Тағйироти энтальпия дар системаҳои гармӣ дар муҳандисии механикӣ
Дар ҷаҳони муҳандисии механикӣ, баҳсҳо дар бораи энергия бо системаҳои гармӣ, аз қабили дегҳо, турбинаҳои буғӣ, компрессорҳо, конденсаторҳо, мубодилаи гармӣ ва муҳаррикҳои сӯзиши дохилӣ, алоқамандии ногусастанӣ доранд. Яке аз миқдорҳои термодинамикии маъмултарин барои таҳлили интиқоли энергия дар ин дастгоҳҳо энтальпия мебошад. Энтальпия махсусан муфид аст, зеро равандҳо дар дастгоҳҳои гармӣ аксар вақт дар дохили ҷараёни моеъ (ҳаҷми идоракунӣ), на дар дохили системаи пӯшида (массаи идоракунӣ), рух медиҳанд. Аз ин рӯ, фаҳмидани тағйироти энтальпия калиди фаҳмидани он аст, ки энергия дар раванд ба куҷо меравад.
1. Фаҳмидани энтальпия ва маънои физикии он
Аз рӯи таъриф, энтальпия (H) як миқдори термодинамикӣ аст, ки чунин ифода ёфтааст:
H = U + pV
бо:
– U = энергияи дохилӣ
– p = фишор
– V = ҳаҷм
Барои таҳлили системаҳои ҷараён, одатан шакли мушаххас истифода мешавад:
h = u + pv
ки дар он h энтальпияи мушаххас (кҶ/кг) аст. Истилоҳи иловагии pv аксар вақт ҳамчун энергияи марбут ба "кори ҷараён", яъне кори зарурӣ барои интиқоли моеъ ба ҳаҷми идоракунӣ ё берун аз он, шарҳ дода мешавад. Аз ин рӯ, энтальпия барои таҳлили дастгоҳҳо ба монанди турбинаҳо, соплоҳо, диффузорҳо, насосҳо ва компрессорҳо хеле қулай аст.
2. Тағйирёбии энтальпия (Δh) дар равандҳои гармӣ
Дар амалияи муҳандисии механикӣ, муҳимтарин чиз на танҳо арзиши энтальпия, балки тағирёбии энтальпия аст:
Δh = h₂ − h₁
Ин тағйирот тағйироти миқдори энергияи моеъро дар натиҷаи гармкунӣ, хунуккунӣ, васеъшавӣ, фишурдашавӣ ё тағйири фаза (масалан, аз об ба буғ) тавсиф мекунад. Дар бисёр ҷузъҳои гармӣ, тағйироти энтальпия мустақиман бо гармӣ ва кори марбут ба он алоқаманд аст.
Ҳамчун мисол:
– Дар дегхона, энтальпия меафзояд, зеро моеъ гармиро қабул мекунад.
– Дар турбинаҳо, энтальпия кам мешавад, зеро энергияи моеъ ба кори вал табдил меёбад.
– Дар конденсатор, энтальпия кам мешавад, зеро буғ гармиро ба муҳити зист ё муҳити хунуккунӣ медиҳад.
3. Энтальпия дар муодилаи энергияи ҷараёни устувор
Таҳлили маъмултарини системаҳои гармидиҳии муҳандисии механикӣ ҷараёни устувор мебошад. Муодилаи энергия барои ҳаҷми идоракунии ҷараёни устувор (Муодилаи энергияи ҷараёни устувор/SFEE) аксар вақт чунин навишта мешавад:
q − w = (h₂ − h₁) + (V₂² − V₁²)/2 + g(z₂ − z₁)
бо:
– q = гармӣ барои як воҳиди масса (кҶ/кг)
– w = кор барои як воҳиди масса (кҶ/кг)
– V = суръати ҷараён (м/с)
– z = баландӣ (м)
– g = шитоб аз ҳисоби қувваи ҷозиба (м/с²)
Дар бисёр замимаҳои муҳандисии механикӣ, тағйирот дар энергияи кинетикӣ ва потенсиалӣ дар муқоиса бо тағйирот дар энтальпия нисбатан ночизанд, аз ин рӯ онҳо аксар вақт ба таври зерин содда карда мешаванд:
q − w ≈ h₂ − h₁
Ин муносибати оддӣ хеле пурқувват аст: агар мо бидонем, ки чӣ гуна гармӣ ва кор ба амал меоянд, мо метавонем тағирёбии энтальпияро ҳисоб кунем; ё баръакс, агар маълумоти энтальпия маълум бошад (масалан, аз ҷадвалҳои буғ), мо метавонем кори турбина ё талаботи қувваи компрессорро ҳисоб кунем.
4. Тағйироти энтальпия дар ҷузъҳои асосии системаи гармӣ
а) Дегхона ва гармкунак
Дар дегхона об то ба буғ табдил ёфтан гарм карда мешавад. Раванд метавонад инҳоро дар бар гирад:
1) гарм кардани оби моеъ (гармкунии оқилона),
2) бухоршавӣ (гармкунии пинҳонӣ),
3) аз ҳад зиёд гарм кардан (гармкунии минбаъда бо буғ).
Ҳар сеи онҳо энталпияро ба таври назаррас зиёд мекунанд. Аз ҷиҳати консептуалӣ:
q_in ≈ h_out − h_in
Ҳар қадар фишор ва ҳарорати баромади дегхона баландтар бошад, ҳамон қадар энталпияи буғи истеҳсолшуда зиёдтар аст ва умуман кори эҳтимолӣ, ки дар турбина ба даст оварда мешавад, зиёдтар аст.
б) Турбинаҳои буғӣ ва турбинаҳои газӣ
Дар турбина, моеъ дар рӯи теғҳо ва вал кор мекунад. Дар шароити адиабатӣ (тақрибан бе интиқоли гармӣ):
берун аз ≈ h_in − h_out
Ин маънои онро дорад, ки коҳиши энтальпия дар турбина мустақиман бо кори истеҳсолшуда алоқаманд аст. Барои турбинаҳои буғӣ, маълумоти энтальпия одатан аз ҷадвалҳо ё диаграммаҳои Моллиер (hs) гирифта мешавад. Барои турбинаҳои газӣ, энтальпия аксар вақт бо истифода аз иқтидори гармии мушаххас, бо истифода аз равиши гази идеалӣ, ҳисоб карда мешавад.
в) Насосҳо ва компрессорҳо
Насосҳо (барои моеъҳо) ва компрессорҳо (барои газҳо) кори воридкуниро талаб мекунанд. Барои насосҳо, азбаски моеъҳо қариб фишурда намешаванд, тағирёбии энтальпия нисбатан ночиз аст ва аксар вақт бо ин ҳисоб карда мешавад:
w_in ≈ v (p₂ − p₁)
Дар компрессорҳои газӣ, афзоиши энтальпия метавонад калон бошад ва бо афзоиши ҳарорат аз сабаби фишурдашавӣ алоқаманд аст. Дар компрессори адиабатӣ:
w_in ≈ h_out − h_in
Афзоиши энтальпия энергияеро нишон медиҳад, ки тавассути кори чоҳ ба моеъ илова карда мешавад.
г) Конденсатор
Конденсатор гармиро аз буғ то он даме, ки ба моеъ табдил ёбад, хориҷ мекунад. Вақте ки кор намекунад, меҳвар:
q_out ≈ h_in − h_out
Коҳиши энтальпия дар конденсатор одатан калон аст, зеро он ҳангоми конденсатсия ҷудошавии гармии ниҳониро дар бар мегирад, ки дар муқоиса бо коҳиши ҳарорати муқаррарӣ хеле бартарӣ дорад.
д) Клапани васеъкунанда (Клапани дросселкунанда)
Клапанҳои васеъкунӣ одатан дар системаҳои яхдон ва баъзе системаҳои буғӣ мавҷуданд. Раванди дросселкунӣ як хусусияти муҳим дорад: энтальпияи доимӣ (изентальпӣ) дар бисёр шароити муҳандисӣ.
h₁ ≈ h₂
Гарчанде ки энтальпия бетағйир боқӣ мемонад, фишор ба таври назаррас коҳиш меёбад ва баъзе аз моеъ метавонанд фазаро тағйир диҳанд (масалан, ба омехтаи моеъ-буғ табдил ёбанд). Ин дар давраҳои яхдон муҳим аст, зеро он пас аз васеъшавӣ боиси паст шудани ҳарорат мегардад.
5. Энтальпия ва тағйироти фазавии моеъҳои корӣ
Тағйироти энтальпия дар равандҳое, ки тағйироти фазаро дар бар мегиранд, ба монанди:
– оби ҷӯшон ба буғ табдил меёбад,
- буғ ба об табдил меёбад,
– моеъи хунуккунанда дар бухоркунанда бухор мешавад.
Гармии пинҳонии бухоршавӣ ё конденсатсия боиси афзоиши энтальпия мегардад, бе афзоиши назарраси ҳарорат дар зери фишори доимӣ. Аз ин рӯ, таҳлили энтальпия дар тарҳрезии дегҳо, конденсаторҳо, бухоркунакҳо ва мубодилаи гармии дуфаза муҳим аст.
6. Истифодаи маълумоти энтальпия дар амалияи муҳандисии механикӣ
Дар бисёр ҳолатҳои воқеӣ, муҳандисон энтальпияро аз рӯи формулаи асосӣ ҳисоб намекунанд, балки ба ҷои он аз формулаи зерин истифода мебаранд:
– мизҳои буғӣ,
– диаграммаи hs (Молйе),
– нармафзори хосиятҳои термодинамикӣ (REFPROP, EES, CoolProp),
- маълумот дар бораи истеҳсолкунанда.
Хатогиҳои ночиз дар хонишҳои энтальпия метавонанд дар арзёбии қувваи турбина, талаботи сӯзишворӣ ё иқтидори хунуккунӣ тафовутҳои назаррас ба вуҷуд оранд. Аз ин рӯ, интихоби шароити мувофиқи корӣ (фишор/ҳарорат) ва фаҳмидани сифати буғ муҳим аст.
7. Кесимпулан
Тағйирёбии энтальпия як мафҳуми асосӣ дар таҳлили системаҳои гармидиҳии муҳандисии механикӣ мебошад, зеро он мустақиман падидаҳои тағйирёбии гармӣ, кор ва ҳолати моеъро дар таҷҳизоти ҷараёнӣ пайваст мекунад. Бо истифода аз муодилаи энергияи ҳолати устувор, тағйирёбии энтальпияро метавон барои ҳисоб кардани кори турбина, қувваи компрессор, гармии иловашуда ба дегхона ва гармии радшуда дар конденсатор истифода бурд. Энтальпия ҳамчун як "забони" амалӣ барои муҳандисон барои фаҳмидани самаранокӣ ва самаранокии давраҳои гармӣ ба монанди Ранкин, Брейтон ва системаҳои яхдон хизмат мекунад. Аз худ кардани тағйирёбии энтальпия маънои онро дорад, ки қобилияти хондан ва тарҳрезии системаҳои гармиро дақиқтар, бехатартар ва самараноктар кардан мумкин аст.
Агар шумо хоҳед, ман метавонам мисолҳои оддии ҳисобкуниро (масалан, турбинаҳои буғӣ ё компрессорҳо) илова кунам, то мақола бештар татбиқшаванда ва ба ниёзҳои лексияҳо/корҳои амалӣ наздиктар бошад.
