Curs Termotehnica (6)

8/16/2019 Curs Termotehnica (6)

1/21

TERMOTEHNICACURS 7


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”.


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


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.


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.


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.


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.


8/21

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


9/21

Căldura


10/21

Căldura


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


12/21

Experimentul lui Joule


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.


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


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


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


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.


18/21

Aplicarea metodei bilantului

in cazul generatoarelor deabur


19/21


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 .


20/21

Aplicarea metodei bilantului

in cazul generatoarelor deabur

i i i i


21/21


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.

Documents

Curs Termotehnica (6)