Termotehnica si Masini Termice.doc

7/29/2019 Termotehnica si Masini Termice.doc

1/25

TERMOTEHNIC I MAINI TERMICE

1. Noiuni introductive

Termotehnic ramur de tiin care se ocup cu studiul teoriei imijloacelor de transfer a energiei termice, obinerea ei precum itransformarea acestei energii n alte forme de energie (de exemplumecanic).

n 1894 Carnot definete termodinamica drept fora motoare a cldurii.Termodinamica este o ramur a fizicii caare se ocup cu studiul fenomenelor n care variaia temperaturii joac un rol primordial. Aceste fenomene implicmicarea termic a materiei micarea brownian intensificat de cretereatemperaturii i transformarea energiei dintr-o form n alta.

Mainile termice sunt acele maini care transform o form deenergie n alta ca o aplicaie practic a proceselor termodinamice. n general,termenul de main implic un sistem format din mai multe corpuri, care aumicri determinate unele fa de celelalte, utilizat pentru transformareaenergiei dintr-o form n alta dintre care una este energie mecanic.

Sisteme termodinamice totalitatea corpurilor care interacioneazdin punct de vedere termic i mecanic att ntre ele ct i cu mediiul exterior.Sistemul termodinamic este un sistem material continuu care schimb

energie sub form de lucru mecanic i cldur. Sistemele pot s fie: a) nchise care la rndul lor sunt sisteme izolate sau neizolate i b) sistemedeschise.

Sistemul nchis este cel care nu schimb materie cu exteriorul, iar sistemul izolat este acela care nu are schimb de energie termic cu exteriorul.La sistemele neizolate apare o interaciune cu mediul nconjurtor prin cedarei captare de energie termic.

Sistemul omogen este acela care are o distribuie uniform aproprietilor n tot spaiul ocupat de mediul continuu de exempludensitatea, temperatura etc.

Sistemul eterogen este acel mediu continuu la care distribuiaproprietilor nu mai este uniform n tot domeniul.Stare termodinamic reprezint starea unui sistem definit prinmrimile macroscopice la un moment dat ansamblul valorilor temperaturii T,a volumului V, presiunii p i masei m a corpului.

Mrimile de stare se refer la starea termodinamic a unui corp.Parametri de stare folosii n termodinamic sunt:

a) fizici: temperatura T, volumul V, presiunea p;b) calorici: energie intern, entalpie i entropie.

Orice stare macroscopic este rezultatul strilor microscopice dependente demicrile globale, haotice ale moleculelor, atomilor n cadrul micriibrowniene denumit agitaie termic. Starea microscopic se poateschimba fr ca acest fapt s se reflecte n starea macroscopic. Apare astfelnoiunea de probabilitate termodinamic. Probabilitatea termodinamic se


2/25

refer la probabilitatea de realizare a unei stri microscopice care se reflectla un moment dat ntr-o stare macroscopic.

Starea de echilibru se realizeaz atunci cnd condiiile exterioaresunt constante i se caracterizeaz prin repartizarea uniform a presiunii,temperaturii i densitii n toate punctele unui sistem, temperatura ipresiunea fiind identice cu cele ale mediului ambiant.Starea de echilibru termodinamic este starea de echilibru n carenu se realizeaz schimb de energie ntre prile componente ale unui sistem,iar starea sistemului rmne constant n timp. Modificarea condiiilor exterioare va produce ntotdeauna modificarea strii sistemului. De aceea ninteriorul unui sistem se va produce un schimb de energie pentru restabilirearepartizrii uniforme a parametrilor respectivi.

Timp de relaxare timpul necesar restabilirii repartiiei uniforme aparametrilor de stare; acest timp este dependent de starea i natura corpului.

Transformarea termodinamic trecerea sistemului de la o staretermodinamic la alta. Dup modul cum se parcurge transformarea acesteapot fi:

a) reversibile transformarea se realizeaz spontan n ambele sensuri cuparcurgerea acelorai stri intermediare care ntotdeauna sunt stri deechilibru;

b) ireversibile transformarea se realizeaz ntr-un singur sens cumodificarea parametrilor de stare. n mainile termice agentul de lucru este un gaz. Dup modul cum se

consider comportarea lor gazele sunt perfecte sau reale. De cele mai multeori, pentru simplitate, gazele se consider perfecte.

Gazul perfect este format din molecule sferice, perfect elastice, lipsitde fore de coeziune molecular,cu molecule monoatomice n micare detranslaie i cu distribuia ciocnirilor dintre molecule staionar. n general,legile stabilite pentru gazele perfecte dau rezultate satisfctoare n calculeletermodinamice pentru domeniul presiunilor i temperaturilor sczute i medii.Pentru gazul perfect 1 kmol are ntotdeauna numrul de molecule dat de Avogadro N A = 6,0231026 molecule/kmol.

Pentru gazl perfect este valabil legea TNkVp AN = (1)unde VN este volumul molar normal, iar k este constanta lui Boltzman.

Deoarece volumul molar la o presiune i temperatur dat nu depindede natura gaului s epoate scrie legea TRVp mN = (2) n care Rm este constanta gazelor perfecte cu valoare unic pentru toategazele.

Starea normal fizic a uni gaz este definit prin valorile pN = p0 = 760mmHg = 1 At = 101325 N/m2, tN = t0 = 00 C. n aceste condiii de presiune itemperatur 1 kmol din orice gaz perfect ocup un volum egal cu volumulmolar normal VN = 22,414 Nm3/kmol. Cu aceste valori rezult constantagazelor perfecte Rm= 8315 J/kmol i grad Kelvin. Ea reprezint lucrul mecanicpe care-l efectueaz un kmol de gaz n cursul creia temperatura variaz cuun grad Kelvin.

Pentru o mas de 2 kg de gaz perfect relaia 1 rezult sub formaRTp = (3)

ecuaia lui Clapeyron care face legtura ntre principalele mrimi de stare.Constanta gazelor perfecte este R = Rm/M [J/kg 0K], unde R este constanta


3/25

unui gaz anume cu valori dependente de natura gazului, iar M este masamolecular aparent a gazului M[kg/kmol]. Constanta R repreziint lucrulmecanicefectuat de 1 kg de gaz pentru a-i varia temperatura cu un gradKelvin.

Dac se consider ntreaga cantitate de gaz m perfect se poate scrieo alt form a relaiei 2 de forma TRmp = (4)care reprezint ecuaia de stare pentru ntreaga cantitate de gaz ceevolueaz n procesul termodinamic. n relaia de mai sus apare volumulspecific m/V= [m3/kg] dat de = /1 - inversul densitii.

2. TERMODINAMICA GENERAL

2.1. Coeficieni termodinamici

n termodinamic se lucreaz cu trei parametri de stare fizic:presiune, volum, temperatur. Pentru o mas de 1 kg de gaz perfectparametrii de stare se pot exprima sub forma literelor p, , T. Se poateconsidera c exist o funcie implicit care face legtura ntre cei treiparametri rezultnd o ecuaie de stare de forma ( ) 0T,,pf = - ce se poatereprezenta ntr-un spaiu cu trei dimensiuni o suprafa spaial. Ca urmarese pot considera funciile de dou variabile cu care se poate lucra mult maiuor deoarece reprezentarea grafic se realizeaz n spaiul bidimensional

( )T,f p = ; ( )T,pf = ; ( )= ,pf T ; aceste funcii admit difereniale totaleexacte. Prin derivarea lor se obine

3.2dT

dpp

TdT

2.2;dTT

dpp

d

1.2;dTTp

dp

dp

p

pT

T

+

=

+

=

+

=

Toate mrimile de stare admit difereniale totale exacte pentru c elese refer la un mediu continuu. Derivatele pariale din 2.1, 2.2, 2.3 ausemnificaii fizice viteza de variaie a mrimii respective n raport cumrimea de derivare.

n general, ntr-o transformare de stare se produce variaia a unui saua doi parametri, exceptnd cazul special al evoluiei simultane a tuturor celor trei parametri p, , T. Dac se consider pe rnd constana unui parametrude stare se poate deduce semnificaia fizic a derivatelor pariale pentru careva rezulta apoi semnificaia coeficienilor.


4/25

Transformarea izocor. Transformarea apare atunci cnd volumul degaz este constant = constant de unde rezult difereniala d = 0. Din

difereniala total 2.1 se obine dTTp

dp

= . Se raporteaz variaia

presiunii la presiunea iniial p0, corespunztoare temperaturii iniiale T0 irezult coeficientul

=

Tp

p1

0(2.4)

denumit coeficient izocor de variaie a presiunii.Transformarea izobar. Transformarea izobar apare atunci cnd

presiunea n volumul de gaz este constant p = constant, cu derivata dp = 0.

Din difereniala total exact 2.2 se obine dTTd

p

= . Se raporteaz

variaia volumului la volumul iniial 0, corespunztor temperaturii iniiale T0 i

rezult coeficientulp0 T

1 = (2.5)

denumit coeficient izobar de dilatare volumic. Valorile acestui coeficient suntdependente de temperatur i mai ales de natura gazului care este supustransformrii izobare.

Transformarea izoterm. Transformarea izoterm este caracterizatprin meninerea temperaturii constante n timpul modificrii parametrilor de

stare. Deoarece T = constant, deci dT = 0 din 2.3 se obine dpp

dT

= .

Prin mprirea variaiei de volum la volumul iniial 0, corespunztor

temperaturii T0 rezult coeficientulT0

T p1

= (2.5) care se

denumete coeficient de compresibilitate izoterm. Semnul minus esteintrodus deoarece variaia volumului cu presiunea este negativ cretereapresiunii conduce la scderea volumului iar coeficientulT trebuie s fiepozitiv.

ntre cei trei coeficieni exist relaia pT= .

Energia.Energia unnui corp sau a unui sistem de corpuri este definit prin

capacitatea acestora de a efectua un lucru mecanic prin modificarea strii lor.Dup natura transformrii de la o stare la alta energia poate fi mecanic,termic, electric, hidraulic etc. a cror sum reprezint energia total acorpului considerat. Pentru un sistem termodinamic energia total Et estesuma dintre energia Ec energia cinetic, Ep anergia potenial i U energia intern. Se poate scrie expresia UEEE pct ++= .

Energia cinetic Ec este o parte din energia total care depindeexclusiv de mrimile ce caracterizeaz starea sistemelor de micare.

Energia potenial Ep este energia pe care o are un sistem departicule, un corp, datorit poziiei acestora fa de o configuraie de referin de exemplu n cmpul forelor gravitaionale.


5/25

Energia intern U potenial termodinaic exprimat n funcie devariabilele de stare. Este o mrime de stare caloric cu valori bine determnatla fiecare stare termodinamic pe care o poate avea sistemul.

Legea conservrii energiei exprim c ntr-un sistem de corpuri careformeaz un tot izolat energia total suma tuturor formelor de energie rmne constant oricare ar fi natura modificrilor de stare care intervin nsistemul considerat. Pentru studiul proprietilor unui corp sau sistem estecomod s se izoleze acesta de celelalte corpuri sau sisteme, denumitegeneric drept mediu exterior. Legea conservrii energiei devine: n cursultrecerii unui corp dintr-o stare n alta intervine un schimb de energie ntreacesta i mediul exterior astfel nct suma energiilor corpului i mediuluiexterior rmne constant.

Se definete drept cldur scimbul de energie dintre un corp i mediulexterior care se manifest prin modificarea strii termice a corpului consideratceea ce corespunde, n general, nclzirii sau rcirii acestuia. Matematicschiimbul de energie dintre un corp i mediul exterior, n urma trecerii dintr-ostare (1) n alta (2), se exprim prin diferena 21 EEE = dintre valorileenergiei corpului n cele dou stri.

Obiectul termodinamicii l constituie stabilirea relaiilor cantitative icalitative dintre cldur i lucru mecanic va urmare a schimbului de energie.

Lucrul mecanic este reprezentatprintr-o schimbare a formei demicare, analizat din punct de vedere cantitativ, proces n decursul creia oanumit form de micare trece n alt form de micare.

Pentru o micare de translaie lucrul mecanic este produsul dintre foraaplicat unui corp F i deplasarea acestuia l sub aciunea acestei fore: L = Fl.

n cazul unei particule care se deplaseaz pe o traiectorie curbilinie

ntre punctele A ,i B lucrul mecanic este dat de integrala curbilinie AB r dF ,unde r dF este lucrul mecanic elementar reprezentat prin produsul scalr alforeiF i deplasrii elementare r d a punctului de aplicaie a forei F.

Fora F genereaz pe o suprafa a o presiune dat de p = F/A i deciF = pA. Se introduce expresia n lucrul mecanic elementar

dVpdr Apdr FdL === , dV fiind o variaie a volumului elementar. Ca

urmare lucrul mecanic este =V

dVpL .

Lucrul mecanic de dislocare dedeplasare izobar a unui fluid. Noiunearespectiv este utilizat la sistemedeschise prin care se deplaseaz un fluidi este necesar deplasrii unei mase defluid dintr-o parte a sistemului n alta (deexemplu conducte). Ca urmare Ld = pVfiind un lucru mecanic primit de masa defluid din spate i cedat pentru deplasareafluidului din fa.

Lucrul mecanic absolut total. ntr-o transformare de stare se realizeaz o deplasare oarecare de substan.

p1

dLL12

p 2

V1 dV 2

Fig. 1. Definirea lucrului mecanic


6/25

Se caut s se determine lucrul mecanic care s descrie ntreg procesul fiindconsumat sau cedat de ctre gaz. Se consider un proces care evolueaz ntre punctele 1 i 2 pe diagrama din figura 1 n coordonate p i V. Se ia unvolum elementar dV la care se poate considera c presiunea este constant,deoarece dV este foarte mic. Se obine lucrul mecanic absolut

==2

1

2

112 dVpdLL . Ca urmare, n conformitate cu definiia integralei definite

mrimea ariei de sub curb reprezint lucrul mecnaic corespunztor transformrii.

Convenional se consider lucrul mecanic produs de o main ca fiindpozitiv, iar cel consumat sau primit ca negativ.

Terminologie.Transformare termodinamic trecerea unui sistem de la o stare de

echilibru la alta; caracteristic este factorul timp.Transformarea n cursul creia apare o cretere a volumului se

numete destindere, iar cea n care are loc o reducere a volumului senumete compresiune.

Transformarea caracterizat prin meninerea constant a volumuluieste transformarea izocor.

Transformarea care apare prin meninerea constant a presiunii estedenumit izobar.

Transformarea caracterizat de meninerea constant a temperaturiieste transformarea izoterm.

Transformrile care apar ntr-o incint cu nveli de izolare termic cenu permite schimb de energie termic cu exteriorul este transformarea

adiabat la care apar modificri simultane ale celor trei parametri.ClduraCldura reprezint schimbul de energie cu mediul datorat nivelului

termic diferit al sistemulu i mediului. Cldura i lucrul mecaniic sunt mrimide proces sau mrimi de transformare astfel nct din punct de vederematematic nu admit difereniale totale exacte. Schimbul de cldur este datde relaia TcmQ = n care [Q] = J Joule, iar 1 kcal = 4,1868 kJ, unde creprezint cldura specific a procesului considerat pentru agentul de lucru ntre temperaturile de desfurare ale procesului.

Pentru cldur, convenional, se adopt semnele: Q 0 n cazul ncare o main termic primete cldur i Q 0 n procese de rcire cndT

Cldura specific cantitatea de cldur care se d unitii decantitate de substan pentru a-i varia temperatura cu un grad. Clduraspecific depinde de: a) temperatur; b) natura transformrii la care estesupus gazul n timpul procesului de nclzire sau rcire; c) unitatea decantitate de substan; d) natura corpului.

Dependena de presiune pn la presiuni de 60 bari variaia clduriispecifice cu presiunea este redus i deci, practic, se poate consideraconstant.

Dependena de natura transformrii. Se consider o cantitate de 1kg de gaz perfect care se nclzete de la T1 la T2 o dat la volum constant iapoi la presiune constant.


7/25

Volum constant. Prin nclzire de la T1 la T2 se mrete agitaia termica moleculelor fapt care se traduce prin variaia energiei interne; ca atare seconsider cldura specific la volum constant cv i deci cantitatea de cldureste TcmQ vv = .

Presiune constant. Gazul care se nclzete n acelai ecart detemperatur 21 TTT = se va dilata pentru a menine presiunea constant el va executa un lucru mecanic. Aadar, este necesar o cantitate de cldurmai mare dect n cazul precedent. Cantitatea de cldur se determin cuexpresia TcmQ pp = . Deoarece pQ vQ rezult c cp cv. Raportulcelor dou mrimi cp / cv = k este denumit exponent adiabatic cu valoriorientative: a) n cazul gazelor monoatomice k = 1,66; b) gaze biatomice k =1,4; c) gaze poliatomice k = 1,2...1,3.

Cldura specific depinde de natura gazului prin numrul de atomi dinmolecul, starea n care se afl gazul, modul de obinere a gazului i puritatealui.

Principiile termodinamicii

Principiul zero. Cronologic acest principiu a fost formulat mult maitrziu dup ce a fot cunoscute celelalte dou principii1i 2. Dou sisteme n echilibru termic, consideratepe rnd cu un al treilea sistem se afl, simultan, nechilibru termic unul cu altul.

Principiul zero subliniaz faptul c temperaturaeste o mrime caracteristic a echilibrului termic acorpurilor. Temperatura este o mrime intensivpentru fiecare stare a echilibru a sistemelor. Aadar,toate sistemele care se afl n echilibru termic au aceiai temperatur iinvers sistemele care nu sunt n schilibru termic unele cu altele vor aveatemperaturi diferite. Temperatura este omsur a nclzirii corpurilor i sestabilete totdeauna direcia natural de transmitere a cldurii ntre corpuri.

Principiul unu al termodinamicii sau principiul echivalenei energiilor echivalena cldurii cu lucrul mecanic.. Primul principiu al termodinamiciireprezint legea conservrii energiei aplicat la fenomenele care comportschimburi de energie. n cazul unui sistem termodinamic izolat n care apar numai lucru mecanic i schimburile de cldur primul principiu altermodinamicii arat c ntre acestea exist o perfect egalitate astfel c uneianumite cantiti de cldur i corespunde totdeauna acelai lucru mecanic.Suma energiilor unui sistem termodinamic izolat este constant oricare ar fiprocesele care se desfoar n afara sistemului.

Expresia matematic a primului principiu al termodinamcii este Q = AL,unde Q reprezint schimburile de cldur, L lucrul mecanic, A esteechivalentul mecanic al kcal; relaia este valabil dac [Q] = kcal, [L] = kgfm, A = 1/427 [kcal/kgfm]. n sistemul internaional n care toate formele de

energie se exprim n unitatea de msur Joule relaia se scrie direct subforma Q = L [J].

I

II III Fig. 2. Primul principiual termodinamicii


8/25

Clasius a formulat c: o main termic nu poate produce continuulucru mecanic fr a consuma o cantitate de cldur echivalent din exterior.

Ostwald a formulat c: perpetuum mobile de spea nti nu este posibil.

Energia intern i entalpiaExist trei forme de energie Epot potenial, Ecin cinetic, U energia intern. Avnd n vedere caracterul ei aditiv rezult c energia total

E este suma E = Epot + Ecin + U n care Epot este datorat interaciunii dintresistem i mediul exterior ca urmare a poziiei sistemului ntr-un cmp de foreexterioare (fore masice exterioare sistemului de exemplu cmpul forelor masice gravitaionale, centrifugale etc.), Ecin se datorete strii de micare acorpului ca un tot unitar i ntr-o parte care nu depinde de condiiile exterioare,ci numai de cele interioareale sistemului considerat.

n cazul unei transformri deschise se poate scrie expresiaUEEE cinpot ++= .

n starea de repaus a corpului considerat n sistemul de fore saucnd nu se ine seama de micare, caz concret n termodinamic relaia demai sus se reduce la UE = ; aadar, se poate scrie U2 U1 = Q12 AL12.Termenul Q12 AL12 sau cel exprimat n sistemul internaional Q12 L12 nudepinde de natura transformrii respective, ci numai de strile iniial i final;energia intern este aadar un parametru de stare derivat care este folosit lacaracterizarea unei stri de echilibru.

Energia intern a unui corp omogen se descompune n energiapotenial Upot datorat aciunii reciproce a particulelor elementare, energiacinetic Ucin datorat micrii termice a particulelor la care se adaugenergia de zero U0; aadar, se poate scrie U = Upot + Ucin + U0.

Pentru studiul sistemelor termodinamice i a funcionrii mainilor termice se dovedete util definirea funciei H = U + pV denumit entalpiatermodinamic sau pe scurt entalpia sistemului J. Entalpia este un parametruderivat.

n caz general variaia entalpiei esteH = U + (pV), iar pentru otransformare oarecare deschis variaia entalpiei esteH =(U2 + p2V2) - (U1 +p1V1) = H2 H1.

Pentru o mas unitar, m = 1 kg, de gaz perfect se definete entalpiaspecific h = u + p [J/kg].

Entalpia fiind o mrime caloric de stare va admite diferenial totalexact i se constat c este funcie de temperatur H = H(T).Entalpia ia n considerare energia intern U i lucrul mecanic dedislocare pV. Ca urmare la trecerea unui sistem dintr-o stare n alta variaiaentalpiei va ine cont de variaia energiei interneH ct i de diferenalucrurilor mecanice de dislocare n cele dou stri(pV).

Ecuaia caracteristic

ntr-un sistem termodinamic intervin mai multe mrimi: G greutateagazului, p presiunea, V volumul, T temperatura. Variaia unei mrimioarecare, la trecerea sistemului de la o stare la alta, va atrage modificareacelorlalte. Ca urmare exist o lege care leag toi aceti parametri sub forma


9/25

funciei f(G, p, V, T) = 0 ce poate caracteriza univoc sistemul termodinamicdenumit ecuaia caracteristic a sistemului.

n cazul sistemelor termodinamice omogene (simple) mrimea G estecorelat cu volumul V prin relaia G = V i ca uramre se poate reduce funciade mai sus la f(p, V, T) = 0.

Ecuaiile caracteristice exprim particularitile individuale alesistemului considerat.Reprezentarea grafic a expresiei de mai sus conduce la o suprafa

n spaiu de evoluie a strilor sistemului.

Expresiile matematice ale primului principiu al termodinamicii

Sisteme deschise. Sistemul descris este acela care schimb energiecu mediul exterior sub form de clduri lucru mecanic i prin care se

deplaseaz o cantitate de substan.Se consider un sistem deschisprin care trece o cantitate de substan. n sistem se schimb o cantitate decldur Q12 i lucru mecanic L12, figura . n seciunea de intrare agentul de lucruare parametrii p1, V1, T1 i viteza w1 cuenergia E1, iar la ieire n punctul 2 arep2, V2, T2 respectiv viteza w2 i energia E2. Bilanul energetic arat c E2 E1= Es suma energiilor schimbate cu mediul exterior n care acestea au

expresiile 1121

1 Umgz2

wmE ++= i 22

22

2 Umgz2w

mE ++= . Termenul Esreprezint cldura primit i cedat prin interaciunile agentului de lucru cuexteriorul de formaEs = Q12 L12 + (p1V1 p2V2). Aadar, ecuaia de bilanenergetic este

++ 2222 Umgz

2w

m ++ 1121 Umgz

2w

m = Q12 L12 + (p1V1 p2V2)

sau dac se pune sub alt form din punct de vedere matematic rezult

+++ 222222 VpUmgz

2

wm +++ 1111

21 VpUmgz

2

wm = Q12 L12.

Deoarece termenii de entalpie sunt dai de H = U + pV rezult H1 = U1+ p1V1 i respectiv H2 = U2 + p2V2. Ca urmare ecuaia energiei devine

++ 2222 Hmgz

2w

m ++ 1121 Hmgz

2w

m = Q12 L12 sau pus sub alt

form ( ) ( ) ( ) 121212122122 LQHHzzmgww2m =++ care constituie

expresia matematic a primului principiu a termodinamicii pentru sistemeledeschise.

Sisteme nchise. Este cazul acelor sisteme la care agentul de lucru nuface schimb de energie i mas cu mediul exterior agentul de lucru rmne

Q122 p2, V2, T2

p1, V1, T11 L12

w1 w2z2

z1

Fig. 3. Sistem deschis


10/25

nchis i main sau se schimb cazul unui cilindru cu piston care nchideo cantitate de gaz. Din ecuaia energiei de mai sus dispare primul termendeoarece w1 = w2 ( nu apare proces de curgere) i cotele z1 = z2. Ca urmarese obine H2 H1 = Q12 L12 sau Q12 = H2 H1 + L12. Deoarece H = U + pVrezult expresia Q12 = (U2 + p2V2) (U1 + p1V1).

Transformri simple de stare, reversibile

Pentru studiul proceselor care se desfoar n mainile termice seimpun anumite ipoteze care conduc la studiul a cinci transformri de stare:

1. transformarea izocor p = constant, legea Gay-Lussac;2. transformarea izocor = constant, legea Charles;3. transformarea izoterm T = constant, legea Boyle-Mariotte;

4. transformarea adiabat;5. transformarea politrop transfomarea n care variaz concomitenttoi parametri de stare i se regsesc toate formele de energie.

Transformrile sunt reversibile dac se pot produce n ambele sensuri;sistemul trece, n ambele cazuri prin aceleai stri intermediare, cu aceleaicondiii exterioare.

Transformarea izobar.Transformarea se petrece la presiune constant, p = constant, astfel

nct ntre ceilali doi parametri se stabilete corelaia/T = constant, saudeoarece = 1/ rezult T = constant legea Gay Lussac.

Condiiile n care se realizeaz otransformare izobar sunt menionate mai jos. Seconsider un cilindru care se nclzete i n cares epoate deplasa un piston, figura 4. n cillindruse introduce un kilogram de gaz perfect i apoise nclzete cilindrul. Prin nclzire cretetemperatura gazului care se dilat, expandeazi pentru a menine presiunea constant sedeplaseaz pistonul de la poziia 1 la cota 2astfel nct p1 = p2 = p = constant.

Transfomarea izobar este caracteristicproceselor de ardere n care o main primetecldur pentru efectuarea unui lucru mecanic saucedeaz cldur n procesele de rcire.Prezentarea grafic a transformrii izobare estedat n figura 5 n coordonate p,.

Lucrul mecanic absorbit este dat deintegrala lucrului elementar dL = p d i deci se

obine ( )122

1

2

1

2

112 pdpdpdLL ==== [J].

Se face observaia c mainile termice nu pot lucra n condiii izobare,ci numai pe baz unei transformrii care implic o variaie a presiunii.

2 p2 = p1V2, T2

1

p1, V1,T1

Fig. 4. Schema transformriila presiune constant

p1 p1 = p2 2

L12

1 2

Fig. 5. Diagramatransformrii izobare


11/25

Schimbul de cldur cu mediul exterior este Q12 = m Cp (t2 t1) [J] egalcu variaia entalpiei. Cantitatea de cldur primit n timpul acesteitransformri se folosete att pentru variaia energiei interne ct i pentruefectuarea unui lucru mecanic necesar meninerii constante a presiunii.

Transformarea izocor Aceast transformare se caracterizeaz prin meninerea constant avolumului de gaz cu variaia presiunii i temperaturii astfel nct este valabilrelaia p/T = constant i deci p1/T1 = p2/T2 = p3/T3 == pn/Tn = constant. Pentrurealizarea transformrii izocore trebuie folosite sisteme speciale cu cilindru,piston, supape etc., figura 6. Se consider 1 kg de gazperfect ntr-un cilindru n care se afl un piston a cruideplasare este blocat. Se supune gazului unui procesde nclzire. La starea iniial parametrii sunt p1, V1, T1,iar n final p2, V1 = V2, T2.

Transformarea izocor este caracteristicproceselor de ardere la valoare constant i proceselor de rcire. Cantitatea de cldur este Q = m Cv (t2 t1)[J].

Lucrul mecanic elementar este dL = p dV i deci

se obine 0dpdLL2

1

2

112 === , conform figurii 7.

Transformarea izocor se realizeaz fr efectuare delucru mecanic.

n cazul transformrii izocore schimbul de cldur

cu mediul este egal cu variaia energiei interne. Clduraprimit de gaz este folosit doar pentru variaia energieiinterne. Transformarea produs n sensul creteriipresiunii, deci a temperaturiip > 0 reprezint o nclzireLt < 0 lucrulmecanic tehnic. Transformarea ce apare prin reducerea presiunii corespundescderii temperaturii proces de rcirep < 0.

Transformarea izocor apare atunci cnd se nclzete un gaz cuprins ntr-o incint nchis.

Transformare izoterm.Transformarea izocor este acea transformare caracterizat prin

meninerea temperaturii constante n cursul evoluiei gazului din incint, T =constant. Ecuaia de stare este T(p, V) = constant.Se consider un cilindru n care se deplaseaz

un piston, figura 8. Pentru meninerea constant atemperaturii cilindrul este prevzut cu un sistem determostatare care s preia sau s dea cldura,primit respectiv cedat, n timpul variaiei presiiunii. n mainile termice meninerea constant atemperaturii este un deziderat ce nu poate fi tehnicrealizat.

Legea transformrii izoterme este pV =constant, p1V1 = p2V2 = ...= pV= constant. Ca urmarese obine legea pV = mRT, reprezentat grafic n figura 9.

V1 =V2

Fig. 6. Schematransformrii izocore

Fig. 7. Diagramatransformrii izocore

T1 = T2p2, V2

p1, V1,T1

Fig.8. Schemacilindrului n

transformarea izoterm


12/25

Lucrul mecanic se determin din integrala lucrului mecanic elementar

dL = p dV. Se obine ==2

1

2

112 dVpdLL . Din

expresia transformrii izoterme p1V1 = pV rezultlegea de variaie a presiunii p = p1 V1/V care se nlocuiete n integral i se obine

[ ]Jpp

lnVppp

lnVpVV

lnVp

VlnVpdVVVp

dVpdLL

2

122

2

111

1

211

2111

2

1

112

1

2

112

==

=====

Grafic transformarea izoterm este o hiperbol echilater pV =constant, figura 9. Lucrul mecanic este dat de aria haurat de sub curb dinfigura 9. Cnd transformarea se efectueaz n sensul creterii volumelor V >0 se produce lucru mecanic L > 0 proces de destindere. Cndtransformarea se face n sensul reducerii volumuluiV < 0 se obine L < 0 seabsoarbe lucru mecanic proces de comprimare. n transformarea izoterm aunui gaz perfect schimbul de cldur se regsete integral n lucru mecanic.

Energia intern variaia ei este dat de dU = m cv dT = 0 nu aparevariaie a energiei interne i nu se realizeaz variaia entalpiei.

Transformarea adiabat.Prin definiie transformarea adiabat a unui gaz perfect are loc ntr-o

incint cu nveli adiabatic care nu permite schimb de cldur cu mediulexterior i n care variaz toi parametrii de stare p, V, T. Transformareaadiabat poate fi reversibil sau ireversibil. O transformare adiabatireversibil este destinderea unui gaz, n vid, ntr-o incint izolat, din punctde vedere termic; n acest caz lucrul mecanic este nul i deci U = constant.Dac gazul este suficient de rarefiat atunci el se comport ca un gaz perfect experiena Gay-Lussac.

n spaiul p, V, T apare o suprafa caracteristic i prin intersecia cudiverse plane rezult curbele caracteristice.

n coordonate p,V se obine o curb similar cu cea a izotermei (figura9), dar amplasat sub aceast curb. Suprafaa caracteristic haurat dindiagrama de funcionare reprezint lucrul mecanic L12. Din diagram rezultc adiabata are o pant mai mare dect cea corespunztoare transformrii

pp1 1

L12

2P2

V1 V2

Fig. 9. Schematransformrii izoterme

p starea 1 p1, V1, T1 pstarea 2 p2, V2, T2

2 izoterm

1 adiabat

V

T 1 L12 2 V

Fig. 10. Suprafaa caracteristic, sistemul incint i piston, diagrama defuncionare n coordonate p, V.


13/25

izoterme, deci curba caracteristic este tot o hiperbol cu un coeficient ksuperior. Dac n transformarea izoterm este valabil legea pV = constant,pentru transformarea adiabat apare legea pVk = constant sau p/k =

constant. n coordonate p, T este valabil legea 11kk

Tp = constant.

Lucrul mecanic este dat de integrala ==2

1

2

112 dVpdLL . Pentru a

efectua integrala se scrie legea adiabatei sub forma k11k VppV = din care

rezult expresia presiuniik

11 V

Vpp

= care se introduce n integral.

Rezult expresia lucrului mecanic de forma

=+====

+

1k

1

2

11

2

1

1k

11

2

1

2

1k11k

k1

1

2

112 V

V1Vp

1k

1

1k

VVp

V

dVVpdV

V

VpdVpL

Din legea de variaie a transformrii rezult k22k

11 VpVp = din care se

obine raportul volumelor

=

2

1k1

1

2pp

VV din care se obine

k1

2

1

1

2pp

VV

=

sau k

1k

2

11k

1

2pp

VV

=

care se nlocuiete n expresia

lucrului mecanic. Rezult, aadar expresia lucrului mecanic de forma

=

k

1k

1

21112 p

p1

1kVp

L .

n transformarea adiabat lucrul mecanic este L12 = U1 U2 i caurmare n cazul unei destinderi adiabate lucrul mecanic se realizeaz ndetrimentul energiei interne a gazului care evolueaz. n cazul comprimriigazului energia intern a gazului va crete. Se poate da astfel o nouformulare a primului principiu al termodinamicii: la trecerea unui sistemtermodinamic dintr-o stare n alta n condiii adiabate lucrul mecanic depindenumai de strile iniial i final.

Transformarea politrop.Similar transformrilor izoterm i adiabat i n acest caz variaz

toate mrimile de stare simultan p, V, T. Se numete transformarea politroptransformarea n cursul creia capacitatea caloric respectiv clduraspecific a sistemului rmne nemodificat. n sistemul triortogonal seobine o suprafa a crei puncte sunt determinate de valorile p, V, T. Prinsecionare cu plane paralele planelor de coordonate se obin legile:

n coordonate p, V rezult p Vn = constant;


14/25

n coordonate T, V se ine cont de legea fundamental pV = mRT sau

VmRTp = sau =nV

VmRT constant din care rezult =1nVT constant;

n coordonate p,T din legea fundamental rezultn

n

p

mRTV

= din

care se obine p Vn = constant, din care =

n

pmRT

p constant sau = nn1 Vp

constant ce poate fi scris sub forma=

n

1n

p

Tconstant, n care n este

exponentul politropic.Lucrul mecanic rezult din integrala

==2

1

2

112 dVpdLL reprezentat de aria de sub

curb haurat n figura 11. Prin integrare seobine o expresie similar celei calculatpentru transformarea adiabatei

=

n

1n

1

21112 p

p1

1nVp

L sau dac se

ine cont de legea general a gazelor perfecte p V = m R T se obine expresia

=

n

1n

1

2112 p

p1

1nTRm

L

Transformarea politrop se reprezint n planul p,V prin hiperbola p Vn= constant care se amplaseaz sub curba izotropei i deasupra adiabatei,deoarece 1 < n < k.

Valoarea exponentului politropic n variaz n cursul transformriipolitropice i el depinde de natura gazului. n diagram politropa se situeaz ntre izoterma i adiabata care pleac din acelai punct 1, figura 11.

Exponentul politropic este dat de expresia vnpn

CC

CC

n

= sau 1nkn

CC vn

= , n care Cn este cldura specific din transformarea politropic, cu 1 < n < k.

p

izoterm

adiabat

L12 politrop

1 2 VFig. 11. Reprezentarea

transformrii politrope

p p politrop

izoterm izoterm adiabat

politrop

a adiabat b

V V

Fig. 12.Transformrile simple pentru procesul de destindere (a) i comprimare (b)


15/25

Transformrile simple sunt cazuri particulare ale politropei: a) izobarCn = Cp; b) izocor Cn = Cv; c) izoterm Cn , cu n = 1; d) adiabat Cn = 0pentru n = k.


16/25

Maini i instalaii termiceInstalaiile termice se mpart n dou categorii: Instalaii de for i

instalaii de lucru. O instalaie termic este un ansamblu de elementemecanice cu micri relative ntre ele care realizeaz conversia energieitermice n energia mecanic.

Instalaiile termice de for produc lucru mecanic prin arderea unuicombustibil. Aceste instalaii desemneaz motoarele cu ardere intern,turbinele cu gaze, motoarele cu reacie i instalaiile de for cu abur.

Mainile termice de lucru sunt acele mecanisme care utilizeaz oenergie mecanic, electric etc. pentru a mri capacitatea de lucru a unuigaz. Exemplele sunt: compresoarele, suflantele, turbosuflantele,turbocompresoarele, ejectoarele etc.

Compresoare

Mainile de lucru care transform energia mecanic de la arbore nenergie a unui gaz comprimat. Compresoarele pot fi construite sub formaunor maini cu piston, maini rotative sau de tip turbomaini.

Compresoarele cu piston potrealiza presiuni la cerere, mainase poate adapta la orice cerere ainstalaiei pe care o deservete. Astfel, ele pot asigura presiuni de1000 bari la debite de 450 m3/min.

Diagrama de funcionareeste dat n figura 13. Ipotezele delucru sunt:

a) pistonul etaneazperfect n cilindru faptcare nu permite pierderide gaz pe lng organelede etanare (n specialsegmeni);

b) b) pistonul se lipeteperfect de capaculcilindrului fr a lsa unspaiu mort;

c) presiunea dincolectoarele de admisie i refulare se pstreaz constant n tottimpul efecturii unui ciclu complet timpul necesar trasrii uneidiagrame indicate ca n figura 13;

d) n cilindrul compresorului evolueaz un gaz perfect care nu

schimb faza n timpul efecturii unei diagrame, a unui ciclu cmplet;

p4 3 izoterm

p2politropadiabat

1 2p1

PMS PMIV

Vc

Fig. 13. Diagrama de lucru a unuicompresor cu pistonp1 presiune de aspiraiep2 presiune de refulareVc volumul cilindrului1-2 aspiraie la presiune constant2-3 faza de comprimare3-4 refulare la presiune constant4-1 faz fictiv de destindere


17/25

e) n fazele de aspiraie i refulare se admite c parametrii gazlui nuse schimb.

Pentru calculul compresorului cu piston se definete raportul decomprimare q = p2/p1 prin raportul presiunilor de refulare respectiv aspiraie. ntr-o singur treapt raportul de comprimare este limitat din considerenteconstructive, deoarece compresorul ntr-o treapt poate realiza o presiune dep2 = 5...10 bari.

Lucrul mecanic este reprezentat de spaiul interior cuprins n interiorul

diagramei trasate, [ ]J0pp

lnVpdVpdLL2

111

2

1

2

112 === , calculat cu

formula lucrului mecanic n ipoteza unei transformri izoterme; este un lucrumecanic consumat, deci el trebuie furnizat din exteriorul mainii de la un grupde antrenare.

Deoarece singura posibilitate real de funcionare este n trasfomarepollitrop rezult c trebuie adoptate msuri tehnice, practice, pentrureducerea exponentului politrop n sensul apropierii de valoarea 1 valoarecaracteristic izotermei. Totodat se menioneaz c prin comprimareagazului se produce o ridicare a temperaturii acestuia care nu trebuie s atingvaloarea de autoaprindere a uleiului de ungere; n caz contrar se produceexplozia mainii i distrugerea acesteia compresorul se transform ntr-unmotor cu autoaprindere prin comprimare de tip Diesel.

Compresorul tehnic cu pistonmenine un volum mort necesar nchideriii deschiderii supapelor, dilatriireperelor, acoperirii abaterilor ale

toleranelor de execuie etc. fapt careface ca pistonul s nu se lipeasc decapacul cilindrului. n punctul 4, dindiagrama dat n figura 14, se nchide SRsupapa de refulare i rmne o cantitatede gaz la presiune ridicat care sedestinde ca urmare a micrii pistonului.Nu toat cursa pistonului este utilizatpentru aspiraie; o parte din ea estefolosit pentru necesiti funciionale dereluare a procesului. ntre punctele 1, 2

se realizeaz aspiraia n cilindru ca urmare a deschiderii supapei de aspiraie n punctul 1. Prin nchiderea acestei supape, n punctul 2, i deplasareapistonului de la punctul mort exterior la cel interior se realizeaz compresiagazului aspirat. n punctul 3 datorit presiunii ridicate se deschide supapa derefulare, n mod automat, i se refuleaz gazul n conducta de refulate.

Puterea consumat de compresor este puterea util dat de expresia

[ ]kW100060nL

Pm

mu = , unde Lm este lucrul mecanic consumat de

compresorul teoretic [J/diagram], n turaia arborelui mainii [rot/min],m randamentul mecanic al compresorului care ia n considerare toate pierderile

mecanice prin frecarea pistonului n cilindru, supape, lagre etc. cum =0,80...0,95.

p4 3

p2 C B

1 2p1

D AV

Va

Vc

Fig. 14. Diagrama indicat acompresorului cu piston


18/25

Puterea motorului electric de antrenare a compresorului estek

PP

tr

u

= , unde tr este randamentul transmisiei de la motorul electric la

compresor cutr > 0,9, iar k = 1,1...1,2 coeficient de rezerv de putere.

Debitul compresorului. Debitul aspirat n compresorul ideal este datde expresia inc

4D

Q2

t= [m3/s], unde D estediametrul pistonului

cilindrului, c cursa pistonului ( c = 2r cursa pistonului este dublul razeibutonului manivelei), n turaia arborelui compresorului, i numrul decilindri ai compresorului. Debitul real este vtr QQ = , n care v esterandamentul volumic care ia n considerare pierderile de debit datoritneumplerii complete i corecte a cilindrului compresorului, precum ipierderile datorate nclzirii gazului n urma procesului de comprimare.

Deoarece un compresor cu piston are un raport de comprimare limitat,

pentru obinerea unor presiuni ridicate este necesar s se fracioneze raportulde presiuni n mai multe trepte. Apar astfel compresoarele cu mai multe treptede comprimare cu cilindrii dispui n serie prin care gazul trece succesiv.Pentru a realiza condiiile de ungere i a mri gradul de umplere ntre treptegazul se poate rci n schimbtoare de cldur exterioare prin care trecegazul comprimat ntre etajele compresorului.

Motoare termice cu ardere intern

Acestea sunt maini termice n interiorul crora arderea unui gazcombustibil conduce la obinerea unei cantiti de cldur cu realizarea unuilucru mecanic util la arborele mainii. Pentru studiul unei astfel de maini seutilizeaz ipotezele urmtoare:

1. agentul de lucru din motor este un amestec de gaze arse care seconsider ca un gaz perfect;

2. pe durata efecturii unui ciclu se consider cldura specific a ficonstant cu temperatura;

3. agentul de lucru nu schimb faza n timpul unui ciclu;4. se consider c pe parcursul unui ciclu cantitatea de agent termic

rmne constant dac nu se consider fazele de aspiraie, refulare;5. procesele din motorul termic sunt reversibile (comprimare i

destindere);6. procesul complex al arderii combustibilului se nlocuiete printr-o

comunicare termodinamic de cldur.Dup modul n care se realizeaz procesul de ardere a combustibilului

motoarele cu ardere intern se clasific n:- cu ardere la volum constant se aspir un amestec format din aer i

vapori de combustibili care dup comprimare se aprinde prindeclanarea unei scntei electrice MAS motoare cu aprindere prinscnteie;

- cu ardere la presiune constant se aspir aer care se comprim ila sfritul comprimrii se injecteaz combustibil care se autoaprinde


19/25

datorit faptului c aerul comprimat are o temperatur nalt pestecea de aprindere a combustibilului MAC motor cu aprindere princomprimare.

Dup numrul de curse simple ale pistonului motoarele pot fi: a) motor n doi timpi un ciclu de funcionare se realizeaz la dou curse simple; b)motor n patru timpi un ciclu de ardere se realizeaz la patru curse simpleale pistonului.

Motorul cu ardere la volum constant n patru timpi MAS motorulOTTO

Se definesc mrimile:1. Raport de comprimare

raportul dintre volumulcilindrului i volumul camereide ardere = Vc/V0 cu < 10;

2. Raport de cretere apresiunilor raportul dintrepresiunea de la sfritularderii i presiunea de la nceputul arderii = p3/p2 cu < 3,5;

3. Volumul cursei pistonuluidenumit i cilindree.

Funcionare.Pistonul se deplaseaz n

cilindru de la PMS la PMI, ntr-o

micare rectilinie alternativ, realizndadmisia unui amestec format din aer ibenzin. Introducerea vaporilor de benzin n aer se realizeaz prin aspiraie n carburator sau prin injecie cu pomp i injectoare care pulverizeazbenzina la mare presiune. La cursa pistonului dintre PMI ctre PMS serealizeaz comprimarea amestecului. nainte de a ajunge la PMS avansul laaprindere se declaneaz o scnteie electric, datorit unui sistem de nalttensiune, care provoac arderea combustibilului n amestec.Ca urmare aarderii se produce o cretere rapid a presiunii, practic la volum constant 2-3,i se degaj o mare cantitate de cldur. Gazele se destind ntre 3-4 cndapare faza de destindere singura faz productoare de lucru mecanic careconduce la mpingerea pistonului n jos. nainte de punctul 4 se deschidesupapa de evacuare astfel c, practic la volum constant, scade foarte repedepresiunea; ca urmare 4-1 este o transformare izocor deoarece volumulscade foarte puin, dar presiunea variaz foarte mult ntr-un interval foartescurt de timp. ntre 1 i 0 se evacueaz gazele arse i la cursa invers 0-1 serealizeaz admisia amestecului i se reia ciclul.

n principiu, motorul cu aprindere prin scnteie este similar constructivcu pompa cu piston cu deosebirea c n acest caz supapele sunt comandateprin sisteme de ax cu came i tachei cu micare corelat cu cea a pistonului(n cazul pompelor cu piston supapele au o micare automat comandat prindiferena de presiune de pe cele do fee ale talerului).

Aadar,apar urmtoarele faze identificate pe diagrama din figura 15:

p3

ardere

2 DestinderescnteieLc

comprimare4

0 aspiraie 1 evacuare

VPMS Vs PMI

Vc Fig. 15. Diagrama motorului termic cu

aprindere prin scnteie


20/25

a) faza I 0 1 admisia amestecului de aer i benzin ntr-o proporie carepermite arderea n incinta nchis format din cilindru i piston; b)faza a II-a 1 2 comprimarea amestecului; c)faza a III-a 2 3 arderea amstecului aer-benzin cu aprinderea dat de o scnteie comandat i corelat cu micareapistonului n cilindru; d)faza a IV-a 3 4 destinderea gazelor arse cuevacuarea cldurii n exteriorul incintei i deplasarea pistonului sub aciuneaforei de presiune; e)faza a V-a 4 1 evacuarea liber a gazelor arse datoritpresiunii mari din cilindru superioar celei atmosferice n care se realizeazrefularea acestora; f) faza a VI-a 1 0 evacuarea forat a gazelor arsedatorit micrii pistonului ctre punctul mort superior.

n diagrama din figura 15 apar transformrile simple de izocor,izobar i adiabat. Ca urmare pentru fiecare dintre ele se aplic formulelestabilite la capitolul transformrilor simple. Astfel se pot stabili relaiile:

a) raport de comprimare2

1

0

cVV

VV == din care rezult =

12

VV ;

b) transformarea adiabat k22k11 VpVp = de unde se obine

expresia presiunii k1k

2

112 pV

Vpp =

= ;

c) n transformarea izocor exist expresia ==1

23V

VV , dar

2

3

pp= din care presiunea n punctul 3 este

k123 ppp == ;

d) transformarea adiabat 3 4 conduce la valoarea presiunii npunctul 4 k44k33 VpVp = din care rezult

=

= 1

k

4

334 pV

Vpp .

Motorul primete cldur numai n faza de ardere 2 3 izocor stabilitprin relaia Q23 = m Cv (T3 T2) [J/ciclu].

Cantitatea de cldur pe care o primete gazul pe un ciclu este

t

23pr

2

60niQQ

= [kJ/or], unde i reprezint numrul de cilindri ai motorului,

Q23 cantitatea de cldur cedat prin arderea amestecului combustibil pe unciclu, - numrul de timpi ai motorului,t randamentul transformrii cldurii cuvalori de peste 90%. Dac n formula de mai sus nu se introduce randamentulde transformare a cldurii se obine cantitateade cldur teoretic.

Elementele fundamentale cecaracterizeaz un motor termic sunt: a)cilindreea volumul total de lucru al cilindrilor;b) forma camerei de ardere; c) raportul decomprimare; d) randamentul termic al arderii; e)consumul orar de combustibil; f) fiabilitatea idurabilitatea motorului termic.

t

Fig. 16. Variaia randamentuluitermic


21/25

Randamentul termic al motorului este funcie de raportul decomprimare i de exponentul adiabat k, figura 16, conform expresiei

k1ct 1Q

L == .

Motorul cu ardere intern la presiune constant MAC Diesel

Schema construciei motorului n patrutimpi, precum i funcionarea este identic cu ceaa motorului cu aprindere prin scnteie. Deosebirea ntre cele dou motoare este n modul de umplerea cilindrului. La motorul Otto umplerea serealizeaz cu un amestec de aer-combustibil ntimp ce la motorul Diesel se aspir aer curat carese comprim i se injecteaz apoi combustibilul

pulvarizat la finele fazei de comprimare. Avantajulacestui tip de motor este c se pot folosihidocarburi grele, mai puin volatile: motorin,gudroane, uleiuri de parafin sau chiar pcur.

Motoarele MAC funcioneaz cu rapoartemari de compresie = 14...30 pentru a realiza princomprimarea aerului curat, la finele fazei,temperaturile de 630...7500 C care permitautoaprinderea combustibilului injectat n spaiulmort de deasupra pistonului.

Funcionare. n cursa pistonului de la PMI laPME, 0 1 n figura 18, se aspir aer

curat n cilindru, faz n care supapa deaspiraie este deschis. n aceast etappresiunea este cea atmosferic sau chiar puin mai mare dect aceasta lamotoarele cu supraalimentare la careaerul este introdus forat n cilindru cuajutorul unei turbosuflante. La cursainvers a pistonului, de la PME la PMI secomprim aerul, scade volumul icorespunztor se majoreaz presiunea itemperatura. nainte ca pistonul sajung n PMI, avansul corespunztor construciei i turaiei motorului, seinjecteaz n cilindru, la presiune mare, o cantitate precis de combustibil. Avansul la aprindere, care se face i la motorul cu aprindere prinscnteie,trebuie s compenseze durata de ntrziere a frontului flcrii(2,0...2,5) 10-3 secunde n funcie de gradul de turbulen din spaiul deardere. Datorit presiunii ridicate de injecie (150...2000 bari) combustibiluleste pulverizat foarte fin, ca o cea, astfel nct se poate realiza un amestec

bifazic omogen care poate arde uor i integral. Aprinderea amestecului serealizeaz automat ca urmare a temperaturii ridicate a aerul comprimat.Iniierea arderii se face spre periferie (circa 10%) cnd arderea are loc n

SA In SR

PMI

C

P

PME

B

Fig. 17. Schema motoruluide tip MAC

SA supap de aspiraieSR supap de evacuareIn injector pulverizarePMI punct mort interior PME punct mort exterior C cilindruP pistonB - biel

p ardere2 Q 3p2 = p3 Injecie

In destindere4

comprimare

evacuare0 aspiraie 1

PMI PME VVs

V0Vc

Fig. 18. Diagrama de lucru amotorului cu aprindere prin comprimare


22/25

condiii practic izocore provocd o cretere brusc a presiunii i temperaturii n spaiul de ardere. Acest surplus de energie de activare face ca restulcombustibilului acumulat i injectat (circa 90%) s ard practic instantaneu,fr ntrziere la aprindere. n aceast faz, cu pondere mult mai mare,presiunea crete foarte puin sau chiar scade puin fapt care justificdenumirea de motor cu ardere la presiune constant. Arderea se consider izobar ntre punctele 2 i 3 i pistonul sedeplaseaz pe o poriune dintre PMI i PME. n continuare gazele se destind curba 3 -4 destinderea se consider o transformare adiabat careconstituie faza motoare a ciclului.

nainte de punctul 4 se deschide supapa de evacuare permind astfelscderea presiunii din cilindru pn la valoarea presiunii de evacuare dinsistemul de eapament. n ultima curs a pistonului de la PME la PMI pistonul mpinge gazele arse n exteriorul cilindrului. Dup aceast faz se reia ciclulcelor patru timpi ai motorului.

Aadar, n motorul cu aprindere prin comprimare, apar mai multe faze: Faza 1 timpul 1 admisia aerului curat n cilindru 01; Faza 2 timpul 2 comprimarea aerului curat 12; Faza 3 timpul 3 arderea izobar 23 dup injectarea combustibilului; Faza 4 timpul 3 destinderea gazelor arse 34; Faza 5 timpul 3 evacuarea liber sau calitativ 41 datorat presiunii

mai mari din cilindru fa de cea atmosferic; Faza 6 timpul 4 evacuara forat sau cantitativ 10 datorat

micrii pistonului ctre chiuloas.Mrimile caracteristice pentru motorul Diesel

1. Raport de comprimare definit prin raportul volumelor 0c

V

V

= ;2. Coeficient sau grad de injecie raportul de cretere a volumelor n

procesul de ardere egal cu raportul dintre volumul la sfritul arderii

i volumul camerei de ardere 5,3...3VV

VV

0

3

2

3 === .

Elementele de calcul ale motorului sunt precizate mai jos.Pentru adiabata 1-2 este valabil legea k22

k11 VpVp = din care se

poate obine expresia presiunii k1k

2

112 pV

Vpp =

= deoarece0

c

VV= .

Presiunea n punctul p3 se determin n baza transformrii izobare subforma k123 ppp == - valoarea presiunii de la sfritul arderii.

Gradul de injecie definit mai sus conduce la volumul V3 conformexpresiei

== 123 VVV .Pentru izobara 2 3 la presiune constant rezult temperatura

==2

3

2

3

VV

TT

din care se obine == 1k123 TTT cu V4 = V1.


23/25

n cazul transformrii adiabate 3 4 se poate scrie k44k33 VpVp = din

care rezult k1

k

1

1k1

k

4

334 pV

Vp

VV

pp =

=

= ; aadar k14 pp = .

Schimbul de cldur cu mediul exterior este dat de expresia binecunoscut Q = m Cp T. Motorul primete cldur numai n faza de ardereizobar Q23 = m Cp (T3 T2) = ( )1TCmTTCm 1k1p1k11k1p = > 0msurat n [Joule/ciclu].

Lucrul mecanic se determin curelaia L = L12 + L23 + L34 + L41 i estereprezentat prin aria haurat din figura18.

Pentru motorul cu aprindere princomprimare se poate imagina, princonsiderarea mecanismului arderiicombustibilului, i un ciclu mixt cu arderisuccesive n care prima este o izocor ia doua faz este izobar. n acest modciclul se apropie mai mult de realitateafuncionrii motorului MAC.

n cazul diagramelor precizatepentru motoarele cu ardere intern seprecizeaz c presiunea de aspiraieeste de regul (fr supraalimentare) pas= 0,9 patm, iar cea de evacuare pev = 1,1 patm. Randamentele termice alemotoarelor cu ardere intern sunt: a) motoare cu scnteie dotate cucarburator = 0,250,35; b) n cazul motoarelor cu gaze = 0,280,33; c)pentru motoarele cu aprindere prin comprimare = 0,380,48.

Turbine cu gaze

Instalaia care funcioneazcu o turbin cu gaze este deosebitde complicat i ea este alctuit din

mai multe componente deoarece nturbina propriu-zis are loc o singurfaz deoarece celelalte procese sedesfoar n echipamente separatede turbin.Conectarea turbinei seface n dou variante posibile: a)clasic; b) n sistem de cogenerare. nsistemul clasic instalaia estealctuit din motorul electric 1 careprin intermediul cuplajului mecanic 2antreneaz turbocompresorul 3,figura 20.

p3 4

ardere destindere2 injecie

5

comprimarepr evacuare0 1pas admisie V

V0Vc

Fig. 19. Ciclul mixt de ardere nmotorul MAC

5 64 7

10 131 2 3 8

9

posibil 11 12

Fig.20. Schema instalaiei de generare aenergiei electrice dotat cu turbin cu gaz1 motor electric; 2 cuplaj; 3 compresor deaer; 4 aer comprimat; 5 gaze combustibile;6 camera de ardere; 7 gaze arse; 8 cuplajmecanic; 9 generator electric trifazat; 10 reea electric; 11 evacuare gaze calde;12 CAF; 13 co evacuare gaze.


24/25

Necesitatea turbocompresorului deriv din faptul c ardereacombustibilului gazos trebuie s se fac cu exces de aer. Aerul comprimateste dirijatspre instalaia de ardere 6 n care vine n contact cu combustibilul injectat i pulverizat(cel lichid) ct mai fin pentru o ardere complet. ncamera de ardere se poate introduce orice tip decombustibil de exemplu solid praf de crbune,lichid motorin, pcur, petrol, kerosen etc.,gazos gaz metan, gaz de fermentaie. Proceselede ardere se pot desfura, teoretic, fie izobar, fieizocor. Instalaiile de ardere la regim izocor suntmai puin folosite deoarece aduc complicaiiconstructive prin necesitatea meninerii volumuluiconstant supapa cu nchidere i etaneitate corect i rezistente la marepresiune. Gazele arse 7 au la intrarea n turbin 700...8000C i ele trec printurbina cu gaze antrennd rotorul nmicarea de rotaie. Rotorul, prinintermediul cuplajului mecanic 8 figura20, antreneaz generatorul electric 9dup care gazele arse sunt evacuate pecoul 13 n atmosfer. Aadar,n variantaclasicdintr-o form de energie primarse obine o singur form de energie cea electric prin intermediul energieicalorice. Este evident c gazele arse au nc o ncrcare termic care se poaterecupera i folosi.

n varianta modern se aplicprincipiul cogenerrii n care dintr-o formde energie primar (combustibilul fosil) seobin dou forme de energie: ceaelectric prin intermediul generatoruluielectric i respectiv caloric la trecerea gazelor arse, dup ieirea din turbin,printr-un cazan de ap cald CAF. n acest mod se creeaz soluii raionalede utilizare a energiei primare cu un randament global de peste 95%.

n instalaiile de for cu camer de arderedeschis izobare se realizeaz arderea n

condiii de curent turbulent prin formarea unui frontstabil al flcrii. Reprezentarea grafic atransformrilor de stare suferite de agentul motor n timpul scurgerii prin instalaie conduce laconturul 1234 din figura 21. n ciclu apar: 1-2comprimarea adiabat, 2-3 arderea izocor, 3-4destinderea adiabat a gazelor arse. Apare logicc este necesar rcirea gazelor de ardere dupdestindere pn la presiunea p0 n sensultransformrii izobare 4-1 instalaia decogenerare.

Rotorul turbinei cu gaze are mai multe etajecu diametre diferite pe msura cedrii energiei i a reducerii presiunii, figura

p

2 p1 3

p01 4

v

Fig. 21. Ciclul instalaiei defor cu turbin cu gaze cucamer de ardere deschis

524

31

Fig. 22. Schema turbinei cu gaz1 arborele turbinei; 2 admisiagazelor; 3 rotor montat pe arbore; 4 stator paletat pentru dirijarea gazelor spreurmtorul rotor; 5 evacuarea gazelor dinturbin

3 4 3 42

15

Fig. 23. Schema amplasriipaletelor rotorice i statoricedin turbina cu gaze1 admisia gazelor; 2

ajutaje; 3 rotor; 4 stator paletat; 5 evacuare gaze


25/25

22. Gazele trec prin ajutaje destinate s transforme energia de presiune nenergie cinetic; n acest mod crete viteza de curgere a gazelor prin main.Cu aceast vitez mrit gazele trec printre paletele rotorului, profilateaerodinamic, cednd o parte din energie pe care o transform n lucrumecanic de nvrtire a rotorului. ntre rotoare exist statoare cu paleteprofilate care dirijeaz gazele la urmtoarele palete rotorice, figura 23.Se introduc doi coeficieni funcionali:a) raportul de cretere a presiunii n compresor = p1/p0 = 6...7 actual laconstruciile moderne 11;b) gradul de cretere al temperaturii n sistem = T2/T0 rapportultemperaturii gazelor la intrarea n turbin i la intrarea n compresor, cu =3...3,5 pentru o treapt.

Prin interpretarea liniilor de transformare din diagrama dat n figura 21se poate scrie:a) comprimarea adiabat pe linia 12, k11k00 VpVp = din care rezult valoarea

volumului din punctul 1 sub forma k1

0

k

2

101 Vp

pVV

=

= ;

b) creterea temperaturii se obine prin legea k1k

0

1

0

1

pp

TT

= din care rezult

temperatura k1k

01 TT

= .

Date post:	04-Apr-2018
Category:	Documents
Upload:	gabriel-petrea
View:	254 times
Download:	1 times

Termotehnica si Masini Termice.doc

Documents