TEP Termodynamikk 1

Transkript

1 Institutt for Energi og Prosessteknikk TEP Termodynamikk 1 Fagets Innhold og Læringsmål Termodynamiske Systemer, Egenskaper og Tilstander Begrepene Arbeid og Varme (og Energi generelt) Tilstandslikninger for Gassfase (Ideell Gass Modell) Termodynamiske Tabeller og Diagrammer Tilstandsendringer, Indre Energi, Entalpi og Entropi TD s Hovedsatser for Åpne og Lukkede Systemer Ulike Sirkelprosesser! Carnot, Rankine, Otto, Diesel og Brayton Reversible og Irreversible Prosesser 3 Anvendelsesområder (Kapitlene 8, 9 og 10)! Dampkraft, Gasskraft & Motorer, Varmepumper & Kjølekretser Introduksjon til Eksergi, Energikvalitet og Virkningsgrader Forkunnskapskrav: Ingen... " Truls Gundersen Institutt for Energi og Prosessteknikk TEP Termodynamikk 1 Pensum i faget er # M. J. Moran, Shapiro et al.: Principles of Engineering Thermodynamics", 7 th ed. (SI), John Wiley & Sons, 2012 (5 th or 6 th )! Kap. 1 - Introduksjon, Konsepter & Definisjoner (ikke 1.4.2)! Kap. 2 - Energi og Termodynamikkens 1. lov (ikke 2.2.4, 2.2.5)! Kap. 3 - Termodynamiske Egenskaper! Kap. 4 - Kontrollvolum for Strømmende Systemer! Kap. 5 - Termodynamikkens 2. lov! Kap. 6 - Introduksjon og Bruk av Entropikonseptet! Kap. 7 - Flyttet til Termo-2, Eksergi Light (Notat på Hjemmeside)! Kap. 8 - Kraftsystemer basert på Damp! Kap. 9 - Forbrenningsmotorer og Kraftsystemer basert på Gass (ikke 9.9, )! Kap.10 - Kjølekretser og Varmepumper (ikke 10.5) Truls Gundersen

2 Institutt for Energi og Prosessteknikk Forelesninger (4F/uke Toveiskommunikasjon!?) Faglærer foreleser Kap. 1 6 (basis) og Kap. 8 (anvendt) Faglærer foreleser også Eksergi Light (6F) Topp Gjesteforelesere dekker Kap. 9 og 10 (anvendt) Øvinger (4Ø/uke minimum 8 av 12 må godkjennes) Vit.ass: Stipendiat Birgitte Johannessen 7 Stud.ass er (som kan Termodynamikk!!) Faglærer vil forsøke å være tilstede... Semesteroppgave (obligatorisk) Labsjef Morten Grønli organiserer gjennomføringen Kjøres i ukene xx & yy, innlevering av rapport innen zz.zz Basert på relativt nye Demo-anlegg i EPT s Lab. Referansegruppe 2 fra EoM, 2 fra Ind.Øk. Frivillige er velkomne, svært lite arbeid, 2 korte møter Hjemmeside: Truls Gundersen Link til Hjemmeside

3 Assignment Number 4 Engng. Thermodynamics 1 Assignment Number 11 Engng. Thermodynamics 1 Hint: Use compressibility (Z), pseudoreduced spesific volum (v R ) and Figure A-1 in M&S. Institutt for Energi og Prosessteknikk Termodynamikken er et viktig basisfag Fagenes naturlige Hierarki Fenomener: Varme/Masse-Transport Reaksjon, Strømning, etc. Naturlover: Fysikk, Mekanikk, Termodynamikk, etc. System-Fag Prosesser, Fabrikksteder, Samfunn Komponent-Fag Varmevekslere, kompressorer, turbiner, destillasjonstårn, etc. Fundamentale Fag Fenomener og Naturlover Truls Gundersen

4 Institutt for Energi og Prosessteknikk Termodynamikkens anvendelser er uendelige Vårt fokus er på Sykliske Prosesser Truls Gundersen Termodynamikkens Las Vegas C.P. Snow formulerte termodynamikkens lover på en måte som gjør at de fleste kan huske dem: 1. You cannot win (that is, you cannot get something for nothing, because matter and energy are conserved). 2. You cannot break even (you cannot return to the same energy state, because there is always an increase in disorder; entropy always increases). 3. You cannot get out of the game (because absolute zero (Kelvin) is unattainable). Introduksjon og Motivasjon Intro 1

5 Termodynamikk - En farlig Teori? Conservative Christians protest the second law of thermodynamics on the steps of the Kansas Capitol Ralph Reed holds a textbook he claims is being used to teach physics in schools. Q: Hvis det er avvik mellom kartet og terrenget - Ville du endre kartet eller terrenget?? Introduksjon og Motivasjon Intro 2 Eks.: Stasjonært vs. Likevekt?? Rørsatsvarmeveksler (Shell & Tube) Introduksjon og Motivasjon Intro 3

6 Reversibel vs. Irreversibel Læreboka: Piston-Cylinder Assembly Gass Gass 1 W = mn g h= mtotal g h n n W 0 men... >0 Varmereservoar Varmereservoar Irreversibel Introduksjon og Motivasjon Intro 4 Typisk Flytskjema Olje/Gass-Separasjon Videre Tørking og Kompresjon Innledende Konsepter og Definisjoner 1-1

7 Vannets Trippelpunkt (0.01 C, atm) Trykk = Kraft dividert på Flate Systemet søker fasen med størst tetthet (vann) Innledende Konsepter og Definisjoner 1-2 Konstant Volum Gasstermometer Innledende Konsepter og Definisjoner 1-3

8 Temperaturskalaer Innledende Konsepter og Definisjoner 1-4 Fahrenheitskalaen På Fahrenheitskalaen er frysepunktet for vann 32 F (grader Fahrenheit), og kokepunktet for vann er 212 F. Det verserer ulike teorier om hvordan Fahrenheit valgte skalaens fikspunkter, og en av dem er at nullpunktet 0 F ( 17,8 C) er det kaldeste man kan få ved å blande riktige mengder salt og knust is, mens 100 F (37,8 C) er like over gjennomsnittlig kroppstemperatur hos mennesker (37 C) og kan ha vært Fahrenheits egen kroppstemperatur under intense arbeidsdager... (ref.: Wikipedia) Innledende Konsepter og Definisjoner 1-5

9 Legeme påvirket av en Kraft Arbeid og Kinetisk Energi 2-1 Legeme påvirket av Krefter Kinetisk og Potensiell Energi 2-2

10 Ulike former for Arbeid (2.2.4 og er ikke Pensum, men...) δw = p dv Kompresjon av gass δw = σ d(a x) Forlengelse av stolpe δw = τ da Strekking av overflatefilm o.s.v. for elektrisk arbeid, magnetisk arbeid, etc. δw = x dy Generalisert arbeid Arbeid = Intensiv differensialet av Ekstensiv Variabel 2-3 Effekt - Tidsaspektet av Arbeid W = δw = F ds = F V dt dt W = F d V = (0.5 c d A ρ V 2 ) V V = 25 km/h c d = 0.9 A = 0.4 m 2 ρ = 1.2 kg/m 3 Effekten: W = 72.3 J/s = 0.07 kw 2-4

11 Arbeid ved Ekspansjon / Kompresjon 2-5 Arbeid for Polytropisk Prosess n V pv pv a) n= 1.5 p2 = p1 = 1.06 bar W = = kj V2 1 n n V 1 V 2 b) n= 1.0 p2 = p1 = 1.50 bar W = pv 1 1ln = kj V2 V1 pv pv 0 kj 1 n c) n= 0.0 p2 = p1 = 3.00 bar W = =

12 Varmeledning - Konduksjon Antagelser: 1. Stasjonære forhold 2. Konstant Varmeledningsevne (konduktivitet) - κ Varmeoverføring: Q x = κ A dt dx 2-7 Shell & Tube Varmeveksler Arbeidshesten i Prosessindustrien 2-8

13 Varmeoverføring ved Stråling Industrielle eksempler: Fyrte Ovner Kjemiske Reaktorer - Etylen-cracker - Primær-reformer - Sekundær-reformer 2-9 Varmeoverføring - Oppsummering Konduksjon (Varmeledning) Stråling Q = κ A dt dx Q = ε σ A T b 4 Fourier s lov Stefan Boltzmann s lov Konveksjon Q = h A (T b T f ) Newton s Kjølelov 2-10

14 Effekt av Systemgrensevalg ved beregning av Varmeoverføring p atm = 1 bar m piston = 45 kg A piston = 0.09 m 2 g = 9.81 m/s 2 m air = 0.27 kg V 2 V 1 = m 3 Δu air = 42 kj/kg 2-11 Sykliske Prosesser 2-12