FISICA AMBIENTALE 1

Lezioni 5 – 6Le macchine termiche

Tipi di macchine termiche (ideali) :

TC= Tamb

TH= Tamb

TC= Tamb

TH= Tamb

Macchina T.convenzionale

Pompa di calore

Frigorifero

Macchina termica

“fredda”

Frigorifero:

Coefficiente di rendimento

COP

Energia richiesta

Calore estratto

TH= TambWin è lavoro sul sistema

per estrarre calore da un serbatoio a bassa T e trasferirlo ad uno a

T ambiente.

Diagramma pH del ciclo di un frigorifero

LA REFRIGERAZIONE

COP =COOLING ACHIEVED

WORK INPUT

= H2-H1

H1-H4

strozzatura

Vapore saturo

Punto critico

Liquidosaturo

Non tutti cadono nel range accettabile con –10 °C< T < 60°C a

p ~100 kPa (p atmosferica)

Grafico delle pressioni rispetto alle T dei punti di ebollizione per alcuni fluidi

VAPOUR COMPRESSION:1.Compressor

ABSORPTION: 1.Absorb vapour in liquid while removing heat2.Elevate pressure of liquid with pump3.Release vapour by appling heat

Evaporator

Condenser

Espansion value

Low-pressurevapour

High-pressurevapour

Paragone tra due sistemi di refrigerazione:compressione del vapore e assorbimento

COP

Pompa di calore

TC= Tamb

Win è lavoro sul sistemaper estrarre calore da un serbatoio a Tambiente e

trasferirlo ad uno a temperatura più alta.

Coefficiente di rendimento

QH = QC +Win ; calore trasferito

Win lavoro per trasferire il calore

Efficienza di una macchina termica reale

Una macchina reale compie molti cicli/s.Se internamente la macchina opera con C:

Eliminiamo C e H con le equazioni del trasporto. Si ottiene:

con

Il lavoro eseguito diventa:

Tale lavoro è nullo per = 0 e per = C.Per a, TC, TH costanti si trova il massimo di W rispetto a :

Da cui l’efficienza di una macchina termica reale:

< C

Definizione più generale di efficienza in un processo di trasferimento di calore:

=output

energeticoinput

energeticoBisogna guardare lo scopo

e non solo la macchina

output di calore / lavoro utileoutput max per ogni sistema

con lo stesso input

=

Massimo permesso dalla termodinamica sempre < 1

Second law efficiency:

Riscaldamento domestico

Calore trasmesso alla casa

variazione di H per la combustione del gas

Second law efficiency:

Massimo lavoro che può essere fornito da un sistema che si porti ad uno stato finale in equilibrio con l’atmosfera.

Lavoro utile per una pompa di calore

EXERGIA: energia convertibile in lavoro

Il lavoro meccanico è 100% exergia, lealtre forme di energia sono convertibili in lavoro solo in una certa percentuale:

Energia elettrica: 99% exergia

Energia meccanica: 80% exergia

Calore: grado di convertibilità variabile dipendente dalla temperatura.

Possiamo riscrivere la second law efficiency :

Scambio di entropiasistema+ambiente

“Lavoro perso”

Temperatura dell’atmosfera

U V S Uf Vf Sf

T0, p0

EXERGIA PERSA NELLA COMBUSTIONE

Tc, pc, Vc +Prodotti di

combustione T

Combustibile

+ AriaT0, p0, V1

Combustioneadiabatica

I prodotti di combustione si raffreddanoTT0 e compiono lavoro:

Exergia totale prima della combustione

= C

Energia persa

Il lavoro perso diventa:

T0 = 300 Tc = 2240 K

Exergiapersa nella combustione