தொழில்துறை கொதிகலன் அமைப்புகள் மீதான பொறியியல் வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வு
பெண்டாஹுலுவான்
மின் உற்பத்தி நிலையங்கள், இரசாயன ஆலைகள், காகிதக்கூழ் மற்றும் காகிதத் தொழில், உணவு மற்றும் பானத் தொழில் எனப் பல்வேறு துறைகளில் தொழில்துறை கொதிகலன்கள் மிக முக்கியமான உபகரணங்களில் ஒன்றாகும். எரிபொருளிலிருந்து கிடைக்கும் இரசாயன ஆற்றலை (அல்லது மின் கொதிகலன்களில் மின் ஆற்றலை) வெப்ப ஆற்றலாக மாற்றி, பின்னர் அதை நீருக்கு மாற்றி குறிப்பிட்ட அழுத்தங்கள் மற்றும் வெப்பநிலைகளில் நீராவியை உருவாக்குவதே அவற்றின் முதன்மைப் பணியாகும். இந்த நீராவி பின்னர் செயல்முறை வெப்பமூட்டல், உலர்த்துதல், கிருமி நீக்கம் அல்லது விசையாழியின் இயக்கத் திரவமாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. ஒரு கொதிகலன் அமைப்பு பாதுகாப்பாகவும், சிக்கனமாகவும், திறமையாகவும் செயல்பட, ஆற்றல் சமநிலைகள், செயல்திறன், வெப்ப இழப்பு மற்றும் மீளாத்தன்மை பகுப்பாய்வு உள்ளிட்ட ஒரு வெப்ப இயக்கவியல் பொறியியல் ஆய்வு தேவைப்படுகிறது.
கொதிகலன்களில் வெப்ப இயக்கவியலின் அடிப்படைக் கருத்துக்கள்
வெப்ப இயக்கவியல் அடிப்படையில், கொதிகலன்கள் பொதுவாக ஒரு சீரான ஓட்ட அமைப்புகளாகப் பகுப்பாய்வு செய்யப்படுகின்றன. இவற்றில், ஊட்டநீரின் நிறை உள்ளே நுழைந்து, எரிதலிலிருந்து வெப்பத்தைப் பெற்று, பின்னர் தெவிட்டிய நீராவி அல்லது மீவெப்ப நீராவியாக வெளியேறுகிறது. ஒரு சீரான ஓட்ட அமைப்புக்கான வெப்ப இயக்கவியலின் முதல் விதியை (சீரான ஓட்ட ஆற்றல் சமன்பாடு) எளிமையாகக் கூறலாம்:
\[
\dot{Q} – \dot{W} = \dot{m}(h_{out}-h_{in})
\]
கொதிகலன்களில், தண்டு வேலை (\(\dot{W}\)) பொதுவாகப் புறக்கணிக்கப்படுகிறது, ஏனெனில் கொதிகலன் நேரடியாக இயந்திர வேலையை உற்பத்தி செய்வதில்லை. என்டால்பி மாற்றத்துடன் ஒப்பிடும்போது இயக்க மற்றும் நிலை ஆற்றல்களும் ஒப்பீட்டளவில் சிறியவை, எனவே நடைமுறைச் சமன்பாடு பின்வருமாறு அமைகிறது:
\[
\dot{Q} \approx \dot{m}(h_{steam}-h_{fw})
\]
இங்குதான் என்டால்பி ஒரு முக்கிய அளவுருவாகிறது. நீர் மற்றும் நீராவி என்டால்பி தரவுகள், நீராவி அட்டவணைகள் அல்லது மோலியர் வரைபடங்களிலிருந்து (h–s) பெறப்படுகின்றன. ஒரு குறிப்பிட்ட அழுத்தத்தில் உள்ளீட்டு நீர், குறைவெப்ப நீராக இருக்கலாம், அதேசமயம் வெளியீடானது உலர் தெவிட்டிய நீராவி, ஈர நீராவி (நீராவித் தரம் x-ஐக் கொண்டது), அல்லது மீவெப்ப நீராவியாக இருக்கலாம்.
தண்ணீரை நீராவியாக சூடாக்கும் செயல்முறை
வெப்ப இயக்கவியல் ரீதியாக, ஒரு கொதிகலனில் தண்ணீரைச் சூடாக்குவது பல நிலைகளைக் கடந்து செல்கிறது:
1. ஊட்டநீர் சூடாக்குதல் (உணர் வெப்பமாக்கல்)
இயக்க அழுத்தத்தில், நீர் உள்ளீட்டு வாயிலிலிருந்து தெவிட்டிய வெப்பநிலை வரை அதன் வெப்பநிலையில் உயர்த்தப்படுகிறது. இதற்குத் தேவைப்படும் ஆற்றலானது, வெப்ப ஏற்புத்திறன் மற்றும் வெப்பநிலை அதிகரிப்புக்கு நேர் விகிதத்தில் அமைகிறது.
2. ஆவியாதல் (நிலை மாற்றம் / மறை வெப்பம்)
தெவிட்டிய நிலையில், வெப்பத்தைச் சேர்ப்பதால் திரவ நிலை நீராவியாக ஒரு நிலை மாற்றம் ஏற்படுகிறது. இந்த நிலையில், வெப்பநிலை ஒப்பீட்டளவில் மாறாமல் இருக்கும், ஆனால் ஆவியாதலின் உள்ளுறை வெப்பத்தின் காரணமாக என்டால்பி கணிசமாக அதிகரிக்கிறது.
3. சூப்பர்ஹீட்டிங் (சூப்பர்ஹீட்டர் இருந்தால்)
தெவிட்டிய நீராவி, அதே அழுத்தத்தில் அதன் வெப்பநிலையைத் தெவிட்டிய வெப்பநிலைக்கு மேல் உயர்த்துவதற்காக மேலும் சூடுபடுத்தப்படுகிறது. மீசூடாக்குதல் நீராவியின் என்டால்பியை அதிகரித்து, ஈரப்பதத்தைக் குறைக்கிறது. இது டர்பைன் பயன்பாடுகளுக்கும் செயல்முறைத் திறனுக்கும் நன்மை பயக்கிறது.
நவீன கொதிகலன் வடிவமைப்புகளில், எக்கனாமைசர்கள் (ஊட்டநீர் வெப்பமூட்டிகள்), காற்று முன்வெப்பமூட்டிகள் (எரிப்புக் காற்று வெப்பமூட்டிகள்) மற்றும் சூப்பர்ஹீட்டர்கள் போன்ற கூடுதல் கூறுகளைக் கொண்டு வெப்ப மீட்பு பெரும்பாலும் மேம்படுத்தப்படுகிறது. இவை ஒவ்வொன்றும் புகைபோக்கி இழப்புகளைக் குறைப்பதையும் வெப்பப் பரிமாற்றத் திறனை அதிகரிப்பதையும் நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளன.
ஆற்றல் சமநிலை மற்றும் கொதிகலன் செயல்திறன்
கொதிகலன் செயல்திறன் என்பது பொதுவாக, நீர்/நீராவியால் உறிஞ்சப்படும் பயனுள்ள ஆற்றலுக்கும், எரிக்கப்படும் எரிபொருளின் வேதியியல் ஆற்றலுக்கும் இடையிலான விகிதமாக வரையறுக்கப்படுகிறது. இரண்டு பிரபலமான அணுகுமுறைகள்:
1. நேரடி முறை (நேரடி முறை / உள்ளீடு-வெளியீடு முறை)
\[
η_{boiler}=\frac{\dot{m}_{steam}(h_{steam}-h_{fw})}{\dot{m}_{fuel}\times LHV}\times 100\%
\]
பயன்படுத்தப்படும் தரநிலையைப் பொறுத்து LHV (குறைந்த வெப்ப மதிப்பு) அல்லது HHV (அதிக வெப்ப மதிப்பு) உடன்.
2. மறைமுக முறை (வெப்ப இழப்பு முறை)
செயல்திறன் என்பது 100%-இலிருந்து மொத்த வெப்ப இழப்பைக் கழிப்பதன் மூலம் கணக்கிடப்படுகிறது, எடுத்துக்காட்டாக:
– உலர் புகை வாயு இழப்பு
– ஹைட்ரஜன் எரிதலினால் ஏற்படும் நீராவி இழப்பு
– எரிபொருள் மற்றும் காற்றின் ஈரப்பதம் காரணமாக ஏற்படும் இழப்பு
எரியாத கார்பன் காரணமாக ஏற்படும் இழப்பு
– கொதிகலன் மேற்பரப்பில் இருந்து ஏற்படும் கதிர்வீச்சு மற்றும் வெப்பச்சலன இழப்புகள்
– காற்றினால் ஏற்படும் இழப்பு
ஆற்றல் தணிக்கைகளுக்கு மறைமுக முறைகள் பெரும்பாலும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, ஏனெனில் அவை செயல்திறன் குறைபாட்டின் முக்கிய மூலங்களைக் கண்டறிய உதவுகின்றன.
கொதிகலன் செயல்பாட்டில் பெரும் வெப்ப இழப்புகள்
ஒரு சிறந்த வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வு, வெளியீடு-உள்ளீடு விகிதத்தைக் கணக்கிடுவதோடு நின்றுவிடாமல், ஆதிக்கம் செலுத்தும் ஆற்றல் இழப்புகளையும் வரைபடமாக்குகிறது.
1. புகைபோக்கி இழப்பு (புகைப்போக்கிக்கு ஏற்படும் இழப்பு)
உயர் வெப்பநிலையில் வெளியேறும் புகை வாயுக்கள் அதிக வெப்ப ஆற்றலைக் கொண்டுள்ளன. சிக்கனக் கருவிகள் மற்றும் காற்று முன்சூடாக்கிகள் மூலம் இதைக் குறைக்க முயற்சிகள் மேற்கொள்ளலாம், ஆனால் அரிப்பைத் தடுப்பதற்காக, அவை அமிலப் பனிப்புள்ளியைத் தாண்டாமல் பார்த்துக் கொள்ள வேண்டும் (குறிப்பாக கந்தகம் கலந்த எரிபொருட்களுக்கு).
2. காற்றால் சாய்தல்
கொதிகலன் கலனில் கரைந்துள்ள திடப்பொருட்களின் (TDS) செறிவைக் கட்டுப்படுத்த ப்ளோடவுன் அவசியமாகும். இருப்பினும், இந்த சூடான நீரை அகற்றுவது என்டால்பி இழப்பைக் குறிக்கிறது. ஒரு ப்ளோடவுன் வெப்ப மீட்பு அமைப்பானது, இந்த வெப்பத்தைப் பயன்படுத்தி ஊட்டநீர் அல்லது நிரப்புநீரைச் சூடாக்க முடியும்.
3. அதிகப்படியான காற்று மற்றும் முழுமையற்ற எரிதல்
நிலையான எரிதலுக்கு அதிகப்படியான காற்று அவசியம், ஆனால் மிகையான காற்று புகை வாயுவின் நிறையை அதிகரித்து, புகைபோக்கி இழப்பை அதிகரிக்கிறது. இதற்கு மாறாக, போதுமான காற்று இல்லாதது CO2 மற்றும் எரியாத எரிபொருளின் அதிகரிப்புக்கு வழிவகுக்கிறது—இவை இரண்டுமே தீங்கானவை. புகை வாயு O₂/CO2 கட்டுப்பாடு மற்றும் எரிப்பான் சரிசெய்தல் மூலம் உகந்தநிலை அடையப்படுகிறது.
4. மேற்பரப்பில் இருந்து கதிர்வீச்சு மற்றும் வெப்பச்சலனம்
மோசமான வெப்பக் காப்பு, சுற்றுச்சூழலுக்கு வெப்ப இழப்பை அதிகரிக்கிறது. வெப்பத்தடுப்பு மற்றும் காப்பு மேம்பாடுகள் பொதுவாக செயல்திறன் மற்றும் பாதுகாப்பில் நேரடித் தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகின்றன.
எக்ஸர்ஜி பகுப்பாய்வு: ஆற்றல் தரத்தை மதிப்பிடுதல்
ஆற்றலுடன் (விதி I) கூடுதலாக, நவீன பொறியியல் வெப்ப இயக்கவியல், ஆற்றலின் "தரம்" மற்றும் மீளாத்தன்மையை (விதி II) மதிப்பிடுவதற்கு எக்ஸர்ஜி பகுப்பாய்வை அடிக்கடி பயன்படுத்துகிறது. ஒரு அமைப்பை அதன் சுற்றுப்புற நிலைமைகளுக்குக் கொண்டு வரும்போது பெறக்கூடிய அதிகபட்ச வேலையை எக்ஸர்ஜி விவரிக்கிறது.
கொதிகலன்களில், முக்கிய மீளாத்தன்மை பின்வரும் இடங்களில் ஏற்படுகிறது:
– எரிதல் செயல்முறை (உயர் வெப்பநிலையில் நிகழும் வேதி வினைகள் மற்றும் கலத்தல்)
– அதிக வெப்பநிலை வேறுபாட்டுடன் கூடிய வெப்பப் பரிமாற்றம், எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு சுடருக்கும் குழாயின் மேற்பரப்பிற்கும் இடையே.
– வாயு மற்றும் நீர்/நீராவிப் பக்கங்களில் ஏற்படும் பாய்வு உராய்வு (அழுத்தக் குறைவு)
எக்ஸர்ஜி பகுப்பாய்வின் மூலம், தண்ணீருக்கு சிறிதளவு வெப்பம் கடத்தப்பட்டாலும், அந்தச் செயல்முறையின் மீளாத்தன்மையின் காரணமாக ஆற்றலின் தரம் குறைகிறது என்பதை இயக்குபவர்கள் கண்டறியலாம். இது மேம்பாடுகளுக்கு முன்னுரிமை அளிக்க உதவுகிறது: உதாரணமாக, காற்று-எரிபொருள் விநியோகத்தை மேம்படுத்துதல், வெப்ப மீட்பை அதிகரித்தல் அல்லது வெப்பப் பரிமாற்றியில் உள்ள மிக அதிக ΔT-ஐக் குறைத்தல்.
வெப்பச் செயல்திறன் மீதான இயக்க நிலைமைகளின் தாக்கம்
கொதிகலனின் செயல்திறன், அழுத்தம், வெப்பநிலை மற்றும் நீரின் தரம் ஆகியவற்றால் பெரிதும் பாதிக்கப்படுகிறது.
1. இயக்க அழுத்தம்
அழுத்தத்தை அதிகரிப்பது தெவிட்டிய வெப்பநிலையை அதிகரிக்கிறது. குறிப்பிட்ட செயல்முறைத் தேவைகளுக்கு, இது நீராவியின் ஆற்றல் அடர்த்தியை அதிகரிக்கக்கூடும். இருப்பினும், அதிக அழுத்தங்களுக்கு வலிமையான பொருட்களும் இறுக்கமான கட்டுப்பாடும் தேவைப்படுகின்றன.
2. ஊட்ட நீர் வெப்பநிலை
ஊட்டநீரின் வெப்பநிலை அதிகமாக இருக்கும்போது, விரும்பிய நீராவி நிலைகளை அடைவதற்கு கொதிகலனுக்குத் தேவைப்படும் வெப்பத்தின் அளவு குறைவாக இருக்கும். எனவே, காற்றகற்றி மற்றும் சிக்கனப்படுத்தி ஆகியவை குறிப்பிடத்தக்க பங்கு வகிக்கின்றன.
3. நீரின் தரம் (சுத்திகரிப்பு)
கரைந்த ஆக்ஸிஜன் அளவுகள், கடினத்தன்மை மற்றும் மொத்தக் கரைந்த திடப்பொருட்கள் (TDS) ஆகியவை படிவு மற்றும் அரிமானத்தில் தாக்கத்தை ஏற்படுத்துகின்றன. படிவு, வெப்பத் தடையை அதிகரிப்பதால், மோசமான வெப்பப் பரிமாற்றம், அதிகரித்த உலோக வெப்பநிலை, குறைந்த செயல்திறன் மற்றும் குழாய் செயலிழப்பு அபாயம் ஆகியவை ஏற்படுகின்றன.
வெப்ப இயக்கவியல் அடிப்படையிலான செயல்திறன் மேம்பாட்டு உத்தி
வெப்ப இயக்கவியல் ஆய்வுடன் நேரடியாக தொடர்புடைய சில நடைமுறை வழிமுறைகள் பின்வருமாறு:
– வெளியேறும் வாயுவின் வெப்பத்தைப் பயன்படுத்தி ஊட்டநீரைச் சூடாக்குவதற்காக எக்கனாமைசரை நிறுவுதல்/உகந்ததாக்குதல்.
– எரிப்பு காற்றின் வெப்பநிலையை அதிகரிக்கவும், சுடரின் நிலைத்தன்மை மற்றும் செயல்திறனை மேம்படுத்தவும் உதவும் காற்று முன்சூடாக்கி.
– உகந்த உபரி காற்றைப் பராமரிப்பதற்கான O₂ ட்ரிம் கட்டுப்பாடு.
என்டால்பி இழப்பைக் குறைப்பதற்காக, காற்றோட்டத்தை உகந்ததாக்குதல் மற்றும் வெப்பத்தை மீட்டெடுத்தல்.
– வெப்பப் பரிமாற்றக் குணகத்தை உயர்வாக வைத்திருக்க, வெப்பப் பரிமாற்ற மேற்பரப்பைப் பராமரித்தல் (கரி/படிவங்களை அகற்றுதல்).
நீராவி குழாய்கள், பீப்பாய்கள் மற்றும் உறைகளில் நல்ல வெப்பக்காப்பு.
– விலகல்களை முன்கூட்டியே கண்டறிவதற்காக, வெப்ப இயக்கவியல் அளவுருக்களை (வெப்பநிலை, அழுத்தம், பாய்வு விகிதம், O₂/CO புகை வாயு) தொடர்ச்சியாகக் கண்காணித்தல்.
முடிவுரை
தொழில்துறை கொதிகலன் அமைப்புகளில் பொறியியல் வெப்ப இயக்கவியலைப் பற்றிய ஆய்வு, எரிபொருளிலிருந்து கிடைக்கும் ஆற்றல் எவ்வாறு நீராவியாக மாற்றப்படுகிறது என்பதைப் புரிந்துகொள்வதற்கும், செயல்திறனைக் குறைக்கும் இழப்புப் புள்ளிகளைக் கண்டறிவதற்கும் ஒரு சக்திவாய்ந்த பகுப்பாய்வுக் கட்டமைப்பை வழங்குகிறது. ஆற்றல் சமநிலையைப் (முதல் விதி) பயன்படுத்துவதன் மூலமும், அதை எக்ஸர்ஜி கண்ணோட்டத்துடன் (இரண்டாம் விதி) இணைப்பதன் மூலமும், பொறியாளர்கள் செயல்திறனை மேம்படுத்தவும், எரிபொருள் நுகர்வைக் குறைக்கவும், உபகரண நம்பகத்தன்மையைப் பராமரிக்கவும், கொதிகலனின் இயக்க ஆயுளை நீட்டிக்கவும் தரவுகளின் அடிப்படையில் முடிவுகளை எடுக்க முடியும். இறுதியாக, வெப்ப இயக்கவியல் ரீதியாக உகந்ததாக்கப்பட்ட ஒரு கொதிகலன் செலவுகளைச் சேமிப்பது மட்டுமல்லாமல், உமிழ்வு குறைப்பு மற்றும் மேலும் நிலையான தொழில்துறை செயல்பாடுகளுக்கும் ஆதரவளிக்கிறது.
