ரேங்கின் சுழற்சி

ரேங்கின் சுழற்சி என்பது வெப்பத்தை வேலையாக மாற்றும் ஒரு வெப்ப இயக்கவியல் சுழற்சியாகும். வெப்பமானது ஒரு மூடிய சுழற்சிக்கு புறத்தே இருந்து வழங்கப்படுகிறது, இதில் வேலை செய்யும் பாய்மமாக நீர் பயன்படுகிறது. உலகில் பயன்படும் மொத்த மின் சக்தியில் சுமார் 80 சதவீதத்தை இந்த சுழற்சி உற்பத்தி செய்கிறது, அவற்றில் நடைமுறையில் சூரிய வெப்பவியல், உயிரினத் தொகுதி, நிலக்கரி மற்றும் அணுக்கரு மின் நிலையங்கள் ஆகிய அனைத்தும் அடங்கும். ஸ்காட்லாந்தைச் சேர்ந்த பல்கலை வல்லுனரான வில்லியம் ஜான் மேக்வான் ரேங்கின் (William John Macquorn Rankine) என்பவரின் நினைவாக இதற்கு இப்பெயரிடப்பட்டது.

விளக்கம் 

மின் உற்பத்தி நிலையங்களில் பொதுவாக காணப்படும் நீராவியால் இயங்கும் முன்னோக்கு வெப்ப எஞ்சினின் ஒரு மாதிரியை ரேங்கின் சுழற்சி விளக்குகிறது. நிலக்கரி எரித்தல், இயற்கை வாயு மற்றும் எண்ணெய் மற்றும் அணுக்கரு இணைவு ஆகியவையே ரேங்கின் சுழற்சியைப் பயன்படுத்தும் மின் உற்பத்தி நிலையங்களுக்கான பொதுவான வெப்ப மூலங்களாகும்.

சில நேரங்களில் ரேங்கின் சுழற்சியை நடைமுறை கார்னட் சுழற்சி என்றும் குறிப்பிடுகின்றனர். செயல்திறன் மிக்க விசைச் சுழலியைப் பயன்படுத்தும் போது TS விளக்கப்படமானது கார்னட் சுழற்சியை ஒத்ததாகவே உள்ளது. ரேங்கின் சுழற்சியில் வெப்பச் சேர்ப்பு மற்றும் மறுப்பு ஆகியவை ஐசோபேரிக் நிகழ்வுகளாகவும் கோட்பாட்டு ரீதியான கார்னட் சுழற்சியில் ஐசோதெர்மல் நிகழ்வுகளாக உள்ளன என்பதே இவையிரண்டுக்கும் உள்ள முக்கியமான வேறுபாடாகும். காற்றுக்கு பதிலாக திரவத்திற்கு அழுத்தமேற்ற ஒரு பம்ப் பயன்படுகிறது. ஒரு அழுத்தியில் (கம்ப்ரசர்) வாயுவை அழுத்துவதற்குத் தேவையான ஆற்றலுடன் (கார்னட் சுழற்சியில் உள்ளது போன்று) ஒப்பிடுகையில் இதற்கு மிகச் சிறிய அளவிலான ஆற்றலே தேவைப்படுகிறது. 

வழக்கமாக ரேங்கின் சுழற்சியின் செயல்திறனானது வேலை செய்யும் பாய்மத்தினால் வரையறுக்கப்படுகிறது. வேலை செய்யும் பாய்மத்தின் அழுத்தமானது மாறுநிலை அளவுகளை அடையாமல் இந்த சுழற்சி செயல்படும் வெப்பநிலை வரம்பானது சிறியதே ஆகும்: வழக்கமாக விசையாழி உள்ளீட்டு வெப்பநிலைகள் 565 °C (துருப்பிடிக்கா எஃகின் தொய்வு வரம்பு) என்றும் ஆவி சுருக்கி வெப்பநிலைகள் சுமார் 30 °C என்ற அளவிலும் உள்ளன. இதனால் நவீன நிலக்கரி எரிப்பு மின் நிலையத்தின் செயல்திறனான 42% உடன் ஒப்பிடுகையில் சுமார் 63% என்னும் அளவுடைய கோட்பாட்டியல் ரீதியாக கார்னட் செயல்திறன் கிடைக்கிறது. இந்த குறைந்த விசையாழி உள்ளீடு வெப்பநிலையே (ஒரு வாயு விசையாழியுடன் ஒப்பிடுகையில்) ரேங்கின் சுழற்சியை பல நேரங்களில் ஒருங்கிணைந்த வாயு விசையாழி மின் நிலையங்களில் அடிப்படுத்தல் சுழற்சியாகப் பயன்படுத்துவதற்குக் காரணமாகும்.

ஒரு ரேங்கின் சுழற்சியில் வேலை செய்யும் பாய்மமானது ஒரு மூடிய சுற்றைப் பயன்படுத்துகிறது, மேலும் அது தொடர்ச்சியாக மறுபயன்பாடு செய்யப்படுகிறது. மின் உற்பத்தி நிலையங்களில் பல நேரங்களில் நீர் ஆவி ஏறிய சிறு துளிகள் அலை அலையாக வெளிவருவதைக் காணலாம், அவை (ரேங்கின் சுழற்சி ஆற்றல் சுழற்சியிலிருந்து உருவாவதில்லை) குளிர்விப்பு அமைப்புகளால் உருவாக்கப்படுகின்றன. அவை வீணாகும் வெப்பத்தையே காட்டுகின்றன, அவற்றை பயனுள்ள வேலையாக மீண்டும் மாற்றவும் முடியாது. குளிர்விப்பு கோபுரங்கள் குளிர்விப்பு பாய்மங்களின் ஆவியாதல் மறை வெப்பத்தைப் பயன்படுத்தியே செயல்படுகின்றன என்பதைக் கருத்தில்கொள்ள வேண்டும். குளிர்விப்பு கோபுர செயல்பாட்டிலிருந்து உருவாகும் வெள்ளை மேகங்கள் குளிர்விப்பு நீரின் வாயுப் பாய்வில் ஏற்றப்பட்ட நீர்த் துளிகளால் விளைபவையே ஆகும்; பொதுவாக நினைப்பது போல் அவை நீராவி இல்லை. பல பொருள்களை ரேங்கின் சுழற்சியில் பயன்படுத்த முடியாது, ஆனால் நீரே வேலை செய்யும் பாய்மமாக பெரும்பாலும் தேர்வு செய்யப்படுகிறது. அதன் நச்சற்ற தன்மை வினையற்ற வேதிப் பண்பு, அதிகமாக கிடைக்கும் தன்மை மற்றும் குறைந்த செலவு அது மட்டுமின்றி அதன் வெப்ப இயக்கவியல் பண்புகள் ஆகியவையே இதற்குக் காரணங்களாகும்.

ரேங்கின் சுழற்சியில் அழுத்துதல் கட்டத்தில் பம்பை இயக்க ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த அளவு வேலையே தேவைப்படுகிறது, மேலும் வேலை செய்யும் பாய்மமானது இக்கட்டத்தில் திரவ நிலையிலேயே உள்ளது என்பதே இதரவற்றை விட முக்கிய சாதகங்களில் ஒன்றாகும். திரவத்தின் பாய்மத்தை திரவமாக மாற்றுவதனால் பம்ப்புக்குத் தேவைப்படும் வேலையானது விசையாழியின் ஆற்றலில் 1% முதல் 3% ஆற்றலையே பயன்படுத்தி உண்மையான சுழற்சியின் மிக அதிக செயல்திறனுக்குக் காரணமாக அமைகிறது. குறைந்த வெப்ப சேர்ப்பு வெப்பநிலையினால் இந்த நன்மையானது ஓரளவு குறைகிறது. எடுத்துக்காட்டுக்கு வாயு விசைச்சுழலிகள் 1500 °C என்ற அளவிலான விசையாழி உள்ளீட்டு வெப்பநிலைகளைக் கொண்டுள்ளன. இருப்பினும், உண்மையான பெரிய நீராவி சுழற்சிகள் மற்றும் தற்காலத்தின் பெரிய வாயு விசையாழி செயல்திறன்களும் முற்றிலும் ஒன்றாகவே உள்ளன.

ரேங்கின் சுழற்சியின் செயல்கள் 

ரேங்கின் சுழற்சியில் நான்கு செயல்கள் உள்ளன, வலப்புறமுள்ள விளக்கப்படத்தில் இந்த நிலைகள் எண்களால் குறிப்பிடப்பட்டுள்ளன.

 செயல் 1-2 : வேலை செய்யும் பாய்மமானது குறைந்த அழுத்தத்திலிருந்து அதிக அழுத்தத்திற்கு பம்பின் மூலம் மாற்றப்படுகிறது. இந்த நிலையிலேயே பாய்மமானது திரவ நிலையில் இருப்பதால் பம்ப்புக்கு குறைந்த அளவு ஆற்றலே தேவைப்படுகிறது.
 செயல் 2-3 : அதிக அழுத்த திரவமானது கொதிகலனுக்குச் செல்கிறது, அங்கு மாறா அழுத்தத்தில் ஒரு புற வெப்ப மூலத்தினால் வெப்பப்படுத்தப்பட்டு உலர்ந்த பூரித ஆவியாக மாறுகிறது.
 செயல் 3-4 : உலர்ந்த பூரித ஆவியானது ஒரு விசையாழியினூடே விரிவடைந்து மின்சாரத்தை உருவாக்குகிறது. இதனால் ஆவியின் வெப்பநிலையும் அழுத்தமும் குறைகிறது, மேலும் ஆவி சுருங்குதலும் ஏற்படலாம்.
 செயல் 4-1 : பின்னர் ஈரமான ஆவி, ஆவி சுருக்கியில் நுழைகிறது, அங்கு அது மாறா அழுத்தத்திலும் வெப்பநிலையிலும் சுருக்கப்பட்ட்டு பூரித திரவமாக மாறுகிறது. குளிர்விப்பு சுருள்களின் வெப்பநிலையின் காரணமாக, பாய்மம் நிலை மாறும் போது ஆவி சுருக்கியின் அழுத்தமும் வெப்பநிலையும் நிலையானதாக உள்ளன.

ஒரு இலட்சிய ரேங்கின் சுழற்சியில் பம்ப்பும் விசையாழியும் ஐசண்ட்ரோபிக்காகவும், அதாவது பம்ப்பும் விசையாழியும் இயல்பாற்றலை உருவாக்காது, இதனால் நிகர பணி வெளியீடு அதிகபட்சமானதாக இருக்கும். செயல்கள் 1-2 மற்றும் 3-4 ஆகியவை Ts விளக்கப்படத்திலுள்ள செங்குத்துக் கோடுகளால் குறிக்கப்படுகின்றன, மேலும் அவை கார்னட் சுழற்சியிலுள்ள கோடுகளை மிகவும் ஒத்துள்ளன. இங்கே சுட்டிக்காட்டப்பட்டுள்ள ரேங்கின் சுழற்சியானது, ஆவி விசையாழியில் விரிவடைந்த பின்னர் மிகை வெப்பப் பகுதிக்குள் செல்வதைத் தடுக்கிறது, இதனால் ஆவி சுருக்கிகளால் நீக்கப்படும் ஆற்றல் குறைகிறது.

மாறிகள்

சமன்பாடுகள் 
முதல் நான்கு சமன்பாடுகளின் ஒவ்வொன்றையும் கட்டுப்பாட்டு பருமனுக்காக ஆற்றல் மற்றும் நிறை சமநிலையிலிருந்து எளிதில் வருவிக்கலாம். ஐந்தாம் சமன்பாடு, வெப்ப இயக்கவியல் செயல்திறன் என்பது சுழற்சியின் நிகர திறன் வெளியீட்டிற்கும் வெப்ப உள்ளீட்டிற்கும் உள்ள விகிதம் என வரையறுக்கிறது. பம்ப்பு செய்ய வேண்டிய வேலையானது பெரும்பாலும் விசையாழியின் வேலை வெளியீட்டின் சுமார் 1% ஆகவே இருப்பதால், சமன்பாடு ஐந்தை இன்னும் எளிதாக்கலாம்.

மெய் ரேங்கின் சுழற்சி (கற்பனையல்லாதது) 

ஒரு மெய்யான ரேங்கின் சுழற்சியில், பம்ப்பில் நிகழ்வும் அழுத்துதல் மற்றும் விசையாழியில் நிகழும் விரிவாக்குதல் ஆகிய இரண்டும் ஐசெண்ட்ரோப்பிக் (இயல் வெப்பமாறா) நிகழ்வுகள் அல்ல. வேறு விதமாகக் கூறினால், இந்த செயல்கள் மீளா செயல்கள் ஆகும், அது மட்டுமின்றி இவ்விரண்டு செயல்களின்போதும் எண்ட்ரோபி அதிகரிக்கப்படுகிறது. இதனால் பம்ப்புக்குத் தேவையான திறன் ஓரளவு அதிகரிக்கிறது, மேலும் விசையாழி உற்பத்தி செய்யும் திறன் குறைகிறது.

குறிப்பாக நீராவி விசையாழியின் செயல்திறனானது நீர்த்துளிகள் உருவாக்கப்படும் அளவைப் பொறுத்து கட்டுப்படுத்தப்படும். நீரானது சுருங்கும்போது நீர்த்துளிகள் அதிக வேகத்தில் விசையாழியின் இறக்கைகளில் மோதி சிறு பள்ளங்களையும் அரிப்பையும் ஏற்படுத்துகின்றன, இதனால் விசையாழியின் இறக்கைகளின் ஆயுட்காலமும் விசையாழியின் செயல்திறனும் குறைகிறது. நீராவியை அதிவெப்பப்படுத்தலே இந்த சிக்கலைத் தீர்ப்பதற்கான மிக எளிதான வழியாகும். மேலே உள்ள Ts விளக்கப்படத்தில், மூன்றாம் நிலையானது நீராவி மற்றும் நீரின் இரு கட்டப் பகுதிக்கு மேலே உள்ளதால் விரிவாக்கத்திற்குப் பின்னர் நீராவி மிக ஈரமாக இருக்கும். அதிவெப்பப்படுத்தலின் மூலம் மூன்றாம் நிலையானது விளக்கப்படத்தின் வலப்புறம் செல்கிறது, இதனால் விரிவாக்கத்திற்குப் பின்னர் உலர்ந்த நீராவியை உருவாக்குகிறது.

அடிப்படை ரேங்கின் சுழற்சியின் மாற்றவகைகள் 

அந்த சுழற்சியின் சராசரி வெப்ப உள்ளீடு வெப்பநிலையை  அதிகரிப்பதன் மூலம் ஒட்டுமொத்த வெப்ப இயக்கவியல் செயல்திறனை (கிட்டத்தட்ட சுழற்சியினதும் ஆகும்) அதிகரிக்க முடியும். அதி வெப்பப் பகுதிக்கு நீராவியின் வெப்பநிலையை அதிகரிப்பதே இதைச் செய்வதற்கான எளிய வழியாகும். அடிப்படை ரேங்கின் சுழற்சியின் பல மாற்றவகைகளும் உள்ளன, இவ்வாறு சுழற்சியின் செயல்திறனை அதிகரிப்பதற்காக உருவாக்கப்பட்டவையாகும், அவற்றில் இரண்டு கீழே விவரிக்கப்படுகிறது.

மீண்டும் வெப்பப்படுத்தும் செயல் கொண்ட ரேங்கின் சுழற்சி 

இந்த வகையில், இரு விசையாழிகள் தொடர்ச்சியாக வேலை செய்கின்றன. முதல் விசையாழியானது அதிக அழுத்தத்திலுள்ள கொதிகலனிலிருந்து வரும் நீராவியை ஏற்கிறது. நீராவியானது இந்த முதல் விசையாழியில் செலுத்தப்பட்ட பின்னர் அது மீண்டும் கொதிகலனை அடைகிறது, குறைவான அழுத்தம் கொண்ட இரண்டாம் விசையாழிக்கு அனுப்பப்படும் முன்பு அங்கு மீண்டும் வெப்பப்படுத்தப்படுகிறது. ஆவி விரிவாகும் போது ஆவி சுருங்குவதால் விசையாழியின் இறக்கைகள் கடுமையாக சேதமடைகின்றன. இந்த வகையில் ஆவியின் இந்தச் சுருக்கம் தடுக்கப்படுவது இந்த மாற்றவகையின் பிற நன்மைகளில் முக்கியமானதாகும், மேலும் இந்த வெப்பநிலையிலேயே சுழற்சியின் பெரும்பாலான வெப்பம் உள்ளே பாய்கிறது என்பதால் இது சுழற்சியின் செயல்திறனை அதிகரிக்கிறது.

மறு உற்பத்தி கொண்ட ரேங்கின் சுழற்சி 

ஆவி சுருக்கியிலிருந்து (ஒரு துணைகுளிர்விக்கப்பட்ட திரவமாக இருக்க சாத்தியமுள்ளது) வெளிவந்த பிறகு வேலை செய்யும் பாய்மமானது சுழற்சியின் வெப்பப் பகுதியிலிருந்து செலுத்தப்படும் நீராவியால் வெப்பப்படுத்தப்படுவதால் இதற்கு மறு உற்பத்தி கொண்ட ரேங்கின் என்று பெயரிடப்பட்டது. இங்கு காண்பிக்கப்பட்டுள்ள விளக்கப்படத்தில் 2 இல் உள்ள பாய்மமானது 4 இல் (இரண்டும் ஒரே அழுத்தம் கொண்டவை) உள்ள பாய்மத்துடன் கலந்து இறுதியில் 7 இல் பூரிதமடைந்த திரவமாக வெளிவருகிறது. இது "நேரடித் தொடர்பு வெப்பப்படுத்தல்" என அழைக்கப்படுகிறது. மறு உற்பத்தி கொண்ட ரேங்கின் சுழற்சி (சிறு மாற்றங்களுடன்) மெய்யான மின் உற்பத்தி நிலையங்களில் பயன்படுகிறது.

மற்றொரு மாற்றவகை உள்ளது, அதில் விசையாழியின் நிலைகளுக்கிடையே 'கசியும் நீராவி', ஆவி சுருக்கியிலிருந்து கொதிகலனுக்குச் செல்லும் வழியில் முன்னதாக வெப்பப்படுத்துவதற்காக ஊட்டநீர் வெப்பப்படுத்திகளுக்கு செலுத்தப்படுகிறது. இந்த வெப்பப்படுத்திகள் உள்ளீட்டு நீராவியையும் ஆவி சுருக்க விளைபொருளையும் கலப்பதில்லை, மேலும் இது குழாய் வெப்பப் பரிமாற்றியைப் போலவே செயல்படுகின்றன. இவை "மூடிய ஊட்டநீர் வெப்பப்படுத்திகள்" என அழைக்கப்படுகின்றன.

இதிலுள்ள மறு உற்பத்தி அம்சங்கள், ஊட்டநீர் வெப்பப்படுத்தலில்லாத போது உள்ள ஒப்பீட்டில் குறைந்த ஊட்டநீர் வெப்பநிலைகளிலுள்ள கொதிகலன்/எரிபொருள் மூலத்திலிருந்து வெப்பம் சேர்த்தலைக் குறைப்பதன் மூலம், சராசரி சுழற்சி உள்ளீடு வெப்பநிலையை சிறப்பான அளவில் அதிகரிக்கின்றன. சுழற்சியில் வரும் பெரும்பாலான வெப்பம் அதிக வெப்பநிலையிலேயே ஏற்படுகிறது என்பதால் இது சுழற்சியின் செயல்திறனை மேம்படுத்துகிறது.

கரிம ரேங்கின் சுழற்சி 

கரிம ரேங்கின் சுழற்சியானது (ORC) நீர் மற்றும் நீராவி ஆகியவற்றுக்குப் பதிலாக n-பெண்ட்டேன் அல்லது டொலுவீன் போன்ற ஒரு கரிம பாய்மத்தைப் பயன்படுத்துகிறது. இதனால் பொதுவாக சுமார் 70–90 °C வெப்பநிலையில் செயல்படும் சூரிய சக்தி குளங்கள் போன்ற குறைந்த வெப்பநிலை வெப்ப மூலங்களைப் பயன்படுத்துவது சாத்தியமாகிறது . இந்தச் சுழற்சியின் செயல்திறனானது மிகவும் குறைவாக உள்ளது. இதன் குறைவான வெப்பநிலை வரம்பே இதற்கான காரணமாகும், ஆனால் இந்த குறைந்த வெப்பநிலையில் வெப்பத்தைச் சேகரிப்பதால் ஆகும் குறைந்த செலவினைப் பார்க்கும் போது இது மிகவும் சிறந்ததே ஆகும். மாற்றாக, நீரைவிட அதிக கொதிநிலை கொண்டுள்ள பாய்மங்களையும் பயன்படுத்தலாம், இதனால் வெப்ப இயக்கவியல் நன்மைகள் கிடைக்கலாம்.

ரேங்கின் சுழற்சியானது அதன் வரையறையில் வேலை செய்யும் பாய்மத்தைப் பற்றி கூறவில்லை, ஆகவே ஒரு "கரிம" சுழற்சியைச் சேர்ப்பதென்பது வெறுமென சந்தைப்படுத்தல் கருத்தே ஆகும், அதை தனியொரு வெப்ப இயக்கவியல் சுழற்சியாகக் கருதக்கூடாது.

குறிப்புதவிகள் 

 ^ வேன் வில்லென் (Van Wyllen) 'ஃபண்டமெண்ட்டல்ஸ் ஆஃப் தெர்மோடைனமிக்ஸ்' (Fundamentals of thermodynamics) ()
 மாரன் (Moran) & ஷேப்பிரோ (Shapiro) 'ஃபண்டமெண்ட்டல்ஸ் ஆஃப் எஞ்சினியரிங் தெர்மோடைனமிக்ஸ்' (Fundamentals of Engineering Thermodynamics) ()
 விக்கிபுக்ஸ் எஞ்சினியரிங் தெர்மோடைனமிக்ஸ் (Wikibooks Engineering Thermodynamics)

புற இணைப்புகள் 
 ஆர்கானிக் ரேங்கின் சைக்கிள் ஃபார் எலக்ட்ரிக் பவர் ஜெனரேஷன்
 ரேங்கின் சைக்கிள் ஆன்லைன் கால்குலேஷன்
 [http://www.cyclonepower.com சைக்ளோன் பவர் அனதர் கமர்ஷியல் இம்ப்ளிமெண்ட்டேஷன்

வெப்பவியக்கவியல் சுழற்சிகள்
கூகுள் தமிழாக்கம்-இயற்பியல்