यांत्रिक अभियांत्रिकीमधील औष्णिक प्रणालींमधील एन्थाल्पी बदल

यांत्रिक अभियांत्रिकीमधील औष्णिक प्रणालींमधील एन्थाल्पी बदल

यांत्रिक अभियांत्रिकीच्या जगात, ऊर्जेवरील चर्चा बॉयलर, स्टीम टर्बाइन, कंप्रेसर, कंडेन्सर, हीट एक्सचेंजर आणि अंतर्गत ज्वलन इंजिन यांसारख्या औष्णिक प्रणालींशी अविभाज्यपणे जोडलेली आहे. या उपकरणांमधील ऊर्जा हस्तांतरणाचे विश्लेषण करण्यासाठी सर्वात जास्त वापरल्या जाणाऱ्या थर्मोडायनॅमिक राशींपैकी एक म्हणजे एन्थाल्पी. एन्थाल्पी विशेषतः उपयुक्त आहे कारण औष्णिक उपकरणांमधील प्रक्रिया अनेकदा बंद प्रणालीऐवजी (नियंत्रित वस्तुमान) द्रव प्रवाहात (नियंत्रित घनफळ) घडतात. त्यामुळे, प्रक्रियेत ऊर्जा कोठे जाते हे समजून घेण्यासाठी एन्थाल्पीमधील बदल समजून घेणे महत्त्वाचे आहे.

१. एन्थाल्पी आणि तिचा भौतिक अर्थ समजून घेणे

व्याख्येनुसार, एन्थाल्पी (H) ही एक थर्मोडायनॅमिक राशी आहे, जिचे सूत्र खालीलप्रमाणे आहे:

H = U + pV

सोबत:
– U = आंतरिक ऊर्जा
– p = दाब
– V = आकारमान

प्रवाह प्रणालींच्या विश्लेषणासाठी, सामान्यतः विशिष्ट स्वरूप वापरले जाते:

h = u + pv

येथे h ही विशिष्ट एन्थाल्पी (kJ/kg) आहे. अतिरिक्त pv पदाचा अर्थ अनेकदा "प्रवाह कार्या"शी संबंधित ऊर्जा असा लावला जातो, म्हणजेच, नियंत्रण आकारमानात द्रव आत किंवा बाहेर हलवण्यासाठी आवश्यक असलेले कार्य. यामुळेच टर्बाइन, नोझल, डिफ्यूझर, पंप आणि कंप्रेसर यांसारख्या उपकरणांचे विश्लेषण करण्यासाठी एन्थाल्पी इतकी सोयीस्कर ठरते.

२. औष्णिक प्रक्रियांमधील एन्थाल्पी बदल (Δh)

यांत्रिक अभियांत्रिकीच्या व्यवहारात, सर्वात महत्त्वाची गोष्ट केवळ एन्थाल्पीचे मूल्य नसून, एन्थाल्पीमधील बदल आहे:

Δh = h₂ − h₁

हा बदल उष्णता देणे, थंड करणे, प्रसरण, संकोचन किंवा अवस्थांतर (उदा., पाण्याचे वाफेत रूपांतर) यांमुळे द्रवाच्या ऊर्जा सामग्रीमध्ये होणाऱ्या बदलाचे वर्णन करतो. अनेक औष्णिक घटकांमध्ये, एन्थाल्पीमधील बदल हा त्यात गुंतलेल्या उष्णता आणि कार्याशी थेट संबंधित असतो.

उदाहरणार्थ:
बॉयलरमध्ये, द्रवाला उष्णता मिळाल्यामुळे एन्थाल्पी वाढते.
टर्बाइनमध्ये, एन्थाल्पी कमी होते कारण द्रव ऊर्जेचे रूपांतर शाफ्ट कार्यात होते.
– कंडेनसरमध्ये, वाफ वातावरणात किंवा शीतकरण माध्यमात उष्णता सोडत असल्यामुळे एन्थाल्पी कमी होते.

३. स्थिर प्रवाह ऊर्जा समीकरणातील एन्थाल्पी

यांत्रिक अभियांत्रिकीमधील औष्णिक प्रणालींचे सर्वात सामान्य विश्लेषण स्थिर-प्रवाह प्रकारचे असते. स्थिर-प्रवाह नियंत्रण घनफळासाठीचे ऊर्जा समीकरण (स्थिर प्रवाह ऊर्जा समीकरण/एसएफईई) अनेकदा खालीलप्रमाणे लिहिले जाते:

q − w = (h₂ − h₁) + (V₂² − V₁²)/2 + g(z₂ − z₁)

सोबत:
– q = प्रति एकक वस्तुमान उष्णता (किलो जूल/किलो)
– w = प्रति एकक वस्तुमान कार्य (किलो जूल/किलो)
– V = प्रवाहाचा वेग (मी/से)
– z = उंची (मीटर)
– g = गुरुत्वाकर्षणामुळे होणारे त्वरण (मी/से²)

यांत्रिक अभियांत्रिकीच्या अनेक उपयोगांमध्ये, एन्थाल्पीमधील बदलाच्या तुलनेत गतिज आणि स्थितिज ऊर्जेमधील बदल तुलनेने लहान असतात, त्यामुळे ते अनेकदा खालीलप्रमाणे सरलीकृत केले जातात:

q − w ≈ h₂ − h₁

हा साधा संबंध खूप शक्तिशाली आहे: उष्णता आणि कार्य कसे घडते हे आपल्याला माहित असल्यास, आपण एन्थाल्पी बदलाचा अंदाज लावू शकतो; किंवा याउलट, एन्थाल्पी डेटा ज्ञात असल्यास (उदा. स्टीम टेबलमधून), आपण टर्बाइनचे कार्य किंवा कंप्रेसरच्या पॉवरची आवश्यकता मोजू शकतो.

४. औष्णिक प्रणालीच्या मुख्य घटकांमधील एन्थाल्पी बदल

अ) बॉयलर आणि हीटर
बॉयलरमध्ये पाणी वाफ होईपर्यंत गरम केले जाते. या प्रक्रियेमध्ये खालील गोष्टींचा समावेश असू शकतो:
१) द्रवरूप पाण्याचे तापणे (संवेद्य तापन),
२) बाष्पीभवन (सुप्त उष्णता),
३) सुपरहीटिंग (वाफेने आणखी गरम करणे).

हे तिन्ही एन्थाल्पीमध्ये लक्षणीय वाढ करतात. संकल्पनात्मकदृष्ट्या:

q_in ≈ h_out − h_in

बॉयलरच्या आउटलेटचा दाब आणि तापमान जितके जास्त असेल , तितकीच निर्माण होणाऱ्या वाफेची एन्थाल्पी जास्त असते आणि सामान्यतः टर्बाइनमधून काढता येणारे संभाव्य कार्यही तितकेच जास्त असते.

ब) वाफेचे टर्बाइन आणि गॅस टर्बाइन
टर्बाइनमध्ये, द्रव करतो चमच्यावर काम करा आणि अक्ष. रुद्धोष्म परिस्थितीत (जेव्हा उष्णता हस्तांतरण जवळजवळ होत नाही):

w_out ≈ h_in − h_out

याचा अर्थ असा की, टर्बाइनमधील एन्थाल्पीमधील घट ही निर्माण झालेल्या कार्याशी थेट संबंधित असते. वाफेच्या टर्बाइनसाठी, एन्थाल्पीची माहिती सामान्यतः सारण्यांमधून किंवा मोलियर आकृत्यांमधून (hs) मिळवली जाते. वायू टर्बाइनसाठी, आदर्श वायू सन्निकटनाचा वापर करून, विशिष्ट उष्णता धारकतेच्या आधारे एन्थाल्पीची गणना अनेकदा केली जाते.

क) पंप आणि कंप्रेसर
पंप (द्रवांसाठी) आणि कंप्रेसर (वायूंसाठी) यांना इनपुट कार्याची आवश्यकता असते. पंपासाठीद्रव जवळजवळ असंपीड्य असल्यामुळे, एन्थाल्पीमधील बदल तुलनेने लहान असतो आणि तो अनेकदा खालीलप्रमाणे अंदाजित केला जातो:

w_in ≈ v (p₂ − p₁)

गॅस कंप्रेसरमध्ये, एन्थाल्पी वाढ मोठी असू शकते आणि ती संपीडनामुळे होणाऱ्या तापमान वाढीशी संबंधित असते. रुद्धोष्म कंप्रेसरमध्ये:

w_in ≈ h_out − h_in

एन्थाल्पीमधील वाढ ही शाफ्ट कार्याद्वारे द्रवामध्ये जोडलेल्या ऊर्जेला दर्शवते.

ड) कंडेन्सर
वाफ द्रवरूप होईपर्यंत संघनित्र त्यातून उष्णता काढून टाकतो. जेव्हा शाफ्ट कार्यरत नसतो:

q_out ≈ h_in − h_out

संघनन प्रक्रियेदरम्यान सुप्त उष्णतेचे उत्सर्जन होत असल्यामुळे संघनकामध्ये एन्थाल्पीमधील घट सामान्यतः मोठी असते, जी सामान्य तापमान घटीच्या तुलनेत खूपच प्रभावी असते.

इ) विस्तार व्हॉल्व्ह (थ्रॉटलिंग व्हॉल्व्ह)
विस्तार झडपा सामान्यतः प्रशीतन प्रणाली आणि काही वाफ प्रणालींमध्ये आढळतात. थ्रॉटलिंग प्रक्रियेचे एक महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे अनेक अभियांत्रिकी परिस्थितींमध्ये स्थिर एन्थाल्पी (आयसेन्थाल्पिक) असणे.

h₁ ≈ h₂

एन्थाल्पी अपरिवर्तित राहत असली तरी, दाब मोठ्या प्रमाणात कमी होतो आणि काही द्रव अवस्थांतर करू शकतो (उदा., द्रव-वायू मिश्रण बनू शकतो). प्रशीतन चक्रांमध्ये हे महत्त्वाचे आहे कारण यामुळे प्रसरणानंतर तापमान कमी होते.

५. कार्यकारी द्रव्यांची एन्थाल्पी आणि अवस्था बदल

एन्थाल्पीमधील बदल हे अवस्थांतर होणाऱ्या प्रक्रियांमध्ये सर्वात ठळकपणे दिसून येतात, जसे की:
उकळत्या पाण्याचे वाफेत रूपांतर होते.
वाफेचे पाण्यात रूपांतर होते.
इव्हॅपोरेटरमध्ये रेफ्रिजरंटचे बाष्पीभवन होते.

बाष्पीभवन किंवा संघननाची सुप्त उष्णता स्थिर दाबाखाली तापमानात लक्षणीय वाढ न होता एन्थाल्पीमध्ये वाढ घडवून आणते. त्यामुळे, बॉयलर, कंडेन्सर, इव्हॅपोरेटर आणि द्वि-प्रावस्था उष्णता विनिमयकांची रचना करताना एन्थाल्पी विश्लेषण महत्त्वपूर्ण ठरते.

६. यांत्रिक अभियांत्रिकी व्यवहारात एन्थाल्पी डेटाचा वापर

अनेक व्यावहारिक प्रकरणांमध्ये, अभियंते मूलभूत सूत्रावरून एन्थाल्पीची गणना करत नाहीत, तर त्याऐवजी खालील गोष्टी वापरतात:
– स्टीम टेबल्स,
– hs आकृती (मोलियर),
– थर्मोडायनामिक प्रॉपर्टी सॉफ्टवेअर (REFPROP, EES, CoolProp),
– उत्पादकाची माहिती.

एन्थाल्पीच्या मोजमापातील लहान चुकांमुळे टर्बाइनची शक्ती, इंधनाची गरज किंवा शीतलन क्षमतेच्या अंदाजात लक्षणीय फरक पडू शकतो . त्यामुळे, योग्य कार्यस्थिती (दाब/तापमान) निवडणे आणि वाफेची गुणवत्ता समजून घेणे अत्यंत महत्त्वाचे आहे.

२.७. केसिम्पुलन

एन्थाल्पी बदल ही यांत्रिक अभियांत्रिकीमधील औष्णिक प्रणालींच्या विश्लेषणातील एक मुख्य संकल्पना आहे, कारण ती प्रवाही उपकरणांमधील उष्णता, कार्य आणि द्रवाच्या स्थितीतील बदल या घटनांना थेट जोडते. स्थिर-अवस्था ऊर्जा समीकरणाचा उपयोग करून, टर्बाइनचे कार्य, कंप्रेसरची शक्ती, बॉयलरमध्ये दिलेली उष्णता आणि कंडेन्सरमध्ये बाहेर टाकलेली उष्णता यांची गणना करण्यासाठी एन्थाल्पी बदलाचा वापर केला जाऊ शकतो. रँकाइन, ब्रेटन आणि रेफ्रिजरेशन प्रणालींसारख्या औष्णिक चक्रांची कार्यक्षमता आणि परिणामकारकता समजून घेण्यासाठी एन्थाल्पी ही अभियंत्यांसाठी एक व्यावहारिक "भाषा" म्हणून काम करते . एन्थाल्पी बदलावर प्रभुत्व मिळवणे म्हणजे औष्णिक प्रणाली अधिक अचूकपणे, सुरक्षितपणे आणि कार्यक्षमतेने वाचणे व त्यांची रचना करणे होय.

तुमची इच्छा असल्यास, लेखाला अधिक लागू होण्यासाठी आणि व्याख्याने/व्यावहारिक कामाच्या गरजांच्या जवळ आणण्यासाठी मी सोप्या गणिताची उदाहरणे (उदाहरणार्थ स्टीम टर्बाइन किंवा कंप्रेसर) जोडू शकेन.