তাপ ইঞ্জিন

তাপগতিবিদ্যায় তাপ ইঞ্জিনকে সাধারণত অটো চক্রের মতো কিছু আদর্শ প্রকৌশল মডেল হিসেবে ধরে নেয়া হয়। ইঞ্জিনের প্রকৃত ডেটা নিয়ে সেগুলো সংযোজন করে ও নির্দেশক চিত্রের মতো কিছু ধারণা ব্যবহার করে এই তাত্ত্বিক মডেলটিকে আরও পরিমার্জিত করা যায়। যেহেতু খুব কম তাপ ইঞ্জিনই সম্পূর্ণভাবে তাপগতীয় চক্র মেনে চলে তাই তাপগতীয় চক্র আসলে একটি আদর্শ যান্ত্রিক ইঞ্জিন। তবে একটি ইঞ্জিন ও তার কর্মদক্ষতা সম্পর্কে ভাল ধারণা পেতে হলে তার তাত্ত্বিক মডেলটি(হোক সেটি সরলীকৃত বা আদর্শ মডেল) ভাল করে বুঝতে হবে।

সাধারণত উষ্ণ তাপ উৎস ও শীতল তাপ গ্রাহক এর তাপমাত্রার পার্থক্য যত বেশি হবে, উক্ত চক্রের তাপীয় দক্ষতাও তত বেশি হবে। তাপ ইঞ্জিনের শীতল তাপাধারের তাপমাত্রার সাধারণত পরিবেশের তাপমাত্রার খুব কাছাকাছি থাকে, বা বেশিরভাগ ক্ষেত্রে তা ৩০০ কেলভিনের চেয়ে খুব বেশি কমতে পারে না। তাই তাপ ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতা বৃদ্ধির জন্য ইঞ্জিনের উপাদানের সহ্যক্ষমতা অনুসারে তাপ উৎসের তাপমাত্রা যতটা সম্ভব বৃদ্ধির জন্য চেষ্টা করা হয় । তাত্ত্বিকভাবে কোন তাপ ইঞ্জিনের সর্বাধিক কর্মদক্ষতা (যা কোনও ইঞ্জিন কখনই অর্জন করতে পারে না) উক্ত ইঞ্জিনের উষ্ণ তাপ উৎস ও শীতল তাপ গ্রাহক এর তাপমাত্রার পার্থক্যকে উষ্ণ তাপ উৎসের তাপমাত্রা দিয়ে ভাগ করলে পাওয়া যায় , যেখানে তাপমাত্রাগুলির একক পরম তাপমাত্রায়(কেলভিন) প্রকাশিত।

এখনকার ব্যবহৃত কিছু তাপ ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতার বিশাল পরিসর রয়েছে যেমন:

• সামুদ্রিক তাপশক্তি রূপান্তর (OTEC)এর মাধ্যমে সমুদ্র শক্তিকে ব্যবহারের করা যায় যেখানে কর্মদক্ষতা পাওয়া যায় ৩% (নিম্ন মানের তাপশক্তির ব্যবহার হয় বলে ৯৭% তাপ নষ্ট হয়))[4]
• বেশিরভাগ স্বয়ংকৃত গ্যাসোলিন ইঞ্জিনের জন্য ২৫% [5]
• এভেডোর শক্তি উৎপাদন কেন্দ্রের মতো সুপারক্রিটিকাল কয়লা চালিত শক্তি কেন্দ্রের জন্য ৪৯%
• বাষ্প দ্বারা শীতলকৃত সম্মিলিত চক্র গ্যাস টারবাইন এর জন্য ৬০%।[6]

এই প্রক্রিয়াগুলোর দক্ষতা সাধারণত প্রকিয়াগুলোর দু প্রান্তের তাপমাত্রার পার্থক্যের ওপর নির্ভর করে। বিভিন্ন সাহায্যকারী যন্ত্র যেমন পাম্প দ্বারা বেশিরভাগ শক্তি শোষিত হয়ে যায় যা ইঞ্জিনের দক্ষতাকে অনেক কমিয়ে দেয়।

কিছু চক্রের দহন প্রকোষ্ঠ প্রচলিত স্থানেই থাকলেও (অভ্যন্তরীণ বা বাহ্যিক) সেগুলি প্রায়ই অন্যগুলোর সাথে প্রয়োগ করা যেতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, জন এরিকসন [7] আগের ডিজেল চক্রের মতো একটি বাহ্যিকভাবে দহনকৃত তাপ ইঞ্জিন তৈরী করেছিলেন।।বাহ্যিকভাবে দহনকৃত ইঞ্জিনগুলি খোলা বা বদ্ধ চক্রেও মাঝেমাঝে প্রয়োগ করা যেতে পারে।

কোন তাপ ইঞ্জিন, প্রদত্ত শক্তির যত অংশ কাজে রূপান্তরিত করতে পারে তাকে ঐ তাপ ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতা বলে।

তাপগতিবিদ্যার সূত্র অনুসারে একটি সম্পূর্ণ চক্রের জন্য:

${\displaystyle W\ =\ Q_{c}\ -\ (-Q_{h})}$

যেখানে

${\displaystyle W=-\oint PdV}$ ইঞ্জিন থেকে নিষ্কাশিত কাজ। (ইঞ্জিন দ্বারা কাজ সম্পন্ন হওয়ায় এটি ঋণাত্মক। )

${\displaystyle Q_{h}=T_{h}\Delta S_{h}}$ উচ্চ তাপমাত্রার তাপ উৎস থেকে গৃহীত তাপ শক্তি। (তাপ উৎস থেকে গৃহীত হওয়ায় এটি ঋণাত্মক, যেহেতু ${\displaystyle (-Q_{h})}$ ধণাত্মক। )

${\displaystyle Q_{c}=T_{c}\Delta S_{c}}$ শীতল তাপগ্রাহকে সরবরাহ করা তাপ শক্তি। (যেহেতু তাপগ্রাহকে তাপ বর্জন করা হয় তাই এটি ধণাত্মক। )

অন্য কথায়, তাপ ইঞ্জিন উচ্চ তাপমাত্রার তাপ উৎস থেকে তাপ গ্রহণ করে, এর কিছু অংশ কাজে পরিণত করে ও বাকি অংশ কম তাপমাত্রার তাপ গ্রাহকে বর্জন করে।

সাধারণভাবে, কোন একটি তাপ সঞ্চালন প্রক্রিয়ার(রেফ্রিজারেটর, একটি তাপীয় পাম্প কিংবা একটি ইঞ্জিন যেকোনকিছুই হতে পারে) দক্ষতা বলতে উক্ত প্রক্রিয়ায় প্রাপ্ত শক্তি ও প্রদত্ত শক্তির অনুপাতকে বুঝায়।

ইঞ্জিনের ক্ষেত্রে, তাপশক্তি থেকে কাজ পাওয়াই থাকে মূল উদ্দেশ্য।

${\displaystyle \eta ={\frac {-W}{-Q_{h}}}={\frac {-Q_{h}-Q_{c}}{-Q_{h}}}=1-{\frac {Q_{c}}{-Q_{h}}}}$

যে কোনও তাপ ইঞ্জিনের তাত্ত্বিক সর্বাধিক দক্ষতা কেবলমাত্র ইঞ্জিনটি যে তাপমাত্রাদ্বয়ের মধ্যে কাজ করে তার উপর নির্ভর করে। কার্নোর তাপ ইঞ্জিনের মতো আদর্শ কাল্পনিক তাপ ইঞ্জিন ব্যবহার করে এই দক্ষতার মান বের করা যায়, যদিও বিভিন্ন চক্র ব্যবহার করে অন্যান্য ইঞ্জিনগুলিও সর্বোচ্চ দক্ষতা অর্জন করতে পারে। গাণিতিকভাবে, যেহেতু প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়ার ক্ষেত্রে, শীতল তাপাধারের এনট্রপির পরিবর্তন হ'ল উষ্ণ তাপাধারের এন্ট্রপির পরিবর্তনের ঋণাত্মক (অর্থাৎ ${\displaystyle \Delta S_{c}=-\Delta S_{h}}$ ), তাই এন্ট্রপির সামগ্রিক পরিবর্তন শূন্য হয়। অর্থাৎ:

${\displaystyle \eta _{\text{max}}=1-{\frac {T_{c}\Delta S_{c}}{-T_{h}\Delta S_{h}}}=1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$

যেখানে ${\displaystyle T_{h}}$ হল উষ্ণ তাপ উৎসের পরম তাপমাত্রা এবং ${\displaystyle T_{c}}$ হলকেলভিন শীতল তাপগ্রাহকের তাপমাত্রা, সাধারণত এই তাপমাত্রাগুলো কেলভিন এ পরিমাপ করা হয়। এখানে লক্ষ্যণীয় যে যখন ${\displaystyle dS_{h}}$ এর মান ঋণাত্মক, ${\displaystyle dS_{c}}$ এর মান তখন ধণাত্মক হয়; যে কোনও প্রত্যাবর্তী প্রক্রিয়াতে, এনট্রপির মান সামগ্রিকভাবে বৃদ্ধি হয় না, বরং একটি উষ্ণ (উচ্চ-এনট্রপি) সিস্টেম থেকে শীতল (নিম্ন-এনট্রপি) সিস্টেমে স্থানান্তরিত হয়, যার ফলে তাপ উৎসের এন্ট্রপি হ্রাস পায় ও তাপ গ্রাহকের এন্ট্রপই বৃদ্ধি পায়।

সর্বাধিক দক্ষতার অর্জনের জন্য যে কারণ রয়েছে তা নিচে উল্লেখ করা হলো। প্রথমে ধরে নেয়া হয় যে কোন ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতা কার্নোর ইঞ্জিনের চেয়ে বেশি হলে তাকে তাপীয় পাম্প হিসেবেও ব্যবহার করা যেতে পারে।। গাণিতিক বিশ্লেষণের মাধ্যমে দেখা যায় যে এর ফলে এনট্রপির মান হ্রাস পায়।কিন্তু যেহেতু তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র অনুসারে এটি পরিসংখ্যানগতভাবে অসম্ভব, তাই বলা যায় যে কার্নোর দক্ষতাই হল তাত্ত্বিকভাবে কোন তাপগতীয় চক্রের সর্বোচ্চ কর্মদক্ষতার মান।

অভিজ্ঞতার আলোকে বলা যায় যে এখন পর্যন্ত এমন কোন তাপ ইঞ্জিন পাওয়া যায় নি যা কার্নোর তাপ ইঞ্জিনের চেয়ে বেশি কর্মদক্ষতা প্রদর্শন করেছে।

চিত্র ২ এবং চিত্র ৩ এ কার্নোর চক্রের কর্মদক্ষতার ক্রমাগত পরিবর্তন দেখা যায়। স্থির কম্প্রেসর তাপমাত্রার জন্য তাপ প্রদানের ফলে তাপমাত্রার বৃদ্ধির সাথে কর্মদক্ষতা কীভাবে পরিবর্তিত হয় তা চিত্র ২ দ্বারা নির্দেশিত হয় । চিত্র 3 নির্দেশ করে যে স্থির টারবাইন তাপমাত্রার জন্য তাপ গ্রাহকে বর্জিত তাপের জন্য তাপ গ্রাহকের তাপমাত্রায় বৃদ্ধির সাথে দক্ষতা কীভাবে পরিবর্তিত হয়।

চিত্র 2: তাপ উৎসের তাপমাত্রা পরিবর্তনের সাথে কার্নো চক্রের দক্ষতার পরিবর্তন।

চিত্র 3: তাপগ্রাহকের তাপমাত্রা পরিবর্তনের সাথে কার্নোর চক্রের কর্মদক্ষতার পরিবর্তন

এন্ডো-রিভারসিবল তাপ-ইঞ্জিন

যেকোন সর্বোচ্চদক্ষতাসম্পন্ন কার্নোর চক্রকে অবশ্যই অতিক্ষুদ্র তাপমাত্রা ব্যবধানে পরিচালিত হতে হবে; এর কারণ হ'ল যেকোন দুটি ভিন্ন তাপমাত্রার বস্তুর মধ্যে তাপ সঞ্চালন হল অপ্রত্যাবর্তী, তাই কার্নোর ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতার সমীকরণটি কেবল অতিক্ষুদ্র ব্যবধানের জন্য প্রযোজ্য। কিন্তু বাস্তবে তাপ ইঞ্জিনগুলোর উদ্দেশ্য কেবল শক্তি উৎপাদন করা ,অতিক্ষুদ্র আউটপুট শক্তি খুব কমই চাওয়া হয়।

এন্ডোরিভারসিবল তাপগতিবিদ্যা অনুসারে আদর্শ তাপ-ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতার পরিমাপের জন্য আরেকটি সমীকরণ পাওয়া যায়, যেখানে ইঞ্জিনের তাপীয় চক্রটি কার্নোর চক্রের সমতুল্য, পার্থক্য কেবল এই চক্রের প্রক্রিয়াসমূহ অপ্রত্যাবর্তী(কলেন 1985):

${\displaystyle \eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}}$ (দ্রষ্টব্য: একক K বা °R )

বাস্তবে তাপ ইঞ্জিনগুলো কত ভাল কাজ করবে তা এই মডেলটির সাহায্যে বেশ ভাল অনুমান করা যায়। (কলেন 1985, এন্ডোরিভারসিবল তাপগতিবিদ্যা দেখুন ):

বিদ্যুৎ উৎপাদন কেন্দ্রগুলির দক্ষতা [13]

শক্তি উৎপাদন কেন্দ্র	${\displaystyle T_{c}}$ (ডিগ্রি সেন্টিগ্রেড)	${\displaystyle T_{h}}$ (ডিগ্রি সেন্টিগ্রেড)	${\displaystyle \eta }$ (কার্নো)	${\displaystyle \eta }$ (এন্ডোরিভারসিবল)	${\displaystyle \eta }$ (পরীক্ষালব্ধ)
পশ্চিম থারক (যুক্তরাজ্য) কয়লাভিত্তিক বিদ্যুৎ কেন্দ্র	25	565	0.64	0.40	0.36
ক্যান্ডু (কানাডা) পারমাণবিক বিদ্যুৎ কেন্দ্র	25	300	0.48	0.28	0.30
লার্ডেরেলো (ইতালি) ভূতাত্ত্বিক বিদ্যুৎ কেন্দ্র	80	250	0.33	0.178	0.16

উক্ত সারণি অনুসারে দেখা যায় যে এন্ডোরিভার্সিবল কর্মদক্ষতার মান পরীক্ষালব্ধ মানের সবচেয়ে কাছাকাছি।

প্রাচীনকাল থেকেই মানুষের তাপ ইঞ্জিন সম্পর্কে ধারণা ছিল, তবে অষ্টাদশ শতাব্দীতে শিল্প বিপ্লবের সময়ই এটি একটি প্রয়োজনীয় যন্ত্র হিসেবে তৈরি হয়েছিল। আজ পর্যন্ত এর বিকাশ অব্যাহত রয়েছে।

কোন তাপ ইঞ্জিনের কর্মদক্ষতা বৃদ্ধির জন্য প্রকৌশলীগণ বিভিন্ন ধরনের তাপ ইঞ্জিন পর্যালোচলা করেছেন। কোন গ্যাস ভিত্তিক তাপ ইঞ্জিনই কার্নোর ইঞ্জিনের দক্ষতার সীমা অতিক্রম করতে পারবে না, কিন্তু প্রকৌশলীগণ অন্তত দুটি উপায় খুঁজে পেয়েছেন যাতে করে তাপ ইঞ্জিনগুলো এই সীমা অতিক্রম করতে পারে এবং সকল নিয়ম রক্ষা করেই আরও বেশি কর্মদক্ষ হতে পারে। এগুলো হল:

1. তাপ ইঞ্জিনে তাপমাত্রার ব্যাবধান বাড়িয়ে। সবচেয়ে সহজ উপায় হল উষ্ণ অংশের তাপমাত্রা বৃদ্ধি করা যা বর্তমানের আধুনিক সংযুক্ত চক্র গ্যাস টারবাইনগুলিতে করা হচ্ছে। দুর্ভাগ্যজনকভাবে কিছু গাঠনিক সীমাবদ্ধতা(যেমন ইঞ্জিনে ব্যবহৃত পদার্থের গলনাঙ্ক) এবং পরিবেশের কথা চিন্তা করে (যেমন NO_xউৎপন্ন হতে পারে) তাপ ইঞ্জিনসমূহের সর্বোচ্চ কার্যকর তাপমাত্রা একটা নির্দিষ্ট সীমার ভেতরে থাকে। NO_x এর উৎপাদন গ্রহণযোগ্য সীমার ভেতর রেখে আধুনিক গ্যাস টারবাইনগুলো সর্বোচ্চ সম্ভবপর তাপমাত্রায় পরিচালিত হচ্ছে। দক্ষতা বৃদ্ধির আরেকটি উপায় হল আউটপুটের তাপমাত্রা কমানো। এটি করার একটি উপায় হল কার্যনির্বাহী পদার্থ হিসেবে মিশ্র রাসায়নিক প্রবাহী ব্যবহার করা যার পরিবর্তনীয় বৈশিষ্ট্যকে এ কাজে লাগানো যায়। এধরনের বিখ্যাত চক্রগুলির মধ্যে একটি হ'ল ক্যালিনা চক্র, যা কার্যনির্বাহী পদার্থ হিসেবে অ্যামোনিয়া এবং জলের একটি ৭০/৩০ অনুপাতের মিশ্রণ ব্যবহার করে। এই মিশ্রণটি চক্রটিকে অন্যান্য প্রক্রিয়ার তুলনায় যথেষ্ট কম তাপমাত্রায় দরকারী শক্তি উৎপাদন করতে সাহায্য করে।
2. কার্যনির্বাহী পদার্থের গাঠনিক বৈশিষ্ট্যগুলি কাজে লাগানো হয়। যেমন ক্রান্তিবিন্দুর ওপরে পানিকে এবং অতিক্রান্তীয় বাষ্পকে এ ক্ষেত্রে কাজে লাগানো যায়। ক্রান্তিবিন্দুর ওপরে প্রবাহী পদার্থের বৈশিষ্ট্য আমূল পরিবর্তিত হয় এবং জল ও কার্বন ডাই অক্সাইডের মতো পদার্থের এই আচরণগত পরিবর্তনকে কাজে লাগিয়ে তাপ ইঞ্জিন থেকে অধিক তাপগতীয় দক্ষতা অর্জন করা সম্ভব হয়, এমনকি যদি এটি মোটামুটি প্রচলিত ব্রেটন বা র‌্যাঙ্কিন চক্র ব্যবহার করে তবুও। এই জাতীয় প্রয়োগের জন্য একটি নতুন এবং খুব আশাব্যঞ্জক উপাদান হ'ল CO₂। SO₂ এবং জেনন কেও এ জাতীয় প্রয়োগের জন্য বিবেচনা করা যায়, যদিও জেনন বিষাক্ত।
3. কার্যনির্বাহী পদার্থের রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যগুলি কাজে লাগানো হয়। কার্যনির্বাহী পদার্থের সুবিধাজনক রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য গুলিকে কাজে লাগানো হয়। যেমন নাইট্রোজেন ডাইঅক্সাইড (NO₂)_, ধোঁয়াযুক্ত একটি বিষাক্ত উপাদান, ডাই-নাইট্রোজেন টেট্রা অক্সাইড হিসাবে(N₂O₄) প্রকৃতিতে যার একটি ডাইমার রয়েছে । কম তাপমাত্রায় N₂O₄ কে সংকুচিত করা হয় এবং তারপরে তাপ দেয়া হয়। ক্রমবর্ধমান তাপমাত্রার ফলে প্রতিটি N₂O₄ দুটি NO₂ অণুতে বিচ্ছিন্ন হয়ে যায়। এটি কার্যনির্বাহী পদার্থের আণবিক ভর হ্রাস করে, যা চক্রের কার্যক্ষমতা অনেকাংশে বৃদ্ধি করে। একবার NO₂ টারবাইন দিয়ে প্রসারিত হয়ে গেলে তা তাপ গ্রাহক এর মাধ্যমে শীতল করা হয়, যার ফলে এরা নিজেরা যুক্ত হয়ে পুনরায় N₂O₄ তৈরী করে। তারপর এটি অন্য চক্রের জন্য কম্প্রেসর দ্বারা পুনরায় ব্যবহার করা হয়। অ্যালুমিনিয়াম ব্রোমাইড (Al₂Br₆), NOCl এবং Ga₂I₆ এই জাতীয় কিছু যৌগ এ কাজে ব্যবহার করা যায় বলে গবেষণা করে বের করা হয়েছে। আজ অবধি, এগুলোর কোন অপূর্ণতা এদের ব্যবহারে বাধা হতে পারেনি, যদিও কর্মদক্ষতা বৃদ্ধির বিষয়টি পরিষ্কার। [14]

টেমপ্লেট:Table of thermodynamic cycles টেমপ্লেট:Table of thermodynamic cyclesটেমপ্লেট:Table of thermodynamic cyclesটেমপ্লেট:Table of thermodynamic cyclesটেমপ্লেট:Table of thermodynamic cycles

প্রতিটি প্রক্রিয়া নিম্নলিখিতগুলির মধ্যে একটি:

• সমোষ্ণ (ধ্রুব তাপমাত্রায়, তাপ উৎসে তাপ প্রদান ও তাপগ্রাহক থেকে তাপ গ্রহণের মাধ্যমে পরিচালনা করা হয়)
• সমচাপীয় (ধ্রুব চাপে)
• আইসোমেট্রিক / আইসোকরিক (ধ্রুব আয়তন), এছাড়াও সময়ায়তন হিসাবে পরিচিত
• রুদ্ধতাপীয় (রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়া চলাকালীন কোনও তাপই সিস্টেম থেকে গ্রহণ বা বর্জন করা হয় না)
• সমএন্ট্রপিক (প্রত্যাগামী রুদ্ধতাপীয় প্রক্রিয়া, সমএন্ট্রপিক প্রক্রিয়া চলাকালীন কোনও তাপ গ্রহণ বা বর্জন হয় না)

তাপ ইঞ্জিনসমূহের কর্মদক্ষতা সর্বাধিক করাই বর্তমান আধুনিক বিশ্বের লক্ষ্য। কার্নোর চক্র অনুসারে সর্বাধিক কর্মদক্ষতা পাওয়া গেলেও সেটি আদতে একটি তাত্ত্বিক ধারণা। যদি কোনভাবে আউটপুট তাপ কে সংরক্ষণ করা যেত তাহলে শতভাগ কর্মদক্ষতা অর্জিত হতে পারত। কিন্তু যেহেতু চক্রটিকে আবার তার পূর্বাবস্থায় ফিরে আসতে হবে তাই এমন একটি তাপগ্রাহকে তাপ বর্জন করতে হবে যার তাপমাত্রা তাপ উৎস থেকে কম। তাই কোনভাবেই আউটপুট তাপকে সংরক্ষণ করা যায় না।

• আইনস্টাইন ফ্রিজ
• তাপ পাম্প
• রিসিপ্রোকেটিং ইঞ্জিন পিস্টন ইঞ্জিন বলবিদ্যার একটি সাধারণ বর্ণনার জন্য
• থার্মোসিন্থেসিস
• তাপ ইঞ্জিন প্রযুক্তির টাইমলাইন

 ১. Thermodynamics An Engineering Approach, by Yunus A. Cengel and Michael Boles.

• Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (১৯৮০)। Thermal Physics (2nd সংস্করণ)। W. H. Freeman Company। আইএসবিএন 0-7167-1088-9।
• Callen, Herbert B. (১৯৮৫)। Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics (2nd সংস্করণ)। John Wiley & Sons, Inc.। আইএসবিএন 0-471-86256-8।