Home > Термодинамик ба Дулаан Дамжуулалт > 3. Чадал үүсгэх үндсэн циклүүд

3. Чадал үүсгэх үндсэн циклүүд

I. Үндсэн циклүүд

Термодинамик процессийн явцад дулааны энерги ялгаран ажил хийгдэж болох боловч хангалттай удаан хугацаатай ба ашигтай хэрэглэж болох ажил, энергийг гарган авахын тулд термодинамик цикл буюу эргэлтүүд байх чухал.  Цикл буюу эргэлт нь системийн анхны байдал төлөвт нь эргүүлэн авчрах олон үргэлжилсэн процессуудыг нийтэд нь хэлнэ.  Ихэнх термодинамик процессууд нь үргэлжлэн дахин давтагдах циклээр явагддаг.

Системийн энергийн эх үүсвэр нь (шаталт, цахилгаан халаалт, цөмийн урвалаас гарах дулаан гэх мэт) өндөр температуртай нөөц сан (TH) гэж илэрхийлэгдээд энэ эх үүсвэрээс системрүү орох дулааны энергийг өндөр температурын дулааны энерги (QH) гэж илэрхийлэхэд тохиромжтой байдаг.

Үүнчлэн системээс гарах дулааны энергийг бага температурын дулааны энерги (QL) гэж илэрхийлэхэд тохиромжтой бөгөөд энэ энерги нь бага температуртай нөөц санруу (TL) урсаж очиж байгаагаар илэрхийлэхэд тохиромжтой.   Доорхи зурагт харуулсанчлан чадал үүсгэх цикл (power cycle) дээр энерги нь өндөр температуртай нөөц сангаас ажил хийгч төхөөрөмжрүү шилжин, тухайн төхөөрөмж нь ажлыг бий болгож гадаад орчинруу (бага температуртай нөөц сан) дулааны энерги алдна.  Харин хөргөгч цикл (refrigeration) дээр ажил хийх төхөөрөмж нь бага температуртай нөөц сангаас дулааныг өндөр температуртай нөөц санруу дамжуулан шилжүүлж ажиллана.

Цикл буюу эргэлт нь тухайн системийг ажиллуулах шингэн (working fluid) болон өндөр температуртай нөөц сан, бага температуртай нөөц сан, системрүү энерги орж ирэх арга нөхцөл, системийн ажил хийх арга нөхцөл зэргээс бүрэн шалтгаалдаг.

Системийг ажиллуулах шингэн нь системд энергийг дамжуулах шингэнг хэлэх бөгөөд бодит практик дээр машиныг ажил хөдөлгөөнд оруулах шингэнг хэлнэ.  (Жишээ нь уурын хөдөлгүүрийн уур, гидравлик шингэн, моторын шатах түлш.)

Чадал үүсгэх циклийг хийх төхөөрөмжийг дулааны хөдөлгүүр гэж нэрлэнэ (heat engine).  Чадал үүсгэх циклийн дулааны үр ашгийн коэффициент нь циклийн гаргах нийт ажлыг циклд орсон нийт дулааны энергитэй харьцуулсан харьцаа болно.  Авсан дулааны энергитэйгээ харьцуулвал хэр их хэмжээтэй ажил хийх вэ гэдгийг харуулна гэсэн үг:

η = (WL – WH) / QH

= (QH – QL) / QH

(WL – WH) нь нийт системийн бага температуртай нөөц сан дээр хийсэн ажил ба өндөр температуртай нөөц сангаас хийгдсэн ажлын ялгаа, өөрөөр хэлвэл `нийт ажил` буюу `цэвэр ажил` (net work, WN ) гэсэн үг.

(QH – QL) нь өндөр температуртай нөөц сангаас шилжих дулааны энерги ба бага температуртай нөөц санруу шилжих энерги, өөрөөр хэлвэл нийт буюу `цэвэр дулааны энерги` (net work, QN) болно.

Термодинамикийн нэгдүгээр хуулийн дагуу системд орох нийт буюу цэвэр дулааны энерги нь системийн нийт хийгдсэн ажилтай тэнцэх учраас WN = QN байх учиртай.  Эндээс чадал үүсгэх циклийн дулааны үр ашгийн коэффициентийг дахин бичвэл

η = WN / QH

= QN / QH

болно.
Карно Цикл / Carnot Cycle

Карно цикл нь чадал үүсгэх `идеал` цикл бөгөөд бодит амьдрал практик дээр үүсгэх боломжгүй тийм цикл юм.  Тиймээс Карно цикл нь аливаа дулааны хөдөлгүүрийн гаргаж болох хамгийн дээд талын ажлыг хэмжих зэрэгт хэрэглэгдэх учраас ач холбогдолтой байдаг.  Карно циклийн `ажиллуулах шингэн` нь юу байх нь чухал биш бөгөөд циклийн ажиллагаанд хамааралгүй байдаг.

Карно циклийг гурван янзаар илэрхийлсэн нь (P-v, T-s, h-s):

(P-v) буюу даралт ба эзлэхүүн гэсэн тэнхлэгүүд дээр Карно цикл нь ингэж илэрхийлэгднэ.

(T-s) буюу температур ба энтропи гэсэн тэнхлэгүүд дээр Карно цикл нь ингэж илэрхийлэгднэ.

(h-s) буюу энтальпи ба энтропи гэсэн тэнхлэгүүд дээр Карно цикл нь ингэж илэрхийлэгднэ.

http://mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes

Дээрхи зургуудад илэрхийлэгдсэнээр Карно циклийн процессууд нь:

a -> b:  изотермал буюу температур нэг хэвийн нөхцөлд ханасан шингэнээс ханасан уур болон тэлэх явц (эзлэхүүн нэмэгднэ)

b -> c: изэнтропи буюу энтропи нь тогтмол нөхцөлд уур тэлэлт (эзлэхүүн нэмэгднэ)

c -> d: изотермал буюу температур нэг хэвийн нөхцөлд уур шахагдалт (эзлэхүүн багасна)

d -> a: изэнтропи буюу энтропи тогтмол нөхцөлд шахагдалт (эзлэхүүн багасна)

Карно цикл нь хамгийн өндөр үр ашигтай чадал үүсгэх цикл юм.  Дулааны үр ашгийн коэффициент нь Карно цикл дээр:

η Carnot = (ТH – ТL )/ ТH

байна.

Ренкин Цикл / Rankine Cycle

Ренкин цикл нь уурын турбинээр ажиллах цахилгаан станцын цикл эргэлт бөгөөд Карно циклтэй төстэй.  Ренкин цикл нь практик бодит амьдрал дээрхи цикл учраас онолын хувьд идеал Карно циклээс үр ашгийн хувьд бага.  Ренкин цикл дээрх шахагдал нь (эзлэхүүний багасалт, compression) шингэн төлөв дээр явагддагаараа Карно циклээс ялгаатай юм.

Доорхи зураг нь Ренкин цикл буюу цахилгаан станцын уурын турбинг харуулж байна.

http://mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes

Дээрхи зурагт харуулсанчлан гаднаас шаталтын дулаан авах (Q’in) буцалгагч (Boiler) дотор ууршуулах процесс явагдаж буцалгагчаас уур нь турбинруу орно.  Турбин дотор изэнтропи тэлэлт явагдаж турбин нь ажил хийнэ (W’t).  Турбинтэй холбогдсон конденсатор нь (Condenser) илүүдэл уурыг ус болгон хөргөж усыг шахуургаруу дамжуулна. Конденсатор нь гаднаас авсан хөргөх усыг (cooling water) ашиглаж ажиллах бөгөөд гадагшаа дулааныг алдна (Q’out) .  Шахуурга (насос) нь гаднаас авсан ажлаар (W’p) конденсатороос орж ирэх шингэнг шахаж буцаан буцалгагчруу шахан оруулна.  Зураг дээрхи тэмдэглэгээгээр

a -> b:  буцалгагч доторхи ууршуулалт (даралт тогтмол, температур тогтмол, энтропи ихэснэ)

b -> c:  турбин доторхи изэнтропи тэлэлт (энтрөпи тогтмол, температур буурна, даралт буурна, W’t нь цахилгаан үүсгүүрийг эргүүлэх ажил юм)

c -> d:  конденсаци (температур буурсан хэвэндээ байна, энтропи багасна, даралт хэвэндээ байна)

d -> e:  изэнтропи шахалт буюу насос дотор явагдах процесс (даралт ихэснэ, температур ихэснэ, энтропи тогтмол)

e ->  a:  шингэнг уур болтол халаах явц процесс (температур ихэснэ, даралт ихэснэ, энтропи ихэснэ)

Эдгээрийг графаар илэрхийлвэл:

(P-v) буюу даралт ба эзлэхүүн гэсэн тэнхлэгүүд дээр Ренкин цикл нь:

(T-s) буюу температур ба энтропи гэсэн тэнхлэгүүд дээр Ренкин цикл нь:

(h-s) буюу энтальпи ба энтропи гэсэн тэнхлэгүүд дээр Ренкин цикл нь:

http://mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes

Нийт Ренкин циклийн дулааны үр ашгийн коэффициент (Thermal Efficiency) нь

η Thermal = (Wt – Wp )/ QH

буюу турбины хийх ажил ба насосыг ажиллуулахад орсон ажлын ялгааг (Wt – Wp ) буцалгагчруу оруулсан нийт дулааны энергид (QH) хуваасан харьцаагаар бодож болно.  Энтальпиг ашиглан нийт циклийн үр ашгийг бодвол

η Thermal = [(hb – hc) – (he – hd)] / (hb – he)

байна.

Шаталтын цикл: Отто цикл буюу дотоод шаталтат хөдөлгүүр

Отто цикл нь очноос асалт авах дотоод шаталтат бүлүүрт хөдөлгүүрт явагдах процессуудыг хэлдэг.  Дотоод шаталттай хөдөлгүүр нь 2 буюу 4 цохилттой (Stroke) байна.  Дотоод шаталтат хөдөлгүүр нь шатахуун  ба агаарын хольцыг гаднаас аваад тэр түлшээ шахалтанд оруулаад урвалд орох нөхцлийг бий болгоно.  Ингэснээрээ химийн энергийг дулааны энергид хувиргаж чадна.  Тэгээд шатаагдсан бүтээгдэхүүнийг гадагш нь гаргахын зэрэгцээ шинээр шатахуун-агаарын хольц түлш гаднаас оруулж ирнэ.

Идеал Отто циклийг графикаар дүрсэлвэл:

http://mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes

  • Оруулж ирэх цохилт: газолин, уур ба агаарын хольц хөдөлгүүрлүү орно. (5 -> 1)
  • Шахалтын цохилт: даралт ба температур ихэснэ.  Энтропи нь тогтмол буюу изэнтропи (1 -> 2)
  • Шаталт: богино хугацаатай бөгөөд бараг тогтмол эзлэхүүнтэй байх бөгөөд даралт ихэснэ. (2 -> 3)  Идеал Отто цикл дээр гаднаас ахин хэрэглэгдэх дулаан (QH) орж ирнэ.
  • Чадлын цохилт (power stroke): тэлэлт явагдаж бүлүүр түлхэгднэ, даралт багасна.   Энтропи нь тогтмол буюу изэнтропи (3 -> 4)
  • Гадагшлах хавхлаг (exhaust valve): хавхлаг онгойж хийг гадагшлуулна
  • Дулааны шилжүүлэлт: Идеал Отто цикл дээр дулаан ахин хэрэглэгдэх зорилготойгоор  нөөц санруу шилжнэ  (4 -> 1)
  • Гадагшлуулалтын цохилт:  шатаагдсан түлшний үлдвэр утааг бүлүүр гадагшлуулна.

Идеал биш практик бодит амьдрал дээрхи дотоод шаталтат хөдөлгүүр дээр процессууд нь шулуун бөгөөд хурц өөрчлөлтүүдгүйгээр явагдна.  Доорхи зураг нь бодит дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн циклийг харуулж байна.

http://mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes

Доорхи зураг нь бүлүүрийн цохилтуудыг харуулж байна.

http://mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes

Идеал Отто циклийн буюу дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн үр ашгийн коэффициент нь

η Otto = хийгдсэн ажил / авсан дулааны энерги

гэж илтгэгдэх боловч үүнийг хэмжихэд илүү хялбарчилсан томъёогоор ихэвчлэн илэрхийлнэ:

η Otto =1 – (V1/V2)(1 – к)

k =  дулааны багтаамжын харьцаа = cp / cv

(V1/V2) = шахалтын харьцаа = rv

Эндээс харвал шаталтат хөдөлгүүрийн үр ашгийн коэффициентийг олохын тулд шахалтын харьцаа ба дулааны багтаамжын харьцаа л байхад хангалттай байна.

Хөргөгчийн циклүүд

Хөргөгчийн циклүүд нь дулааны хөдөлгүүрүүдийн циклүүдээс эсрэг зарчмаар ажиллах бөгөөд хөргөгчийн циклд дулаан нь бага температуртай газраас өндөр температуртай газарлуу шилждэг.  Сэдвийн эхэнд тавьсан зургыг дахин харуулвал:

Дулаан нь өөрөө зөвхөн халуун орчноос хүйтэнрүү шилжин явдаг учраас хөргөгч цикл нь гаднаас энерги авч хүчээр дулааныг бага температурын орчноос өндөр температурын орчинруу шилжүүлэх шаардлагатай.  Гаднаас авах энерги нь шахуурга, насос, эсвэл компрессороор дамжин хөрөх бодис дээр ажил хийнэ.  Хөрөх бодис (refrigerant) дээр ажил хийгдсэнээрээ энерги нь өндөр температуртай орчинруу шилжих нөхцөл бүрддэг.

Чадал үүсгэх цикл буюу дулааны хөдөлгүүр дээр шаталтаас гарсан дулааны энерги нь системд орж ажил нь системээс гардаг бол харин хөргөгч цикл дээр ажил нь системд орж хөргөлт нь системийн бүтээгдэхүүн болдог.

Хөргөгчийн эд анги нь ууршуулагч, конденсатор, компрессор, ба даралт багасгагч хавхлаг зэрэг байдаг.  Ууршуулагч  (evaporator) аппарат нь дулааныг өөртөө татан авдаг бол хөргөгчийн конденсатор нь дулаан гадагшлуулах үүрэгтэй байна.

Хөргөгч ажиллах үеэр хөргөгч бодис нь (refrigerant) ууршуулагч буюу шингэн дамжуулах ороомог хоолойгоор дамжин өндөр температуртай газраас дулааныг шүүн авч ууршина.  Ууршсан хөргөх бодис нь компрессороор шахагдаж температур нь улам ихсэнэ.  Өндөр даралт ба температуртай болсон хөргөх бодис нь тэндээс конденсаторын ороомог хоолойгоор дамжиж дулааны энергиэ гадагш нь алдаж шилжүүлнэ.  Тэндээсээ хөргөх бодис нь даралт багасгах хавхлаг буюу өргөсөх хавхлагаар дамжин даралт нь буурна.

Агааржуулагч (air conditioner), хөргөгч (refrigerator),  ба ус хөргөгч (chiller) нь энэ зарчмаар ажиллана.  Дулааны насос нь (heat pump) мөн  хөргөгч циклийг ашиглан дулаан шилжүүлэх үүрэг гүйцэтгэдэг.

Хөргөгч цикл дээр үр ашгийн коэффициент биш харин Хүчин Чадлын Коэффициент (coefficient of performance) хэрэглэгднэ.

Хөргөгчийн хүчин чадлын коэффициент нь

COPrefrigerator = QL / W

буюу хөргөгчөөс гаргах дулаан ба түүнд орсон ажлын харьцаатай тэнцнэ.

  1. No comments yet.
  1. No trackbacks yet.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: