Elemente caracteristice ale proceselor termice industriale

Elemente caracteristice ale proceselor termice industriale

Stare si marimi de stare

Pt a carcteriza un sist. se ia in considerare o serie de marimi fizice care sa reflecte insusirile principale ale structurii lui.Suma acestor marimi la un moment dat definesc starea sist. denumite marimi(parametri) de stare.Acesti patam. au proprietatea de a fi independenti intre ei,fapt pt. care se numesc si marimi fundamentale.In urma unor reacti functionale specifice unui sistem se obtin alte marimi care se numesc secundare.Studiul oricarui sistem trebuie sa inceapa cu stabilirea variabilelor care det. starea sist.Intotdeauna trebuie acordata o importanta deosebita asupra seletiei parametrilor de stare astfel incat sa nu se ajunga in situatia cand nu pot fi determinati in totalitate. Param. care descriu stare unui sistem pot fi intensivi sau extensivi.In primul caz param.de stare nu depind de dimensiunile sistemului,in timp ce in al 545h77f doilea caz param. au valori proportionale cu dimensiunea acestuia.Orice schimbare a starii unui sist. se caracterizeaza prin starea initiala,starea finala si starea intermediara.

Transformarea

Orice schimbare a starii sist. se numeste transformare.Starile intermediare prin care trece sist in timpul unei transformari este o stare de neechilibru care uneori nu poate fi controlata.O transf. reala este o transf. de neechilibru d.p.d.v. practice.Atunci cand proprietatile sist.nu variaza in timp iar conditiile externe in care este plasat sist nu variaza nici ele in timp se spune ca sist este caracterizat printr-o stare de echilibru.Starea de echilibru apare ca un caz limita al transf.de neechilibru atunci cand viteza de variatie a marimilor de stare tinde spre zero.Transf.de echilibru care presupun trecerea sist.in mod succesiv prin stari de echilibru se numesc transf. reversibile.In natura cat si in tehnica nu exista transf.reversibile.In stiinta au fost preferate intotdeauna starile si transf.de echilibru datorita accesibilitatii lor.Analiza sist.si implicit a inst.termice se poate face printr-un studiu static,adica a starilor de echilibru si mai nou se face printr-un studio dinamic,adica al starilor de neechilibru.

Proces

Toate transf.in ansamblu pe care le realizeaza un sist. intr-un interval de timp dat constituie un process.Ca si transf. procesele pot fi reversibile sau ireversibile.In primul caz se refera la procesele ideale,procesele luate ca modele simplificatoare(reversibile) pt.procesele reale care sunt ireversibile.In functie de natura cauzelor care le produc ireversibilitatile pot fi interne sau externe.

A Ireversibilitatile interne sunt intrinseci proceselor care se desfasoara in cadrul sistemelor si a structurilor functionale.

Ireversibilitatile se datoreaza:

a) frecarea care se manifesta in toate procesele termice si care determina o reducere a campului de presiuni pt.agentul termic sau in cazul proceselor mecanice, de contact

b) diferenta finite de temp. care se manifesta in mod special in cadrul proceselor de transfer termic in echipamentele inst.termice

c) amestecarea unor gaze de compozitie diferita in cazul motoarelor cu ardere interna sau a unor inst energetice

d) arderea comb.care este un proces esential I functionarea cazanelor de apa calda sau abur

B Ireversibilitatile externe se manifesta in cadrul interactiuni dintre system si mediul ambiant,influentand prin aceasta,in mod direct calitatea procesului realizat de catre sistem.Pirncipala cauza de producere a acestor ireversibilitati o constituie dif.finita de temp.si presiunea care caracterizeaza procesul de transfer de caldura,resrectiv schimb de lucru mecanic cu mediul ambiant.Raportate la timp procesele pot fi stationare sau nestationare,iar analiza lor se poate face in regim static sau dinamic.In primul caz relatiile de calcul prin care se modeleaza desfasurarea unui proces nu contin variabile de timp si este un caz limita a proceselor nestationare atunci cand viteza de variatie a param.de stare este mica.

Procese complexe de transfer de caldura.

Modurile de transfer ale caldurii

Conductie,radiatie,convectie

Transferul de caldura reprezinta schimbul de energie termica intre doua corpuri,sau doua fluide,doua puncte ca rezultat de dif.de temp intre acestea.Schimbul de caldura respecta legile de baza ale termodinamicii.Legea I care exprima pricipiul conservarii energiei si legea a II a care da sensul natural al curgerii caldurii,intotdeauna de la sursa cu temp.mai mare spre cea cu temp.mai mica.Tr.de caldura se face in trei moduri diferite : conductie,radiatie,convectie.Conductia si radiatia reprezinta procese de schimb de caldura datorate unei dif.de temp.Convectia este un proces mai complicat care pe langa un proces de schimb de caldura implica si transformari de masa.Coductia termica reprezinta transportul direct al caldurii in int.aceluiasi corp material lipsit de miscari aparente,in masa caruia exista dif.de temp. sau in corpuri diferite atunci cand intre acestea exista un contact si dif.de temp.

Transferul caldurii prin conductie are loc astfel :la corpurile solide cum ar fi metalele, mat.ceramice,mat. de constructii si termoizolante prin difuzia electronilor liberi.La corpurile fluide(lichid,gaz)prin ciocniri elastice din aproape in aproape intre molecule sau atomi,pozitia reciproca a acestora ramanand in acelasi spatiu.

Radiatia termica-este procesul prin care caldura este transferata de la un corp cu temp.mai ridicata la un corp cu temp.mai coborata corpurile fiind separate in spatiu.Schimbul de caldura prin radiatie se datoreaza naturii elecromagnetice a energiei transferate sub forma de cuante de energie si se realizeaza de la distanta fara contact direct intre corpuri.

Convectia termica-reprezinta procesul de transfer al caldurii prin actiunea combinata a conductie termice a acumularii de energie interna si a miscarii de amestec.Convectia este cel mai important proces de transf. al caldurii intre o suprafata solida si un fluid intre care exista contact direct.Transf.de cldura prin convectie are loc in cateva etape :

-transf.de la un perete mai cald la un fluid mai rece ;caldura initial trece prin conductie termica de la supraf.peretelui la particulele de fluid adiacente acestuia.Energia termica astfel transferata mareste temp.si energia interna a acestor particule de fluid.Aceste procese se desfasoara in stratul de fluid de langa perete denumit strat limita.In continuare aceste particole cu energie mai mare se deplaseaza catra regiuni mai scazute prin amestesc cu alte particule,transmit o parte din energia lor.Convectia este deci un proces de transport de energie masa si impuls.Energia este inmagazinata in particulele de fluid si transportata ca rezultat al miscarii acestora.Procesele industriale de transf.de caldura sunt procese complexe in care apar simultan doua sau trei din modurile fundamentale de schimb de caldura.

Coeficientul global de schimb de caldura

Majoritatea cazurilor de schimb de caldura intre doua fluide implica un perete despartitor astfel incat transferul caldurii se realizeaza prin actiunea combinata a conductie,convectiei si radiatiei.In practica apar doua cazuri disticte de procese de schimb de caldura :

a) Procese de schimb de caldura la temp ridicate unde intervin conductia,convectia si radiatia(cuptoare.)

b) Procese de schimb de caldura la temp coborate unde radiatia poate fi neglijata

Schimbul de caldura intre doua fluide printr-un perete despartitor are loc astfel :

de la fluid la perete sau invers prin convectie si eventual radiatie prin perete,prin conductie termica.

Pt. a lua in considerare intregul schimb de caldura se utilizeaza coef.global de schimb de caldura « k « .Cu ajutorul acestui coef.pt un perete plan,respectiv cilindric se pot scrie ec. debitului(fluxului)de calcura Q schimbat intre cele doua fluide astfel :

Q=k_sS(t₁-t₂) [W;Kcal/h] - pt perete plan

Q=k_lL(t₁-t₂) [W ;Kcal/h]- pt perete cilidic

k_s-coef. global pt perete plan [W/m­­²K]

k_l-coef. global pt.perete cilindric [W/m­­²K]

S-supraf. peretelui plan

L-lungimea peretelui cilindric

t₁-temp. fluidului cald

t₂-temp fluidului rece

Coef global de schimb de caldura reprezinta inversul rezistentei termice totale la transferul caldurii printr-un perete plan/cilindric

k_s= ;    k_l=

Schimbul de caldura intre fluid si perete se desfasoara in doua feluri :prin convectie,prin convectie si radiatie.In al II lea caz coef global de schimb de caldura α= α_conv+ α_rad

α_rad inlocuieste procesul de radiatie cu unul de convectie echivalent ce se calculeaza cu rel : α_rad=eC_o[()⁴-()⁴]/ t_f-t_p

e-factorul de emisie al peretelui

C_o-coef.de rad. a corpului negru [W/m²K⁴]

T_f- temp.fluidului

T_p-temp.peretelui