Nheyo dzeThermodynamics uye Kushandiswa Kwayo kuMachine Systems
Thermodynamics ibazi refizikisi rinoongorora hukama huripo pakati pesimba, kupisa, uye basa, uye kuti zvinokanganisa sei hunhu hwesisitimu. Muinjiniya, kunyanya mainjiniya emakanika, thermodynamics ihwaro hwakakosha hwekugadzira, kuongorora, uye kugadzirisa mhando dzakasiyana dzemichina—kubva kumainjini emotokari nematurbine anogadzira simba kusvika kumasisitimu ekutonhodza uye macompressor emaindasitiri. Kunzwisisa hwaro hwayo kunobatsira mainjiniya kufanotaura kushanda zvakanaka kwesisitimu, kushandiswa kwemafuta , zvinodiwa pakutonhodza, uye miganhu yekushanda.
1. Pfungwa Dzekutanga : Sisitimu, Zvakatipoteredza, uye Mamiriro Ezvinhu
Kukurukurirana nezve thermodynamics kunotanga nekutsanangurwa kwesystem nenzvimbo dzakapoteredza. System ndiyo chikamu chepasi rose chinotariswa nekuongorora, nepo nzvimbo dzakapoteredza dziri zvese zviri kunze kwesystem. Muganhu unoparadzanisa zviviri izvi unonzi system boundary, iyo inogona kuva chaiyo (semuenzaniso, madziro echubhu) kana yekufungidzira.
Masisitimu eThermodynamic anowanzo kupatsanurwa kuita:
1. Sisitimu yakavharwa: huremu hahuyambuki muganhu wesisitimu, asi simba (kupisa/basa) rinogona. Semuenzaniso, sisitimu yakavharwa yecylinder-piston.
2. Sisitimu yakavhurika: huremu nesimba zvinogona kuyambuka miganhu. Mienzaniso inosanganisira maturbine, macompressor, maboiler, uye macondenser.
3. Sisitimu yakaparadzana: hapana kuchinjana kwehukuru kana simba nenzvimbo (yakanaka).
Mamiriro ehurongwa anotsanangurwa nezvinhu zvakaita sekumanikidzwa (P), tembiricha (T), vhoriyamu (V), uye maumbirwo azvo. Hunhu uhwu hunogona kuva:
– Hunhu hwakasimba: hahutsamiri pahuremu (semuenzaniso T, P).
– Hunhu hwakakura: hunoenderana nehuremu (semuenzaniso simba rose, huwandu hwese).
Mukuongorora kwemuchina, kuona mamiriro acho kwakakosha nekuti mashandiro emuchina anokanganiswa zvakanyanya nemamiriro ekupinda nekubuda kwemvura inoshanda, semuenzaniso tembiricha nekumanikidzwa kwemhepo muturbine kana tembiricha yefiriji mu evaporator.
2. Simba, Kupisa, uye Basa
Thermodynamics inobata nesimba remukati. Mhando mbiri dzekuchinjana simba dzinowanzoitika ndedzekupisa (Q) nekushanda (W).
– Kupisa isimba rinopfuudzwa nekuda kwekusiyana kwekupisa.
– Basa isimba rinofambiswa nekuda kwesimba rinoita basa kuburikidza nekubviswa (semuenzaniso basa remugodhi paturbine kana basa rekudzvanya pacompressor).
Pamusoro pezvo, kune marudzi esimba anochengetwa muhurongwa, akadai se:
– Simba remukati (U) rine chekuita nesimba remamorekuru risingaonekwe.
– Kinetic energy (KE) uye potential energy (PE), zvakakosha kunyanya mu fast flow systems kana mutsauko wekukwirira.
Mumuchina, senge turbine, simba remvura (enthalpy) rinoderedzwa uye rinoshandurwa kuita basa remugodhi. Mucompressor, zvinopesana zvinoitika: basa remugodhi rinoshandiswa kuwedzera simba remvura.
3. Mutemo weZeroth weThermodynamics: Hwaro hwekuyera tembiricha
Mutemo weZeroth unoti: kana system A iri mu thermal equilibrium naB, uye B iri mu thermal equilibrium naC, saka A iri mu thermal equilibrium naC. Mutemo uyu ndiwo hwaro hwepfungwa yekupisa uye unoita kuti zvikwanisike kushandisa ma thermometers.
Muinjini, tembiricha inosarudza zvinhu zvakawanda: kunaka kwemoto, miganhu yezvinhu, kushanda zvakanaka, mwero wekupisa, uye kunyange kugadzikana kwemafuta.
4. Mutemo wekutanga weThermodynamics: Kuchengetedza Simba
Mutemo wekutanga weThermodynamics unoti simba harigone kugadzirwa kana kuparadzwa; rinogona kungochinja chimiro chete. Kune system yakavharwa, shanduko yesimba remukati inogona kunyorwa seizvi:
\[
\Delta U = Q – W
\]
Kureva kuti, simba remukati rinowedzera kana richigamuchira kupisa kana kana basa raitwa pahurongwa.
Kune masisitimu akavhurika (mavhoriyamu ekudzora) akadai sematurbine kana macompressor, kuenzana kwesimba rekuyerera kunoshandiswa kunosanganisira enthalpy (h) uye shanduko musimba rekinetic nerinogona kushandiswa. Mukufunga, simba rinopinda (kuburikidza nekuyerera kwehuwandu, kupisa, uye basa) rinofanira kuenzaniswa nekubuda kwesimba uye shanduko musimba rakachengetwa.
Kushandiswa kwemichina:
– Injini yekupisa mukati: simba remakemikari remafuta → kupisa kwekupisa → chikamu chinova basa remakanika, chimwe chinorasika kuburikidza nemagasi eutsi uye kutonhora.
– Boiler: kupisa kunobva mukutsva → kunowedzera enthalpy yemvura kusvika yava utsi hwakamanikidzwa.
– Kondensa: inoramba kupisa kunharaunda kuti ichinje utsi kuita mvura.
NeMutemo wekutanga, mainjiniya vanogona kuverenga zvinodiwa nemafuta, kugona kwebhoyira, simba returbine, kana zvinodiwa zvekutonhodza radiator.
5. Mutemo wechipiri weThermodynamics: Kutungamira kweMaitiro uye Entropy
Mutemo Wekutanga hautsananguri kuti sei maitiro aine gwara rechisikigo (semuenzaniso, kupisa kunogara kuchiyerera kubva pakupisa kuenda kuchando). Apa ndipo panopinda Mutemo Wechipiri weThermodynamics. Kazhinji, Mutemo Wechipiri unoti:
- Hazvigoneki kugadzira injini yekupisa inoshandura kupisa kwese kuita basa pasina zvimwe zvinokanganisa.
– Kupisa hakuzongoerekana kwabuda kubva muchinhu chinotonhora kuenda kune chinopisa pasina basa rekuita.
Pfungwa inokosha muMutemo weChipiri i entropy (S), chiyero chekusagadzikana kana mwero wekupararira kwesimba. Mumaitiro chaiwo, entropy yese (system + zvakatipoteredza) inowanzo kuwedzera:
\[
\Delta S_{total} \ge 0
\]
Zvinokanganisa masisitimu einjini:
– Nguva dzose pane kurasikirwa (kusachinjika) kwakadai sekukweshana, kuvhiringika, kutamiswa kwekupisa nekusiyana kukuru kwekushisa, uye maitiro ekupwanya.
- Kushanda zvakanaka kweinjini kune miganhu yedzidziso, semuenzaniso kushanda zvakanaka kweinjini yekupisa yakanaka (Carnot) iyo inoenderana nekupisa kwenzvimbo inopisa uye nzvimbo inotonhora.
Mukugadzira michina, Mutemo weChipiri unokurudzira kuedza kuderedza kusachinjika: kunyorovesa kuyerera kwemvura, kuvandudza kunaka kwekudzivirira kupisa, kuderedza kurasikirwa nekumanikidzwa, uye kugadzirisa maitiro ekufambisa kupisa.
6. Hunhu hweZvinhu uye Basa reEnthalpy
Masisitimu mazhinji emuchina anoshandisa mvura dzinoshanda dzakadai semhepo, utsi, magasi ekupisa, kana mafiriji. Kuti zvive nyore kuongorora masisitimu ekuyerera kwemvura, enthalpy (h) inoshandiswa, iyo inotsanangurwa se:
\[
h = u + Pv
\]
Enthalpy inobatsira zvikuru mumidziyo yakaita sematurbine, macompressor, ma nozzles, ma boilers, uye zvinochinja-chinja kupisa nekuti zvinoita kuti zvive nyore kuverenga shanduko dzesimba mu kuyerera.
Semuenzaniso, mukutenderera kwemhepo (Rankine), data re enthalpy panzvimbo dzakasiyana-siyana (kubuda kweboiler, kubuda kweturbine, kubuda kwecondenser, kubuda kwepombi) rinoshandiswa kuverenga:
- basa re turbine,
- basa rekupomba,
- kupisa kunopinda muboiler,
- kupisa kwemhepo inotonhorera,
- kushanda zvakanaka kwekupisa kutenderera.
7. Kutenderera kweThermodynamic muSisitimu yeInjini
Michina chaiyo inowanzo ongororwa semasekete, kureva kuti, nhevedzano yemaitiro anodzokera kumamiriro ekutanga. Masekete akakosha muinjiniya yemakanika anosanganisira:
a. Otto cycle (injini yepeturu)
Inotsanangura kupisa kuri pedyo nehukuru husingachinji. Kushanda kwayo zvakanaka kunokonzerwa nehuwandu hwekudzvanywa. Kana huwandu hwekudzvanywa hwakakwira, kuwedzera kushanda zvakanaka, asi inoganhurirwa nekugogodza nesimba rezvinhu.
b. Kutenderera kwedhiziri (injini yedhiziri)
Kupisa kunoitika kana injini dzedhiziri dziine simba rakawanda rekushandisa, izvo zvinoita kuti injini ishande zvakanaka uye ive nesimba rakawanda.
c. Kutenderera kweBrayton (turbine yegesi)
Used muinjini dzejeti nemagetsi Turbine yegesi. Zvikamu zvikuru: compressor, imba yekupisa, turbine. Kushanda zvakanaka kunowedzera zvichienderana nehuwandu hwekumanikidzwa kwekupinda kweturbine netembiricha, zvichiita kuti zvinhu zvinodzivirira kupisa uye sisitimu yekutonhodza yesimbi yeturbine zvive zvakakosha.
d. Rankine cycle (muchina wekugadzira mhute)
Inoshandiswa mumafekitori emagetsi anoshandiswa nemarasha uye masisitimu eturbine yemhepo. Kushanda kwemhepo kunovandudzwa nekudziisa, kudziyisa, uye kudziyisa mvura yemumba.
e. Kutenderera kweFriji yeKudzvanywa kweVapor
Inoshandiswa muma air conditioner nemafiriji. Zvikamu zvikuru: compressor, condenser, expansion valve, evaporator. Coefficient of performance (COP) iparameter inokosha, inokanganiswa nemusiyano wetembiricha pakati pe evaporator ne condenser uye kushanda zvakanaka kwe compressor.
8. Kushandiswa kweThermodynamics muKugadzira neKugadzirisa Michina
Muchokwadi, thermodynamics haisi yega; yakabatana nekutamiswa kwekupisa, mashandiro emvura, zvinhu, uye zvinhu zvinodzora. Mashandisirwo akajairika anosanganisira:
– Kuongorora simba: verenga kuti simba rinopinda ripi uye rinorasika kupi, wobva watsvaga mikana yekushanda zvakanaka.
- Kusarudzwa kwemamiriro ekushanda: kusarudza kumanikidzwa kwakakodzera uye tembiricha mubhoyira, compressor, kana turbine.
- Dhizaini yemuchina wekuchinjisa kupisa: inoita kuti kupisa kupfuure zvakakwana pasina kurasikirwa zvakanyanya kwekumanikidzwa.
– Kudzora utsi: kupisa kwakanyanya kunoderedza kushandiswa kwemafuta uye CO₂; kudzora tembiricha kunokanganisawo NOx.
– Kutarisira kutonhora: kuchengetedza tembiricha yezvikamu zveinjini yakachengeteka uye kunowedzera hupenyu hwebasa.
Mhedziso
Nheyo dze thermodynamics—kubva papfungwa dzemasisitimu nemamiriro ezvinhu, Mutemo weZeroth kusvika kuMutemo weChipiri, uye hunhu hwezvinhu nema cycles—zvinopa hwaro hwekunzwisisa mashandiro anoita michina uye miganhu yekushanda kwayo. Mutemo wekutanga unobatsira kugadza kuenzana kwesimba uye kuverenga basa nekupisa, ukuwo Mutemo weChipiri uchitsanangura mafambiro emaitiro uye manyuko ekurasikirwa kunoganhurira kushanda zvakanaka. Nekunzwisisa uku, mainjiniya vanogona kugadzira michina inoshanda zvakanyanya, yakavimbika, uye isingakuvadzi nharaunda, uku vachivandudza mashandiro emasisitimu esimba muzvikamu zvakasiyana-siyana zvemaindasitiri nekutakura.
