7/23/2019 3.1 3.2 3.3 Ec. Fundamentala

1/6

3. Performana proceselor i sistemelor termice

Metoda exergetic de analiz termodinamic

3.1 Ireversibilitate intern i extern

Metodele teoretice i experimentale de investigaie a proceselor de lucru careasigur funcionarea mainilor i instalaiilor termice fac apel la consecinele celui de aldoilea principiu al termodinamicii, privind efectele ireversibilitiiinterne i externe aproceselor termice. Acest interes este justificat pentru c exist interdependen ntre

pierderile cauzate de ireversibilitatea acestor procese i performanele de putere ieconomiceale mainilor i instalaiilor termice.

n desfurarea real a acestor procese exist anumite cauze care provoacireversibilitatea intern i extern a acestor procese.

Cauze care determin ireversibiliatea intern:

1.

Frecarea care determin reducerea presiunii agentului de lucru. Astfel semanifest fenomenul de laminare nsoit de scdere a presiunii ca urmare afrecrilor care apar la variaia brusc a seciunilor traseelor agenilor de lucru.(ex.: trecerea agenilor frigorifici prin ventilele de laminare ale instalaiilorfrigorifice cu vapori);Spre deosebire de frecarea cauzat de existena vscozitii agenilor delucru i al contactului acestora cu piesele mobile i fixe al mainilor iinstalaiilor termice, n timpul proceselor de lucru se manifest i frecareamacanic.

2.

Diferena finit de temperaturvariabil ca sens i mrime care se manifestn procesele de transfer termic;3.Amestecarea gazelor de compoziii diferite. (ex. : n timpul procesului de

admisie al motoarelor cu ardere intern cu piston);4. Arderea combustibil li lor ca modalitate de realizare a sursei calde necesare

funcionrii mainilor i instalaiilor termice. n acest proces, energia chimicde legtur a moleculelor este pus n libertate sub formde cldur preluatde produsele de ardere.

Cauze care determin ireversibilitatea extern

(funcionarea M i IT are loc n interaciune cu mediul ambiant de presiune p0 i T0)1.Diferene finite de temperatur ipresiune care caracterizeaz procesul de

transfer de cldur i de schimb de lucru mecanic al agentului termic cu mediulambiant;

2.Arderea incomplet a combustibilului.

7/23/2019 3.1 3.2 3.3 Ec. Fundamentala

2/6

n timpul desfurrii reale, ireversibile a proceselor termice, particip dou

categorii de forme de energie:- Energii care pot fi transformate integral n oricare alt form de energie,

considerate ca fiindforme de energie ordonatecare pot fi grupate n:

-

forme de acumulare a energiei: energie cinetic, potenial, electric,magnetic, ... .-

forme de transmitere a energiei: lucrul mecanic.-Energii care pot fi transformate parial ntr-o form ordonat de energie,

considerate ca fiindforme neordonate de energie:- forme de acumulare a energiei: energia intern, entalpia-

forme de transmitere a energiei: cldura.Gradul de transformabilitateeste condiionat de parametrii de stare ai agentului

purttor de energie i de cei ai mediului ambiant.

CONCLUZIE: Valoarea de utilizare a unei energii depinde nu numai de cantitateaacesteia, ci i de gradul de transformabilitate al acesteia ntr-o form ordonat deenergie.

Conform principiului al doilea al termodinamicii, entropia unui sistemtermodinamic izolat adiabat rmne constant dac toate procesele din interiorulsistemului se desfoar pe cale reversibil, ceea ce presupune satisfacerea condiiilor:

- lipsa frecrilor gazodinamice i mecanice;-

desfurarea proceselor de transfer de cldur la diferene infinit mici de

temperatur;-

desfurarea proceselor de schimb de lucru mecanic la diferene infinitmici de presiune;

-

meninerea echilibrului termodinamic intern n fiecare moment alprocesului termic;

-

meninerea neschimbat a compoziiei agentului termic.Pe de alt parte un sistem termodinamic schimb energie i mas cu mediul

ambiant.Ca urmare, variaia de entropie a sistemului are dou componente:

extirsist SSS int

unde Sir inteste compenenta permanent pozitiv, determinat de ireversibilitatea interna proceselor din sistem, Sexteste componenta pozitiv sau negativ cauzat de schimbulde energie i mas cu mediul ambiant.Ecuaia de mai sus reprezint ecuaia de bilanentropical sistemului termodinamic.

Obs.: pentru un sistem termodinamic deschis, sistem care schimb mas cumediul ambiant.

7/23/2019 3.1 3.2 3.3 Ec. Fundamentala

3/6

2

1 T

QS

ext

3.2 Teorema Gouy-Stodola

Teorema permite definirea pierderilor cauzate de ireversibilitatea intern iextern a proceselor termice.

Se consider un sistem termodinamic (M sau IT) n care evolueaz n regimpermanent, un debit masic de agent termic.

La intrarea n sistem, parametrii agentului sunt T1, p1, h1, s1. n timpul evoluieiprin sistem, agentul schimb energie sub form de cldur q12i de lucru mecanic tehniclt12. La ieirea din sistem parametrii agentului sunt: T2, p2, h2, s2.

ntr-o prim etap se consider evoluia agentului din starea 1 n starea 2 pe calereversibil:

Figura 1- destinderea adiabat reversibil 1-a de la T1, p1la T0, p0;- destinderea izoterm reversibil a-b de la pala pb, la temperatura T0cu aportul de

cldur 12012 ssTq

rev de la mediul ambiant.

- comprimarea adiabat reversibilb-2 de la pbla T2, p2.

Aplicnd ecuaia primului principiu al termodinamicii pentru un debit de 1 kg/s deagent, se poate scrie:

rev

t

rev lhhq 121212 [J/kg]Cldura schimbat de agent cu mediul ambiant este egal i de semn contrar cu

cldura schimbat de mediul ambiant cu agentul termic. n urma acestui schimb de

7/23/2019 3.1 3.2 3.3 Ec. Fundamentala

4/6

cldur, entropia mediului ambiant se modific cu S0rev, temperatura rmnnd

constanti egal cu T0.revrevrev qSTQ12000 revrev

t SThhl 002112 n cea de a doua etap se consider trecerea din starea 1 n starea 2 pe cale

ireversibil. n mod analog, aplicnd PI (primulprincipiu al termodinamicii), rezult:irevt

irev lihq121212

irevirevirev qSTQ 12000

unde S0irev este variaia de entropie a mediului ambiant ca urmare a schimbului

ireversibil de cldur cu 1 kg de agent care evolueaz prin sitem. irevirev

t STiil 002112 Pierderea de lucru mecanic tehnic datorit ireversinbilitii interne i externe a

proceselor la care particip 1 kg de aget termic latrecerea prin sistem, este: revirevrevoirevirevrevirevtrevtt SSTQQqqlll 000012121212

Dac se nglobeaz sistemul termodinamic iniial i mediul ambiant ntr-unsistemtermodinamic general, izolat adiabat fa de restul universului, pentru acest nou sistemecuaia de bilan entropicare n cele dou situaii analizate urmtoarele exprimri:

0120.

rev

agent

revrev

gensist ssSS

0120. irev

agent

irevirev

gensist ssSS

Rezult creterea entropiei sistemului termodinamic generalizat:0

00. revirevirevgensist SSS

Pierderea provocat de ireversibilitatea intern i extern, ir a proceselorla care particip

1 kg de agent termic , este: irevgensisttir STl .0

ceea ce reprezint exprimarea analitic a teoremei Gouy-Stodola.

3.3. Ecuaia fundamental pentru studiul proceselor termice ireversibilePornind de la exprimarea analitic a teoremei Gouy-Stodola i innd cont i derelaia:

0120.

irevagent

irevirev

gensist ssSS

se poate scrie: irev

agent

irev

ir ssST 1200

Variaia de entropie a agentului termic care evolueaz ntre seciunile 1 i 2, are ocomponent cauzat de ireversibilitatea intern a proceselor termice sir int 0 i ocomponent sq

irev0 datorit schimbului ireversibil de cldur cu mediul ambiant: irevqir

irev

agent ssss int12

Dac se ine cont de relaiile:

7/23/2019 3.1 3.2 3.3 Ec. Fundamentala

5/6

7/23/2019 3.1 3.2 3.3 Ec. Fundamentala

6/6

Rezult c indiferent de sensul schimbului de cldur ntre agent i mediuambiant, pierderea cauzat de ireversibilitatea transferului de cldur la diferen finitde temperatur T ntre agent i mediuambiant este dat de relaia:

irev

mq

extir qT

T12

0

1

extiririr int Lucrul mecanic tehnic schimbat de agent cu mediul ambiant n condiii de

reversibilitate este: 21021002112 ssThhSThhl

revrev

t Utiliznd relaiile prezentate anterior:

irev

t

rev

tt lll 1212 , tir l se poate scrie:

ir

irev

tt

irev

t

rev

t llll 121212 sau

extiririrevtlssThh int1221021

irev

mq

qT

T12

01

Rezult ecuaia fundamental pentru studiul proceselor termice ireversibile:

int121201212

01 ir

irev

t

irev

mq

lssThhqT

T

Ireversibilitatea constituie una dintre cauzele principale care condiioneaz

performanele mainilor i instalaiilor termice.