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FISICA AMBIENTALE 1
Lezioni 5 – 6Le macchine termiche
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Tipi di macchine termiche (ideali) :
TC= Tamb
TH= Tamb
TC= Tamb
TH= Tamb
Macchina T.convenzionale
Pompa di calore
Frigorifero
Macchina termica
“fredda”
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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.
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Diagramma pH del ciclo di un frigorifero
LA REFRIGERAZIONE
COP =COOLING ACHIEVED
WORK INPUT
= H2-H1
H1-H4
strozzatura
Vapore saturo
Punto critico
Liquidosaturo
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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
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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
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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
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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
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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
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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:
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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
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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.
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Possiamo riscrivere la second law efficiency :
Scambio di entropiasistema+ambiente
“Lavoro perso”
Temperatura dell’atmosfera
U V S Uf Vf Sf
T0, p0
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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
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Il lavoro perso diventa:
T0 = 300 Tc = 2240 K
Exergiapersa nella combustione