ماشین گرمایی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
نمودار یک پمپ گرمایی.
۱. کلاف تقطیر
۲. شیر انبساط
۳. کلاف تبخیر
۴. کمپرسور (فشرده‌ساز)

در ترمودینامیک موتور گرمایی یا ماشین گرمایی به ماشینی گفته می‌شود که انرژی گرمایی را با استفاده از اختلاف دمای بین یک منبع‎ گرما با دیگری چاه‎ دمای پایین‌تر به کار مکانیکی تبدیل می‌نماید. گرما از مسیر موتور گرمایی از منبع دما بالا به چاه دما پایین منتقل می‌شود در حین این انتقال مقداری از انرژی گرمایی به کار تبدیل می‌شود. اصول کلی کار این ماشین‌ها بر پایهٔ تشدید حرکت مولکول‌ها در پی گرمایش است.[۱]

بسیاری از موتورهای گرمایی بر مبنای چرخه‌های رفت و برگشتی کار می‌کنند که در آنها یک قطعه متحرک پیستون در محفظه بسته سیلندر حرکت رفت و برگشتی دارد. عامل این حرکت گاز است که یا در داخل خود سیلندر گرم می‌شود و یا خارج از محفظه سیلندر گرم شده و پس از گرم شدن به داخل سیلندر فرستاده می‌شود. انبساط این گاز داغ موجب حرکت پیستون می‌شود. انرژی این حرکت بوسیله مولکول‌های پرانرژی گاز داغ تامین می‌شود. پس از انبساط گاز که فشار آن پایین آمده گاز دوباره خنک کاری می‌شود. پس از آن فشار سیل عامل افزایش یافت و از منبع گرما می‌گیرد و به چرخه ادامه می‌دهد.[۲] حرکات رفتو برگشتی در بسیاری از کاربردها توسط میل لنگ به حرکات چرخشی تبدیل می‌گردد. لازم به ذکر است برخی از موتورهای گرمایی مانند توربین گاز و بخار بر مبنای سیکل رفت و برگشتی کار نمی‌کنند و تبادل گرما و کار به در داخل توربین انجام می‌شود. همهٔ گرما در این دستگاه‌ها نمی‌تواند تبدیل به کار بشود و بنابر این بازده انرژی در آن‌ها همیشه کم‌تر از ۱۰۰٪ است. نیکولا سعدی کارنو، دانشمند فرانسوی، در سال ۱۸۲۵ میلادی فرمولی را ارائه داد که بر پایهٔ آن بیشترین بازده حاصله را می‌توان محاسبه کرد.[۳]

ماشین‌های گرمایی شامل سه دسته‌اند: ماشین‌های برون‌سوز، ماشین‌های درون‌سوز و جت‌ها.

نگاه کلی[ویرایش]

در ترمودینامیک، موتورهای گرمایی اغلب با استفاده از مدل مهندسی استاندارد همچون چرخه ای اُتوو مدلسازی می شوند. مدل تئوری می تواند اصلاح و تقویت شود از طریق داده های واقعی از یک موتور عملیاتی و در حال کار، با استفاده از ابزارهایی همچون یک دیاگرام مشخص کننده. از آنجاییکه کاربردهای واقعی بسیار کمی از موتورهای گرمایی با چرخه های ترمودینامیکی آن ها مطابقت دارد، می توان گفت که یک چرخة ترمودینامیکی یک نمونة ایده آل از موتور مکانیکی است. در هر مورد، درک کامل از یک موتور و بازدة آن، نیازمند دستیابی به درک مناسب (احتمالاً ساده سازی شده یا ایده آل شده) از مدل تئوری، نکات دقیق و ظریف عملی یک ماشین مکانیکی واقعی و تفاوت ها و میان آن دو است. به صورت کلی، تفاوت بیشتر در دما بین منبع گرم و چاه سرد، پتانسیل بازدة گرمایی بیشتر در چرخه را نتیجه می دهد. بر روی زمین، سمت سرد هر موتور حرارتی محدود به نزدیک بودن به دمای محیط اطراف است نه کمتر از دمای 300 کلوین، بنابراین بیشتر تلاش ها برای بهبود بازده های ترمودینامیکی موتورهای گرمایی مختلف بر روی افزایش دمای منبع، همراه با محدوده های مواد، متمرکز شده است. بیشترین بازدة تئوری یک موتور گرمایی (بدون هیچ موتوری که به آن متصل شود) برابر با اختلاف دمای بین انتهاهای گرم و سرد تقسیم بر دما در انتهای گرم است، تمامی دماهای بیان شده، دمای مطلق یا کلوین می باشند. موتورهای گرمایی پیشنهاد شده یا استفاده شده، امروزه دارای گسترة وسیعی می باشند. درصد اتلاف حرارتی با استفاده از گرمای با کیفیت پایین برای توان اقیانوس OTEC درصد برای اکثر موتورهای بنزینی اتومبیل ها درصد برای یک جایگاه توان فوق بحرانی با سوخت فسیلی است همچون جایگاه توان Avedore درصد برای توربین گازی سیکل بخار – سرد شده تمامی این فرآیندها به بازده خودشان (یا افت وابسته به آن) از افت دماهای مربوط به آنها می رسیدند. انرژی قابل توجهی باید برای تجهیزات جانبی، همچون پمپ ها، که به طور مؤثری کاهندة بازده می باشند، مورد استفاده قرار گیرد.

توان[ویرایش]

موتورهای گرمایی می توانند از طریق توان ویژة آنها مشخص شوند که بر حسب کیلووات بر لیتر جابجایی موتور (در آمریکا نیز بر حسب اسب بخار بر اینچ مکعب است) داده می شود. نتیجه یک تقریب از بیشترین توان خروجی یک موتور را پیشنهاد می دهد. این امر نباید با بازدة سوخت اشتباه گرفته شود، چرا که بازدة زیاد اغلب نیازمند یک نسبت سوخت – هوای رقیق است و بنابراین دانسیتة توان کمتر یک موتور ماشین مدرن با عملکرد زیاد تولید کنندة توانی به اندازة 75 KW/L (1.6 Shp/in3) می باشد.

مثالهای روزمره[ویرایش]

مثالهای از موتورهای گرمایی امروزه شامل یک موتور بخار (برای مثال قطاها) موتور دیزل، موتور بنزینی در یک اتومبیل است. یک اسباب بازی متداول که یک موتور گرمایی است drinking bird می باشد. همچنین موتور استرینگ نیز یک موتور گرمایی است. تمامی این موتورهای گرمایی معروف، از طریق انفجار و اشتعال گازهای حرارت داده شده نیرو می گیرند. محیط های کلی اطراف چاه های حرارتی هستند که نسبتاً گازهای سرد فراهم می کنند که به هنگامی که حرارت داده شدند، به سرعت منبسط می شوند تا حرکت مکانیکی موتور را فراهم کنند.

مثالهایی از موتورهای گرمایی[ویرایش]

ذکر این نکته ضروری است که اگرچه برخی سیکل ها دارای یک مکان انفجار (داخلی یا خارجی) هستند، آنها اغلب می توانند با یکدیگر کار کنند. برای مثال، جان اریکسون، یک موتور حرارت یافتة خارجی را که می تواند بر روی یک چرخة بسیار شبیه به سیکل دیزل اجرا شود را توسعه داده است. علاوه بر این، موتورهای حرارت یافته به صورت خارجی می توانند همراه با سیکل های باز یا بسته کار کنند. موتور حرارتی زمین اتمسفر زمین و هیدروسفر – موتور حرارتی زمین – فرآیندهای دو گانه ای هستند که به طور یکسان حتی خارج از بی تعادلی های گرمایی خورشید از طریق تبخیر سطح آب، تبدیل، بارش باران، بادها و چرخة اقیانوس وجود دارند، هنگامی که گرما را در اطراف جهان توزیع می کنند. سیستم Hadley یک مثال از موتور حرارتی را فراهم می کند. چرخة Hadley با افزایش گرما و رطوبت هوا در نواحی استوایی همراه با کاهش هوای سردتر در نواحی استوایی مطابق با یک چرخة مستقیم با نیرو محرکة گرمایی است، و در نتیجه تولید خالص انرژی جنبشی.

چرخه های تغییر فاز[ویرایش]

در این سیکل ها و موتورها، سیالهای فرآیندی، گازها و مایعات می باشند. موتور سیال فرآیندی را از گاز به مایع، مایع به گاز یا هر دو تبدیل می کند و از انبساط یا تراکم سیال، کار تولید می کند. چرخة رنکین (موتور بخار قدیمی) چرخة تولید مجدد (موتور بخار مؤثرتر از چرخة رنکین) چرخة رنکین آلی (تغییر فاز مبرد در محدوده های دمای یخ و آب مایع داغ) چرخة بخار به مایع (Driulaing bird، تزریق کننده، Minto wheel) چرخة مایع به جامد (Frost heaving، تغییر فاز آب از یخ به مایع و برگشت مجدد آن می تواند تا cm60 صخره یخی ایجاد کند). چرخه جامد به مایع (یخ خشک کانُن – یخ خشک به گاز تبدیل می شود).

تاریخچه[ویرایش]

موتورهای حرارتی از عهد عتیق شناخته شده هستند اما تنها پس از انقلاب صنعتی در قرن هجدهم به دستگاه های مفید و کاربردی تبدیل شدند. آنها به رشد و گسترش خود تا امروز ادامه داده اند.

توسعه موتور های گرمایی[ویرایش]

مهندسان سیکل های موتور حرارتی مختلف را مطالعه نموده اند در تلاش برای بهبود کار قابل استفاده ای که استخراج می شود در مقابل توان ورودی داده شده به آنها. سیکل کارنوت نمی تواند به سیکل بر پایة گازی دست یابد، اما مهندسان بر روی دو روش برای از بین بردن این محدودیتها کار کرده اند، یک روش دستیابی به بازدة بالاتر بدون زیر پا گذاشتن هر نوع قانونی است. 1. افزایش اختلاف دمای موتور حرارتی. ساده ترین روش برای انجام این امر، افزایش دمای سمت گرم است که روشی است که در توربین های گازی سیکل ترکیبی مدرن مورد استفاده قرار می گیرد. متأسفانه، محدودیت های فیزیکی (همچون نقطة ذوب شدن فلزات مورد استفاده در ساخت موتور) و نگرانی های زیست محیطی در ارتباط با تولید Nox بیشترین دمای قابل کاربرد در موتورهای حرارتی را محدود می نماید. بیشترین دمای قابل کاربرد در موتورهای حرارتی را محدود می نماید. توربین های گازی مدرن در بیشترین دمای ممکن در محدودة دماهای ضروری برای حفظ میزان قابل قبول Nox خروجی کار می کنند. روش دیگر افزایش بازده، کم کردن دمای خروجی است. یک روش جدیدی برای انجام این عمل، استفاده از سیالات فرآیندی مخلوط شده به لحاظ شیمیایی و سپس استفاده از تغییر رفتار مخلوط هاست. یکی از معروف ترین آنها سیکل Kalina می باشد که از یک مخلوط 70/30 آمونیاک و آب به عنوان سیال فرآیندی خود استفاده نموده است. این مخلوط، اجازة تولید توان مفید در دماهای در نظر گرفته شده کمتر از دیگر فرآیندها را می دهد. 2. استفاده از خواص فیزیکی سیالات فرآیندی می باشد. متداول ترین مثال استفاده از آب در دمای بحرانی است که بخار فوق بحرانی نامیده می شود. رفتار سیالات بالای نقطة بحرانی به صورت رادیکالی تغییر می نماید، و با موادی همچون آب و دی اکسید کربن، استفاده از تغییراتی در رفتار برای استخراج بازدة ترمودینامیکی بیشتر در موتور حرارتی امکان پذیر است، حتی اگر آن سیستم از یک چرخة نسبتاً مرسوم برایتون و رنکین استفاده نماید. یک مادة جدیدتر و امیدوار کننده تر برای چنین کاربردهایی Co2، So2 و زنون می باشد که برای برخی کاربردها در نظر گرفته شده اند، اگرچه So2 کمی سمی تر از بقیه مواد است. 3. استفاده از خواص شیمیایی سیال فرآیندی است. یک روش جدید و نسبتاً تازه استفاده از سیالات فرآیندی نامتعارف می باشد که دارای مزیت های خواص شیمیایی مناسب می باشند. یکی از آنها، دی اکسید نیتروزن (No2) است که یک جزء سمی در بخارات شیمیایی است، که دارای یک دی مر طبیعی مانند دی نیتروژن تترواکسید (N2O4) می باشد. در دمای پایین، N2O4 متراکم شده است و سپس حرارت داده می شود. افزایش دما منجر به شکست N2O4 به دو ملکول No2 می گردد. این سیالات فرآیندی با جرم مولکولی کمتر می باشند که به شدت بازدة سیکل را افزایش می دهد. ابتدا No2 از طریق توربین منبسط می شود، سپس توسط چاه حرارتی خنک شده که باعث می شود مجدداً به شکل N2O4 تبدیل شود. سپس این ماده از طریق کمپرسور مجدداً به توربین داده می شود. چنین موادی همچون آلومینیوم برومید (Al2Br6)، Nocl و Ga2I6 برای چنین کاربردهایی بررسی شده اند. تا به امروز، نقایص آنها اجازة استفاده از آنها را نداده اند، علی رغم بازده ای که می تواند حاصل شود و قابل قبول باشد. هر فرایند به صورت زیر است: هم دما (در دمای ثابت، با حرارت اضافه شده نگه داشته می شود یا از چشمه یا چاه حذف می شود) هم فشار (در فشار ثابت) آریاباتیک (هیچ حرارتی اضافه نشده یا از سیستم حذف نشده در طول فرآیند آریاباتیک) ایزوانتروپیک (فرآیند برگشت پذیر آریاباتیک، هیچ حرارتی گرفته یا داده نمی شود در طول فرآیند ایزوانتروپیک).

نمونه‌ها[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. ماشین گرمایی، بازدید: اوت ۲۰۰۹.
  2. ماشین گرمایی، بازدید: اوت ۲۰۰۹.
  3. Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Thermal Physics (2nd ed. ed.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9.