curs termotehnica (6)
TRANSCRIPT
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
1/21
TERMOTEHNICACURS 7
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
2/21
Căldura
Căldura reprezintă o mărime de proces.
Modurile elementare de propagare a căldurii:
Conducţia termică - modul elementar depropagare a căldurii din aproape în aproape de
la microparticulă la microparticulă. Procesul detransfer al căldurii are loc dintr -o zonă cu otemperatură mai ridicată către o zonă cutemperatură mai coborâtă.
Luând în considerare structura intimă a materieiconductoare, conducţia termică reprezintăacel mod elementar de propagare prin vibraţiiatomice.
Propagarea căldurii prin vibraţii atomice a fostasociată cu propagarea unor particule teoreticenumite „fononi”.
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
3/21
Căldura
Ecuatia lui Fourier:dx
dT q
Densitatea fluxului termic în procesul de conducţie este proporţionalcu gradientul temperaturii, sensul propagării fiind în sens invers vectorului
gradient.Factorul de proporţionalitate λ se numeşte coeficient de conducţietermică.
A
Qq
[W/m2]
.malatransversariedeunitatea-.s propagarede perioada-
.Jcaldura-.W/m cflux termidedensitatea-
2
2
A
Qq
[W]cflux termi -
Q
QQ
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
4/21
Căldura
Convecţia termică reprezintă procesul de transferde căldură între un perete şi un fluid în mişcare, subacţiunea unei diferenţe de temperatură între pereteşi fluid.
Astfel se pot diferentia 3 straturi de fluid la limita cuperetele:
stratul 1: particulele de fluid sunt absorbite deperete (ancorate); modul de propagare al călduriieste preponderent conductiv.
stratul 2 : se mai numeşte strat de curgere laminarăformat din straturi paralele de fluid care pot cliva(aluneca) unele faţă de altele; procesul depropagare a căldurii este conductiv-convectiv.
stratul 3: strat de curgere tulburent, propagarea seface prin amestecarea portiunilor calde cu porţiunile
mai reci.
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
5/21
Căldura
Convecţia este modul elementar de propagarea
a căldurii prin amestecarea porţiunilor de fluid
mai cald cu porţiunile mai reci şi poate fi de două
feluri:
liberă.
fortaţă.
Legea lui Newton pentru densitatea fluxuluitermic:
f S T T q
unde α reprezintă coeficientul de convecţie.
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
6/21
Căldura
Radiaţia: orice corp cu o temperatură mai mare de 0 K emite o radiaţie electromagnetică pe un domeniu infinit delungimi de undă.
Banda de frecvenţă corespunde lungimii de unde cuprinsă între se numeşte radiaţie termică.
Radiaţia termică reprezintă modul de propagare acăldurii între 2 corpuri între care nu există un mediu decontact.
Se consideră două corpuri cu temperaturile T 1 si T 2 , undeT 1 > T 2 , rezultă prin legea Stefan Boltzmann:
m 2504.0
4
2
4
1
0
100100
T T C q
unde ε reprezintă coeficientul de emisivitate a corpului.
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
7/21
Căldura
Din punct de vedere istoric, studiul căldurii se realiza cu ajutorul
calorimetriei, care ulterior a devenit capitol din termodinamică şi
se ocupa cu studiul proprietatilor diferitelor substanţe de a
absorbi energie prin procese de transformare termica.
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
8/21
Căldura
Căldura specifică
dT
Q
mc
dT
q
T
qc
T
1
12
0
lim
q12 – căldura transferată corpului in evoluţia sa de la starea
inţială 1 la finală 2 , atunci când temperatura s-a modificat cu
∆T.
mediespecificacaldura-
12
2
1
12
c
T T cmcdT mQ
12
1122
12
2
1
2
1
1
T T
T cT cc
cdT T T
c
T
T
T
T
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
9/21
Căldura
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
10/21
Căldura
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
11/21
Experimentul lui Joule
Lucrul efectuat de forţele gravitaţionale este disipat de forţele de frecaredintre fluid si rotor.
Energia disipată se acumulează în corp aflat în
calorimetru astfel încât putem spune că:
unde A se numeşte factor de proporţionalitate sau
echivalentul mecanic al caloriei.
Q A L
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
12/21
Experimentul lui Joule
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
13/21
Formulările primului
principiu altermodinamicii
Primul principiu al termodinamicii, care exprimă legea
generală a conservării energiei şi transformării energiei înprocesele termice, are următoarele formulări:
a) Energia unui sistem termic izolat se menţine constantă.
b) Nu se poate realiza o maşină termică cu funcţionare
continuă care să producă lucru mecanic fără aconsuma o cantitate echivalentă de căldură.
O astfel de maşină care ar produce lucrul mecaniccontinuu fără să consume căldură în cantitateechivalentă se numeşte perpetuum mobile de speţa I.
c) Perpetuum mobile de speţa I este imposibil.
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
14/21
Exprimarea matematică a
principiului I pentru sisteme închise Fie un sistem inchis oarecare. In conformitate cu Principiul I
energia schimbată de un sistem închis cu mediul, sub formăde căldură şi lucru mecanic trebuie să se regăsească învariaţia marimii de stare interne a sistemului. Aceasta mărimese numeşte energie internă şi se noteaza cu “U”.
Energia internă este o mărime de stare care reprezintăenergia termică a unui corp, într -o stare termodinamicăoarecare.
Este o mărime de stare, adică depinde doar de stareasistemului la momentul respectiv şi nu depinde de drumulparcurs de sistem pentru a ajunge în starea respectivă.
Unitatea de masura in SI este J.
Este o mărime de stare extensivă, deci se poate defini şienergia internă specifică:
unde m - masa corpului.
kg/Jm
Uu
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
15/21
Exprimarea matematică aprincipiului I pentru sisteme
închise În calculele din sistemele termomecanice nu interesează valoareaabsolută a energiei interne, ci numai variaţia sa atunci cândsistemul trece dintr-o stare în altă stare:
unde: U2 - energia internă a sistemului în starea finală
U1 - energia internă a sistemului în starea iniţială.
Ţinând cont de convenţia de semne, pentru o transformare dintr -o stare 1 în starea 2:
U2 - U1 = Q12 - L12 sau
ΔU12 = Q12 - L12 = Q12 – p(V2-V1)
unde: Q12 – caldura neta primita de sistem; L12 - lucru mecanic netefectuat de sistem
In marimi specifice: u2 - u1 = q12 - l12
Pentru o transformare elementară:
du = δq - δl = δq - p dv
δq = du + p dv
JUUU12
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
16/21
Metoda bilantului Metoda consta in identificarea formelor de energie care intervin intr-un
proces termodinamic care are loc intr-un sistem si verificarea cantitativa
printr-o ecuatie de bilant. Forma generica a ecuatiei de bilant esteurmatoarea:
In forma integrala si diferentiala, ecuatia de bilant va avea formele:
LQdE
LQU PE KE
1212
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
17/21
Aplicarea metodei bilantuluiin cazul generatoarelor de
aburSe numeste generator de abur, sistemultermodinamic care foloseste caldurarezultata prin arderea combustibililor pentruvaporizarea apei si eventual supraincalzireaaburului.
Categorii de combustibili:
Solizi: carbune (carbune brun, huila,antracit), sisturi butuminoase, deseuri solidecombustibile; biomasa.
Lichizi: pacura si derivati petrolieri, biodiesel,bioetanol.
Gazosi: gaz natural si gaze de sonda, gaze
reziduale (combustibili gazosi proveniti dinindustria metalurgica, rafinarii), biogaz.
Schema de principiu a unui generator de abur:
Preincalzirea apei are loc pana lastarea de saturatie. Apa care seafla la starea de saturatie preia
caldura din focar si sevaporizeaza.
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
18/21
Aplicarea metodei bilantului
in cazul generatoarelor deabur
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
19/21
Aplicarea metodei bilantuluiin cazul generatoarelor de
aburConturul de bilanţ reprezintă suprafaţa de referinţa sau frontiera sistemului
termodinamic la care se aplica ecuaţia de bilanţ si ajuta la identificarea
fluxurilor energetice intrate si ieşite din sistem.
Forma ecuaţiei de bilanţ este următoarea:
kW QQQ pabur i
iQ
abur Q
pQ
- fluxurile de căldura intrate prin contur.
- fluxul de căldura util.
- fluxul de căldura asociat pierderilor .
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
20/21
Aplicarea metodei bilantului
in cazul generatoarelor deabur
i i i i
-
8/16/2019 Curs Termotehnica (6)
21/21
Aplicarea metodei bilantuluiin cazul generatoarelor de
abur Detalierea termenilor din ecuatia de bilant se realizeaza pana cand seidentifica parametrii care trebuie masurati pe fiecare flux energeticintrat si iesit din contur.
Se identifica numarul minim de parametrii care trebuie masurati in
conditii economice, restul parametrilor se determina din estimaristatistice.
Se calculeaza termenii si se verifica ecuatia de bilant.
Pentru fiecare termen se analizeaza semnificatia fizica a acestuia si serefac calculele in mod iterativ pana cand ecuatia de bilant „s-a inchis” sitermenii din ecuatie au sens fizic.
Pe baza ecuatiei de bilant se identifica pierderile de energie, seanalizeaza fluxurile in vederea utilizarii eficiente a acestora si se
propun solutii de crestere a eficientei intregului sistem.