TRANSFORMAREA CALDURII IN LUCRU MECANIC CU AJUTORUL CICLURILOR; CICLUL CARNOT

TRANSFORMAREA CALDURII IN LUCRU MECANIC CU AJUTORUL CICLURILOR; CICLUL CARNOT

Transformarea continua a caldurii in lucru mecanic sau invers este posibila doar daca fluidul de lucru revine la starea initiala; in acest caz fluidul sufera o transformare ciclica.

Ciclurile pot fi parcurse in sens direct sau in sens invers; in cazul unui ciclu parcurs in sens direct (fig. 1.16a), fluidul de lucru primeste cantitatea de caldura (Q) si cedeaza cantitatea de caldura (Q₀), producand lucrul mecanic (L) - fig. 1.17a. Reprezentand procesele ciclului in diagrama p - V se observa ca acesta este parcurs in sens orar (A B C D) ; toate ciclurile parcurse in sens orar produc lucru mecanic (sunt cicluri motoare). Suprafata inchisa de curbele ce reprezinta procesele termice ce au loc in cadrul ciclului este proportionala cu lucrul mecanic produs pe ciclu.

Se defineste randamentul termic al ciclului ca fiind raportul dintre caldura utila (lucrul mecanic produs) si cantitatea de caldura introdusa:

In relatia de definitie a randamentului termic se introduce valoarea absoluta a caldurii cedate deoarece, prin conventie, aceasta are semn negativ; cum , randamentul termic este subunitar. Altfel zis, in cadrul unui ciclu parcurs in mod direct se introduce o cantitate de caldura (Q), dar numai o parte din ea () este utilizata pentru producerea de lucru mecanic.

In cazul ciclurilor inverse (fig. 1.16b), sensul de parcugere al ciclului este antiorar (A D C B); in cadrul procesului de functionare al masinii se absoarbe cantitatea de caldura (Q₀), se consuma lucrul mecanic (L) si se cedeaza mediului cantitatea de caldura (Q) - fig. 1.17b. Aceste cicluri se utilizeaza in cazul instalatiilor frigorifice si a pompelor de caldura .

Pentru evaluarea performantelor ciclurilor inverse se utilizeaza eficienta termica, intalnita si sub denumirea de coeficient de performanta (COP). Eficienta termica reprezinta raportul dintre caldura utila si lucrul mecanic consumat. Pentru instalatiile frigorifice, eficienta termica este data de relatia:

Lucrul mecanic se introduce in valoarea absoluta deoarece are semn negativ (fiind consumat).

Pentru pompele de caldura eficienta termica este:

.

Eficienta termica are valori supraunitare.

Problema transformarii caldurii in lucru mecanic a fost studiata sub forma generala, pentru prima data, de catre Sadi Carnot; acesta a analizat un ciclu format din doua transformari izoterme si doua transformari adiabatice. Ciclul Carnot reprezinta un ciclu de referinta in aprecierea randamentului unei instalatii termice reale ce functioneaza intre aceleasi limite de temperatura. Functionarea instalatiei dupa un ciclu Carnot ar asigura randament maxim acesteia, dar acest lucru nu este posibil in realitate, transformarile izoterme si adiabatice fiind practic imposibil de realizat.

In cazul ciclului Carnot direct (fig. 1.18a) au loc urmatoarele procese:

• 1 - comprimarea adiabata a fluidului de lucru, insotita de cresterea temperaturii;
• 2 - fluidul de lucru primeste cantitatea de caldura (Q), intr-un proces izoterm;
• 3 - destindere adiabata a fluidului, prin care temperatura acestuia scade;
• 4 - cedarea cantitatii de caldura (Q₀), in cadrul unei transformari izoterme.

Notand cu T temperatura sursei calde (de la care se preia cantitatea de caldura Q - vezi si fig. 1.17a) si cu T₀ temperatura sursei reci (temperatura mediului catre care se cedeaza cantitatea de caldura Q₀), se poate demonstra ca randamentul termic al ciclului Carnot direct este dat de relatia:

In cazul ciclului Carnot invers (fig. 1.18b), procesele ce au loc sunt:

• 2 - comprimarea adiabata a fluidului de lucru;
• 3 - fluidul de lucru cedeaza cantitatea de caldura (Q), intr-un proces izoterm;
• 4 - destinderea adiabata a fluidului, insotita de scaderea temperaturii acestuia;
• 1 - preluarea de catre fluid a cantitatii de caldura (Q₀), in cadrul unei transformari izoterme.

Eficienta frigorifica al unei instalatii frigorifice functionand dupa ciclul Carnot este:

in care T este temperatura sursei calde (catre care se cedeaza cantitatea de caldura Q - vezi si fig. 1.17b), iar T₀ este temperatura sursei reci (de la care se preia cantitatea de caldura Q₀).

Eficienta frigorifica a unei pompe de caldura functionand dupa ciclul Carnot este: