مقاله سیکل های ترمودینامیک

عمده مباحث تجربی ترمودینامیک در چهار قانون بنیادی آن بیان گردیده اند: قانون صفرم، اول، دوم و سوم ترمودینامیک. قانون اول وجود خاصیتی از سیستم ترمودینامیکی به نام انرژی داخلی را بیان می کند. این انرژی از انرژی جنبشی که ناشی از حرکت کلی سیستم و انرژی پتانسیل که سیستم نسبت به محیط پیرامونش دارد، متمایز است. مقاله سیکل های ترمودینامیک

قانون اول همچنین دو شیوه انتقال انرژی یک سیستم بسته را بیان میکند : انجام کار یا انتقال حرارت. قانون دوم به دو خاصیت سیستم، دما و آنتروپی، مربوط است. آنتروپی محدودیت ها – ناشی از برگشت ناپذیری سیستم – بر میزان کار ترمودینامیکی قابل تحویل به یک سیستم بیرونی طی یک فرایند ترمودینامیکی را بیان می کند. دما، خاصیتی که با قانون صفرم ترمودینامیک تا حدودی تبیین می گردد، نشان دهنده ی جهت انتقال انرژی حرارتی بین دو سیستم در نزدیکی یکدیگر است. این خاصیت همچنین به صورت کیفی با واژه های داغ یا سرد بیان می گردد.

از دیدگاه تاریخی ترمودینامیک با آرزوی افزایش بازده موتورهای بخار گسترش یافت. به ویژه به سبب تلاش های فیزیکدان فرانسوی، نیکولا لئونارد سعدی کارنو که اعتقاد داشت افزایش بازده موتورهای بخار می تواند رمز پیروزی فرانسه در نبردها ناپلئون باشد. فیزیکدان انگلیسی، لرد کلوین، نخستین کسی بود که در سال ۱۸۵۴ تعریفی کوتاه برای ترمودینامیک ارائه داد :

« ترمودینامیک عنوان مبحثی است که روابط حاکم بر ارتباط حرارت با نیروهای وارد بر یک پیکر پیوسته و همچنین رابطه بین حرارت با الکتریسیته را بیان می کند. »

در ابتدا ترمودینامیک ماشین های بخار به صورت عمده راجع به خصوصیات گرمایی مواد مورد کاربرد- بخار آب – بود. بعدها این مبحث به فرایندهای انتقال انرژی در واکنش های شیمیایی مرتبط گردید. ترمودینامیک شیمیایی اثر آنتروپی بر فرآیندهای شیمیایی را مورد بحث قرار می دهد. همچنین ترمودینامیک آماری ( یا مکانیک آماری ) با پیش بینی های آماری از رفتار ذرات سیستم، ترمودینامیک ماکروسکوپیک را توجیه می نماید.

شروع ترمودینامیک از ساخت اولین پمپ خلأ در سال ۱۶۵۰ میلادی و توسط اتو وان گریکه (به انگلیسی: Otto von Guericke)‏ شروع شد و ثابت کرد که نظریه ارسطو مبنی بر اینکه طبیعت از خلا متنفر است، اشتباه است.مدتی بعد فیزیکدان و شیمی‌دان ایرلندی رابرت بویل طرز کار دستگاه جریکو را یاد گرفت و به همراه فیزیکدان انگلیسی رابرت هوک توانست اولین پمپ هوا را در سال ۱۶۵۶ بسازد. و بین حجم و فشار رابطه‌ای تعریف کردند، که امروزه به قانون بویل مشهور است.

سپس در سال ۱۶۷۹ شریک بویل دنیس پاپین اولین steam digester را ساخت که یک ظرف دربسته با در محکم بود که در آن بخار با فشار بالا تولید می‌شد. بررسی علمی ماشین بخار توسط سعدی کارنو شروع شد به افتخار کارنو چرخه‌ای که بر اساس دو دما کار می‌کند که بالاترین بازدهی را دارد، چرخه کارنو نامیده‌اند.

سیکل رانکین

سیکل رانکین یک سیکل ترمودینامیکی است که گرما را به کار تبدیل می کند. سیال عامل این سیکل معمولا آب می باشد. این سیکل حدود 80 % نیروی الکتریکی استفاده شده در سرتاسر جهان را تولید می کند. این سیکل توسط دانشمند اسکاتلندی به نام ویلیام جان مک گورن رانکین نامگذاری شد. زغال سنگ، گاز طبیعی، نفت و انرژی هسته ای، منابع حرارتی رایج برای نیروگاههایی هستند که از سیکل رانکین استفاده می کنند. مقاله سیکل های ترمودینامیک

زمانی که از یک توربین با بازده 100 % در سیکل رانکین استفاده شود، بعضی اوقات به آن سیکل کارنوی کاربردی گفته می شود چون دیاگرام T-S آن شبیه به دیاگرام سیکل کارنو میشود.تنها اختلاف این است که از یک پمپ برای متراکم کردن مایع به جای کمپرسور گازی استفاده می شود.

تبدیل گرما به کار در سیکل رانکین

استفاده از پمپ نیازمند 1 % انرژی بیشتر در مقایسه با فشرده سازی یک گاز در داخل کمپرسور می باشد. بازده سیکل رانکین معمولا بوسیله سیال عامل محدود می شود. اگر فشار در ناحیه فوق بحرانی نباشد، دمای ورودی توربین معمولا C◦565و دمای کندانسور حدود C◦30 می باشد.

این مقادیر باعث بازده تئوریکی 63 % می شود در مقایسه با بازده واقعی 42 % برای نیروگاههای پیشرفته که با زغال سنگ کار می کنند. این دمای ورودی توربین پایین(در مقایسه با توربین گازی) باعث می شود تا سیکل رانکین اغلب به عنوان سیکل زیرین در سیکل های ترکیبی نیروگاههای توربین گازی استفاده شود.

یکی از مزیت های اساسی سیکل رانکین که آن را برتر از سیکل های دیگر قرار می دهد این است که در فرآیند تراکم کار نسبتا کمی برای پمپ نیاز است چون سیال عامل در این نقطه در فاز مایع خود می باشد. کار مورد نیاز برای پمپ حدود %1 تا %3 قدرت توربین می باشد. سیال عامل در سیکل رانکین از یک حلقه بسته تبعیت می کند و به طور مداوم تکرار می شود.

بخار آب و قطرات کوچک موجود در نیروگاه ها ، بوسیله سیستم های خنک کننده ایجاد می شوند و نشان دهنده گرمای تلف شده ای هستند که نمی توانند به کار مفید تبدیل شوند. این باید ذکر شود که برج های خنک کن با استفاده از گرمای نهان تبخیر سیال خنک کننده کار می کنند.

اگرچه مواد زیادی می توانند در سیکل رانکین به عنوان سیال عامل مورد استفاده قرار گیرند ولی آب معمولا به خاطر خواص مطلوبی چون غیر سمی بودن، فراوان بودن، هزینه پایین و خواص ترمودینامیکی خود، سیال انتخابی است.

فرآیندهای سیکل رانکین

چهار فرآیند اصلی در سیکل رانکین وجود دارد که هر کدام شرایط سیال عامل را تغییر می دهند.

فرآیند 1-2: سیال عامل از فشار پایین به فشار بالاتر پمپ می شود و از آنجایی که سیال در این مرحله در حالت مایع اشباع قرار دارد، پمپ به انرژی ورودی کمی نیاز دارد.

فرآیند 2-3: این مایع فشار بالا وارد بویلر می شود که در این مرحله در فشار ثابت بوسیله یک منبع گرمایی خارجی گرم شده و تبدیل به بخار اشباع خشک می شود.

فرآیند 3-4: بخار خشک اشباع بوسیله توربین منبسط می شود و تولید توان می کند. این عمل باعث کاهش فشار و دمای بخار می شود و ممکن است چگالش مختصری هم رخ بدهد.

فرآیند 4-1: بخار مرطوب وارد کندانسور می شود و در داخل آن در یک فرآیند دما-فشار ثابت تبدیل به مایع اشباع می شود.

در سیکل ایده آل رانکین، پمپ و توربین آیزنتروپیک خواهند بود یعنی هیچ آنتروپی تولید نخواهند کرد و بنابراین کار خالص خروجی را ماکزیمم خواهند کرد. همچنین فرآیندهای 1-2 و 3-4 بوسیله خطوط عمودی در دیاگرام T-S نشان داده خواهند شد و بسیار شبیه به سیکل کارنو خواهد شد. مقاله سیکل های ترمودینامیک

نمونه دو صفحه از مقاله سیکل های ترمودینامیک

معادلات محاسباتی سیکل

از قانون اول می دانیم که:

انرژی ورودی= انرژی خروجی

کار خالص خروجی عبارتست از:

wnet= wt-wp=(h3-h4)-(h2-h1)

گرمای خالص فراهم شده در بویلر عبارتست از:

qh=(h3-h2)

بازده سیکل رانکین عبارتست از:

ηR= wnet/ qh

فهرست

سیکل رانکین

فرآیندهای سیکل رانکین

معادلات محاسباتی سیکل

سیکل اتو

سیکل تبرید

سيستم جذبي آب – آمونياک

سيستم جذبي تکميل شده

سيکل تبريد جذبي- آمونياک

ایجاد برودت توسط سیستم جذبی

مقاله سیکل های ترمودینامیک

سیستم تبرید جذبی آب-آمونیاک

مقایسه سیستم لیتیم-بروماید با سیستم آب-آمونیاک

اجزاء یک سیکل تبرید

سیکل برایتون

سیکل کارنو

يخچال چگونه كار ميكند؟

ايركانديشن چگونه كار ميكند؟

بيان يخچالي قانون دوم ترموديناميك

منابع و مآخذ