Obiectul - Acasafranciscpopescu.weebly.com/uploads/2/0/4/5/20453993/... · studiază...

PRINCIPIUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temperatura

PRINCIPIUL ZERO. TEMPERATURA Sl.dr.ing.Popescu Francisc

Termotehnica sau termodinamica tehnică este disciplina care studiază procesele ce se desfăşoară în maşinile şi instalaţiile termice, procese în care transferul de energie între corpuri se face sub formă de căldură şi lucru mecanic.Termodinamica studiază proprietăţile fizice ale corpurilor din natură generate de mişcarea moleculară internă, precum şi fenomenele macroscopice care conduc la modificări cantitative ale acestor proprietăţi.

•metoda fenomenologică

porneşte de la analiza proceselor din natură şi cercetează fenomenele generale ale sistemelor fizice în condiţii de echilibru. Această metodă se utilizează pentru studiul sistemelor formate dintr-un număr finit de corpuri. Termodinamica fenomenologică are la bază două legi generale (principiile I şi II ale termodinamicii) şi foloseşte pe scară largă rezultatele cercetărilor experimentale. Ea rezolvă numeroase probleme practice importante, dar nu permite explicarea naturii intime a fenomenelor studiate;•metoda statistică completează metoda fenomenologică, luând în considerare ipoteze asupra structurii moleculare a corpurilor şi asupra mecanismului proceselor la nivel microscopic.

Obiectul

…



Istoric

…

Termodinamica

este

o ramura

a

fizicii

şi chimiei, care in sec. XVII -

XVIII

încerca să se constituie ca disciplina

deosebita

din

cadrul general al ştiinţelor naturii, era dominata

de conceptul de caloric, moştenit de la grecii antici şi perpetuat în Evul Mediu, numit în limbajul de toată ziua căldură. Aceasta era imaginată ca o substanţă fluidă, imponderabilă, dar uşor penetrantă în corpuri, în stare de cauzalitate cu toate fenomenele termice din natură. Noţiunea de caloric cuprindea noţiunile, distincte astăzi de energie internă (entalpie)

şi

căldură propriu-zisă.



Apariţia în anul 1824 a lucrării “Réflexion

sur la puissance

motrice de feu

sur les

machines

propres

a

développer

cette

puissance”

(Reflexii asupra puterii motrice a focului şi a maşinilor capabile să dezvolte

această putere), concepută de inginerul militar Nicolas Léonard

Sadi

Carnot

i-a adus autorului renume.

N.L.S.Carnot



Primele maşini mecanice care au uşurat munca omului au folosit ca sursa primară de energie combustibilul, care prin ardere, a eliberat energia termică, care apoi era transformată în energie mecanică. Astfel au fost inventate maşinile cu abur (Thomas

Newcomen,

1705, James

Watt 1784), care au dominat până în secolul 20. Bazele teoretice ale acestor aplicaţii practice au fost puse, sub forma Principiului doi al termodinamicii de abia de câtre savantului Carnot, preocupat de a elucida întrebarea legată de câtă parte din căldură se poate transforma în lucru mecanic şi care sunt condiţiile care fac posibilă această transformare. În acest scop, Carnot

a conceput un ciclu

termodinamic ideal reversibil, care îi poartă numele.



Echivalenţa dintre căldură şi lucru mecanic, ca forme de energie, adică Principiul întâi al termodinamicii, a fost enunţat de către Robert Julius

Mayer (1842). El a calculat echivalentul mecanic al căldurii, care aproape concomitent a fost verificat experimental de James

Prescott

Joule (1843-48).

Astfel s-a renunţat la învechita noţiune de caloricum, s-a conturat mai clar noţiuninea de căldură şi s-a pregătit definirea ulterioară a noţiunii de energie internă.

R..J.MayerJ.P. Joule



A început să se dezvolte o nouă concepţie asupra căldurii, enunţându-se teoria mecanică a căldurii. Se atribuie materiei un caracter discret, particulele componente fiind moleculele şi atomii. Caracterul corpuscular al materiei şi agitaţia haotică a entităţilor microscopice fusese intuită încă din secolul XVIII, dar verificarea prezumţiilor s-a făcut doar de către Avogadro şi Brown, care au conceput astfel teoria cinetică a căldurii.



Bazându-se pe descoperirile predecesorilor, în 1850, Rudolf

Julius

Emanuel Clausius

reformulează principiile unu şi doi şi introduce noţiunea de entropie (1865), care va revoluţiona termodinamica. Astfel s-au pus bazele termodinamicii fenomenologice, care apoi a fost completată prin studiul experimental şi în parte teoretic al proprietăţilor termodinamice ale substanţelor. Tot Clausius

concepe, în 1856,

teoria termoelectricităţii.



Independent, William

Thomson (Lord

Kelvin) publică în 1851 o teorie legată de degradarea energiei prin disipare şi producerea unor fenomene ireversibile. Savantul este cunoscut şi ca şi creator al scării termodinamice universale de temperatură ce-i poartă numele.



Nu se poate însă încheia lista savanţilor care şi-au adus o contribuţie esenţială la dezvoltarea termodinamicii în a doua treime a secolului 19, fără a-l aminti şi pe William

John

MacQuorn

Rankine, un

inginer scoţian, care a conceput ciclul termodinamic cu vapori ce-i poartă numele, prin care se produce energia mecanică din energie termică. Clausius

şi-a

adus şi el contribuţia la studiul acestui ciclu şi a instalaţiei complexe aferente, centrala termică cu vapori.



Tot cam din aceeaşi perioadă datează şi un alt ciclu termodinamic remarcabil, şi anume cilul motorului cu ardere explozivă. Teoretic studiat de Beau de Rochas (1862), a fost materializat de către Nicolaus

Otto

(1876). Deşi avea iniţial pregătire de comerciant, împreună cu Eugen Langen

înfiinţează

la Deutz, lângă Köln, fabrica în care îşi va concepe patentul, motorul Otto

în patru timpi, cu aprindere

prin scânteie.



Motorul cu aprindere prin compresie a fost dezvoltat în ultimii ani ai secolului. Inginerul Rudolf

Diesel, îndemnat de profesorul său de la

Universitatea Tehnică din München

Carl

Linde, încearcă să materializeze ciclul cunoscut Carnot. Reuşeşte însă să producă un alt tip de cilul, cunoscut ulterior ca şi cilul diesel (1897), şi să-l introducă în fabricaţie curentă la Augsburg

şi Nürnberg

(MAN).



Având în vedere că exista o fundamentare teoretică evoluată, au fost posibile şi alte invenţii. Turbina cu abur a fost realizată de Gustav

Patrik

de

Laval

(1889), iar la scurt timp (1897) apare şi turbina cu gaze.



Richard

Molier

(1863 -

1935) va deveni

cunoscut în special datorită diagramei entalpie - entropie pentru apă, în baza căreia generaţii întregi de ingineri au putut proiecta procesele termodinamice ale maşinilor cu abur.


PRIMUL ZERO AL TERMODINAMICII. Temperatura

Se consideră două sisteme A şi B separate între ele printr-un perete adiabat, dar fiecare dintre ele aflându-se în contact cu un al treilea sistem C, prin intermediul unor pereţi diatermi, întregul ansamblu este înconjurat de un perete adiabat, ca în figura. În această figura între sistemele A şi B nu poate avea loc un transfer de căldură, în timp ce între sistemele A şi C pe de o parte, şi B şi C pe de altă parte este permis schimbul de căldură.Experienţa arată că cele două sisteme A şi B vor atinge echilibrul termic cu al treilea sistem C şi că nu va apărea nici o modificare în continuare, în starea acestora, chiar dacă peretele adiabat

este înlocuit cu un perete diaterm

Două sisteme aflate în echilibru termic cu un al treilea se află în echilibru termic şi între ele.

Acest postulat este numit principiul zero al termodinamicii

şi a fost enunţat de către J.C.Maxwell

în anul 1891. Acest principiu a apărut în urma celor două principii I şi II ale termodinamicii.



Se poate spune că însăşi sistemele aflate în aceste stări posedă o proprietate care asigură că ele să fie în echilibru termic unele cu altele. Această proprietate se numeşte temperatura. Temperatura unui sistem este proprietatea care determină dacă un sistem se află în echilibru termic cu alte sisteme.Deci temperatura este parametrul de echilibru al energiei termice sau potenţialul energiei termice. Dar în acelaşi timp, temperatura caracterizează gradul de încălzire al unui corp, care este o măsură a energiei interne a sistemului.

Măsurarea

temperaturii

Măsurarea temperaturii se face pe cale indirectă, utilizând proprietăţi ale unui corp care variază univoc cu temperatura, cum sunt: dilatarea, variaţia rezistenţei electrice a unui conductor cu temperatura, fenomenul termoelectric, efectul de radiaţie, schimbarea culorii unor lacuri în funcţie de temperatură, într-un cuvânt fenomene termometrice.

punctul de topire a gheţii şi punctul de fierbere a apei la presiune atmosferică normală:t1 = 0°C t2 = 100°C la scara Celsius

temperatura minimă a iernii şi temperatura corpului uman:t1 = 0°F t2 = 100°F la scara FahrenheitPentru punctele fixe adoptate la scara Celsius

corespund valorile t1 = 32°F şi t2 = 212°F



Există deci în natură o limită inferioară a temperaturii care poartă numele de zero absolut. Scara de temperatură a gazului perfect socotită de la punctul de zero absolut se numeşte scara absolută a gazului perfect sau scara Kelvin (unitatea de măsură a temperaturii este în acest caz un grad Kelvin -

K).Din modul de definire a scării Kelvin şi a scării Celsius rezultă că unitatea de măsură a celor două scări este aceeaşi; diferenţa dintre cele două scări constă doar în alegerea originii scării. Legătura dintre temperatura exprimată în grade Kelvin pe care o vom nota cu T

şi temperatura exprimată în grade Celsius

t este dată de relaţia:

15,273 tT [K]Pentru măsurarea temperaturii se folosesc următoarele aparate:termometre de sticlă cu lichid;termometre manometrice;termometre cu rezistenţă electrică;termocupluri;pirometre de radiaţie.

1

A B

C

D2' 2"

3

4

5

PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII Sl.dr.ing.Popescu Francisc

PRIMUL PRINCIPIU AL TERMODINAMICII

Energia

unui sistem fizic se defineşte ca fiind capacitatea acestuia de a efectua lucrul mecanic când trece printr-o transformare dintr-o stare în alta. Prin capacitatea unui sistem de a produce lucru mecanic se înţelege suma echivalenţilor în lucru mecanic a tuturor acţiunilor externe, pe care le are sistemul fizic în cursul transformării prin care trece între cele două stări.

Energia totală a unui sistem cuprinde energia externă

şi energia internă. Energia externă reprezintă energia de interacţiune a unui sistem cu exteriorul şi cuprinde energia cinetică Ec şi energia potenţială Ep.Energia internă

U a unui sistem reprezintă partea din energia totală a sistemului, care depinde exclusiv de mărimile de stare interne ale acestuia(temperatura).

UEEE pc UmghmwE 2

2

unde m

este masa sistemului [kg], viteza w

şi înălţimea h

faţă de un nivel de referinţă.Energia este o mărime de stare extensivă şi putem folosi energia masică:

ughwmEe

2

2

12 UUU



Căldura

este energia schimbată de un sistem cu mediul exterior în cursul unei interacţiuni evidenţiată prin modificarea temperaturii sistemului. Pentru o variaţie infinit mică, valoarea căldurii elementare schimbate este proporţională cu aceasta:

dTCdQ unde C este factor de proporţionalitate numit capacitate termică, care reprezintă căldura primită sau cedată de corp corespunzător unei variaţii de temperatură, fără ca aceasta să-şi schimbe starea de agregare sau fazadTcmdQ

Lucrul mecanic este energia schimbată de un sistem cu mediul exterior în cursul unei interacţiuni mecanice, ca efect al exercitării unor forţe exterioare.

xFL Lucrul mecanic exterior(al transformării)

∆U > 0 ∆U > 0 ∆U < 0

dxApdxFdL

2

112

12 pdvmLl



Lucrul mecanic de dislocare(de deplasare)Lucrul mecanic de dislocare măsoară energia schimbată între mediul exterior şi sistemul termodinamic, atunci când între acestea există interacţiune prin transfer de masă, adică sistemul este deschis.

pm,V

x xI II

pm,V

I II

1 2

pvmpVld

2

1 1122 vpvppvd

Lucrul mecanic tehnicLucrul mecanic total produs de sistem include atât lucrurile mecanice de deplasare, cat şi lucrul mecanic al transformării suferite în maşina termică şi poartă numele de lucru mecanic tehnic

)( 11221212 VpVpLLt



Formulările primului principiu al termodinamicii

1.Nu se poate realiza o maşină termică care să producă lucrul mecanic fără a consuma o cantitate echivalentă de căldură.

O astfel de maşină care ar produce lucru mecanic continuu fără să consume căldură în cantitate echivalentă a primit numele de perpetuum

mobile de ordinul I(sau de speţa I).2.Perpetuum

mobile de speţa I este imposibil.3.Căldura se poate transforma în lucru mecanic sau poate fi obţinută prin transformarea lucrului mecanic întotdeauna cu respectarea raportului de echivalenţă:1 Kcal = 427 Kgfm4.Nu se poate realiza o maşină care să producă energie de o anumită formă fără a consuma o cantitate echivalentă de energie de o altă formă. Acest enunţ afirmă de fapt imposibilitatea creării energiei.5.Nu se poate realiza o maşină care să consume energie fără a ceda în exterior o cantitate echivalentă de altă formă de energie.

Acest enunţ afirmă imposibilitatea distrugerii sau dispariţiei energiei.



Automobil Chimică → Mişcare

(cinetică)

Centrală

/ boiler Chimică → Căldură

(termică)

Hydroelectrică Gravitaţie

→ Electrică

Solară Optică → Electrică

Bateria Chimică → Electrică

Mâncare Chimică → Căldură, Cinetică

Fotosinteza Optică → Chimică

Exemple

comune

de conversie

a energiei



Entalpia

Entalpia este mărimea de stare care caracterizează nivelul energetic al unui sistem termodinamic. Ea se notează cu I

sau H

şi este definită prin relaţia:

pVUI reprezentată prin suma dintre energia internă U

şi lucrul mecanic de deplasare pV

pvui

pVddUdI Entalpia este o mărime de stare extensivă, care are un rol important în termodinamică, deoarece transformările din maşinile termice au un caracter continuu şi de durată, ceea ce necesită o circulaţie continuă sau intermitentă a agentului de lucru prin sistem



Exprimarea matematică pentru sisteme închise

121212 LQUU

121212 lquu

pdvdqdldqdu

VdpdIdLdIdQpdVdUdLdUdQ

t



Exprimarea matematică pentru sisteme deschise

1

2

h1

h2

p1, V1, T1

w1

1

M.T

Q12

Lt12

w2

p2,V2,T2

2

Pentru sistemul termodinamic deschis principiul conservării energiei se scrie:

Se consideră o maşină termică ca sistem deschis, deoarece prin maşină trece în permanenţă un fluid de lucru

sEEE 12

În perioada proceselor suferite de maşina termică, agentul termic schimbă căldură termică Q12 cu mediul exterior, iar în cursul evoluţiei sale agentul termic efectuează lucru mecanic tehnic Lt12. Ca urmare Es

va fi egal cu

22111212 vpvpLQE ts

12121111

21

2222

22

22 tLQvpughwvpughwm



12

21

22

121212 2hhmgwwmIILQ t

12

21

22

121212 2hhg

wwiilq t

Relaţia reprezintă expresia

matematica

a principiului I al termodinamici, pentru sisteme deschiseFormele particulare

procese de curgere cu schimb de căldură

2

21

22

1212wwmiiq

procese de curgere adiabatice

02

21

22

12

wwii

proces de lucru adiabatic

2112 iilt

GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE. Sl.dr.ing.Popescu Francisc

GAZE PERFECTE. TRANSFORMARI SIMPLE

Legile gazului perfect

Gazele au o importanţă deosebită în termotehnică, deoarece marea lor compresibilitate permite transformarea uşoară a energiei termice în energie mecanică. Ele se deosebesc unele de altele prin:•

număr de atomi în moleculă;•

natura interacţiunilor dintre molecule;•

coeficienţi de dilatare şi de tensiune;•

capacităţi termice masice

gazul ideal sau gazul perfect se caracterizează prin lipsa forţelor de coeziune şi printr-un coeficient de dilatare

constant



constpv 1

2

2

1

pp

VV

Legea Boyle-Mariotte.

Boyle(1662) şi mai târziu Mariotte(1676) au găsit pe cale experimentală, că dacă un gaz este supus unei comprimări la temperatură constantă, volumele variază invers proporţional presiunilor, adică:

Robert Boyle

Filosof, chimist, inventator

http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Boyle



tVV 00 1

15,273/1

2121 // TTVV

Legea Gay-Lussac. Încălzind diferite gaze la presiune constantă, Gay-Lussac(1802) a constatat că acestea se dilată cu aceeaşi fracţiune din volumul iniţial dacă temperatura lor creşte cu aceeaşi valoare. Dacă se notează cu V0

volumul uni gaz la temperatura de 0°C, volumul V al gazului la temperatura t°C este

Gay-Lussac a găsit că pentru toate gazele valoarea coeficientului de dilatare volumică

este

ţinând cont de acest coeficient şi că volumele V1

şi V2 sunt volume corespunzătoare temperaturilor t1

şi t2

la presiunea dată se obţine următoarea relaţie a legii Gay-Lussac:

Chimist

si

fizician, pe

baza

experimentelor

lui

cu amestecuri

apa-alcool, si

astazi, se foloseste

unitatea

ABV (Alcohol by volume) la nivel

global

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/2/2f/Gaylussac.jpg



Legea lui Avogadro. Conform legii lui Avogadro volum egal de gaze diferite, care se află la aceeaşi presiune şi temperatură, conţin acelaşi număr de molecule. Kilomolul este cantitatea de substanţă a cărei masă exprimată în kg este egală cu masa sa moleculară.Dacă se notează cu M masa moleculară a unui gaz, masa a n

kilomoli este

nMm Volumul unui kilomol la condiţii normale este

]/[4.22 3 kmolmVN

4,22/MN

Amedeo

Avogadro: savant italian

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3d/Avogadro_Amedeo.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Silicon-unit-cell-labelled-3D-balls.png



Ecuaţia termică de stare a gazului perfect

(Clapeyron)Clayperon

combinând legile Boyle-Mariotte

şi Gay-Lussac, a stabilit o ecuaţie care permite determinarea stării unui gaz atunci când variază toţi cei trei parametri p, V, T.

constTpv

Tvp

Tvp

2

22

1

11

Raportul pv/T este o constantă fizică, care depinde de natura gazului şi se notează cu Ri, rezultând relaţia următoare

tRpv i TmRpV i

TRp

i T

Tpp N

NN

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Clapeyron-reading.jpg



Amestecuri de gaze perfecte

Legea Dalton. Într-un amestec de gaze, care nu reacţionează chimic între ele, fiecare componentă se răspândeşte în întregul spaţiu pe care acesta îl ocupă, iar presiunea totală este egală cu suma presiunilor parţiale ale componentelor:

n

iiam pp

1

Legea Amagat

precizează că volumul total al amestecului este egal cu suma volumelor parţiale ale componentelor.Prin volum parţial al unei componente Vi

se înţelege volumul pe care l-ar ocupa o componentă i considerată la presiunea totală a amestecului p

şi la temperatura acestuia T.

n

iiam VV

1

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/Dalton_John_desk.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Manometer_inside.jpg



Participarea masică

a unei componente se numeşte raportul dintre masa componentei respective şi masa amestecului

am

ii m

m

Se numeşte participare volumică

ca raport dintre volumul parţial al unei componente şi volumul total al amestecului

am

ii V

V

Constanta amestecului

n

iiiam RR

1

masa molară aparentă a amesteculuiam

am RM 8314

densitatea amestecului în condiţii normale 4,22am

NM

Presiunea parţială amiamam

ii pp

VV

p

Energia internă şi entalpia unui amestec de gaze

n

iiiam uu

1

n

iiiam ii

1

căldurile masice ale amestecului

n

ivii

vv c

Tuc

1

n

ipii

pp c

Tic

1



Transformări simple ale gazului perfect

O transformare simplă se efectuează după aceeaşi lege de la început până la sfârşit. Într-o transformare deschisă starea finală diferă de cea iniţială.

În cele ce urmează vor fi analizate acele transformări care prezintă cel mai mare interes pentru studiul funcţionării maşinilor termice şi anume:

transformarea izocoră (la volum constant);

transformarea izobară (la presiune constantă);

transformarea izotermă (la temperatura constantă);

transformarea adiabatică (fără schimb de căldură dintre agentul termic şi mediul exterior);

transformarea politropică (variază toate mărimile de stare, iar agentul termic schimbă căldură cu mediul exterior).



Transformarea izocoră (la volum constant)Ecuaţia caracteristică

pentru v = const, conform legii Charles

este

constTp

2

1

2

1

TT

pp

Lucrul mecanic de transformare 02

112 vdpl

Lucrul mecanic tehnic

Căldura schimbată cu mediul exterior

12

2

1122

1ttcdTcq t

tvv

Variaţia entalpiei 121212 ppvuuii

2112 ppvlt



Transformarea izobară (la presiune constantă)Ecuaţia caracteristică a transformării pentru p = const, conform legii Gay-Lussac

este:

.constTv

2

1

2

1

TT

vv

p

p1=p21

T1

T2

2q12

l12

vv1 v2

Lucrul mecanic de transformare

12

2

112 vvppdvl Lucrul mecanic tehnic 0

2

112 vdplt


12

2

1122

1ttcdTcq t

tpp

Variaţia energiei interne 1212 TTcuu v



Transformarea izotermă (la temperatură constantă)Ecuaţia caracteristică a transformării izotermice, conform legii Boyle-Mariotte

este

constpv 2211 vpvp în diagrama p-V se reprezintă ca o hiperbolă echilaterală raportată la asimtotele ei

p

p1

p2

T1 T2 > T1

q12

2

1

vl v1 v2 v

l12

lt12

Lucrul mecanic de transformare 2

111

1

21112 lnln

ppvp

vvvpl

Lucru mecanic tehnic 1212 llt


121212 tllq

Variaţia energiei interne şi a entalpiei

012 uu 012 ii



Transformarea adiabatică (fără schimb de căldură cu mediul exterior)

constp

T

kk 1


k

k

pp

kvpl

1

1

21112 1

1


1212 lklt

Această transformare se caracterizează prin condiţia dQ

= 0



Transformarea politropăTransformarea simplă cea mai generală, de-a lungul căreia există schimb de energie atât sub formă de căldură cât şi sub formă de lucru mecanic cu mediul exterior, este denumită transformare politropică

nn

1n

0n

1n

n

n

0Q

0T

0Q

0T

constpvn constTv n 1 constp

T

nn 1

2

1

1

2

ln

ln

VVpp

n Exponentul

politropic

1212 TTcq n unde 1

nncc vn


21

1

1

21112 1

11

TTnR

pp

nvpl

nn


1212 nllt

ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII

ENTROPIA. PRINCIPIUL AL II-lea AL TERMOTEHNICII. Sl.dr.ing.Popescu Francisc

Toate procesele termodinamice reale sunt ireversibile, întrucât aceste procese presupun un schimb de energie, sub formă de căldură sau de lucru mecanic, însoţit mereu de procese de egalizare efecte disipative. Frecarea făcând parte din categoria efectelor disipative, este şi ea un proces ireversibil. Lucrul mecanic consumat pentru învingerea frecării se transformă în energie interioară, care însă nu mai poate fi retransformată

decât în foarte mică parte în lucru mecanic

vdpdipdvdudldq f

Deoarece procesele reversibile nu sunt afectate de pierderi energetice, ele servesc drept criteriu de comparaţie pentru aprecierea gradului de perfecţiune a proceselor reale, indicând posibilităţi teoretice de îmbunătăţire a acestora.



ENTROPIA

Proprietatea proceselor termice de a avea un sens preferenţial de dezvoltare se va exprima cu ajutorul unei mărimi caracteristice, care să reflecte totodată şi starea de echilibru -

stabilitatea -

unui sistem termodinamic.Pentru sisteme izolate această mărime va trebui să aibă proprietatea de a fi variabilă într-un singur sens în cazul proceselor ireversibile, indicând prin mărimea variaţiei ei gradul de ireversibilitate al procesului, respectiv abaterea procesului de la procesul reversibil, care constă numai din stări de echilibru.Mărimea folosită ca măsură a sensului preferat al transformărilor termice, ca măsură a stabilităţii unui sistem termodinamic poartă denumirea de entropie, fiind introdusă în studiul termodinamic al proceselor termice de către R.Clausius.Diferenţiala entropiei este definită de expresia

Rudolf Clausius

TVdpdI

TpdVdU

TdQ

dS rev

[J/K]

http://en.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Clausius



constvpcs v ln

dependenţele s = s(p,v) şi s = s(p,T)

constp

Tcsy

p 1ln

Dacă sistemul primeşte energie sub formă de căldură(q12>0), entropia sistemului creşte, iar dacă se evacuează căldură din sistem(q12<0), entropia scade

dvpdidvpduTds



Formulările principiului al II-lea

Ca şi principiul I al termodinamicii, principiul II a fost stabilit experimental, bazele acestuia fiind puse de către Sadi

Carnot

(1824). Principiul II al termodinamicii este un principiu calitativ, spre deosebire de principiul I, care evidenţiază aspectul cantitativ al transformărilor energetice.

1.

Există o funcţie de stare(care nu este unică) denumită entropie, a cărei valoare rămâne constantă în procesele adiabatice reversibile.

2.

Ori de câte ori un sistem adiabatic sau izolat suferă un proces ireversibil, entropia sistemului creşte inevitabil.

3.

Este imposibil de realizat un proces ciclic al cărui unic rezultat să fie transferul de căldură de la o sursă cu temperatura dată T0 la o sursă cu temperatură mai înaltă T(R.Clausius).

4.

Este imposibil să se construiască un perpetuum

mobile de speţa II-a, adică o maşină care să funcţioneze ciclic fiind în legătură cu o singură sursă de căldură (Max

Planck).

5.

Nu se poate realiza o transformare al cărei singur rezultat final îl constituie

transformarea în lucru mecanic a căldurii cedate de o sursă de temperatură constantă (Thomson).



Exergia căldurii

este prin definiţie lucrul mecanic maxim, care poate fi obţinut prin transformarea acesteia de la o temperatură mai mare decât a mediului ambiant T până la temperatura mediului ambiant T0. Ca lucrul mecanic să fie maxim, transformările trebuie să fie reversibile.

QTTQLEx c

0

max 1

unde T reprezintă temperatura la care se schimbă căldura Q

Mai simplu, EXERGIA este

partea

de energie

care poate

fi

utilizata. Dupa

ce

un sistem

si

mediul

care-l inconjoara

ajung

la echilibru

exergia

devine

0.

QTTAn 0

Energia

nu se distruce

ci

se transforma

(principiul

I). Exergia

tine cont de ireversibilitatea

unui

proces

data de cresterea

de entropie

(principiul

II) iar

atunci

cand

intr-un proces

are loc un schimb

termic

exergia

se distruge, proportional cu cresterea

de entropie.

Exegia

distrusa

se numeste

ANERGIE.

Ciclurile maşinilor termice

Ciclurile masinilor termice. CARNOT, OTTO, DIESEL Sl.dr.ing.Popescu Francisc

Ciclul termodinamic reprezintă o succesiune de transformări simple, prin parcurgerea cărora agentul de lucru este adus a starea iniţială, fără a trec de două ori prin aceeaşi stare. Ciclul termodinamic poate fi realizat fie cu sisteme închise (maşina cu piston), fie cu mai multe sisteme deschise, care în ansamblu formează un sistem închis (instalaţia de turbină cu gaze).

La

b

1

2

Q12

Q21

p

VV1 V2

Ciclu direct reprezintă ciclul realizat prin parcurgerea transformărilor în sens direct (sensul rotaţiei acelor de

ceasornic).Ciclul invers este ciclul realizat prin parcurgerea

transformărilor în sens invers (sens trigonometric).

21122112 , QQLL

21122112 , QQLL

Ciclu

motor

Ciclu

generator

Randamentul termic teoretic al unui cicluprimit

cedat

primitt Q

QQ

L 1



Ciclul Carnot

Acest ciclu a fost conceput în anul 1824 de către Marie Francois

Sadi

Carnot

şi este format din două izoterme şi două adiabate, fiind un ciclu teoretic, care nu a putut fi realizat în practică, insă este un ciclu termodinamic ideal, folosit ca ciclu comparativ în termotehnică. Ciclul propus este reversibil, efectuat de un motor ideal care nu are pierderi, nici frecări şi lucrează cu un gaz perfect.

1 – 2 destindere izotermică la temperatura T cu schimbul de căldură Q > 0;2 – 3 destindere adiabatică până la temperatura T0;3 – 4 compresiune izotermică la temperatura T0 cu cedarea energiei termica Q0;4 – 1 compresiune adiabatică până la starea iniţială.

QQ

QQQ

t00 1



Vizualizarea

ciclului

CarnotWeb: http://www.uwsp.edu/physastr/kmenning/flash/AF_2210.swf

http://www.uwsp.edu/physastr/kmenning/flash/AF_2210.swf



Ciclul OTTO (ardere la volum constant)

Nikolaus

August Otto

(14 iunie 1832 –

28 ianuarie 1891) a fost inventatorul german al motorului cu ardere internă, primul la care arderea combustibilului se realiza într-un cilindru cu

piston. În 1872, Gottlieb

Daimler

şi Wilhelm

Maybach s-au alăturat lui Otto

şi, împreună, au dezvoltat ideea unui ciclu în 4 timpi, descris prima oară de N.A. Otto

în 1876. Patentul obţinut atunci de Otto

a fost invalidat în 1886 când s-a descoperit că ciclul a fost deja descoperit de un alt inventator, Alphonse

Beau de Rochas, principiile ciclului în patru timpi fiind descrise de acesta, anterior anului 1876, într-o revistă

Idealizarea transformărilor complexe ce au loc în motor, conduce la obţinerea unui ciclu care va reprezenta limita către care tind transformările reale. Studiul acestui ciclu va preciza gradul de transformare a căldurii disponibile în lucru mecanic, în condiţii ideale, fiind utilizat ca model de comparaţie pentru motorul real



Ipotezele simplificatoare sunt:•agentul de lucru este considerat gaz perfect cu masa constantă pe întreg ciclul;•transformările sunt reversibile;•compresiunea şi destinderea sunt considerate adiabate;•arderea şi evacuarea sunt considerate transformări izocore cu primire, respectiv cedare de căldură.

Vizualizarea

ciclului

OTTO: http://www.uwsp.edu/physastr/kmenning/flash/AF_2212.swf

Ciclul este determinat dacă se cunoaşte starea iniţială şi următoarele caracteristici

a

sa

VVV

VV

2

1 -

gradul de compresiune

2

3

pp

raportul de creştere a presiunii prin încălzire

][ 3mVa volumul camerei de ardere

][ 3mVsvolumul cilindreei

http://www.uwsp.edu/physastr/kmenning/flash/AF_2212.swf



11

2

1

1

2

k

k

VV

TT

k

k

VV

pp

2

1

1

2din adiabata 1-2

2

3

2

3

pp

TT

din izocora 2-3

1

3

4

4

3

k

VV

TT

k

VV

pp

3

4

4

3 adiabata 3-4

1

4

1

4

pp

TT

din izocora 4-1



][111 )1(

2341342312 J

kpp

LLLLL k

][602

WinLP

][60

WinLP sau pentru

motorul

in 2 timpi

i este numărul de cilindriin [min-1] este turaţia motorului

12

1 111 kt TT

Puterea motorului poate fi mărită prin creşterea lui ε. Ceea ce limitează această creştere este apariţia fenomenului de detonaţie, un fenomen de ardere instantanee, ce apare către sfârşitul procesului de ardere, după ce o parte din combustibil a ars în mod

normal. În cazul arderii detonante, însoţită de o creştere locală a presiunii, randamentul şi puterea motorului scad simţitor, datorită solicitărilor bruşte ale pieselor

motorului, atât mecanic cât şi termic.



Ciclul Diesel (ardere la presiune constantă)

În iulie 1878, tânărul de 19 ani, Rudolf Diesel asista la cursul de termotehnică al reputatului profesor Carl

von

Linde. Von

Linde

vorbea despre randamentul maşinilor cu abur, subliniind faptul că acestea nu depăşesc un randament de 10%, practic că 90 % din căldura produsă prin arderea cărbunelui este risipită. Tânărul Diesel a notat atunci, pe marginea caietului de notiţe, „Studiază posibilitatea dezvoltării prin izotermă”. Aceste cuvinte sunt sămânţa care a germinat într-una dintre cele mai importante invenţii: motorul diesel.

Faţă de motorul cu ardere la volum constant, motorul cu ardere la presiune constantă prezintă câteva deosebiri:-motorul nu are instalaţie de aprindere, fiecare cilindru este prevăzut cu injector propriu;-Combustibilul şi aerul necesar arderii se introduc în faze diferite în cilindru;-Arderea este iniţiată de autoaprindea combustibilului, provocată de temperatura ridicată realizată prin comprimarea aerului;Gradul de compresie are valori mari, necesar pentru realizarea unei temperaturi mari



Ciclul teoretic este reprezentat in diagramele p-V

şi T-s şi cuprinde următoarele transformări:

1-2

- compresiune adiabatică a aerului;2-3

-

injecţia şi arderea combustibilului;3-4

- destinderea adiabatică a gazelor arse;4-1

-

evacuarea gazelor arse.

Injecţia şi ardere se produc în timp ce pistonul generează volumul Vi (de injecţie)

a

ia

VVV

grad de injecţie



][)(

)(

14

23

4123

JTTcm

TTcmQQL

v

p

][30

WinLP

)1(111 1

k

k

t k


Ciclurile masinilor termice. JOULE, STIRLING-ERICSSON, KLAUSIUS-RANKINE Sl.dr.ing.Popescu Francisc

Ciclul

Joule teoreticCiclul Joule este un ciclu referenţial alcătuit din transformări adiabate şi izobare ce se realizează cu gaze reale în domeniul în care acestea nu se găsesc în apropierea curbei de lichefiere

Ciclul Joule deschis (stânga) şi închis (dreapta)

În ambele cazuri instalaţia este alcătuită dintr-un compresor C, o turbină T, un încălzitor S1

şi eventual un răcitor S2. Transformările din compresor şi turbină sunt considerate adiabatice. Lucrul mecanic obţinut este utilizat atât pentru a se antrena generatorul electric G

cât şi pentru antrenarea compresorului C.



kkth 1

11

0p

p

Randamentul ciclului teoretic Joule depinde numai de raportul de

presiuni π, tot aşa cum randamentul ciclului Carnot

depinde numai de temperaturi. Cu cât raportul de presiuni π

este mai mare cu atât randamentul ciclului Joule este mai mare

În cazul ciclurilor reale din maşinile termice transformările 1 – 2 şi 3 – 4 sunt transformări ireversibile cu creştere de entropie. În acest caz randamentul ciclului Joule depinde şi de raportul T3/T1

şi de randamentele ηT

(randament intern al turbinei) şi ηC

(randamentul intern al compresorului)

111

1111

1

1

3

1

11

3

kk

C

kk

CkkT

tr

TT

TT



Ciclul

Stirling-Ericsson

Ciclul Stirling constă din două transformări izocore şi două izoterme

Este recomandat ca recuperator de căldură, pe o gamă largă de intervale

Se pot folosii ca şi fluide de lucru diferite gaze, începând cu aer, metan, heliu, hidrogen, etc



Ciclul

Klausius-RankineEste ciclul centralelor termoelectrice clasice pe combustibil fosil precum şi a centralelor nuclearoelectrice. Centralele termice sunt echipate cu instalaţii termice cu vapori de apă (abur).În cazan apa se încălzeşte în condiţii de presiune constantă, de la temperatura de alimentare t1 până la temperatura de fierbere (saturaţie) t2. tot în cazan are loc şi vaporizarea apei, proces ce se produce la presiune şi temperatură constantă

La ieşirea din cazan se obţin vapori saturaţi uscaţi. Cu această stare vaporii întră în supraîncălzitor unde, sub presiune constantă, temperatura acestora creşte. Aburul supraîncălzit intră în turbină unde energia potenţială se transformă în lucru mecanic necesar antrenării generatorului electric. Dupa

destinderea

in turbina

cu condensaţie aburul intră în condensator unde se condensează, fiind răcit cu ajutorul apei reci care circulă prin ţevile condensatorului. Procesul de condensare fiind invers procesului de vaporizare se desfăşoară tot la presiune şi temperatură constantă. Condensatul este preluat de pompa de alimentare care îl comprimă de la presiunea din condensator până la presiunea din cazan şi îl reintroduce în circuit.



]/[)()( 34213412 kgJiiiilll tt

]/[311 kgJiiqq

]/[3220 kgJiiqq

-

în cazanul de abur

-

în condensator

31

21

iiii

ql

t

Randamentul termic



Mărirea randamentului prin supraîncălzire intermediară

un ciclu Clausiu-Rankine

cu supraîncălzire intermediară unde linia 1

–

2 reprezintă destinderea iniţială a aburului, 2

–

3 supraîncălzirea intermediară şi 3

–

4 destinderea până la presiunea din condensator. În acest caz căldura mediului de lucru creşte cu căldura necesară supraincălzirii

intermediare 2323 iiq

)()()()(

2351

4321

iiiiiiii

t



Mărirea randamentului prin termoficare

Cele mai mari economii de combustibil se pot obţine dacă în centrala termoelectrică se obţinne concomitent atât energie electrică cât si energie termică cu scopul încălzirii locuiţelor, spaţiilor industiale

sau în scopuri tehnologice. Centralele care produc concomitent atât energie electrică cât şi termică se numesc centrale electrice de termoficare CET. Recent, termenul de termoficare tinde să fie înlocui cu noţiunea de cogenerare.

Randamentul termic teoretic este de 100% dar cel real ajunge la 70...80%, datorită pierderilor pe conductele ce leagă consumatorii de centrală



1.

Turn de răcire2.

Pompa circuitului de răcire al condensatorului3.

Linie electrică de înaltă tensiune4.

Transformator ridicător de tensiune5.

Generator electric de curent alternativ6.

Turbină cu abur de joasă presiune7.

Pompă de joasă presiune8.

Condensator9.

Turbină cu abur de medie presiune10.

Ventile de reglare ale turbinei11.

Turbină cu abur de înaltă presiune12.

Degazor13.

Preîncălzitor de joasă presiune (PJP)14.

Bandă de alimentare cu cărbune15.

Buncăr de cărbune, eventual cu turn de uscare16.

Moară de cărbune17.

Tamburul cazanului18.

Evacuarea cenuşii19.

Supraîncălzitor20.

Ventilator de aer21.

Supraîncălzitor intermediar22.

Priza de aer necesar arderii23.

Economizor24.

Preîncălzitor de aer25.

Electrofiltru pentru cenuşă26.

Exhaustor27.

Coş

de fum

TRANSMITEREA CĂLDURII

Transmiterea caldurii. Sl.dr.ing.Popescu Francisc

Conducţia termică reprezintă procesul schimbului de energie sub formă de căldură care se produce prin contactul direct între particulele unei substanţe.

Convecţia termică

se numeşte modul de transmitere a căldurii între un perete şi un fluid care spală peretele respectiv.

Radiaţia termică este procesul de propagare a energiei sub formă de unde electromagnetice.

Aceste trei fenomene elementare de transmitere a căldurii se întâlnesc în instalaţiile tehnice foarte rar separat, de cele mai multe ori apar împreună.

Din studiul principiului al doilea al termodinamicii se ştie că transmiterea căldurii este un fenomen ireversibil, având ca urmare o creştere a entropiei şi respectiv o transformare de exergie

în anergie.



CONDUCŢIA TERMICĂ

Căldura transmisă prin conducţie este procesul de propagare a căldurii prin interiorul unui corp, sau între corpuri diferite care se găsesc în contact perfect, prin schimb de energie de la particulă la particulă.

),,,( zyxtt Fenomenul conducţiei termice a fost studiat de către Fourier, stabilind că energia transmisă prin conducţia termică este proporţională cu căderea de temperatură, cu aria secţiunii normale pe direcţia de propagare a căldurii A, cu timpul cît durează procesul de transmitere a căldurii şi cu un coeficient de proporţionalitate λ, care caracterizează proprietatea corpului de a conduce căldură, numit conductivitatea termică

AtgradQ



Transmiterea căldurii prin conducţie, în regim staţionar, prin pereţi plani

Se consideră un perete plan omogen, de grosime δ, ce are conductivitatea termică λ, în figura este reprezentată o secţiune pe feţele peretelui, plasată într-un sistem de axe. Presupunând că t1 > t2, unde t1 este temperatura feţei 1, respectiv t2, temperatura feţei 2, atunci prin perete se va transmite căldură prin convecţie. Temperatura variază numai în direcţia x

AdxdtQ

21 ttAQ

Fluxul

de caldura

21 ttq

Densitatea

fluxului

de caldura



În practică se mai întâlnesc multe cazuri când peretele plan este format din mai multe straturi din materiale diferite. În figura este reprezentată secţiune peretelui de acest fel, cu grosimile straturilor δ1 , δ2 , δ3 şi conductivităţile

termice λ1, λ2 , λ3

211

1 ttq

322

2 ttq

433

3 ttq

3

3

2

2

1

141

qtt

n

i i

i

nttq

1

11



Transmiterea căldurii prin conducţie, în regim staţionar, prin pereţi cilindrici

În figura este reprezentată o conductă de secţiune circulară cu raza interioară ri

şi raza exterioră

re

, confecţionată dintr-un material omogen cu conductivitatea λ , care este contantă. Suprafaţa interioară are temperatura t1, iar cea exterioară

t2, care sunt constante în timp. La acest tip de transmitere a căldurii suprafeţele termice sunt suprafeţe cilindrice concentrice. Dacă t1 > t2 atunci prin perete trece un flux de căldură staţionar în direcţie radială, pentru care căderea de temperatură este maximă.

lrA 2

lrdrdtQ 2

21

ln

2 tt

dd

lQ

i

e



1

2

1

21

ln21

ddtt

q

2

3

2

32

ln21

ddtt

q

3

4

3

43

ln21

ddtt

q

i

in

i i

n

dd

ttq

1

1

11

ln21



CONVECŢIA TERMICĂTransmiterea căldurii prin convecţie este un proces deosebit de complex care depinde de următorii factori: de natura mişcării fluidului, de regimul de curgere, de proprietăţile fizice ale fluidului, de forma şi dimensiunile suprafeţei de contact .Natura mişcării fluidului. Regimul de curgere

a fluidului –

laminar sau turbulent –

are o importanţă deosebită asupra procesului de convecţie. În cazul regimului laminar, transmiterea căldurii în masa de fluid are loc prin conducţie. Iar în cazul regimului de curgere turbulentă, căldura se transmite prin amestecare în zona turbulentă a curentului şi prin conducţie în stratul limită, adică stratul de fluid din imediata apropiere a peretelui.Proprietăţile fizice ale fluidului

sunt : •conductivitatea termică λ

;•căldura specifică cp ;•densitatea ρ ;•viscozitatea dinamică η sau cinetică ν.

pfc ttAQ αc

este coeficientul de convecţie termică

A

este aria suprafeţei de contact dintre fluid şi corpul solid

tf reprezintă temperatura fluidului într-o regiune depărtată de suprafaţa de contact

tp

este temperatura peretelui corpului solid



RADIAŢIA TERMICĂFenomenul radiaţiei termică se deosebeşte de conducţia şi convecţia termică, prin aceea că este însoţit de un dublu proces de transformare a energiei: energia termică a unui corp se transformă în energie de radiaţie, care se propagă cu ajutorul undelor electromagnetice şi se retransformă parţial în energie termică la întîlnirea

unui alt corp.

λ este lungimea de undă

TfI ,

Spectrul

vizibil

este

intre

380 si

700 [nm]

MASINI TERMICE

MASINI TERMICE. Sl.dr.ing.Popescu Francisc

MOTOARE CU ARDERE INTERNĂ

Diferenţa între motoarele cu ardere externă (maşini şi turbine cu abur şi gaze) şi motoarele cu ardere internă constă în faptul că la primele arderea combustibilului şi degajarea de căldură are loc în afara motorului termic iar la motoarele cu ardere internă în interiorul maşinii.Clasificarea Motoarelor cu ardere internă

Clasificarea motoarelor după procesul de ardere•motoare cu ardere la volum constant al căror ciclu este denumit şi ciclu Otto, sau Beau de Rochas;•motoare cu ardere la presiune constantă

ciclul teoretic fiind ciclul Diesel, el referindu-se la motoarele diesel lente;•motoarele cu ardere mixtă. Ciclul de referinţă cu introducerea căldurii la volum şi presiune constante, poartă denumirea de ciclu Sabathé, Trinkler

sau Seilinger, şi se referă la motoarele diesel rapide.

Clasificarea motoarelor după procesul de aprindere a amestecului

carburant•motorul cu aprindere prin scânteie. Aprinderea combustibilului uşor volatil (benzină) se face de la o sursă exterioară, în mod provocat, cu ajutorul unei scântei electrice sau a a unui fir incandescent;•motorul cu aprindere prin comprimare. Aprinderea este provocată de temperatura ridicată a amestecului din cilindru, rezultată prin comprimare

MASINI TERMICE


Clasificarea motoarelor după procesul ciclicMotoarele în patru timpi. La acestea durata ciclului motor corespunde la patru curse simple ale pistonului. În timpul întâi, admisia, pistonul se mişcă dinspre pms

spre pmi

creând o depresiune care duce la aspiraţia de amestec combustibil în cilindru, poziţia 1 din fig. 12.2. Al doilea timp, comprimarea, are loc în urma mişcării pistonului de la pmi

spre pms

având loc comprimarea amestecului

combustibil sau a aerului poziţia 2 în fig. 12.2.. La sfârşitul comprimării, la motoarele cu prindere prin scânteie (m.a.s.) către sfârşitul cursei de comprimare are loc scânteia la bujie, precedată de admisia de amestec combustibil, iar la motoarele cu aprindere prin comprimare (m.a.c.) are loc injecţia de combustibil. Poziţia 2’

în fig

12.2. Al treilea timp, arderea şi destinderea, poziţia 3 în fig. 12.2, unicul producător de lucru mecanic este când pistonul se întoarce de la pms

spre pmi, spre

sfârşitul cursei se deschide supapa de evacuare. Al patrulea timp, evacuarea, corespunde deplasării pistonului de la pmi

spre pms, gazele de ardere fiind astfel evacuate, poziţia 4 în fig. 12.2.

MASINI TERMICE


http://www.animatedengines.com/

http://www.animatedengines.com/

MASINI TERMICE


Motoarele în doi timpi. La motoarele în doi timpi

întreg ciclul motor se realizează pe durata a două curse simple ale pistonului, adică o rotaţie completă a arborelui cotit. La motoarele în doi timpi s-au păstrat timpi principali de comprimare şi destindere, comuni tuturor motoarelor cu ardere internă, lipsind timpi de aspiraţie şi evacuare, ca timpi independenţi. Aceste două procese, de aspiraţie şi evacuare sunt înlocuite, prin faze de scurtă durată, la sfârşitul cursei de destindere şi începutul cursei de comprimare, realizate prin diferite sistem

e constructive.

MASINI TERMICE


Clasificarea motoarelor după orientarea în spaţiu a cilindrilor

•motorul vertical care are unul sau mai multe rânduri de verticale de cilindrii, deasupra arborelui motor;•motorul orizontal, care are unul sau mai multe rânduri orizontale de cilindrii pe o singura parte a arborelui motor;•motorul în linie cu un singur rând de cilindrii cu axe paralele situaţi în acelaşi plan, vertical, înclinat sau orizontal;•motorul în V care are două rânduri de cilindrii cu axele situate în două planuri care formează între ele un unghi (în general 45º

sau 90º)•motorul în W cu axele cilindrilor dispuse în trei plane care formează între ele unghiuri egale;•motorul cu cilindrii opuşi, numit boxer şi care are axele cilindrilor situate în două plane orizontale care formează între ele 180º.

MASINI TERMICE


Parametrii principali

Lucrul mecanic. Puterea şi momentul motor

ii LS4pp

s

ii V

Lp

Lucrul mecanic indicat

(Li) corespunzător unui ciclu motor pentru un cilindru se obţine din diagrama indicată p –

V

pentru care admisiunea şi evacuarea sunt izobarice, iar comprimarea şi destinderea politropice. Deoarece lucrul mecanic de pompaj este negativ (bucla mică) se atribuie pierderilor mecanice şi se include în randamentul mecanic; lucrul mecanic indicat (Li) este

reprezentat de bucla mare, pozitivă, a diagramei indicate.Presiunea medie indicată

(pi) este presiunea constantă cu care se obţine un lucru mecanic (Li) pentru o cursă (S) a pistonului

MASINI TERMICE


Puterea indicată

(Pi) [kW] 6020nVipciLp sisii

Lucru mecanic efectiv (Le) reprezintă lucrul mecanic cedat consumatorului şi se obţine scăzînd

din lucrul mecanic indicat (Li) lucrul mecanic consumat de motor pentru învingerea rezistenţelor proprii (Lrp) (frecări, entrenerea

sistemelor auxiliare).

rpie LLL

Presiunea medie efectivă

(pe)2/ mN

VLp

s

ee

Momentul motor indicat NmnPPM ii

i 9550

1 30

sn viteza unghiulară a arborelui cotit

Momentul motor efectiv

(Me) este momentul corespunzător puterii efective şi acţionează la cuplajul de legătură a motorului cu consumatorul.

Nm 9550nPM e

e

MASINI TERMICE


Randamentul indicat

(ηi) caracterizează gradul de utilizare a căldurii în cilindrul motorului

ic

ii HC

L Hi – puterea calorifică inferioară a combustibilului

Cc

–

cantitatea de combustibil introdus pe ciclu şi cilindru

Randamentul mecanic

(ηm) este un criteriu de apreciere a pierderilor pentru învingerea rezistenţelor proprii

i

e

i

e

i

rp

i

em p

pPP

LL

1LL

Randamentul efectiv

(ηe)

imic

i

i

e

ic

ee HC

LLL

HCL

Consumul specific indicat de combustibil (ci) reprezintă cantitatea de combustibil consumată pentru a produce o putere de (1 kW, 1 CP) timp de o oră

kWhgPCC

i

hi / 103 g/kWh 103600 3

iii H

C

MASINI TERMICE


Maşini frigorifice

Instalaţiile frigorifice, după principiul de funcţionare, se deosebesc :•maşini frigorifice cu compresiune mecanică, la care agentul frigorific absoarbe căldură la o temperatură mai mică decât a mediului ambiant şi consumând lucru mecanic cedează căldură la o temperatura mediului ambiant.•maşini frigorifice cu absorbţie, la care transportul căldurii se realizează nu prin consum de lucru mecanic, ci prin consum de căldură.

Schema instalaţiei frigorifice cu compresiune mecanică monoetajată.

V –

vaporizator; C –

compresor; K –

condensator; SR –

subrăcitor; VR –

ventil de reglare; SL

–

separator de lichid

În vaporizator agentul frigorific, care este în stare lichidă, se vaporizează la o temperatură scăzută (-10...-20C), căldura de vaporizare fiind absorbită de cuva frigiderului în care este montat vaporizatorul.În condensator, agentul frigorific aflat în stare de vapori se condensează la temperatura de saturaţie corespunzătoare presiunii vaporilor, mai mare decât a mediul

ui ambiant(+35...+40C). În timpul acestui proces, agentul

frigorific cedează căldură mediului ambiant.

MASINI TERMICE


Schema instalaţiei frigorifice cu compresiune mecanică bietajată.V1, V2 – vaporizator de joasă, respectiv înaltă presiune; C1, C2 – compresor de joasă, respectiv înaltă presiune; VR1, VR2 –

ventile de reglare; R –

recipient intermediar; K

–

condensator

MASINI TERMICE


Ciclul teoretic al maşinii frigorifice cu compresiune mecanică monoetajală

1 - 2 compresiune adiabatică a vaporilor saturaţi uscaţi;2 - 2`` răcirea la pk=ct.

a vaporilor supraîncălziţi2`` -

2` condensarea la pk=ct., Tk=ct. a vaporilor saturaţi uscaţi2` -

3 subracirea

la pk=ct.

a lichidului frigorific3 -

4 ştrangularea la i=ct.

a agentului frigorific lichid4 -

1 vaporizarea la p0=ct.

şi T0=ct

12c iil

Lucru mecanic teoretic consumat în compresor

Eficienţa termică

12

31

12

41

c

0f ii

iiiiii

lq

Debitul masic

de agent frigorific

41

0

0

0

iiQ

qQm

0Q reprezintă fluxul de căldură extras

la vaporizator (putere de răcire)

Fluxul de căldură evacuat în condensator

22KK iimqmQ

Fluxul de căldură evacuat în subrăcitor

23uu iimqmQ

MASINI TERMICE


Maşina frigorifică cu absorbţie

A –

absorbitor; F – fierbător;K –

condensator;V –

vaporizator;P – pompă;VR1, VR2 –

ventile de reglare

Faţă de instalaţia frigorifică cu compresiunea mecanică, instalaţia frigorifică cu absorbţie are eficienţa reală de 3...4 ori mai mică.

CALCULUL ARDERII COMBUSTIBILILOR

ARDEREA Sl.dr.ing.Popescu Francisc

Procedeele utilizate pentru obţinerea căldurii se bazează în general pe transformarea energiei chimice a combustibililor în cadrul proceselor de ardere. Studiul termodinamic al arderii presupune aprecierea posibilităţii de desfăşurare a proceselor de ardere pe baza energiei reactanţilor şi stabilirea produselor finale, fără a se realiza o analiză a cineticii arderii, prin urmărirea mecanismului reacţiei chimice, a fazelor care o compun şi a vitezei de desfăşurare a acesteia. În funcţie de starea de agregare, combustibilii se clasifică în trei grupe mari: solizi, lichizi şi gazoşiÎn esenţă un combustibil se compune din masa combustibilă, formată din componentele active care participă la procesul de ardere şi balastul, reprezentat din compuşii care nu iau parte la acest proces.

La general, elementele chimice din care este format un combustibil solid sau lichid sunt carbonul (c), hidrogenul (h), sulful (s), azotul (n), oxigenul (o), umiditatea (w) şi cenuşa (a). Suma acestor participaţii trebuie să îndeplinească condiţia de normare astfel:

1awonshc




Puterea calorică a unui combustibil, notată cu H, reprezintă căldura degajată prin arderea perfectă a unităţii de cantitate de combustibil, raportată la o temperatură de referinţă. Pentru combustibilii lichizi şi solizi, puterea calorică se exprimă în kJ/kg, iar pentru combustibilii gazoşi, în kJ/m3

În funcţie de starea de agregare, în care se evacuează apa produsă prin ardere, se definesc:-puterea calorică superioară

(Hs

), în care caz apa este evacuată în stare lichidă;-puterea calorică inferioară

(Hi

), în care caz apa este evacuată în stare de vapori.Relaţia dintre cele două puteri calorice este :

)wh9(rHH si [kJ/kg]unde 9h + w reprezintă cantitatea de apă rezultată prin oxidarea hidrogenului, plus umiditatea de combustibil; iar r reprezintă căldura de vaporizare

-pentru combustibili solizi şi lichizi

w2510s92508oh120120c33900Hi

[kJ/kg]



Calculul Arderii. Exemple.

Compoziţia volumetrică a gazului natural utilizat în reţeaua municipiului Timişoara este:

Metan(CH4

)c

= 0.9905

Etan (C2

H6

)c

= 0.00144

Propan (C3

H8

)c

= 0,00025

Izo –

butanN –

butan (C4

H10

)c

= 0.00012

Izo –

pentanN –

pentan (C5

H12

)c

= 0.00005

Azot (N2

)c

= 0-00663

Oxigen (O2

)c

= 0.00042

Dioxid de carbon (CO2

)c

= 0.00054

având puterea calorifică inferioară: Hi = 37000 kJ/m3N

Pentru calculul arderii combustibililor gazoşi sau folosit relaţiile stoichiometrice de mai jos

212510483624min 85.655.32 OHCHCHCHCCHO

21.0min

minO

L

2125104836242 5432 COHCHCHCHCCHVCO

125104836242 65432 HCHCHCHCCHV OH

min2221.079.0 ONV N

22 NCOgu VVV

OHgugt VVV 2

OH

aOHOH

dLVV

2

min22 1000

min)1( LVV gugu

OHgugt VVV 2

VN2

= V°N2

+ 0.79·( - 1)·Lmin

Presupunând că se arde 1 m3N de combustibil şi alegând = 1.15 [-], rezultă:

Omin

= 1.98805 m3N/m3NLmin

= 9.4669

m3N/m3NVCO2

= 0.9954

m3N/m3NV°H2O

= 1.98722 m3N/m3NV°N2 = 7.48548 m3N/m3NV°gu

= 8.48088

m3N/m3NV°gt

= 10.4681

m3N/m3NVH2O

= 2.07552 m3N/m3NVN2

= 8.60731

m3N/m3NVgu

= 9.90092 m3N/m3NVgt

= 10.5564

m3N/m3N



Calculul Arderii. Exemple.

În acest calcul s-a considerat un combustibil

solid (ex. lemn) având următoarea compoziţie elementară:C = 44.01 %H = 5,47 %O = 40.83 %N = 2.02 %Ai = 1,67 %Wt

= 6 %Puterea calorifică inferioară a fost calculată cu relaţia:

kgkcalWSOHCH ti /5.3632251092508

12012033900

8

312

41.21min

SOHCO21.0min

minOL

CVCO 12

41.222

min221.079.0

2841.22 ONV N

OH

atOH

dLWHV

2

min2

1000245.1205.11

OHgugt VVV 2

Presupunând că se arde 1 m3N de combustibil şi alegând = 1.15 [-], rezultă:Omin

= 0.8443 m3N/kgLmin

= 4.0204

m3N/kgVCO2

= 0.8217

m3N/kgV°N2 = 3.1843

m3N/kgV°gu

= 4.006

m3N/kgV°H2O

= 0.7492 m3N/kgV°gt

= 4.006

m3N/kg

Obiectul - Acasafranciscpopescu.weebly.com/uploads/2/0/4/5/20453993/... · studiază...

Documents

Transcript of Obiectul - Acasafranciscpopescu.weebly.com/uploads/2/0/4/5/20453993/... · studiază...