இயந்திரப் பொறியியலில் வெப்ப அமைப்புகளில் ஏற்படும் என்டால்பி மாற்றங்கள்

இயந்திரப் பொறியியலில் வெப்ப அமைப்புகளில் ஏற்படும் என்டால்பி மாற்றங்கள்

இயந்திரப் பொறியியல் உலகில், ஆற்றல் பற்றிய விவாதங்கள் கொதிகலன்கள், நீராவி விசையாழிகள், அமுக்கிகள், குளிர்விப்பான்கள், வெப்பப் பரிமாற்றிகள் மற்றும் உள்ளெரி இயந்திரங்கள் போன்ற வெப்ப அமைப்புகளுடன் பிரிக்கமுடியாத வகையில் பிணைக்கப்பட்டுள்ளன. இந்தச் சாதனங்களில் ஆற்றல் பரிமாற்றத்தைப் பகுப்பாய்வு செய்ய, அடிக்கடி பயன்படுத்தப்படும் வெப்ப இயக்கவியல் அளவுகளில் ஒன்று என்டால்பி ஆகும். வெப்பச் சாதனங்களில் உள்ள செயல்முறைகள் பெரும்பாலும் ஒரு மூடிய அமைப்பிற்குள் (கட்டுப்பாட்டு நிறை) இல்லாமல், ஒரு பாய்ம ஓட்டத்திற்குள் (கட்டுப்பாட்டுக் கனஅளவு) நிகழ்வதால், என்டால்பி குறிப்பாகப் பயனுள்ளதாக இருக்கிறது. எனவே, ஒரு செயல்முறையில் ஆற்றல் எங்கு செல்கிறது என்பதைப் புரிந்துகொள்வதற்கு, என்டால்பி மாற்றங்களைப் புரிந்துகொள்வது முக்கியமாகும்.

1. என்டால்பி மற்றும் அதன் இயற்பியல் அர்த்தத்தைப் புரிந்துகொள்ளுதல்

வரையறையின்படி, என்டால்பி (H) என்பது பின்வருமாறு சூத்திரப்படுத்தப்பட்ட ஒரு வெப்ப இயக்கவியல் அளவு ஆகும்:

H = U + pV

உடன்:
– U = அக ஆற்றல்
– p = அழுத்தம்
– V = கன அளவு

பாய்வு அமைப்புகளின் பகுப்பாய்விற்கு, பின்வரும் குறிப்பிட்ட படிவம் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது:

h = u + pv

இதில் h என்பது தன்வெப்ப ஆற்றல் (kJ/kg) ஆகும். கூடுதலாக உள்ள pv என்ற பதம், பெரும்பாலும் "பாய்வு வேலை"யுடன் தொடர்புடைய ஆற்றலாகப் பொருள் கொள்ளப்படுகிறது; அதாவது, ஒரு கட்டுப்பாட்டு கனஅளவிற்குள் அல்லது வெளியே பாய்மத்தை நகர்த்துவதற்குத் தேவைப்படும் வேலை. இதனால்தான் டர்பைன்கள், நாசில்கள், டிஃப்யூசர்கள், பம்புகள் மற்றும் கம்ப்ரஸர்கள் போன்ற சாதனங்களைப் பகுப்பாய்வு செய்வதற்குத் தன்வெப்ப ஆற்றல் மிகவும் வசதியாக உள்ளது.

2. வெப்ப செயல்முறைகளில் என்டால்பி மாற்றம் (Δh)

இயந்திரப் பொறியியல் நடைமுறையில், மிக முக்கியமான விஷயம் என்பது என்டால்பி மதிப்பு மட்டுமல்ல, என்டால்பியில் ஏற்படும் மாற்றமும்தான்:

Δh = h₂ − h₁

இந்த மாற்றம் என்பது வெப்பப்படுத்துதல், குளிர்வித்தல், விரிவடைதல், சுருங்குதல் அல்லது நிலை மாற்றம் (எ.கா., நீர் நீராவியாக மாறுதல்) ஆகியவற்றின் காரணமாக ஒரு பாய்மத்தின் ஆற்றல் உள்ளடக்கத்தில் ஏற்படும் மாற்றத்தை விவரிக்கிறது. பல வெப்பக் கூறுகளில், என்டால்பி மாற்றமானது அதில் உள்ள வெப்பம் மற்றும் வேலையுடன் நேரடியாகத் தொடர்புடையது.

உதாரணமாக:
கொதிகலனில், பாய்மம் வெப்பத்தைப் பெறுவதால் வெப்ப ஆற்றல் அதிகரிக்கிறது.
விசையாழிகளில், பாய்ம ஆற்றல் தண்டு வேலையாக மாற்றப்படுவதால் வெப்ப ஆற்றல் குறைகிறது.
ஆவிசுருக்கியில், நீராவி சுற்றுப்புறத்திற்கோ அல்லது குளிர்விக்கும் ஊடகத்திற்கோ வெப்பத்தை வெளியிடுவதால், என்டால்பி குறைகிறது.

3. நிலையான பாய்வு ஆற்றல் சமன்பாட்டில் என்டால்பி

இயந்திரப் பொறியியல் வெப்ப அமைப்புகளின் மிகவும் பொதுவான பகுப்பாய்வு நிலையான-ஓட்டப் பகுப்பாய்வாகும். ஒரு நிலையான-ஓட்டக் கட்டுப்பாட்டு கனஅளவிற்கான ஆற்றல் சமன்பாடு (நிலையான ஓட்ட ஆற்றல் சமன்பாடு/SFEE) பெரும்பாலும் பின்வருமாறு எழுதப்படுகிறது:

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

உடன்:
– q = ஓரலகு நிறைக்கான வெப்பம் (kJ/kg)
– w = ஓரலகு நிறைக்கான வேலை (kJ/kg)
– V = பாய்வு வேகம் (மீ/வி)
– z = உயரம் (மீ)
– g = புவியீர்ப்பு முடுக்கம் (மீ/வி²)

பல இயந்திரப் பொறியியல் பயன்பாடுகளில், என்டால்பி மாற்றத்துடன் ஒப்பிடும்போது இயக்க ஆற்றல் மற்றும் நிலை ஆற்றலில் ஏற்படும் மாற்றங்கள் ஒப்பீட்டளவில் சிறியதாக இருப்பதால், அவை பெரும்பாலும் பின்வருமாறு எளிமைப்படுத்தப்படுகின்றன:

q − w ≈ h₂ − h₁

இந்த எளிய தொடர்பு மிகவும் சக்தி வாய்ந்தது: வெப்பமும் வேலையும் எவ்வாறு ஏற்படுகின்றன என்பதை நாம் அறிந்தால், என்டால்பி மாற்றத்தை மதிப்பிடலாம்; அல்லது இதற்கு நேர்மாறாக, என்டால்பி தரவுகள் தெரிந்தால் (எ.கா. நீராவி அட்டவணைகளிலிருந்து), டர்பைனின் வேலையையோ அல்லது அமுக்கியின் ஆற்றல் தேவைகளையோ கணக்கிடலாம்.

4. ஒரு வெப்ப அமைப்பின் முக்கிய கூறுகளில் ஏற்படும் என்தால்பி மாற்றங்கள்

அ) கொதிகலன் மற்றும் வெப்பமூட்டி
ஒரு கொதிகலனில், நீர் நீராவியாக மாறும் வரை சூடாக்கப்படுகிறது. இந்தச் செயல்முறையில் பின்வருவன அடங்கும்:
1) திரவ நீரைச் சூடாக்குதல் (உணர் வெப்பமாக்கல்),
2) ஆவியாதல் (மறை வெப்பம்),
3) சூப்பர்ஹீட்டிங் (மேலும் நீராவி மூலம் சூடாக்குதல்).

மூன்றும் என்டால்பியை கணிசமாக அதிகரிக்கின்றன. கருத்தியல் ரீதியாக:

q_in ≈ h_out − h_in

கொதிகலனின் வெளிவழி அழுத்தம் மற்றும் வெப்பநிலை அதிகமாக இருக்கும்போது, ​​உற்பத்தி செய்யப்படும் நீராவியின் வெப்ப ஆற்றலும் அதிகமாக இருக்கும், மேலும் பொதுவாக விசையாழியில் இருந்து பிரித்தெடுக்கக்கூடிய சாத்தியமான வேலையும் அதிகமாக இருக்கும்.

b) நீராவி விசையாழிகள் மற்றும் வாயு விசையாழிகள்
ஒரு விசையாழியில், பாய்மம் அதன் இறக்கைகள் மற்றும் தண்டு மீது வேலை செய்கிறது. வெப்பம் கடத்தாத சூழ்நிலைகளில் (கிட்டத்தட்ட வெப்பப் பரிமாற்றம் இல்லாதபோது):

w_out ≈ h_in − h_out

இதன் பொருள், ஒரு விசையாழியில் ஏற்படும் வெப்ப ஆற்றல் குறைப்பு, உற்பத்தி செய்யப்படும் வேலைக்கு நேரடியாகத் தொடர்புடையது என்பதாகும். நீராவி விசையாழிகளுக்கு, வெப்ப ஆற்றல் தரவுகள் பொதுவாக அட்டவணைகள் அல்லது மோலியர் (hs) வரைபடங்களிலிருந்து பெறப்படுகின்றன. வாயு விசையாழிகளுக்கு, ஒரு இலட்சிய வாயு அணுகுமுறையைப் பயன்படுத்தி, தன்வெப்ப ஏற்புத்திறனைக் கொண்டு வெப்ப ஆற்றல் பெரும்பாலும் கணக்கிடப்படுகிறது.

c) பம்புகள் மற்றும் அமுக்கிகள்
பம்புகள் (திரவங்களுக்கு) மற்றும் அமுக்கிகள் (வாயுக்களுக்கு) உள்ளீட்டு வேலையைக் கோருகின்றன. பம்புகளைப் பொறுத்தவரை, திரவங்கள் ஏறக்குறைய அமுக்க முடியாதவை என்பதால், என்டால்பி மாற்றம் ஒப்பீட்டளவில் சிறியதாக இருக்கும், மேலும் இது பெரும்பாலும் பின்வருமாறு தோராயப்படுத்தப்படுகிறது:

w_in ≈ v (p₂ − p₁)

வாயு அமுக்கிகளில், என்டால்பி அதிகரிப்பு அதிகமாக இருக்கலாம், மேலும் இது அமுக்கத்தால் ஏற்படும் வெப்பநிலை அதிகரிப்புடன் தொடர்புடையது. ஒரு வெப்பமாறா அமுக்கியில்:

w_in ≈ h_out − h_in

என்டால்பியின் அதிகரிப்பு, தண்டு வேலையின் மூலம் பாய்மத்திற்குச் சேர்க்கப்பட்ட ஆற்றலைக் குறிக்கிறது.

d) மின்தேக்கி
ஆவி திரவமாக ஒடுங்கும் வரை, ஆவிசுருக்கி அதிலிருந்து வெப்பத்தை நீக்குகிறது. தண்டு இயக்கம் இல்லாதபோது:

q_out ≈ h_in − h_out

மின்தேக்கியில் ஏற்படும் என்டால்பி குறைவு பொதுவாக அதிகமாக இருக்கும், ஏனெனில் அது ஒடுக்கத்தின் போது மறைவெப்பம் வெளியிடப்படுவதை உள்ளடக்கியது, இது சாதாரண வெப்பநிலை குறைவுடன் ஒப்பிடும்போது மிகவும் மேலோங்கியதாக உள்ளது.

இ) விரிவாக்க வால்வு (தடை வால்வு)
விரிவாக்க வால்வுகள் பொதுவாக குளிர்பதன அமைப்புகளிலும் சில நீராவி அமைப்புகளிலும் காணப்படுகின்றன. நெரித்தல் செயல்முறை ஒரு முக்கியமான பண்பைக் கொண்டுள்ளது: பல பொறியியல் நிலைமைகளின் கீழ் மாறாத வெப்ப ஆற்றல் (ஐசென்தால்பிக்).

h₁ ≈ h₂

என்டால்பி மாறாமல் இருந்தாலும், அழுத்தம் பெருமளவில் குறைகிறது, மேலும் திரவத்தின் ஒரு பகுதி நிலை மாற்றம் அடையலாம் (எ.கா., திரவ-ஆவி கலவையாக மாறலாம்). இது குளிரூட்டும் சுழற்சிகளில் முக்கியமானது, ஏனெனில் இது விரிவடைந்த பிறகு குறைந்த வெப்பநிலையை விளைவிக்கிறது.

5. வேலை செய்யும் திரவங்களின் என்டால்பி மற்றும் நிலை மாற்றங்கள்

நிலை மாற்றங்கள் சம்பந்தப்பட்ட செயல்முறைகளில் என்டால்பி மாற்றங்கள் மிகவும் வெளிப்படையாகக் காணப்படுகின்றன, அவை:
– கொதிக்கும் நீர் நீராவியாக மாறுகிறது,
நீராவி நீராக ஒடுங்குகிறது.
– குளிர்பதனப் பொருள் ஆவியாக்கியில் ஆவியாகிறது.

மாறா அழுத்தத்தின் கீழ், ஆவியாதல் அல்லது ஒடுக்கத்தின் உள்ளுறை வெப்பமானது, குறிப்பிடத்தக்க வெப்பநிலை அதிகரிப்பு இல்லாமலேயே என்டால்பி அதிகரிப்பை ஏற்படுத்துகிறது. எனவே, கொதிகலன்கள், ஒடுக்கிகள், ஆவியாக்கிகள் மற்றும் இருகட்ட வெப்பப் பரிமாற்றிகளை வடிவமைப்பதில் என்டால்பி பகுப்பாய்வு இன்றியமையாததாகிறது.

6. இயந்திரப் பொறியியல் நடைமுறையில் என்டால்பி தரவுகளின் பயன்பாடு

பல நிஜ உலகச் சூழல்களில், பொறியாளர்கள் என்டால்பியை அடிப்படை சூத்திரத்திலிருந்து கணக்கிடுவதில்லை, மாறாகப் பின்வருவனவற்றைப் பயன்படுத்துகின்றனர்:
– நீராவி மேசைகள்,
– hs வரைபடம் (மோலியர்),
– வெப்ப இயக்கவியல் பண்பு மென்பொருள் (REFPROP, EES, CoolProp),
– உற்பத்தியாளர் தரவு.

வெப்ப ஆற்றல் அளவீடுகளில் ஏற்படும் சிறு பிழைகள், விசையாழியின் ஆற்றல், எரிபொருள் தேவைகள் அல்லது குளிரூட்டும் திறன் ஆகியவற்றின் மதிப்பீடுகளில் குறிப்பிடத்தக்க வேறுபாடுகளை ஏற்படுத்தக்கூடும். எனவே, பொருத்தமான இயக்க நிலைமைகளை (அழுத்தம்/வெப்பநிலை) தேர்ந்தெடுப்பதும், நீராவியின் தரத்தைப் புரிந்துகொள்வதும் மிக முக்கியமானவை.

7. கெசிம்புலன்

இயந்திரப் பொறியியல் வெப்ப அமைப்புகள் பகுப்பாய்வில் என்டால்பி மாற்றம் ஒரு முக்கியக் கருத்தாகும், ஏனெனில் இது பாய்வு உபகரணங்களில் ஏற்படும் வெப்பம், வேலை மற்றும் பாய்ம நிலை மாற்றங்கள் ஆகிய நிகழ்வுகளை நேரடியாக இணைக்கிறது. நிலைத்த ஆற்றல் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம், டர்பைன் வேலை, கம்ப்ரசர் திறன், கொதிகலனில் சேர்க்கப்படும் வெப்பம் மற்றும் மின்தேக்கியில் நிராகரிக்கப்படும் வெப்பம் ஆகியவற்றைக் கணக்கிட என்டால்பி மாற்றத்தைப் பயன்படுத்தலாம். ரேங்கைன், பிரேட்டன் மற்றும் குளிர்பதன அமைப்புகள் போன்ற வெப்பச் சுழற்சிகளின் செயல்திறன் மற்றும் திறனைப் பொறியாளர்கள் புரிந்துகொள்வதற்கு என்டால்பி ஒரு நடைமுறை "மொழியாக" செயல்படுகிறது. என்டால்பி மாற்றத்தில் தேர்ச்சி பெறுவது என்பது வெப்ப அமைப்புகளை மிகவும் துல்லியமாகவும், பாதுகாப்பாகவும், திறமையாகவும் படிக்கவும் வடிவமைக்கவும் முடிவதாகும்.

நீங்கள் விரும்பினால், இந்தக் கட்டுரையை விரிவுரைகள்/செய்முறைப் பணிகளின் தேவைகளுக்கு ஏற்ப மேலும் பொருத்தமானதாகவும் நெருக்கமானதாகவும் மாற்றுவதற்காக, நான் எளிய கணக்கீட்டு எடுத்துக்காட்டுகளை (உதாரணமாக, நீராவி விசையாழிகள் அல்லது அமுக்கிகள்) சேர்க்க முடியும்.