WYKŁAD 1

Energia: własność systemu/otoczenia zdolność do wykonania pracy lub do dokonania zmian stanu otoczenia/systemu.

Energia całkowita suma energii we wszystkich jej formach.

Zasada zachowania energii: Energia całkowita układu system+otoczenie system izolowany (wszechświat), podlega zachowaniu, czyli jest wielkością stałą.

Fenomenologiczna klasyfikacja energii.

Energia całkowita: suma energii ruchu i energii pola

Ruch systemu skutkuje energią kinetyczną:

• makroskopowy energia kinetyczna ruchu makroskopowego systemu jako całości:
  ,

• mikroskopowy energia kinetyczna ruchu molekuł, atomów i cząstek elementarnych tworzących system
  ,

Pola siłowe skutkują energią potencjalną:

• pole bliskiego zasiegu: siły międzymolekularne, międzyatomowych wiązań chemicznych, jądrowe, skutkuja energią
  ,

• pola dalekiego zasięgu gdy jest on dużo większy czyli makroskopowy oddziaływania grawitacyjne i pochodzące od makroskopowych pól elektromagnetycznych, skutkują powstaniem energii
  ,

Energia pól siłowych:

Energia systemu:

Energia wewnętrzna:

proporcjonalna do temperatury

	pola siłowe międzymolekularne energia wewnętrzna utajona przem.fazowe
		pola siłowe międzyatomowe energia chemiczna reakcje chemiczne
		pola siłowe w jądrach atomów energia jądrowa

Energia kinetyczna ruchu makroskopowego:

Energia potencjalna grawitacji:

Energia mechaniczna:

Energia elektromagnetyczna wskutek występowania w systemie stacjonarnych i ruchomych ładunków elektrycznych lub fal elektromagnetycznych:

gdzie:

• 
  i
  natężenia dalekozasięgowych pól działających na system: elektrycznego i magnetycznego,

• 
  oraz
  stanowią bezwzględne przenikalności dielektryczną i magnetyczną próżni,

• 
  oraz
  są względnymi przenikalnościami dielektryczną i magnetyczną materii rozważanego systemu.

Energia całkowita systemu:

Zasób w systemie:

zasób energii całkowitej w jednostce objętości systemu.

W praktyce analiza zmian ilości energii niezależne od wybranego poziomu odniesienia.

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI.

I-sza zasada termodynamiki zasada zachowania energii w odniesieniu do systemów termodynamicznych.

Ciepło i praca jedyne formy wymiany energii między systemem zamkniętym a jego otoczeniem.

Szybkość zmiany zasobu
energii całkowitej zdeterminowana szybkością procesów wymiany ciepła i pracy przez jego granicę bo energia całkowita nie podlega produkcji.

I-sza zasada termodynamiki:

ogólne sformułowanie

Konwencja znakowa ciepła i pracy: ciepło doprowadzone do systemu +, praca odprowadzona +, w przeciwnym razie obowiązują znaki ujemne.

przypadek I-szej zasady dla maszyn energetycznych

cieplna maszyna energetyczna: konwersja doprowadzanego ciepła na pracę i odwrotnie

doprowadzanie/odprowadzanie energii w formie ciepła zmiana energii wewnętrznej czynnika roboczego w maszynie cieplnej

hydrauliczna/wiatrowa maszyna energetyczna: konwersja doprowadzanej energii na pracę napędową

II ZASADA TERMODYNAMIKI

Istnieje kilka alternatywnie równoważnych sformułowań

(a) Niemożliwym jest zbudowanie silnika cieplnego, który całą doprowadzoną energię w formie ciepła zamieniłby na pracę napędową bo część ciepła doprowadzonego musi być odprowadzona

(b) Perpetuum mobile drugiego rodzaju jest niemożliwe do zbudowania

(c) najbardziej ogólne sformułowanie II-giej zasady nosi nazwę zasady wzrostu entropii.

Dla wszystkich procesów rzeczywistych produkcja entropii określona jako

suma zmian entropii = zmiana entropii systemu „
” + zmiana entropii otoczenia „o”

jest zawsze

gdzie

gdzie T jest temperaturą w skali bezwzględnej. Jeżeli więc ciepło dQ jest odprowadzane od systemu o temperaturze
do otoczenia o temperaturze
przy czym
to

bo

Znak równości wyidealizowane procesy o zerowej produkcji entropii gdy
odwracalne, w przyrodzie nie istnieją.

Zasób entropii systemu jest dany wzorem

entropia jednostki masy systemu.

OBJĘTOŚĆ KONTROLNA

Fundamentalne równania mechaniki i termodynamiki obserwacje doświadczalne systemów zamkniętych prawa (postulaty zweryfikowane eksperymentalnie)

Zastosowanie wyodrębniona masa materii (ciało stałe, ciecz lub gaz) unoszona w polu przepływu.

W odniesieniu do zjawisk przepływowych: rzadko w użyciu, śledzenie dla obserwatora masy unoszonej w polu przepływu jest i trudne i często niepotrzebne.

W praktyce: obserwator skupia swoją uwagę na tym co się dzieje w wyodrębnionej i kontrolowanej przez siebie przestrzeni.

OBJĘTOŚĆ KONTROLNA

Objętość kontrolna CV wyselekcjonowana przestrzeń, w której zachodzące procesy sa przedmiotem analiz obserwatora.

CV najczęściej nieruchoma względem przyjętego układu odniesienia, w ogólnym przypadku objętość CV może się przemieszczać i deformować.

Powierzchnia kontrolna CS powierzchnie ścianek fizycznych i abstrakcyjnych oddzielające CV od otoczenia. Orientacja powierzchni CS - wg normalnej zewnętrznej
.

Wloty i wyloty - fragmenty abstrakcyjne CS przepuszczalne dla przepływu masy.

CV - na ogół obszar 3D, uproszczenie do 2D często stosowane szczególnych przypadkach CV 1D (np. naciagnięta struna),

a nawet skupiana i do punktu systemy skupione.

Dobór objętości kontrolnej.

Dowolna forma przestrzeni właczająca strefę bedącą przedmiotem uwagi obserwatora może być CV.

Właściwy dobór formy CV

ułatwione rozwiązywanie równań opisów procesów zachodzących w CV,

• ułatwiona analiza otrzymanych wyników obliczeń

Zasady doboru:

• objętość CV obejmuje tylko ten obszar przestrzenny, który jest przedmiotem rozważań,

• ścianki fizyczne ograniczające CV należą do otoczenia

• taka sama objętość CV dla każdego bilansu, np. CV identyczne dla bilansu masy i energii,

• parametry przepływu (znane jak i poszukiwane) na powierzchni CS nieskomplikowana geometria wyrażenia określające strumienie wymiany łatwo wyprowadzane,

• dla ułatwienia działań na wektorach powierzchnia CS prostopadła lub równoległa do kierunku np. wektora prędkości, działania siły lub osi współrzędnych.

• analiza makroskopowa objętość CV makroskopowa,

• poziom różniczkowy objętość CV różniczkowo (infinitezymalnie) mały element przestrzenny.

Przykład: Analiza parametrów w punkcie (A) pola przepływu:

• forma ( I ) lepsza niż ( II ) bo punkt ( A ) leży na powierzchni kontrolnej,

• forma ( I ) lepsza niż ( III ) bo kierunki przepływu w ( I ) są normalne do powierzchni kontrolnych , oraz zamykających wloty i wyloty.

Przykłady.

• Połączenie trójnikowe:

• Wymiennik ciepła:

Przykłady objętości kontrolnej CV i powierzchni kontrolnej CS dla analizy wymiennika ciepła:

(a) schemat wymiennika,

(b) objętość kontrolna dla wymiennika,

(c) objętość kontrolna dla płynu 1,

(d) objętość kontrolna dla płynu 2,

(e) objętość kontrolna dla ścianki rozdzielającej płyny.

WYKŁAD 2

RÓWNANIE BILANSU ENERGII

Energia: skalarna własność ekstensywna.

Energia całkowita

Energia całkowita = En. wewnętrzna + En. kinetyczna + En. potencjalna+ Inne

Zasób

• w jednostce masy:

e = u + V²/2 + g⋅z+χ

• w jednostce objętości:

η = e⋅ρ

I-sza zasada termodynamiki (dotyczy systemu termodynamicznego ):

system termodynamiczny stała porcja masy system zamknięty




równanie bilansu energii całkowitej dla objętości CV

objętość CV system otwarty masa przepływa przez CV

równanie I-szej zasady termodynamiki dla CV= równanie bilansu energii całkowitej dla objętości CV





strumień ciepła wymieniany przez powierzchnię CS.


praca wymieniana w jednostce czasu między objętością CV a otoczeniem przez powierzchnię CS.

Konwencja znakowa: ciepło doprowadzone do objętości CV ⊕ , praca odprowadzona ⊕ , w przeciwnym razie obowiązują znaki ujemne.

Praca
:

• praca napędowa wymieniana poprzez wał maszyny,
  ,

• praca naprężeń (normalnych i stycznych) na powierzchni CS,
  

• praca wykonana przez prąd elektryczny,
  ,

• inne, np. praca fal radarowych,
  ,

diagram ilustracyjny bilansu energii całkowitej dla CV







Przypadek najczęściej spotykany:

• stan ustalony zasób=const,




• pomijalna praca naprężeń stycznych na powierzchni CS oraz brak wymiany energii poprzez inne oddziaływania

stąd
oraz


w rezultacie



entalpia,

Postać fundamentalna równania bilansu energii dla analizy maszyn energetycznych:




UPROSZCZONE FORMY RÓWNANIA BILANSU ENERGII

Zastosowania analiza inżynierska maszyn energetycznych

Płyn nie przepływa przez części CS nieprzepuszczalne dla masy ścianki stałe.

Istotne są tylko wloty i wyloty:




Równomierne rozkłady własności na przekrojach wlotowo/wylotowych





predkość średnia na przekroju wlot/wylotu,


zorientowane pole przekroju wlotu/wylotu.


strumień masy płynu, znaki: + wylot,
wlot.

Równanie bilansu energii całkowitej




Diagram ilustracyjny członów bilansu energii całkowitej dla CV







WYKŁAD 3

Klasyfikacja maszyn energetycznych

maszyny cieplne

maszyny hydrauliczne

maszyny wiatrowe

Maszyny cieplne

silniki cieplne,

pompy ciepła,

wymienniki ciepła,

silniki cieplne przetwarzają doprowadzaną energię w formie ciepła na energię mechaniczną odprowadzaną w formie pracy napędowej przy czym doprowadzane ciepło może pochodzić:

z przetworzenia energii chemicznej na ciepło w procesach spalania paliw stałych, ciekłych lub gazowych

przykłady:

tłokowe silniki spalinowe,

bloki energetyczne: kocioł parowy+turbina parowa

turbina gazowa

z innych źródeł takich jak

procesy rozpadu paliw nuklearnych,

przykład: bloki energetyczne: reaktor nuklearny+wytwornica pary+turbina parowa

energia słoneczna: silnik tłokowy (Stirlinga)

energia ciepła Ziemi (geotermalna)

Spośród silników cieplnych wykorzystujących procesy spalania można wyodrębnić dwie kategorie

silniki wewnętrznego spalania, gdzie proces spalania zachodzi w obrębie samego układu roboczego silnika:

przykłady

tłokowe silniki samochodowe,

silniki zewnętrznego spalania, gdzie proces spalania zachodzi poza obrębem układu roboczego silnika:

przykłady

parowe bloki energetyczne kocioł parowy+turbina parowa

turbiny gazowe

silniki Stirlinga: jest to silnik tłokowy, w którym proces spalania zachodzi po stronie zewnętrznej układu tłok-cylinder

wymienniki ciepła, służą do przekazywania energii w formie ciepła od systemu o temperaturze wyższej do systemu o temperaturze niższej przy czym proces przekazywania zachodzi samorzutnie (bez dodatkowego oddziaływania otoczenia)

pompy ciepła, służa do przekazywania energii w formie ciepła od systemu o temperaturze niższej do systemu o temperaturze wyższej przy czym proces przekazywania wymaga doprowadzania energii z otoczenia w formie pracy napędowej

SPRAWNOŚĆ MASZYN CIEPLNYCH

ogólna definicja sprawności




WYMIENNIK CIEPŁA

sprawność efektywność wymiennika ciepła











oczekiwany efekt strumień ciepła przekazywanego w wymienniku


niezbędny nakład maksymalnie możliwy strumień ciepła przekazywanego





efektywność wymiennika ciepła
, w praktyce


POMPA CIEPŁA

sprawność pompy ciepła współczynnik wydajności pompy ciepła

















przy czym
oraz


współczynnik wydajności pompy ciepła pracującej jako chłodziarka




współczynnik wydajności pompy ciepła pracującej jako źródło ciepła (do ogrzewania)




dla pomp ciepła


SILNIK CIEPLNY













sprawność




SCHEMAT KONWERSJI ENERGII I STRATY W SILNIKU CIEPLNYM


sprawność (użyteczna) silnika




przy czym


sprawność użyteczna wyrażona poprzez sprawność teoretyczną, sprawność indykowaną i sprawność mechaniczną




gdzie


,
,


dla silników cieplnych


ENERGETYCZNA MASZYNA HYDRAULICZNA TURBINA WODNA












strumień doprowadzanej energii potencjalnej


moc napędowa turbiny

sprawność




gdzie




przyspieszenie ziemskie


gęstość masy wody


objętościowy przepływ wody


napór hydrostatyczny netto (po odjęciu strat)


dla turbin wodnych


10







WYMIENNIK

CIEPŁA







POMPA

CIEPŁA
















SILNIK

CIEPLNY







TURBINA

WODNA







---