سائل التشغيل

في مجال الطاقة الهيدروليكية ، يُعرف سائل التشغيل بأنه غاز أو سائل ينقل القوة أو الحركة أو الطاقة الميكانيكية بشكل أساسي . في مجال الهيدروليكا ، ينقل الماء أو السائل الهيدروليكي القوة بين المكونات الهيدروليكية، مثل المضخات والأسطوانات والمحركات الهيدروليكية، التي تُجمّع في الآلات الهيدروليكية وأنظمة الدفع الهيدروليكية ، وما إلى ذلك. أما في مجال أنظمة الهواء المضغوط ، فيكون سائل التشغيل هو الهواء أو غاز آخر ينقل القوة بين المكونات الهوائية ، مثل الضواغط ومضخات التفريغ والأسطوانات والمحركات الهوائية . في هذه الأنظمة، يخزن الغاز العامل الطاقة أيضًا لأنه قابل للانضغاط. (تسخن الغازات عند انضغاطها وتبرد عند تمددها. كما تتكثف بعض الغازات إلى سوائل عند انضغاطها وتغلي عند انخفاض الضغط).

بالنسبة لنقل الحرارة السلبي ، فإن سائل التشغيل هو غاز أو سائل، ويسمى عادة سائل التبريد أو سائل نقل الحرارة، والذي ينقل الحرارة بشكل أساسي إلى أو من منطقة معينة عن طريق التوصيل الحراري ، والحمل الحراري ، و/أو الحمل الحراري القسري ( تبريد السائل المضخ ، وتبريد الهواء ، وما إلى ذلك).

المائع العامل في المحرك الحراري أو المضخة الحرارية هو غاز أو سائل، يُسمى عادةً المُبرِّد أو المُبرِّد أو الغاز العامل، ويقوم أساسًا بتحويل الطاقة الحرارية (تغير درجة الحرارة) إلى طاقة ميكانيكية (أو العكس) عن طريق تغير الحالة و/أو حرارة الانضغاط والتمدد . من الأمثلة على استخدام تغير الحالة: الماء ↔ البخار في المحركات البخارية ، والمُبرِّدات في أنظمة التبريد وتكييف الهواء بضغط البخار . أما الأمثلة التي لا تستخدم تغير الحالة فتشمل: الهواء أو الهيدروجين في محركات الهواء الساخن مثل محرك ستيرلينغ ، والهواء أو الغازات في المضخات الحرارية ذات دورة الغاز ، إلخ. (تستخدم بعض المضخات الحرارية والمحركات الحرارية "مواد صلبة عاملة"، مثل الأربطة المطاطية، للتبريد المرن الحراري أو التبريد الحراري المرن، والنيكل والتيتانيوم في نموذج أولي لمحرك حراري).

تُعاد تدوير السوائل العاملة، باستثناء الهواء والماء، في حلقة مغلقة. بعض أنظمة نقل الحرارة الهيدروليكية والسلبية مفتوحة على مصدر المياه و/أو الغلاف الجوي، أحيانًا عبر مرشحات تهوية . أما المحركات الحرارية والمضخات الحرارية والأنظمة التي تستخدم سوائل متطايرة أو غازات خاصة، فعادةً ما تكون محكمة الإغلاق خلف صمامات تخفيف الضغط .

تُعدّ خصائص المائع العامل أساسيةً لوصف الأنظمة الديناميكية الحرارية وصفًا كاملًا. ورغم أن للموائع العاملة العديد من الخصائص الفيزيائية التي يمكن تعريفها، فإن الخصائص الديناميكية الحرارية المطلوبة غالبًا في التصميم والتحليل الهندسي قليلة. ومن أكثرها شيوعًا: الضغط ، ودرجة الحرارة ، والمحتوى الحراري ، والإنتروبيا ، والحجم النوعي ، والطاقة الداخلية .

إذا عُرفت خاصيتان ديناميكيتان حراريتان على الأقل، يُمكن تحديد حالة المائع العامل. ويتم ذلك عادةً باستخدام مخطط الخصائص، وهو عبارة عن رسم بياني يُظهر العلاقة بين إحدى الخصائص والأخرى.

عند مرور سائل التشغيل عبر مكونات هندسية كالتوربينات والضواغط ، تتحرك النقطة على مخطط الخصائص نتيجةً للتغيرات المحتملة في بعض الخصائص. نظريًا، يُمكن رسم خط/منحنى يصف الخصائص الديناميكية الحرارية للسائل وصفًا كاملًا. عمليًا، لا يُمكن ذلك إلا إذا كانت العملية قابلة للانعكاس . وإلا، تُمثَّل التغيرات في الخصائص بخط منقط على مخطط الخصائص. لا تؤثر هذه المسألة فعليًا على التحليل الديناميكي الحراري، إذ إن الهدف في معظم الحالات هو دراسة الحالات النهائية للعملية.

يمكن استخدام مائع التشغيل لإنتاج شغل مفيد عند استخدامه في التوربين . كذلك، في الدورات الديناميكية الحرارية، يمكن إدخال الطاقة إلى مائع التشغيل بواسطة ضاغط . قد تكون الصيغة الرياضية لذلك بسيطة للغاية إذا اعتبرنا أسطوانة تحتوي على مائع تشغيل. يُستخدم مكبس لإدخال شغل مفيد إلى المائع. من منظور الميكانيكا، يُعطى الشغل المبذول من الحالة 1 إلى الحالة 2 للعملية بالمعادلة التالية:

${\displaystyle W=-\int _{1}^{2}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }$

حيث ds هي المسافة المتزايدة من حالة إلى أخرى، و F هي القوة المؤثرة. تم إدخال الإشارة السالبة لأنه في هذه الحالة يتم النظر في انخفاض الحجم. يوضح الشكل التالي الوضع:

تُعطى القوة بضرب الضغط داخل الأسطوانة في مساحة مقطعها العرضي بحيث

${\displaystyle {\begin{align}W&=-\int _{1}^{2}PA\cdot \mathrm {d} \mathbf {s} \\&=-\int _{1}^{2}P\cdot \mathrm {d} V\end{محاذاة}}}$

حيث A ⋅ ds = dV هو التغير الأساسي في حجم الأسطوانة. إذا ازداد الحجم من الحالة 1 إلى الحالة 2، فإن المائع العامل يبذل شغلاً على محيطه، ويُشار إلى ذلك عادةً بشغل سالب. أما إذا انخفض الحجم، فإن الشغل يكون موجبًا. وفقًا للتعريف الوارد في التكامل أعلاه، يُعبَّر عن الشغل المبذول بالمساحة تحت منحنى الضغط-الحجم . في حالة الضغط الثابت، يُعطى الشغل ببساطة بالعلاقة التالية:

${\displaystyle {\begin{aligned}W&=-P\int _{1}^{2}\mathrm {d} V\\&=-P\cdot \left(V_{2}-V_{1}\right)\end{aligned}}}$

تُستخدم أنواع مختلفة من الموائع العاملة حسب التطبيق. في الدورة الديناميكية الحرارية، قد يتغير المائع العامل من الحالة الغازية إلى السائلة أو العكس. يمكن اعتبار بعض الغازات، مثل الهيليوم، غازات مثالية . لكن هذا لا ينطبق عمومًا على البخار المحمص، حيث لا تنطبق معادلة الغاز المثالي عليه. مع ذلك، عند درجات حرارة أعلى بكثير، لا تزال هذه المعادلة تعطي نتائج دقيقة نسبيًا. تُعد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمائع العامل بالغة الأهمية عند تصميم الأنظمة الديناميكية الحرارية. على سبيل المثال، في وحدة التبريد، يُسمى المائع العامل بالمبرد. الأمونيا مبرد نموذجي، ويمكن استخدامها كمائع عامل أساسي. بالمقارنة مع الماء (الذي يمكن استخدامه أيضًا كمبرد)، تتطلب الأمونيا ضغوطًا عالية نسبيًا، مما يستلزم معدات أكثر متانة وتكلفة.

في دورات الهواء القياسية، كما هو الحال في دورات التوربينات الغازية ، يكون الهواء هو المائع العامل. في التوربينات الغازية ذات الدورة المفتوحة، يدخل الهواء إلى ضاغط حيث يرتفع ضغطه. وبالتالي، يُدخل الضاغط شغلاً إلى المائع العامل (شغل موجب). ثم يُنقل المائع إلى غرفة الاحتراق حيث تُضاف إليه طاقة حرارية عن طريق احتراق الوقود. بعد ذلك، يتمدد الهواء في التوربين، مُؤدياً بذلك شغلاً ضد المحيط (شغل سالب).

تختلف خصائص سوائل التشغيل، وعند اختيار أحدها، يجب على المصمم تحديد المتطلبات الرئيسية. في وحدات التبريد، يلزم وجود حرارة كامنة عالية لتوفير قدرات تبريد كبيرة.

يوضح الجدول التالي التطبيقات النموذجية لسوائل التشغيل وأمثلة لكل منها:

• قائمة الغازات
• محرك يعمل بالطاقة المائية

• إيستوب وماكونكي (1993). الديناميكا الحرارية التطبيقية لمهندسي التكنولوجيا (  الطبعة الخامسة). سنغافورة: برنتيس هول. الصفحات 9-12 . ISBN  0-582-09193-4.