NOTIUNI ELEMENTARE DE TERMODINAMICA UTILIZATE IN DOMENIUL INSTALATIILOR FROGIRIFICE

Sistem termodinamic: reprezinta o parte a mediului inconjurator, separat de acesta printr-o suprafata reala sau aparenta, intre care exista interactiune (transferuri de energie sau masa).

sisteme termodinamice deschise: schimba energie si masa cu mediul inconjurator;

sisteme termodinamice inchise: schimba energie dar nu masa;

sisteme termodinamice izolate: nu exista schimb de energie si masa.

Procesele termodinamice reprezinta variatii ale starii sistemului ca urmare a interactiunii cu mediul exterior.

procese termodinamice ireversibile: transformari reale ale sistemului, prin care, daca procesul se desfasoara de la sine intr-un sens, rezulta ca el nu se poate desfasura in mod contrar fara interactiune cu mediul exterior;

procese termodinamice reversibile: procesele termodinamice care se desfasoara intr-un sens se pot desfasura si in sens contrar fara consum suplimentar de energie.

1. PRINCIPIILE TERMODINAMICII - CICLUL CARNOT INVERSAT

Principiul "0" al termodinamicii: daca doua procese termodinamice sunt in echilibru termic cu un al treilea sistem, atunci cele doua sisteme sunt in echilibru termic intre ele.

Principiul I al termodinamicii: variatia energiei interne a unui sistem este egala cu caldura primita de sistem minus lucrul mecanic produs de sistem (energia nu poate fi nici creata si nici distrusa).

O alta exprimare a acestui principiu spune ca nu se poate realiza o masina cu functionare continua care sa produca lucru mecanic fara un consum din exterior al unei cantitati de caldura echivalente.

Energia interna a unui corp este o marime care exprima energia continuta in el la o stare termodinamica oarecare, caracterizata prin presiune, volum si temperatura.

Entalpia este o marime de stare caracterizata de cantitatea de caldura schimbata cu exteriorul la presiune constanta.

In cadrul transformarilor deschise apar urmatoarele procese termodinamice:

procese izobare: aceasta transformare are loc la presiune constanta

procese izocore: aceasta transformare are loc la volum constant

procese izoterme: aceasta transformare are loc la temperatura constanta

procese adiabate: in cadrul acestui proces schimbul de caldura cu mediul este egal cu zero

Principiul al II-lea al termodinamicii: este imposibil transferul de caldura de la o sursa rece la o sursa calda fara a fi efectuat lucru mecanic.

In cadrul oricarui proces ciclic entropia nu poate decat sa creasca sau sa ramana constanta. Entropia are mai multe definitii:

masura a cantitatii de energie care nu este disponibila pentru a crea lucru mecanic

masura a dezordinii unui sistem termodinamic

Un sistem izolat (asupra caruia nu actioneaza nici un factor) devine mai dezordonat (creste entropia) odata cu trecerea timpului.

Ciclul Carnot:

ciclul Carnot direct (compus din doua izoterme si doua izentrope):

 

Fig. 1.1. Ciclul Carnot direct in coordonate p - V si T - s

Ciclul Carnot direct reprezinta ciclul universal de referinta pentru masinile termice (ex: motoare). Randamentul acestora poate fi detrminat cu formula:

ciclul Carnot inversat (compus tot din doua izoterme si doua izentrope):

Fig. 1.2. Ciclul Carnot inversat in coordonate p - V si T - s

Ciclul Carnot invers reprezinta ciclul universal de referinta pentru masinile frigorifice, pompele de caldura si masinile cu ciclul combinat, inversat.

Prin ciclul Carnot inversat se realizeaza transportul caldurii de la sursa rece la sursa calda, efectuandu-se un consum minim posibil de energie, acest ciclu fiind denumit si ciclu frigorific ideal, care se va realiza in domeniul de vapori umezi, asa cum se observa in figura 3.

Procesul de lucru se desfasoara intre temperatura de vaporizare T₀, teoretic egala cu temperatura sursei reci T_r, temperatura de condensare T_k, teoretic egala cu temperatura sursei calde T_a , a mediului ambiant si cele doua adiabate reversibile (s = constant): de comprimare, respectiv de destindere, sensul de parcurgere a ciclului fiind antiorar.

Fig. 1.3. Ciclul Carnot inversat reversibil, in domeniul de vapori umezi

Agentul frigorific preia caldura in vaporizatorul instalatiei, prin procesul izobar-izoterm 4-1 . Vaporii obtinuti sunt comprimati adiabatic reversibil de compresor, prin procesul 1-2 . Dupa ce este refulat de compresor, agentul de lucru ajunge in condensator, unde cedeaza caldura in procesul de asemenea izobar-izoterm 2-3. Lichidul rezultat se destinde in detentor, procesul de lucru 3 - 4 din acest aparat fiind tot adiabatic reversibil si in continuare ciclul se repeta.

Principiul al III-lea al termodinamicii: entropia oricarui corp cristalizat este egala cu zero la temperatura de zero absolut. Consecinta a acestui enunt: nu se poate atinge temperatura de zero absolut.

2. MODALITATI DE TRANSFER DE CALDURA

Obiectul studiului il reprezinta modalitatile de propagare a caldurii intre doua zone cu temperaturi diferite ale aceluiasi corp, sau intre doua corpuri cu temperaturi diferite.

Motorul transferului de caldura este reprezentat de diferenta de temperatura (gradientul de temperatura). Transferul de caldura este un fenomen care se petrece in mod firesc, deci nu poate fi impiedicat. In schimb, transferul de caldura poate fi franat sau stimulat. Conform principiului al doilea al termodinamici caldura se transfera de la corpuri cu temperatura mai ridicata la corpuri cu temperatura mai scazuta.

O modalitate de franare o reprezinta utilizarea izolatiei termice; consecinta acestui fapt este economia de energie si combustibil. Transferul de caldura nu poate fi infranat total cu ajutorul izolatiilor termice, deoarece eficienta acestora nu poate fi de 100%.

Procesele adiabate desfasurate la entropie constanta nu au corespondent in realitate, rezultand ca transferul de caldura este un proces ireversibil.

O modalitate de stimulare a transferului de caldura o reprezinta utilizarea aripioarelor in cadrul schimbatoarelor de caldura. Consecinta este cresterea coeficientului global de transfer de cadura. Totodata schimbatoarele devin mai compacte si pentru constructia acestora se realizeaza economie de materiale.

Conductia: modul de transfer de caldura care are loc prin corpuri (medii materiale) fara miscari aparente. Exemple: corpurile solide, pelicule subtiri de fluid care sunt tinute nemiscate de fortele de vascozitate.

Mecanismul conductiei este de tip molecular, energia termica fiind transmisa de la molecula la molecula.

Legea fundamentala a conductiei termice (legea lui Fourier) este definita astfel: fluxul termic unitar este proportional cu gradientul de temperatura.

semnul minus aratand ca fluxul termic se transmite in sensul descres­cator al temperaturii. Valorile coeficientului de conducti­vitate termica (se foloseste si termenul de conductibilitate) determinate in la­borator, depind, in principal, de tempe­ratura materialului si de continutul de umiditate al acestuia. In general, odata cu cresterea temperaturii, creste la materialele de constructii, la vapori si gaze si se micsoreaza la fluide si metale. Odata cu cresterea umiditatii si densitatii, creste si coeficientul . Porozitatea materialelor influenteaza sen­sibil coeficientul . Materialele cu pori de dimensiuni mici sunt bune izolatoa­re termic Presiunea influenteaza, de a-semenea, coeficientul La cresterea presiunii (pana la o valoare critica, in functie de material) are loc o scadere a coeficientului explicabila prin micsorarea porilor. La lichide, coeficientul se apropie ca marime de cel al materialelor izolatoare, in functie de natura lichidului, presiune si tempera­tura. Gazele au cele mai mici valori ale coeficientului depinzand, si ele, de presiune si temperatura.

Domeniile de variatie ale coeficientului de conductivitate termica l
Materialul	l	Materialul	l
Metale		Materiale termoizolatoare, de natura organica
Aliaje		Idem, de natura anorganica
Pietre naturale		Gaze
Materiale de constructii		Aer la  0 °C sau la 50 °C	0,028
Materiale rezistente la foc		Fluide

Tabelul 2.1. Diverse valori ale coeficientului de conductivitate termica

Convectia: modul de tansfer de caldura care are loc la contactul dintre o suprafata solida sau lichida si un fluid. Exemple: intre suprafata exterioara sau interioara a unui perete si aerul inconjurator, sau intre peretele unui radiator si mediul interior sau exterior (la interior apa, iar la exterior aer).

Mecanismul convectiei este de tip molar, adica moli sau aglomerari de fluid care au temperaturi diferite se deplaseaza de la o zona la alta a fluidului, astfel realizandu-se transferul de caldura.

Legea fundamentala a transferului termic prin convectie (schimb de caldura intre o suprafata si un fluid), cunoscuta si sub numele de legea lui Newton, permite calcului fluxului de caldura care este proportional cu suprafata de schimb termic F si cu diferenta dintre temperatura peretelui si a fluidului:

, unde coeficientul de proportionalitate se numeste coeficient de convectie a caldurii , este o functie de mai muite variabile ca temperatura, viteza, conductivitatea termica, vascozitatea, caldura specifica, densitatea si se calculeaza pentru miscarea turbu­lenta si laminara cu ajutorul relatiilor criteriale. Convectia caldurii poate fi fortata (cel mai important mod de transfer termic convectiv, deoarece se intalneste aproape in toate cazurile practice) sau libera (naturala) la care schimbul convectiv este cauzat de di­ferenta de densitate.

Radiatia: modul de transfer de caldura intre doua corpuri care nu se afla in contact, spatiul dintre ele fiind ocupat de un gaz la o anumita presiune. Conditia de transfer termic prin radiatie este ca acest mediu care separa cele doua corpuri sa fie transparent la radiatie termica. Exemplu: transferul de caldura realizat in cuptoare industriale.

Mecanismul radiatiei: energia interna a corpului radiant se propaga in toate directiile sub forma de unde electromagnetice. La contactul acestor unde cu suprafata celuilalt corp, aceasta energie radianta se tranforma in energie interna si modifica temperatura acestui corp.

Radiatiile care cad pe un corp pot fi absorbite, reflectate sau pot sa strabata corpul. Corpurile alb, negru, cenusiu sunt defi­nite, in tehnica, din punct de vedere termic si nu coloristic. Daca notam cu 1 cotele parti din energia absorbita (A), reflectata (R) si care strabate un corp prin transparenta (D), putem defini, din punct de vedere termic, corpurile: corp alb, R=1; corp negru, A=1; corp diaterman absolut, D=1; corp diaterman (transparent), D0; corp aterman, D=0; corp cenusiu, A0. La gaze, intensita­tea radiatiei depinde si de grosimea stratului si de presiune. Capacitatea de emisie sau absorbtie este mai redusa decat a solidelor sau lichidelor.