дулааны хөдөлгүүрийн төрлүүд
1. Уурын хөдөлгүүр: Усны уурыг ажлын шингэн болгон ашиглан механик ажил хийдэг. Жишээ нь: Уурын зүтгүүр, уурын турбин.
2. Дотоод шаталтын хөдөлгүүр: Ажил үүсгэхийн тулд битүү камерт шатдаг түлшийг ашигладаг. Жишээ нь: Автомашины хөдөлгүүр, дизель хөдөлгүүр.
3. Гадна шаталтын хөдөлгүүр: Түлшний шаталт ажлын камерын гадна явагддаг. Жишээ: Стирлинг хөдөлгүүр.
Дулааны хөдөлгүүрийн хамгийн тохиромжтой чадлын томъёо
Карно хөдөлгүүр нь хамгийн их үр ашигтай ажилладаг дулааны хөдөлгүүрийн хамгийн тохиромжтой загвар юм. Карно хөдөлгүүрийн үр ашиг нь зөвхөн дулааны эх үүсвэрийн температур (\( T_H \)) болон хүйтэн савны температураас (\( T_C \)) хамаарна, үүнийг Кельвинээр илэрхийлнэ:
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 1 – \frac{T_C}{T_H} \]
Карно хөдөлгүүрийн хүчийг дараах томъёогоор тооцоолж болно.
\[ P = \eta_{\text{Carnot}} \times \frac{Q_H}{t} \]
Дулааны хөдөлгүүрийн чадлыг тооцоолох жишээ
Карно хөдөлгүүр 500 К температурт дулааны эх үүсвэр болон 300 К температурт хүйтэн савны хооронд ажилладаг гэж үзье. Хөдөлгүүр нь секундэд 2000 Ж дулаан шингээдэг. Хөдөлгүүрийн үр ашиг болон чадлыг тооцоол.
1. Үр ашгийг тооцоол (\( \eta_{\text{Carnot}} \)):
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 1 – \frac{T_C}{T_H} \]
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 1 – \frac{300 \, \text{K}}{500 \, \text{K}} \]
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 1 – 0.6 \]
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 0.4 \]
2. Чадлыг тооцоол (\( P \):
\[ P = \eta_{\text{Carnot}} \times \frac{Q_H}{t} \]
\[ P = 0.4 \times \frac{2000 \, \text{J}}{1 \, \text{s}} \]
\[ P = 0.4 \үргэлт 2000 \]
\[ P = 800 \, \text{W} \]
Тэгэхээр Карно хөдөлгүүрийн хүч 800 ватт байна.
Дулааны хөдөлгүүрийн хэрэглээ
1. Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх: Дулааны хөдөлгүүрийг эрчим хүч үйлдвэрлэхэд чулуужсан түлш эсвэл цөмийн энергиэс дулааны энергийг цахилгаан эрчим хүч болгон хувиргахад ашигладаг. Уурын турбинууд нь цахилгаан үйлдвэрлэхэд ашигладаг дулааны хөдөлгүүрийн нийтлэг жишээ юм.
2. Тээвэрлэлт: Бензин, дизель хөдөлгүүр гэх мэт дотоод шаталтын хөдөлгүүрийг автомашинд тээврийн хэрэгслийг хөдөлгөх хүчийг үйлдвэрлэхэд ашигладаг.
3. Аж үйлдвэр: Дулааны хөдөлгүүрийг механик ажил болон дулаан үйлдвэрлэхэд янз бүрийн үйлдвэрлэлийн процесст ашигладаг. Жишээ нь хатаах, халаах, үйлдвэрлэлийн машин механизмыг жолоодох зэрэг орно.
4. Хөргөлт ба халаалт: Дулааны хөдөлгүүрийг агааржуулагч, халаагч зэрэг хөргөлт ба халаалтын системд дулааныг нэг газраас нөгөө газар шилжүүлэхэд ашигладаг.
Дулааны хөдөлгүүрийн хүчин чадалд нөлөөлөх хүчин зүйлс
1. Дулааны эх үүсвэр болон хүйтэн савны температур: Дулааны эх үүсвэр болон хүйтэн савны хоорондох температурын зөрүү нь дулааны хөдөлгүүрийн үр ашигт нөлөөлдөг. Температурын зөрүү их байх тусам хөдөлгүүрийн үр ашиг болон чадал өндөр байдаг.
2. Түлшний төрөл: Ашигласан түлшний төрөл ба чанар нь үйлдвэрлэсэн дулааны энергийн хэмжээ болон эцсийн дүнд хөдөлгүүрийн хүчин чадалд нөлөөлдөг.
3. Машины дизайн: Машины дизайн болон технологи, түүний дотор материал, үйлдвэрлэлийн техник нь эрчим хүчний хувиргалтын үр ашиг болон үйлдвэрлэсэн эрчим хүчэд нөлөөлдөг.
4. Ашиглалтын нөхцөл: Даралт, хурд, тогтмол засвар үйлчилгээ зэрэг ашиглалтын нөхцөл нь дулааны хөдөлгүүрийн гүйцэтгэл болон хүчин чадалд нөлөөлдөг.
Кейс судалгаа: Уурын цахилгаан станц
Уурын цахилгаан станц нь дулааны хөдөлгүүрийн тодорхой жишээ юм. Эдгээр станцуудад түлш (нүүрс эсвэл байгалийн хий гэх мэт)-ийг шатааж, бойлерт ус халаах үйлчилгээ үзүүлдэг. Халаасан усыг өндөр даралттай уур болгон хувиргаж, дараа нь уурын турбин ажиллуулдаг. Уурын турбин нь уурын дулааны энергийг механик энерги болгон хувиргаж, дараа нь генератороор цахилгаан энерги болгон хувиргадаг.
Уурын цахилгаан станц нь усыг 600 К температурт халаадаг бойлертой бөгөөд үүссэн уур нь дулааныг 300 К температурт хүйтэн сав руу түлхдэг турбиныг ажиллуулдаг гэж бодъё. Хэрэв энэ станц секундэд 5000 Ж дулаан шингээж авбал Карно хөдөлгүүрийн үр ашиг болон үйлдвэрлэсэн чадлыг дараах байдлаар тооцоолж болно.
1. Үр ашгийг тооцоол (\( \eta_{\text{Carnot}} \)):
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 1 – \frac{T_C}{T_H} \]
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 1 – \frac{300 \, \text{K}}{600 \, \text{K}} \]
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 1 – 0.5 \]
\[ \eta_{\text{Carnot}} = 0.5 \]
2. Чадлыг тооцоол (\( P \):
\[ P = \eta_{\text{Carnot}} \times \frac{Q_H}{t} \]
\[ P = 0.5 \times \frac{5000 \, \text{J}}{1 \, \text{s}} \]
\[ P = 0.5 \үргэлт 5000 \]
\[ P = 2500 \, \text{W} \]
Тэгэхээр уурын цахилгаан үүсгүүрийн хүч нь 2500 ватт буюу 2.5 кВт байна.
Дүгнэлт
Дулааны хөдөлгүүрүүд нь цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхээс эхлээд тээвэрлэлт хүртэл янз бүрийн хэрэглээнд дулааны энергийг ашиглах боломжтой механик энерги болгон хувиргахад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Дулааны хөдөлгүүрийн чадлын томъёо болох P = Wt нь бидэнд энерги хувиргалтын хурдыг тооцоолоход тусалдаг. Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг болон гүйцэтгэлд нөлөөлдөг хүчин зүйлсийг ойлгосноор бид илүү үр ашигтай, тогтвортой системийг зохион бүтээж, ажиллуулж чадна. Уурын цахилгаан станцын кейс судалгаа нь эдгээр зарчмуудыг эрчим хүчний салбарт хэрхэн хэрэгжүүлж байгааг тодорхой харуулж байна.
