Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics nínú Ìṣàyẹ̀wò Ẹ̀rọ Ilé-iṣẹ́
Lẹ́yìn ariwo àwọn turbines, ooru àwọn ìléru boiler, àti ìró àwọn compressors ní àwọn ilé iṣẹ́, ìlànà pàtàkì kan wà tí ó fẹ́rẹ̀ẹ́ wà nígbà gbogbo: Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics. Òfin yìí ni ìpìlẹ̀ fún òye bí agbára ṣe ń lọ àti bí àwọn ìyípadà ṣe ń wáyé nínú àwọn ẹ̀rọ ilé iṣẹ́. Nípa ṣíṣe àṣeyọrí rẹ̀, àwọn onímọ̀ ẹ̀rọ lè ṣírò àwọn ohun tí epo nílò, ṣe ìṣirò bí ó ti ń ṣiṣẹ́ dáadáa, ṣe àgbékalẹ̀ àwọn ètò ìtútù, àti ṣe àyẹ̀wò àwọn ìdọ̀tí agbára nínú àwọn ohun èlò ìṣelọ́pọ́. Àpilẹ̀kọ yìí jíròrò àwọn èrò, àwọn ìṣọ̀kan pàtàkì, àti àpẹẹrẹ àwọn lílo Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics nínú ìṣàyẹ̀wò ẹ̀rọ ilé iṣẹ́.
1. Lílóye Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics
Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics jẹ́ òfin ìpamọ́ agbára. A kò le ṣẹ̀dá tàbí pa agbára run; a le yípadà láti ètò kan sí òmíràn tàbí kí a yípadà láti irú kan sí òmíràn. Nínú àyíká thermodynamics, àwọn irú agbára tí a sábà máa ń sọ̀rọ̀ nípa wọn ni:
– Ooru (ooru, Q): agbara ti a gbe nitori awọn iyatọ iwọn otutu.
– Iṣẹ́ (W): agbára tí a gbé kalẹ̀ nítorí agbára tí ó fa ìyípadà, fún àpẹẹrẹ iṣẹ́ ọ̀pá lórí turbine tàbí compressor.
– Agbára inú (U): Agbára kékeré nínú ohun kan (tó ní í ṣe pẹ̀lú ìgbóná, ìpele, àti ìbáṣepọ̀ mọ́líkúùlù).
– Àwọn àfikún pàtàkì sí ètò ìṣàn omi: agbára kinetic (KE) àti agbára tó ṣeéṣe (PE).
Ní ṣókí, Òfin Àkọ́kọ́ sọ pé: ìyípadà agbára ètò kan dọ́gba pẹ̀lú agbára tí a fi sílẹ̀ láìsí agbára tí a fi sílẹ̀.
2. Awọn Eto Thermodynamic ninu Awọn Ẹrọ Ile-iṣẹ
Nínú ìṣàyẹ̀wò ẹ̀rọ ilé-iṣẹ́, a sábà máa ń yan ọ̀kan lára àwọn oríṣi ètò méjì:
1. Ètò tí a ti pa
Ìwọ̀n kì í kọjá ààlà ètò, ṣùgbọ́n agbára (ooru/iṣẹ́) lè gbé lọ. Àpẹẹrẹ: cylinda-piston nínú àwọn ìlànà ìpele kan (fún àpẹẹrẹ, àwọn ìdánwò yàrá tàbí àwọn ìlànà pàtàkì).
2. Ṣí ètò / ìwọ̀n ìṣàkóso
Ìwọ̀n àti agbára lè kọjá ààlà. Èyí wọ́pọ̀ jùlọ ní ilé iṣẹ́: turbines, compressors, pumps, boilers, condensers, heat exchangers, nozzles, diffusers, àti páìpù.
A ṣe àyẹ̀wò ọ̀pọ̀lọpọ̀ àwọn ohun èlò ìṣelọ́pọ́ gẹ́gẹ́ bí ìwọ̀n ìṣàkóso lábẹ́ àwọn ipò tí ó dúró ṣinṣin, èyí tí ó túmọ̀ sí wípé ìwọ̀n ìṣàn àti àwọn ànímọ́ omi kò yípadà pẹ̀lú àkókò ní àkókò kan pàtó.
3. Ìbáramu Gbogbogbò ti Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics
3.1. Fún àwọn ètò tí a ti pa
Ìlànà ìpìlẹ̀ náà:
\[
\Delta E = Q – W
\]
níbi tí \(\Delta E\) ní àwọn àyípadà nínú agbára inú, agbára ìbílẹ̀, àti agbára ìbílẹ̀. Nínú ọ̀pọ̀lọpọ̀ ọ̀ràn ìṣe, a kò fojú fo àwọn àyípadà nínú agbára ìbílẹ̀ àti agbára ìbílẹ̀ kí ó lè jẹ́ pé:
\[
\Delta U = Q – W
\]
Ìtumọ̀ náà: wíwọlé ooru mú kí agbára inú pọ̀ sí i, nígbà tí iṣẹ́ tí ètò náà ṣe ń dín agbára inú kù (ó sinmi lórí àdéhùn àmì, ṣùgbọ́n àdéhùn ìmọ̀ ẹ̀rọ gbogbogbò ni: W ẹ́yìn Q ẹ́yìn jẹ́ rere, W ẹ́yìn (tí ètò náà ń ṣe) jẹ́ rere).
3.2. Fún àwọn ètò ṣíṣí (ìṣàkóso ìgbóhùn)
Fún ìṣàn kan-nínú-ọ̀kan tí ó dúró ṣinṣin, fọ́ọ̀mù tí a sábà máa ń lò ni:
\[
\dot{Q} – \dot{W} = \dot{m}\left[(h_2-h_1) + \frac{V_2^2 – V_1^2}{2} + g(z_2-z_1)\ọtun]
\]
Alaye:
– \(\dot{Q}\): oṣuwọn gbigbe ooru (kW)
– \(\dot{W}\): iwọ̀n iṣẹ́ (kW), nígbà míìrán ní ìrísí iṣẹ́ àpò
– \(\dot{m}\): iwọ̀n ìṣàn omi (kg/s)
– \(h\): enthalpy pàtó (kJ/kg)
– \(V\): iyàrá ìṣàn (m/s)
– \(z\): gíga (m)
Nínú ọ̀pọ̀lọpọ̀ ẹ̀rọ ilé iṣẹ́, àwọn ìyípadà nínú gíga àti agbára kinetic kéré ní ìfiwéra pẹ̀lú ìyípadà nínú enthalpy, nítorí náà wọ́n rọrùn láti:
\[
\dot{Q} – \dot{W} \approx \dot{m}(h_2-h_1)
\]
Fọ́ọ̀mù tó rọrùn yìí ló mú kí Òfin Àkọ́kọ́ wúlò gan-an: pẹ̀lú ìwífún enthalpy tó wà nínú ẹ̀rọ ìtẹ̀wọlé àti ìta nìkan, a lè ṣe ìṣirò ooru tàbí agbára tí ọ̀pá náà nílò.
4. Lilo ninu Awọn Ẹrọ Iṣẹ-ẹrọ
4.1. Turbine tabi turbine gaasi
Àwọn turbines máa ń yí agbára ooru omi padà sí iṣẹ́ ọ̀pá. Fún turbine tó dúró ṣinṣin, a sábà máa ń gbà pé ó jẹ́ adiabatic (\(\dot{Q}\approx 0\)):
\[
-\dot{W} \approx \dot{m}(h_2-h_1)
\]
Nítorí \(h_2 <h_1\) (ìdínkù enthalpy), nígbà náà \(\dot{W}\) jẹ́ rere gẹ́gẹ́ bí agbára tí a ń ṣẹ̀dá. Láti ibi, a lè ṣírò agbára turbine tí a bá mọ ìwọ̀n ìṣàn omi àti ìdínkù enthalpy ní ìbámu pẹ̀lú àwọn tábìlì steam tàbí dátà ohun ìní gaasi. Àwọn àǹfààní ilé-iṣẹ́: ṣírò agbára tí ó jáde, ìṣàyẹ̀wò ìṣedéédé turbine isentropic, àti ìṣirò iye agbára tí a ń lò fún kWh. 4.2. Ìtẹ̀síwájú afẹ́fẹ́ Ìtẹ̀síwájú afẹ́fẹ́ nílò iṣẹ́ ọ̀pá láti mú kí ìfúnpọ̀ pọ̀ sí i kí enthalpy lè pọ̀ sí i (\(h_2>h_1\)). Fún ìtẹ̀síwájú adiabatic:
\[
\dot{W}_{in} \approx \dot{m}(h_2-h_1)
\]
Èyí túmọ̀ sí wípé iye agbára iná mànàmáná tí compressor nílò ni a pinnu nípa ìbísí nínú enthalpy, èyí tí ó ní ipa lórí ìpíndọ́gba ìfúnpá, iwọn otutu inú, àti ìṣiṣẹ́ ìfúnpá.
Àwọn àǹfààní iṣẹ́-ajé: ṣíṣe àgbékalẹ̀ àwọn ìlànà mọ́tò, ṣíṣírò iye owó agbára ìfúnpọ̀, àti fífi àwọn kọ́mpútà ìpele kan tàbí ọ̀pọ̀ ìpele wéra pẹ̀lú ìtútù.
4.3. Pọ́ọ̀pù omi
Àwọn pọ́ọ̀pù máa ń mú kí ìfúnpá omi pọ̀ sí i. Fún àwọn omi tí a kò lè kọ̀, a sábà máa ń ṣírò ìyípadà enthalpy nípa:
\[
w_p \approx v \Delta p
\]
níbi tí \(v\) jẹ́ ìwọ̀n pàtó (m³/kg) àti \(\Delta p\) jẹ́ ìdìde ìfúnpá. Nítorí pé \(v\) kéré, iṣẹ́ fifa fún kg kọ̀ọ̀kan sábà máa ń kéré sí ti compressor gaasi.
Àwọn àǹfààní iṣẹ́-ajé: ìwọ̀n fifa omi àti mọ́tò, ìṣàyẹ̀wò pípadánù orí, àti ìṣàyẹ̀wò lílo agbára ètò páìpù.
4.4. Boiler (boiler steam)
Boiler naa n gbe ooru lati ijona si omi lati di eefin. Fun iṣakoso iwọn didun ipo ti o duro ṣinṣin pẹlu iṣẹ ọpa kekere (\(\dot{W}\approx 0\)):
\[
\dot{Q}_{in} \approx \dot{m}(h_{out}-h_{in})
\]
Ìṣirò yìí ń ran lọ́wọ́ láti mọ ooru tí a nílò láti mú ìwọ̀n ìṣẹ̀dá èéfín kan jáde. Jù bẹ́ẹ̀ lọ, a lè ṣírò àwọn ohun tí epo nílò nípa ṣíṣe àgbéyẹ̀wò bí iná ṣe ń jó àti iye agbára epo náà.
Àwọn àǹfààní iṣẹ́-ajé: àyẹ̀wò agbára boiler, ètò agbára, àti ìfọ́ àti ìṣirò owó.
4.5. Kondenser
Agbára ìdènà náà yóò mú ooru kúrò nínú èéfín títí yóò fi di omi. Tí a bá gbà pé kò sí ọ̀pá tó ń ṣiṣẹ́:
\[
\dot{Q}_{out} \approx \dot{m}(h_{in}-h_{out})
\]
Ìwọ̀n \(\dot{Q}_{out}\) ló ń pinnu bí omi ìtútù ṣe nílò tàbí agbára ilé ìtútù.
Àwọn àǹfààní ilé-iṣẹ́: ṣíṣe àgbékalẹ̀ ètò ìtútù, ìṣàkóso ìwọ̀n otútù iṣẹ́, àti ìṣàyẹ̀wò ìdọ̀tí nínú àwọn ẹ̀rọ ìyípadà ooru.
4.6. Ẹ̀rọ ìyípadà ooru
Nínú ẹ̀rọ ìyípadà ooru, àwọn odò méjì máa ń pààrọ̀ ooru, a sì sábà máa ń gbà pé wọ́n jẹ́ adiabatic ní ìbámu pẹ̀lú àyíká (\(\dot{Q}_{surroundings}\approx 0\)) àti pé wọn kì í ṣiṣẹ́:
\[
\dot{m}_h(h_{h,in}-h_{h,out}) = \dot{m}_c(h_{c,out}-h_{c,in})
\]
Ìgbékalẹ̀ yìí jẹ́ irú Òfin Àkọ́kọ́ tí ó ṣe pàtàkì fún ṣíṣírò àwọn ẹrù ooru àti ṣíṣe àyẹ̀wò iṣẹ́ ẹ̀rọ ní pápá.
5. Lilo Agbara ati Iwadi Egbin
Òfin Àkọ́kọ́ kò sọ tààrà bí ẹ̀rọ kan ṣe dára tó (ìyẹn ni agbègbè Òfin Kejì àti èrò entropy), ṣùgbọ́n ó lágbára púpọ̀ fún:
– Ṣẹda iwontunwonsi agbara fun gbogbo awọn ẹya ilana.
– Ṣe àwárí àdánù ooru nípasẹ̀ ìdábòbò tí kò dára, jíjò èéfín, tàbí jíjóná tí kò dára tó.
– Wiwọn ṣiṣe agbara ooru ni irọrun, fun apẹẹrẹ:
– Lilo boiler: agbara nya/agbara kemikali to wulo ti epo.
– Lilo ẹ̀rọ amúṣẹ́-ẹ̀rọ turbine: agbara ina / idinku agbara nya.
– Pinnu awọn ohun pataki fifipamọ: awọn ohun elo ti o ni \(\dot{Q}\) tabi \(\dot{W}\) ti o tobi julọ ni o maa n jẹ ibi-afẹde akọkọ fun imudarasi.
Nínú àyẹ̀wò agbára, àwọn onímọ̀ ẹ̀rọ ń kó ìgbóná, ìfúnpá, ìwọ̀n ìṣàn, àti ìwádìí agbára iná mànàmáná jọ, lẹ́yìn náà wọ́n á ṣe àfihàn gbogbo ìṣàn agbára tí ń wọlé àti èyí tí ń jáde. Àìbáramu ìwọ́ntúnwọ̀nsì agbára sábà máa ń fi àwọn ìṣòro ohun èlò hàn, ìbàjẹ́, jíjò, tàbí àwọn àbá ìṣiṣẹ́ tí kò tọ́.
6. Àpẹẹrẹ Kúkúrú kan nípa Bí A Ṣe Lè Ronú (Láìsí Àwọn Nọ́mbà Dídíjú)
Ká sọ pé turbine kan gba steam pẹ̀lú enthalpy gíga, tó sì ń tú steam jáde pẹ̀lú enthalpy tó kéré sí i. Tí a bá mọ ìwọ̀n steam, agbára turbine náà yẹ fún \(\dot{m}(h_1-h_2)\). Tí agbára gidi náà bá kéré sí i, onímọ̀ ẹ̀rọ náà yóò ṣe ìwádìí lórí àwọn ohun tó ṣeé ṣe wọ̀nyí:
– dinku ṣiṣe ti turbine (ibajẹ abẹfẹlẹ, iparun, awọn idominu),
– ìṣàn omi gbígbóná kọjá èdìdì náà,
– awọn ipo iwọle ko ṣe bi a ṣe ṣe apẹrẹ (titẹ/iwọn otutu silẹ),
– wíwà ìyípadà ooru tí a kò fẹ́ tàbí àwọn àyípadà nínú àwọn ipò ìṣàn omi.
Gbogbo àwọn ìwádìí wọ̀nyí bẹ̀rẹ̀ láti Òfin Àkọ́kọ́: “Níbo ni agbára ń lọ?”
7. Ìparí
Òfin Àkọ́kọ́ ti Thermodynamics ni ohun èlò pàtàkì jùlọ tí a ń lò jùlọ nínú ìwádìí ẹ̀rọ ilé-iṣẹ́. Nípa lílo ìwọ̀n agbára sí àwọn turbines, compressors, pumps, boilers, condensers, àti àwọn pàṣípààrọ̀ ooru, àwọn onímọ̀ ẹ̀rọ lè ṣírò àwọn ohun tí ooru ń béèrè fún, agbára ọ̀pá, iṣẹ́ tí a ṣe, àti àwọn ẹrù ìtútù ní ọ̀nà títọ́. Bó tilẹ̀ jẹ́ pé agbára ìṣiṣẹ́ nílò Òfin Kejì, Òfin Àkọ́kọ́ ṣì jẹ́ ibi ìbẹ̀rẹ̀ pàtàkì fún ṣíṣe àwòrán, ìṣiṣẹ́, àti ìmúdàgbàsókè agbára àwọn ilé iṣẹ́ òde òní.
Tí o bá fẹ́, mo lè fi àtúnṣe àpilẹ̀kọ náà kún un tí ó ní àwọn ìkẹ́kọ̀ọ́ ọ̀ràn nọ́mbà (fún àpẹẹrẹ ìṣirò agbára turbine/compressor tàbí ìwọ̀n agbára boiler) pẹ̀lú àwọn ìgbésẹ̀ kíkún àti àwọn tábìlì ohun ìní tí ó yẹ.
