Termotehnica-Curs1

TERMOTEHNICA Curs 1 Angela Plesa

1 |14

Cap.1 NOIUNI INTRODUCTIVE

1.1 Simboluri i abrevieri

C - capacitate caloric (termic) [J/K]CM -cldura molar [J/kmolK]cp - cldura specific masic la presiune constant [J/kgK]cv - cldura specific masic la volum constant [J/kgK] - cldura specific volumic la presiune constant [J/m3K] - cldura specific volumic la volum constant [J/m3K]

RM - constanta universal a gazelor, RM = 8314,3 [J/kmolK] [J/kmolK]R - constanta de gaz perfect pentru gazul real [J/kgK]h - entalpie specific [J/kg] - Variaia de entalpie n trasformarea de la starea 1 la starea 2 [J] - Variaia energiei interne n trasformarea de la starea 1 la starea 2 [J]

- lucrul mecanic n trasformarea de la starea 1 la starea 2 [J]_ - lucrul mecanic tehnic n trasformarea de la starea 1 la starea 2 [J]m - masa [kg]M - masa molara [kg/kmol] - debit masic de agent termic [kg/s]n - numrul de moli dintr-o substan [-]n - indice politropic [-]p - presiune [Pa]pb - presiune barometric [Pa]p - pierdere de presiune [Pa]

Pr - criteriul de similitudine Prandtl [-] - flux termic [W] - flux termic unitar [W/m2]Re - criteriul de similitudine Reynolds [-]S - suprafa [m2]T - temperatur absolut [K]t - temperatura agentului termic [0C]

medt - diferena medie logaritmic de temperatur pentru curgereanncruciat a agenilor termici printr-un schimbtor de cldur[0C]

V - volum [m3]VM - volum molar, VM = 22,414 m3N/kmol [m3N/kmol] - debit volumic de agent termic [m3/s]w - viteza agentului termic [m/s] - coeficient de transmitere a cldurii prin convecie [W/m2K] - grosimea peretelui de transfer termic [m] - conductivitate termic [W/mK] - raport de comprimare [-]t - randament termic [-] - densitate [kg/m3]

- viscozitate cinematic [m2/s]


2 |14

1.2 Relaii de echivalen ntre uniti de msur din sisteme diferite de msurare

Nr. Mrimea fizic

Simbol SI Alte echivalene

1. Lungime L m 1 zoll = 1 inch =25,4 mm2. Suprafata S m2 1 ar=10x10=100 m2; 1 ha=100x100=104 m23. Volum V m3 1 m3= 1000 litri =1000 dm34. Masa m kg5. Fora F N 1 kgf = 9,80665 N6. temperatura T 0C

K (Kelvin); Tabs = 273,15 K; 1 0C = 33,8 0F0F (Fahrenheit); 1 K = 1,8 0F;0R (Reaumur); 1 0C = 0,8 0R

7. Presiune p N/m2=Pa 1 Pa = 1 N/m2 = 10-5 bar = 1,019 x 10-5 atmAtmosfer fizic = 1 atm1 atm = 760 torr (sau mmHg) = 1,01325 barAtmosfer tehnic =1 at = 1 Kgf/cm21 at = 0, 967841 atm =0, 98006 bar1 bar = 105 N/m2 = 1,019 at = 0.987 atm1 torr = 1,31579 x 10-3 atm = 133,332 N/m21 Kgf/m2 = 1 mm H2O

8. CldurLucru mecanicEnergieEntalpie

QLEH

J 1 cal =4,1868 J ; 1 kgfm=9,8066 J1 Wh= 3600 J; 1 J =2,7777*10-4 Wh1 Btu = 1,05506*103 J; 1 J =0,947813*10-3 Btu

9. PutereFlux termic

P W 1 W =1 J/s = 0,86 kcal/h; 1 kcal/h= 1,163 W1 W= 1,341*10-3 CP ; 1 CP=745,7 W1 Btu/h= 0,293071 W

10. Densitata Kg/m311. Conductivitatea

termic W/mK

12. Vscozitateadinamic

= /13. Vscozitatea

cinematic m2/s


3 |14

Fig. 1.1 [2]

Fig. 1.2 [2]

1.3 Ageni termodinamiciFluidele purttoare de cldur, constituite dintr-o substan sau un amestec de substane, prin

intermediul crora care se realizeaz transferul de energie de la un sistem termodinamic la altul, sause transform o form de energie n alta, sau cu ajutorul crora se desfoar un procestermodinamic se numesc ageni termodinamici sau ageni de lucru [1].

Cerinele impuse echipamentelor i instalaiilor termice sunt n mare msur determinate decaracteristicile agenilor termici, care trebuie s aib [1]:

- densitate mare, sau volum specific al vaporilor ct mai mic;- vscozitate mic;- capacitate termic mare realizat cu debite ct mai reduse;- cldura de transformare de faz ridicat;- trebuie s fie stabili din punct de vedere termic i chimic sub aciunea ndelungat a

temperaturilor nalte sau joase;- s nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie sau toxicitate i s nu fie poluant;- s nu formeze depuneri pe suprafaa de schimb de cldur a aparatului.Pentru asigurarea fiabilitii i siguranei n exploatarea instalaiilor termice, agenii

termodinamici utilizai trebuie s fie neagresivi sub aciunea ndelungat a temperaturilor ridicate.Printre agenii termici utilizai n mod frecvent se numr: apa, aerul, aburul, gaze de ardere,

gaze i amestecuri de gaze, amestecuri de lichide, ulei, soluii de sruri, metale topite, etc.Alegerea agenilor termici se face n funcie de procesul tehnologic i condiiile de lucru,

astfel cei mai rspndii ageni termici utilizai pentru nclzire sunt apa, aburul i gazele de ardere,iar n procesele de rcire: apa, aerul, soluii de sruri n ap, ageni frigorifici. Ca ageni termici denclzire sau rcire se pot utiliza i deeurile de producie sau subprodusele provenite din sursesecundare. Preul sczut al acestora trebuie s conduc la soluii la care aspectele economice s fiesubordonate soluiei constructive i funcionale a instalaiei.

Cel mai utilizat agent termic este apa (fig.1.1) care, pe lnggradul mare de rspndire i costul redus, prezint o serie deavantaje tehnice cum ar fi: coeficient ridicat de transfer de cldur(spre exemplu, la schimbtoarele de cldur cu plci coeficientulglobal de transfer de cldur poate atinge valori n jur de 10000W/m2K), cldura latent de vaporizare mare (lk=2250 kJ/kg), dar iposibilitatea transportului la distan cu pierderi de temperatura sub1 0C la 1 km. ns, dependena temperaturii de presiune, necesitateaunor staii de pompare, epurare i dedurizare a apei (prin vaporizare sau chimic) ridic valaoreainvestiiilor pentru acest agent.

Aburul, (fig.1.2) este un agent termic cu numeroaseavantaje, fiind uor de transportat, avnd o valoareridicat a cldurii latente de vaporizare, la o presiune dati corespunde o temperatur de condensare constant,avnd un coeficient de convecie ridicat. Utilizareavaporilor permite o reglare uoar a procesului denclzire. Ca dezavantaje, trebuie amintit c utilizareatemperaturilor ridicate reclam presiuni mari, iar apariiacondensului, care trebuie evacuat cu ajutorul unor aparateauxiliare, impune limitarea distanei de transport a acestuiagent termic sau randamente termice mai sczute la


4 |14

Fig. 1.3 [2]

Fig.1.5 [2]

producere. n instalaiile tehnologice de nclzire cu vapori se utilizeaz abur, pentru care latemperaturi de saturaie relativ mici (150....200) 0C corespund presiuni pn la 16 bar. Trebuieamintit faptul c transportul aburului necesit instalaii termice performante.

Un alt agent termic aflat la ndemna industriei este reprezentat de gazele rezultate dinarderea combustibililor, (fig.1.3) care au marele avantaj al independenei temperaturii de presiune,ceea ce face posibil obinerea unor temperaturi peste 1000 0C la presiunea atmosferic, dar care au oposibilitate redus de reglare termic i transport, murdresc i uzeaz suprafeele de contact, iar

coeficientul redus de schimb de cldur nu le face totdeauna agreabile.n plus, este necesar un traseu de canale de fum de seciuni mari

pentru transportul gazelor la distan, ceea ce implic pierderiimportante de cldur.

Aerul (fig.1.4) ca agent termic, prezint aceleai dezavantaje ca igazele, motiv pentru care el este utilizat n instalaiile mici de rcire.

Ageni frigorificiSunt utilizai pentru producerea frigului artificial n cadrul instalaiilor frigorifice, n scopul

producerii unor temperaturi sczute i pstrrii acestora n mediul rcit.n procesul de nclzire, n instalaii denumite pompe de cldur, agenii frigorifici sunt acele

fluide care extrag cldura din mediul ambiant i printr-o schimbare a strii de agregare cedeazcldura unei surse calde.

Agenii frigorifici cei mai rspndii sunt:- amoniacul, utilizat cu precdere la obinerea unor temperaturi joase,- hidrocarburile pure (propan, butan, pentan) pot fi folosite ca alternativ n multe situaii, n

cazul n care sunt optimizate ecologic din punct de vedere al puritii,- freonii (fig.1.5) sunt utilizai pe scar larg n tehnica frigului i a

pompelor de cldur datorit numeroaselor avantaje pe care leprezint, dar se numr printre factorii de distrugere a stratului deozon, motiv pentru care asistm n prezent la mutaii deosebite naceste domenii, materializate prin nlocuirea unor agenifrigorifici cu alii care s corespund sub aspect ecologic.

Cel mai utilizat agent termodinamic este gazul perfect definit ca modelul de gaz ideal, formatdin molecule sferice, perfect elastice, de volum neglijabil i lipsite de fore de coeziune.

Fig.1.4 [2]


5 |14

Parametrii termofizici ai agenilor termodinamiciPentru diverse temperaturi de lucru, se determin parametrii termofizici pentru fluidele de

lucru, cu ajutorul programelor Cool Pack i Engineering Equation Solver [3]: densitatea ]/[ 32,1 mkg ; vscozitatea cinematic ]/[, 22,1 sm ; cldura specific masic la presiune constant ]/[,,2,1 kgKJc pp ; conductivitatea termic ]/[,,2,1 mKWp ; viscozitatea dinamic ]/[, 2,2,1 mNsp ; criteriul Prandtl

a

Pr , n care pc

a reprezint difuzivitatea termic.Conductivitatea termic pentru diferite materiale, lichide i gaze este prezentat mai jos.

Principala caracteristic a unui material izolator este coeficientul de conductivitate termic, exprimat n [W/mK]. Cu ct acest coeficient este mai mic, cu att materialul este mai bunizolator [4].

Graficul 1.8 este relevant pentru calitatea de izolator a gazelor, pentru care se nregistreazcele mai sczute valori ale conductivitii termice: sub 0,05 W/mK pentru metan, aer, dioxid decarbon, freon R407C, etc. [4]

Fig.1.6 Conductivitatea termic pentru diferite solide[4]

Fig.1.7 Conductivitatea termic pentru diferitelichide [4]

Fig. 1.8 Conductivitatea termic pentru diferite gaze [4]


6 |14

Tuburi flexibile izolate Conducte izolate de agenttermic

Conducte frigorifice izolateFig. 1.9 Izolarea diferitelor conducte

Materiale izolatoare uzuale

Betonul celular autoclavizat (B.C.A.) GAZBETON

Vat mineral (plci, cochilii, lamele)

Plut (rol, plci)

Materiale bituminoase (covoare autocolante)Fig.1.10 Materiale izolatoare utilizate n construcii


6 |14






Plut (rol, plci)



6 |14






Plut (rol, plci)



7 |14

Polistiren celular

Spum poliuretanicFig.1.11 Materiale izolatoare utilizate n construcii (continuare)

1.4 Sistem termodinamicSistemul termodinamic este format dintr-o cantitate de substan sau un amestec de

substane, precis delimitat n spaiu i care se studiaz din punct de vedere al schimbului de energiecu mediul exterior (denumit i mediu ambiant). Sistemul termodinamic este format adesea dintr-uncorp termodinamic care poate fi un gaz, un lichid, o soluie, un solid oarecare, etc.

Prin mediu exterior sau ambiant se nelege totalitatea corpurilor din apropierea sistemuluitermodinamic cu care acesta poate interaciona.

Fig.1.12 Exemplificarea noiunii de sistem termodinamic

Sistem termodinamicp, t

Mediul exteriorPme, tme

Suprafaa de control(real sau virtual)

Q

Lm


8 |14

n general, sistemul termodinamic interacioneaz cu mediul exterior prin schimb de substan ienergie, motiv pentru care exist urmtoarele tipuri de sisteme:

a) sisteme omogene = constau dintr-o faza omogen i izotrop a unei substane. Exemplu: unbazin cu ap, un balon cu aer sau cu heliu, un gaz nchis ntr-un cilindru, etc.

a) rezervor de ap b) balon cu aer c) piston hidraulicFig.1.13 Sisteme termodinamice omogene

b) sisteme heterogene, sunt formate din mai multe substane sau din mai multe faze aleaceleeai substane, sau sunt compuse din mai multe subansamble; spre exemplu: amesteculcombustibil (aer + benzin, aer + motorin, aer + gaz metan, etc.), cazanul de abur conineap n stare lichid i n stare de vapori, un pahar cu ap i ghea, frigiderul casnic careconine freon n stare lichid i gazoas, etc.

a) ap lichid i vapori b) ap lichid i solid c) ap lichid i vaporiFig.1.14 Sisteme termodinamice heterogene

c) sisteme nchise = nu schimb substan cu mediul exterior, iar masa lor este constant ntimp, spre exemplu: un rezervor nchis, cilindrul unui MAI cnd ambele supape sunt nchise.

d) sisteme deschise = sunt sisteme care schimb substan cu mediul exterior. Funcionareacontinu a unei maini sau instalaii este posibil numai ntr-un sistem deschis, de exemplu:un boiler n care intr ap rece de reea i din care iese ap cald de consum, conductele,pompe, compresoare, etc.

Fig.1.15 Sisteme termodinamice nchise i deschisee) sisteme izolate = nu schimb cu mediul exterior nici substan i nici energie (Q sau Lm).

Exemplu: rezervoare speciale pentru conservarea unor materiale.f) sisteme adiabatice = nu schimb cldur cu mediul exterior, spre exemplu, termosul.g) sisteme rigide = nu schimb lucru mecanic cu mediul exterior, adic nu-i schimb forma i

volumul, de exemplu instalaii de rcire sau nclzire.

Sistem nchis pentrucircuitul serpentinei denclzire a cazanului

Sistem deschispentru circuitulde ap cald de

consum


9 |14

1.5 Starea termodinamic. Mrimi de stareStarea termodinamic (sau energetic) reprezint nivelul energetic corespunztor tuturor

particulelor constitutive ale unui sistem termodinamic.Dac starea sistemului rmne constant n timp, rezult c sistemul este n echilibru

termodinamic. Dac repartizarea energetic n cadrul unui sistem este diferit, sau exist o diferende potenial energetic ntre sistem i mediul ambiant, atunci sistemul se afl n dezechilibrutermodinamic.

Mrimile ce caracterizeaz o stare energetic a unui sistem termodinamic, se numesc mrimi destare, care pot fi:

intensive: presiunea (p) i temperatura (t), care nu i modific valoarea dac sistemul estedivizat;

extensive: masa (m), numrul de moli (n), volumul (V), energia intern (U), entalpia (H) ientropia (S) , care i modific valoarea dac sistemul este divizat.

Pentru a elimina dificultile dependenei de masa sistemului, se utilizeaz mrimilespecifice, care nseamn mrimea extensiv raportat la mas i se noteaz cu litere mici:

Volum specific: v = Vm , [m /kg] Energia intern specific: u = Um , [kJ/kg] (1.1) Entalpia specific: = , [kJ/kg] Entropia specific: s = Sm , [kJ/kgK]

Cantitatea de materie dintr-un sistem este dat de masa (m) de substan sau de numrul de moli (n).Un mol este cantitatea de substan care conine un numr de particule egal cu numul de

atomi dintr-o mas de 12 g de carbon 12C, care reprezint numrul lui Avogadro:= 6,022 10 /Dac cantitatea de substan se raporteaz prin numrul de moli, atunci se obin mrimile

molare de stare: Masa molar: = , [ / ] Volum molar: = , [ / ] Energia intern molar: = , [ / ] (1.2) Entalpia molar: = , [ / ] Entropia molar: = , [ / ]


10 |14

Starea fizic normal este caracterizat de := 1,01325 = 273,15 (1.3)Starea fizic tehnic estet caracterizat de := 1 = 20 (1.4)Reciproca lui Avogadro: la starea fizic normal, volumul molar al tuturor gazelor perfecte este:= 22,414 1 = 22,414 (1.5)Relaii de legtur ntre mrimile specifice i mrimile molare:= = = = (1.6)

Parametrii de stare termici sunt: p, t i v care pot fi determinai prin msurtori.Parametri de stare calorici sunt: u, h, s, U, H, S care se determin cu ajutorul ecuaiilor

calorice de stare.Mrimile de proces sunt cldura (Q) i lucrul mecanic (Lm), msurate n J.

1.5.1 TemperaturaTemperatura este o mrime termic de stare ce caracterizeaz gradul de nclzire al

corpurilor. Pentru msurarea temperaturii se recurge la un corp termometric (gaz, lichid, solid) alecrui proprieti fizice variaz cu temperatura. Metodele i aparatele folosite pentru msurareatemperaturii se clasific n funcie de proprietatea fizic a corpului termometric utilizat n acestscop [ 4] http://www.termo.utcluj.ro/termoluc/ .Astfel, pentru msurarea temperaturii:

ntr-un mediu deschis (ambiant) se utilizeaz termometre de sticl cu lichid sau cu vapori; dintr-un volum nchis se utilizeaz termometre manometrice; de pe suprafaa unor obiecte, se utilizeaz traductoarele termorezistive; n incinte incandescente, se utilizeaz termocuplurile; i a distribuiei spectrale a energiei radiate de un corp nclzit, se utilizeaz pirometrele.

n general, aparatele care servesc pentru msurarea temperaturilor sub 660oC - se numesctermometre, iar peste 660oC - pirometre.

Termometru de scticl cu lichid Termomanometru

Traductoare rezistive Termocupluri


10 |14











10 |14











11 |14

Pirometre opticeFig.1.16 Instrumente de msurare a temperaturii

1.5.2 PresiuneaPresiunea se definete ca fiind raportul dintre fora cu care un fluid acioneaz asupra unei suprafeei aria acesteia. Presiunea este independent de orientarea suprafeei pe care se exercit, avndaceeai valoare n toate direciile. n natur i n instalaiile tehnice pot exista diferite tipuri depresiuni [ 4].a) presiunea atmosferica pb: presiunea exercitat de inveliul gazos care nconjoar globul terestrupoarta denumirea de presiune atmosferic sau presiune barometric. Aceasta variaz cu: altitudinea(datorit greutii aerului), cu starea vremii (deplasarea maselor de aer atmosferic) i cu poziiageografic de pe globul terestru. Variaia densitii aerului n funcie de presiune a condus lanecesitatea de a stabili o presiune de referin numit presiune normal, aceasta fiind presiuneacorespunztoare nivelului mrii la latitudinea de 45o i temperatura de 0oC i care are valoareapN = 760 mmHg = 101325 Pa;b) presiunea absolut pa: reprezint presiunea unui fluid considerat fa de zero absolut depresiune. Este presiunea care se utilizeaz n toate relaiile termotehnice de calcul;c) suprapresiunea ps: cnd n instalaiile tehnice presiunea absolut este mai mare dect presiuneaatmosferic, diferena dintre acestea poart denumirea de suprapresiune sau presiune manometric;d) depresiune pV: cnd n instalaiile tehnice presiunea absolut este mai mic dect presiuneaatmosferic, diferena dintre acestea poart numele de depresiune, subpresiune, vacuum saupresiune vacuummetric. Vidul, exprimat n procente din presiunea atmosferica, este:

[ % (1.7)Suprapresiunea si depresiunea, fiind exprimate n raport cu presiunea atmosferic, se mai numesc ipresiuni relative. Presiunile precizate anterior pot fi reprezentate schematic n figura 1.11, relaiilede legtura dintre acestea fiind urmtoarele [4]:

1.) n cazul suprapresiunilor:pa = pb ps , (1.8)

2.) n cazul depresiunilor:pa = pb pv , (1.9)

Fig.1.11 Reprezentarea presiunii absolute

p

pas

pav

pS

pVpb

2

1


12 |14

e) presiunea statica pst : reprezint presiunea care se exercit pe suprafaa plan de separare dintredou mase de fluid aflate n micare;f) presiunea totala ptot : dac ntr-un curent de fluid se introduce un obstacol, viteza fluiduluidevine zero i ntreaga energie cinetic specific a fluidului se manifest sub forma de presiune.Presiunea din acest punct de oprire (de stagnare) poart denumirea de presiune total;g) presiunea dinamica pdin : se definete ca fiind diferena dintre presiunea total i cea staticdintr-o seciune transversal printr-un curent de fluid,

pdin = ptot - pst , (1.10)fiind funcie de viteza w i densitatea a fluidului prin relaia:= (1.11)Aparate pentru msurarea presiunii

Manometru cu tub Bourdon Manometru diferenial

Presostat de aspiraie sau refulare compresor Presostat diferenial tip Danfoss

Manometru cu tub U[4]Manometru cu tub nclinat [4]


13 |14

1.6 Transformri termodinamiceAciunea factorilor care provoac schimbarea strii sistemului se numete proces termodinamic(nclzire, rcire, comprimare, destindere, etc.).

Transformarea termodinamic este o succesiune ordonat de stri prin care trece n timp unsistem termodinamic plecnd de la stara iniial 1, la starea final 2 i care se reprezint printr-ocurb a transformrii ntr-una din diagramele (p-V), (T-s), (h-s), (lgp-h).

n imaginile de mai jos sunt prezentate o serie de diagrame pentru agentul termic apa,cunoscut sub indicativul refrigerent R718.

Diagrama (p-V) se numete diagrama dinamic, deoarece din ea rezult lucrul mecanicrealizat de sistemul termodinamic, iar diagrama (T-s) se numete diagrama caloric din care rezultcldura schimbat de sistem.

Fig.1.10 Diagrama (lgp h) a apei (R718)

Fig.1.11 Diagrama (T s) a apei (R718)


14 |14

Fig.1.12 Diagrama (h s) a apei (R718)

Transformrile simple ale gazelor sunt urmtoarele: Izoterm, T=ct. (fig.1.13, transformarea1-2c) Izobar, p=ct. (fig.1.13, transformarea1-2b) Izocor, V=ct. (fig.1.13, transformarea1-2a) Izentalp sau laminare, h=ct. Izentrop, s=ct. Adiabat, Q=0

Un ciclu termodinamic reprezint o suit de transformri care sefinalizeaz n punctul de pornire.

Fig.1.14 Ciclu termodinamic

Transformrile reversibile sunt acele transformri teoretice, cu eficien maxim, care potfi parcurse n ambele sensuri fr s apar modificri remanente n mediul exterior.

Transformrile tehnice din diverse procese industriale i transformrile ntlnite n natursunt transformri ireversibile, care pot reveni la starea iniial prin inversarea sensului, dar numaicu modificri remanente n mediul ambiant.

BIBLIOGRAFIE Curs 1 - Termotehnic[1] Angela PLEA, Csaba. F. GRIEB, Mihai NAGI Utilaje termice. Schimbtoare de cldur cu

plci. Vol. I, Ed. MEDIAMIRA Cluj-Napoca, 2008, ISBN 978-973-713-209-3; ISBN 978-973-713-210-9, www.termo.utcluj/instruire/scp

[2] Angela PLESA - Studiul curgerii aerului prin radiatoarele auto din aluminiu, Ed. U.T.Press, Cluj-Napoca, 2014, ISBN 973-606-737-004-1

[3] M. BALAN, Angela PLESA - Instalaii frigorifice. Construcie, funcionare i calcul, Ed.TODESCO, Cluj-Napoca, 2002, ISBN 973-8198-37-2, www.termo.utcluj/instruire/ccif

[4] [ http://www.termo.utcluj.ro/termoluc/ ]

P

V [m3]

1

2a

2bp1=p2

2c

V1=V2

T1=T2

[bar]

Fig.1.13 Transformri termodinamice

Termotehnica-Curs1

Documents

Transcript of Termotehnica-Curs1