المحركات الحرارية - الحرارة .. الفيزياء
المحركات الحرارية
المحرك الحراري آلة تقوم بتحويل الطاقة الحرارية الى طاقة كيميائية ويستمد المحرك كل ما يحتاجه من حرارة من احتراق الوقود المخزن للطاقة الميكانيكية . ويبين لنا الجدول كثافة الطاقة الموجودة في عدة أنواع من الوقود وفي أجهزة تخزين الطاقة ، وقد عبر عنها بكمية الطاقة الموجودة في وقود أو جهاز تبلغ كتلته كلغ واحد ( انظر ص ۳۱ ) .
( الدورة ذات الاربعة أشواط والخط البياني ضغط / حجم في كل من دورتي أوتو وديزل ) .
والشرط الاول الذي ينبغي توفره في المحرك الحراري هو أن يكون ذا كفاية كبيرة . والمعروف أن الكفاية الاجمالية او الكفاية الحرارية في المحرك هي حاصل قسمة الشغل الخارج منه على كمية الحرارة الداخلة اليه ، أي ش/ 5 . بالاضافة الى ذلك ، يفترض في المحرك الحراري ان يكون رخيص الثمن ، خفيف الوزن ، قليل الجلبة ، ولا يسبب الا حدا أدنى من التلوث .
وتشتغل المحركات الحرارية على أساس الدورة الواحدة ، وهي مجموعة الاجراءات التي تتكرر بين الدورة والدورة واذا افترضنا أن كمية الحرارة التي يمتصها المحرك ، اثناء قيامه بعدد من الدورات ، على درجة حرارة قصوى د١ هي ١5 ، وأن كمية الحرارة التي يعطيها على درجة حرارة دنيا د١ هي ٢5 يصبح الشغل الناتج عنه ١5 - ٢5 .
( انظر القانون الاول للديناميكا الحرارية ، علما بأنه لا يوجد أي تغيير في طاقته الداخلية ) وتصبح الكفاية كالاتي ش / 5 ١ = ( ١5 - ٢5 ) / ١5 = ۱ - ٢5/١5 , ومن اجل الحصول على كفاية
قصوى ، ينبغي تصغيرك , وتكبيرك إلى اكبر حد ممكن . وبما أنك تتناسب مع در فكلما ارتفعت درجة الحرارة في المحرك ، ازدادت كفايته الاجمالية يتميز المحرك الذي يدار بالنفط بأنه مبني على دورة أوتو ( نسبة الى نيقولا أوتو ۱۸۳۲ - ۱۸۹۱ ) . ونشاهد في الرسم الخط البياني لدورة أوتو المثالية الذي يبين تغير قيمة الضغط في المحرك بالنسبة الى الحجم وذلك في مختلف أشواط ( مراحل ) الكباس والصمامات المناظرة له . هذه الدورة لا تطبق في الممارسة العملية ، الا انها توضح كافة الاسس المعمول بها في المحرك ، وتتكون من ست عمليات تتضمن اربعة أشواط للكباس ، وتعرف لهذا السبب بأنها دورة ذات اربعة اشواط او دورة رباعية الاشواط .
في العملية بين ١ - ٢ يهبط الكباس ساحبا معه الهواء وغاز النفط عبر صمام الدخول المفتوح ، ثم يرتفع اثناء العملية ٢ - ٣ ضاغطا هذا الغاز - بكيفية يفترض انها مثالية ، أي لا يصحبها أي فقد أو كسب للحرارة ( مكظومة ) . بعد ذلك تقوم شمعة الاشعال في العملية ٣ - ٤ بتفجير الغاز المضغوط فتتولد عنها كمية من الحرارة يرتفع من جرائها الضغط في الاسطوانة بعنف من ضم الى ضع وذلك قبل أن يبدأ الكباس تحركه . والعملية ٤ - ٥ تسمى شوط الشغل ويقوم اثناءها الغاز المتمدد بدفع الكباس الى أسفل ، وعندما يبلغ اخر شوطه يفتح صمام العادم ٥ - ٢ وتنخفض قيمة الضغط حتى تصبح معادلة لقيمة الضغط الجوي ض وفي الشوط الاخير ٢ - ١ يطرد غاز العادم الى خارج الاسطوانة .
( مقارنة بين كلفة المحركات الحرارية المختلفة ووزنها والتلوث الناتج عنها )
تبلغ الكفاية القصوى لدورة أوتو ، من الناحية النظرية ، حوالي ٦٧% ، وهي مبنية على نسبة انضغاط ( أي نسبة الضغط الذي يسبق الاحتراق مباشرة الى الضغط الجوي ح٢/ ح١ ) قيمتها ٩ الى ١ .
ومن الصعب جدا بلوغ نسبة انضغاط أعلى من ذلك نظرا لميل غاز النفط الى الاتقاد قبل حدوث الشرارة ( اتقاد مبكر ) . أما محرك الديزل المبني على دورة ديزل ( نسبة الى رودلف ديزل ، ۱۸۵۸-۱۹۱۳ ) ففيه ينضغط الهواء بشكل مكظوم اثناء الشوط ٢ - ٣ الى ان تصبح درجة الحرارة كافية لاشعال الزيت المرشوش في الاسطوانة . ولا حاجة هنا الى قدح شرارة . بعد ذلك يبدأ الاحتراق على ضغط ثابت فيتحرك الكباس الى اسفل اثناء هذه العملية - المتمثلة بالخط الافقي ٣ - ٤ على الرسم البياني بدلا من الخط العمودي في دورة أوتو وبالرغم من استعمال نسب انضغاط في محرك ديزل تصل الى معدل ٤ أو ١٥ الى ١ ، فان الكفاية القصوى فيه لا تتعدى ٦٤% . ومع ذلك فان كفاية محركات ديزل ومحركات النفط تكون أقل من هذا المقدار عمليا .
وتعاني محركات ديزل ومحركات أوتو من عيوب ناتجة عن عدم استطاعتها تجاوز درجة حرارة احتراق معينة وعن أن نسب الانضغاط فيها محدودة . وجميعها يسبب التلوث بسبب الاحتراق المتقطع وغير الكامل في داخلها .
أما محرك فانكل الذي يستعمل فيه كباس دوار ، فان له ميزات عديدة تتعلق بالوزن وسلاسة التشغيل . ولكنه ، كا لمحركات العادية ، يسبب ايضا التلوث ، ويعاني من عدم تجاوزه لحدود حرارية معينة .
أما التوربينات البخارية فانها لا تخضع لهذه القيود - اذ تبلغ نسبة الانضغاط فيها ٣٠ الى ١ ، وتصل درجة حرارة الشغل القصوى فيها الی ۱۲۰۰ درجه .
وبما ان الاحتراق فيها يكون متواصلا لذلك فان التلوث الناجم عنها قليل جدا والهواء يدخل الى التوربين من خلال ضاغط دوار ، ثم يمر إلى حجرة حيث يسخنه وقود مشتعل .
بعد ذلك يتمدد الغار الساخن ويقوم بتدوير التوربين الذي يعطي بعد القدرة ويشغل في الوقت نفسه الضاغط الذي يدور غالبا حول نفس عمود الادارة .
الوقود أو جهاز تخزين الطاقة
المادة : تحول المادة الى طاقة الهدروجين السائل
النفط / زيت الديزل
نضيدة الرصاص - الحمض
الحدافة
النابض
ينضغط الهواء على دفعتين في محرك فانكل ذي العضوين الدوارين .
المحركات الحرارية
المحرك الحراري آلة تقوم بتحويل الطاقة الحرارية الى طاقة كيميائية ويستمد المحرك كل ما يحتاجه من حرارة من احتراق الوقود المخزن للطاقة الميكانيكية . ويبين لنا الجدول كثافة الطاقة الموجودة في عدة أنواع من الوقود وفي أجهزة تخزين الطاقة ، وقد عبر عنها بكمية الطاقة الموجودة في وقود أو جهاز تبلغ كتلته كلغ واحد ( انظر ص ۳۱ ) .
( الدورة ذات الاربعة أشواط والخط البياني ضغط / حجم في كل من دورتي أوتو وديزل ) .
والشرط الاول الذي ينبغي توفره في المحرك الحراري هو أن يكون ذا كفاية كبيرة . والمعروف أن الكفاية الاجمالية او الكفاية الحرارية في المحرك هي حاصل قسمة الشغل الخارج منه على كمية الحرارة الداخلة اليه ، أي ش/ 5 . بالاضافة الى ذلك ، يفترض في المحرك الحراري ان يكون رخيص الثمن ، خفيف الوزن ، قليل الجلبة ، ولا يسبب الا حدا أدنى من التلوث .
وتشتغل المحركات الحرارية على أساس الدورة الواحدة ، وهي مجموعة الاجراءات التي تتكرر بين الدورة والدورة واذا افترضنا أن كمية الحرارة التي يمتصها المحرك ، اثناء قيامه بعدد من الدورات ، على درجة حرارة قصوى د١ هي ١5 ، وأن كمية الحرارة التي يعطيها على درجة حرارة دنيا د١ هي ٢5 يصبح الشغل الناتج عنه ١5 - ٢5 .
( انظر القانون الاول للديناميكا الحرارية ، علما بأنه لا يوجد أي تغيير في طاقته الداخلية ) وتصبح الكفاية كالاتي ش / 5 ١ = ( ١5 - ٢5 ) / ١5 = ۱ - ٢5/١5 , ومن اجل الحصول على كفاية
قصوى ، ينبغي تصغيرك , وتكبيرك إلى اكبر حد ممكن . وبما أنك تتناسب مع در فكلما ارتفعت درجة الحرارة في المحرك ، ازدادت كفايته الاجمالية يتميز المحرك الذي يدار بالنفط بأنه مبني على دورة أوتو ( نسبة الى نيقولا أوتو ۱۸۳۲ - ۱۸۹۱ ) . ونشاهد في الرسم الخط البياني لدورة أوتو المثالية الذي يبين تغير قيمة الضغط في المحرك بالنسبة الى الحجم وذلك في مختلف أشواط ( مراحل ) الكباس والصمامات المناظرة له . هذه الدورة لا تطبق في الممارسة العملية ، الا انها توضح كافة الاسس المعمول بها في المحرك ، وتتكون من ست عمليات تتضمن اربعة أشواط للكباس ، وتعرف لهذا السبب بأنها دورة ذات اربعة اشواط او دورة رباعية الاشواط .
في العملية بين ١ - ٢ يهبط الكباس ساحبا معه الهواء وغاز النفط عبر صمام الدخول المفتوح ، ثم يرتفع اثناء العملية ٢ - ٣ ضاغطا هذا الغاز - بكيفية يفترض انها مثالية ، أي لا يصحبها أي فقد أو كسب للحرارة ( مكظومة ) . بعد ذلك تقوم شمعة الاشعال في العملية ٣ - ٤ بتفجير الغاز المضغوط فتتولد عنها كمية من الحرارة يرتفع من جرائها الضغط في الاسطوانة بعنف من ضم الى ضع وذلك قبل أن يبدأ الكباس تحركه . والعملية ٤ - ٥ تسمى شوط الشغل ويقوم اثناءها الغاز المتمدد بدفع الكباس الى أسفل ، وعندما يبلغ اخر شوطه يفتح صمام العادم ٥ - ٢ وتنخفض قيمة الضغط حتى تصبح معادلة لقيمة الضغط الجوي ض وفي الشوط الاخير ٢ - ١ يطرد غاز العادم الى خارج الاسطوانة .
( مقارنة بين كلفة المحركات الحرارية المختلفة ووزنها والتلوث الناتج عنها )
تبلغ الكفاية القصوى لدورة أوتو ، من الناحية النظرية ، حوالي ٦٧% ، وهي مبنية على نسبة انضغاط ( أي نسبة الضغط الذي يسبق الاحتراق مباشرة الى الضغط الجوي ح٢/ ح١ ) قيمتها ٩ الى ١ .
ومن الصعب جدا بلوغ نسبة انضغاط أعلى من ذلك نظرا لميل غاز النفط الى الاتقاد قبل حدوث الشرارة ( اتقاد مبكر ) . أما محرك الديزل المبني على دورة ديزل ( نسبة الى رودلف ديزل ، ۱۸۵۸-۱۹۱۳ ) ففيه ينضغط الهواء بشكل مكظوم اثناء الشوط ٢ - ٣ الى ان تصبح درجة الحرارة كافية لاشعال الزيت المرشوش في الاسطوانة . ولا حاجة هنا الى قدح شرارة . بعد ذلك يبدأ الاحتراق على ضغط ثابت فيتحرك الكباس الى اسفل اثناء هذه العملية - المتمثلة بالخط الافقي ٣ - ٤ على الرسم البياني بدلا من الخط العمودي في دورة أوتو وبالرغم من استعمال نسب انضغاط في محرك ديزل تصل الى معدل ٤ أو ١٥ الى ١ ، فان الكفاية القصوى فيه لا تتعدى ٦٤% . ومع ذلك فان كفاية محركات ديزل ومحركات النفط تكون أقل من هذا المقدار عمليا .
وتعاني محركات ديزل ومحركات أوتو من عيوب ناتجة عن عدم استطاعتها تجاوز درجة حرارة احتراق معينة وعن أن نسب الانضغاط فيها محدودة . وجميعها يسبب التلوث بسبب الاحتراق المتقطع وغير الكامل في داخلها .
أما محرك فانكل الذي يستعمل فيه كباس دوار ، فان له ميزات عديدة تتعلق بالوزن وسلاسة التشغيل . ولكنه ، كا لمحركات العادية ، يسبب ايضا التلوث ، ويعاني من عدم تجاوزه لحدود حرارية معينة .
أما التوربينات البخارية فانها لا تخضع لهذه القيود - اذ تبلغ نسبة الانضغاط فيها ٣٠ الى ١ ، وتصل درجة حرارة الشغل القصوى فيها الی ۱۲۰۰ درجه .
وبما ان الاحتراق فيها يكون متواصلا لذلك فان التلوث الناجم عنها قليل جدا والهواء يدخل الى التوربين من خلال ضاغط دوار ، ثم يمر إلى حجرة حيث يسخنه وقود مشتعل .
بعد ذلك يتمدد الغار الساخن ويقوم بتدوير التوربين الذي يعطي بعد القدرة ويشغل في الوقت نفسه الضاغط الذي يدور غالبا حول نفس عمود الادارة .
الوقود أو جهاز تخزين الطاقة
المادة : تحول المادة الى طاقة الهدروجين السائل
النفط / زيت الديزل
نضيدة الرصاص - الحمض
الحدافة
النابض
ينضغط الهواء على دفعتين في محرك فانكل ذي العضوين الدوارين .
تعليق