Termodinamica tehnica si masini termice

PREFATA

Orice inginer este utilizator al termotehnicii, iar diversitatea aplicatiilor scapa unui recensamant sau unei sinteze.

Termotehnica, bazata pe rationamente inductive si deductive, este o teorie a interactiunilor si ofera un camp de interactiune a teoriilor, operand saltul pe verticala de la fenomenul fizic la concretul tehnico-ingineresc si netezind schisma stiintific – aplicativ.

Termotehnica poate fi considerata ca o „sistemica” a aspectelor tari – „de forta” (energetice) – ale interactiunilor, prin care ea face pandant cu teoria sistemelor, dedicata aspectelor slabe – „informationale” – ale procesualitatii.

Se poate conchide ca putine sunt specialitatile ingineresti care sa nu reclame cel putin cunoasterea principiilor fundamentale din termotehnica.

Cursul de fata isi propune, ca scop, familiarizarea studentilor facultatilor cu profil mecanic, electromecanic, electrotehnic, energetic, transporturi, constructii, ingineria mediului si mine cu aceste principii si cu modul lor de aplicare la rezolvarea problemelor tehnice. Evident, un curs ce se adreseaza unor specialitati atit de deosebite nu poate acoperi intreaga diversitate a aplicatiilor din fiecare domeniu particular. De aceea, expunerea cunostintelor este restrinsa la problemele frecvent intalnite in majoritatea sferelor de activitate tehnica.

In dezvoltarea materialului accentul s-a pus pe fenomenele fizice. In acest fel se inlatura riscul ca dirijand atentia spre dezvoltari matematice complexe, studentii sa le considere ca un scop in sine, pierzand din vedere faptul ca ele nu reprezinta decat un mod de exprimare al realitatii fizice. In partea de masini termice se acorda prioritate procesului de functionare, caracteristicilor de exploatare si performantelor energetice.

Cartea include multe parti reusite, existand si paragrafe mai putin elaborate, dar pe ansamblu lucrarea are calitatile unui curs universitar.

Ii urez bun venit in familia termotehnicienilor tanarului nostru coleg, il felicit pentru ambitia si curajul de a elabora acest curs si ii doresc realizari meritorii in dificilul, dar pasionantul domeniu al termodinamicii tehnice.

Prof. univ. dr. ing. Ioan Iulian IRIMIE

CUVANT INAINTE

Problematica expusa a fost tratata fenomenologic, lucrarea fiind structurata in 16 capitole distincte, prezentand intr-o maniera unitara principalele aspecte tratate de autor la orele de curs de la specializarile din cadrul facultatilor unde se predau disciplinele ,,Termotehnica si masini termice”, ,,Termotehnica, Termodinamica si operatii de transfer”, ,,Bazele termodinamicii”. Dinamica acumularii cunostintelor in domeniul producerii energiei pneumatice m-au determinat sa incerc o abordare in extenso a compresorului elicoidal, acesta nefiind studiat la noi in tara, performantele sale impunandu-l in majoritatea ramurilor industriale. Consider ca fundamentarea analitica si experimentala a compresorului elicoidal constituie o contributie originala a cartii, furnizand o imagine de ansamblu a problematicii ridicate de constructia, calculul si utilizarea compresoarelor elicoidale – ca element de noutate in domeniu.

Cartea se adreseaza studentilor de la specializarile unde este predat cursul, inginerilor care urmeaza cursuri de perfectionare postuniversitare, cat si cadrelor tehnice din industrie – industria extractiva, alimentara, chimica, textila, a materialelor de constructii. O mare parte a capitolelor din structura lucrarii ofera informatii utile pentru utilajele si instalatiile de pe santierele amenajarilor hidroenergetice, a constructiilor aferente retelelor feroviare si rutiere, constituind un indrumator primar in domeniul eficientei energetice a proceselor termice. De asemenea, lucrarea poate fi un element de baza in cadrul altor discipline care tangenteaza sau presupun cunoscute aspecte legate de termotehnica si masini termice – Termoenergetica, Instalatii termice industriale, Retele si instalatii termice, Centrale termoelectrice, Instalatii de ardere, Motoare termice, Generatoare de abur.

Obiectivele urmarite si tratarea lor in cadrul lucrarii poate fi imbunatatita cu ocazia unei viitoare editii. Prin urmare, consider utile orice sugestii si observatii pe baza acestui material.

Autorul
Petrosani, iunie 2010

CUPRINS

1. Stari si procese termodinamice 13
1.1. Notiuni fundamentale de termodinamica;
1.2. Parametri de stare;

2. Gazul perfect 20
2.1. Ecuatia de stare a gazului perfect;
2.2. Legile gazelor perfecte;
2.3. Legea lui Avogadro;
2.4. Exprimarea cantitatii de gaz;
2.5. Determinarea masei gazului si a constantei de natura;

3. Amestecul de gaze perfecte 27
3.1. Legile lui Dalton si Amagat;
3.2. Exprimarea compozitiei unui amestec;
3.3. Transformari de participatii si caracteristici ale amestecului;

4. Interactiunea sistemului termodinamic 33
4.1. Generalitati;
4.2. Interactiunea mecanica a sistemului;
4.3. Interactiunea termica a sistemului;
4.4. Determinarea caldurii specifice;
4.5. Energia interna;
4.6. Entalpia sau continutul de caldura;
4.7. Principiul echivalentei intre caldura si lucru mecanic;

5. Primul principiu al termodinamicii 47
5.1. Enunturi;
5.2. Expresiile matematice ale primului principiu al termodinamicii;

6. Transformarile de stare ale gazului perfect 51
6.1. Generalitati;
6.2. Transformarea izocora;
6.3. Transformarea izobara;
6.4. Transformarea izoterma;
6.5. Transformarea adiabata;
6.6. Transformarea politropa;
6.7. Particularizarea transformarii politrope;
6.8. Pozitia relativa a politropelor in diagrama p-V;
6.9. Determinarea grafica a sensului variatiei de temperatura si a schimbului de caldura in transformari;

7. Principiul al doilea al termodinamicii 70
7.1. Enunturi;
7.2. Ciclul Carnot direct;
7.3. Ciclul Carnot inversat;
7.4. Integrala lui Clausius in transformarile ireversibile;
7.5. Entropia;
7.6. Exergia si anergia;
7.7. Variatia de entropie a gazelor perfecte;
7.8. Diagrama T-S (calorica sau entropica) si utilitatea ei;
7.9. Variatia entropiei in transformarile particulare;
7.10. Reprezentarea politropelor in diagrama T-S;
7.11. Constructia grafica a politropelor in diagrama T-S;
7.12. Semnificatia ariilor in diagramele T-S;
7.13. Entropia in transformarile ireversibile;
7.13.1. Frecarea (ireversibilitate interna);
7.13.2. Laminarea;
7.13.3. Transmiterea caldurii de la un corp la altul si atingerea echilibrului de temperatura;

8. Arderea combustibililor 94
8.1. Puterea calorica. Analiza unui combustibil;
8.2. Arderea completa;
8.3. Arderea incompleta;
8.4. Controlul proceselor de ardere;
8.5. Triunghiul arderii;
8.6. Temperatura de ardere;
8.7. Disocierea termica. Diagrama ig – t cu disociere;

9. Gaze reale; 9.1. Ecuatii caracteristice de stare 117
9.1.1. Ecuatia de stare Van der Waals;
9.1.2. Ecuatia lui Seligmann;
9.1.3. Ecuatia lui M.P. Vukalovici;
9.1.4. Ecuatia Mayer-Bogoliubov;
9.2. Functii ale gazelor reale;
9.2.1. Energia interna;
9.2.2. Entalpia;
9.2.3. Entalpia interna libera;
9.2.4. Entalpia libera;
9.2.5. Relatiile lui Maxwell;
9.2.6. Ecuatiile lui Gibbs-Helmholtz;
9.2.7. Potentialul chimic;
9.3. Exergia gazelor reale;
9.4. Laminarea gazelor reale;

10. Vapori 140
10.1. Notiuni despre echilibrul fazelor;
10.2. Vaporizarea;
10.3. Determinarea parametrilor aburului;
10.4. Diagrama p-V (Diagrama Andrews);
10.5. Diagrama T-s;
10.6. Diagrama i-s (Diagrama Mollier);
10.7. Diagrama e-s;
10.8. Transformari ireversibile ale aburului;
10.8.1. Obtinerea aburilor supraincalziti;
10.8.2. Destinderea adiabatica ireversibila a aburului;

11. Aerul umed 157
11.1. Definitii preliminare. Fenomenologie;
11.2. Marimile de stare ale aerului umed;
11.3. Diagrama i-x (Mollier);
11.4. Transformari ale aerului umed cu schimb de energie;
11.4.1. Incalzirea aerului umed;
11.4.2. Racirea aerului umed;
11.5. Transformari ale aerului umed cu schimb de energie si substanta;
11.5.1. Amestecul izobar a doua cantitati de aer umed;
11.5.2. Umidificarea;
11.6. Aplicatii ale aerului umed;
11.6.1. Instalatii de uscare convectiva;
11.6.2. Instalatii de climatizare;

12. Masini termice cu vapori 181
12.1. Aspecte introductive;
12.2. Ciclul cu abur saturat (ciclul umed);
12.3. Ciclul cu abur supraincalzit (Clausius-Rankine);
12.4. Ridicarea randamentului C.T.E.;
12.5. Regenerarea ciclului Clausius-Rankine;
12.6. Centrala electrica cu termoficare;

13. Motoare cu ardere interna cu piston 202
13.1. Generalitati;
13.2. Motorul cu aprindere prin scanteie, in doi timpi;
13.3. Motorul cu aprindere prin scanteie, in patru timpi (MAS);
13.3.1. Descrierea ciclului;
13.3.2. Indicii caracteristici ai ciclului. Randamentul termic;
13.4. Motorul cu aprindere prin comprimare (MAC);
13.4.1. Descrierea ciclului;
13.4.2. Indicii caracteristici ai ciclului. Randamentul termic;
13.5. Ciclul cu ardere mixta (Sabathe-Seiliger-Trinckler);
13.5.1. Descrierea ciclului;
13.5.2. Indicii caracteristici ai ciclului. Randamentul termic;
13.6. Compararea termodinamica a ciclurilor Otto si Diesel;
13.7. Parametrii ciclului de functionare;

14. Compresoare 219
14.1. Generalitati;
14.2. Compresorul cu piston;
14.2.1. Ciclul teoretic;
14.2.2. Ciclul real;
14.2.3. Comprimarea in trepte;
14.2.4. Racirea si puterea de actionare;
14.3. Compresorul elicoidal. Constructia si calculul compresorului elicoidal;
14.3.1. Consideratii generale si scurt istoric;
14.3.2. Principiul de functionare;
14.3.3. Tipuri de compresoare elicoidale. Profilele rotoarelor;
14.3.4. Modul de lucru al compresorului elicoidal;
14.3.5. Parametri determinanti;
14.3.6. Parametri constructivi ai compresorului elicoidal;
14.3.7. Calculul parametrilor functionali ai compresorului elicoidal;
14.3.8. Determinarea puterii de actionare a compresorului elicoidal;
14.3.9. Studiul randamentului compresorului elicoidal;
14.3.9.1. Studiul randamentului energetic;
14.3.9.2. Studiul randamentului exergetic;

15. Dinamica fluidelor compresibile 298
15.1. Generalitati si definitii;
15.2. Natura curgerii fluidelor;
15.3. Criteriul Reynolds;
15.4. Ecuatiile fundamentale ale dinamicii fluidelor;
15.4.1. Ecuatia de continuitate;
15.4.2. Ecuatia de miscare;
15.4.3. Ecuatia conservarii energiei;
15.4.4. Ecuatia termica;
15.5. Curgerea fluidelor compresibile prin ajutaje;
15.5.1. Ajutajul convergent;
15.5.2. Ajutajul convergent – divergent;
15.6. Curgerea gazelor cu frecare prin tuburi lungi;
15.6.1. Curgerea adiabatica;
15.6.2. Curgerea izotermica;

16. Instalatii de turbine cu gaze 319
16.1. Aspecte generale;
16.2. Ciclul cu ardere la presiune constanta, comprimare adiabata fara recuperare de caldura;
16.3. Ciclul cu ardere la presiune constanta, comprimare izoterma fara recuperare de caldura;
16.4. Instalatii de turbina cu gaze cu ardere la presiune constanta, in circuit deschis, cu recuperare de caldura;
16.5. Ciclul cu ardere la presiune constanta, comprimare izotermica destindere adiabata cu recuperare de caldura;
16.6. Aplicatii numerice;

Bibliografie 334

Anexe 339