FISICA AMBIENTALE 1 Lezioni 5 – 6 Le macchine termiche

Tipi di macchine termiche (ideali) : TH= Tamb TC= Tamb Macchina T. convenzionale Macchina termica “fredda” TC= Tamb TH= Tamb Pompa di calore Frigorifero

Win è lavoro sul sistema per estrarre calore da un Frigorifero: TH= Tamb Win è lavoro sul sistema per estrarre calore da un serbatoio a bassa T e trasferirlo ad uno a T ambiente. Coefficiente di rendimento COP Energia richiesta Calore estratto

COP = LA REFRIGERAZIONE Diagramma pH del ciclo di un frigorifero H1-H4 strozzatura Vapore saturo Punto critico Liquido saturo Diagramma pH del ciclo di un frigorifero COP = COOLING ACHIEVED WORK INPUT H1-H4 = H2-H1

Grafico delle pressioni rispetto alle T dei punti di ebollizione per alcuni fluidi Non tutti cadono nel range accettabile con –10 °C< T < 60°C a p ~100 kPa (p atmosferica)

Paragone tra due sistemi di refrigerazione: compressione del vapore e assorbimento VAPOUR COMPRESSION: 1.Compressor ABSORPTION: 1.Absorb vapour in liquid while removing heat 2.Elevate pressure of liquid with pump 3.Release vapour by appling heat Evaporator Condenser Espansion value Low-pressure vapour High-pressure

Win è lavoro sul sistema per estrarre calore da un Pompa di calore TC= Tamb Win è lavoro sul sistema per estrarre calore da un serbatoio a Tambiente e trasferirlo ad uno a temperatura più alta. Coefficiente di rendimento COP 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

Bisogna guardare lo scopo Second law efficiency: Definizione più generale di efficienza in un processo di trasferimento di calore:  = output energetico input energetico Bisogna guardare lo scopo e non solo la macchina output di calore / lavoro utile output max per ogni sistema con lo stesso input  = Massimo permesso dalla termodinamica  sempre < 1

Riscaldamento domestico Calore trasmesso alla casa variazione di H per la combustione del gas Second law efficiency: Lavoro utile per una pompa di calore Massimo lavoro che può essere fornito da un sistema che si porti ad uno stato finale in equilibrio con l’atmosfera.

EXERGIA: energia convertibile in lavoro Il lavoro meccanico è 100% exergia, le altre 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.

second law efficiency : Possiamo riscrivere la second law efficiency : T0, p0 U V S Uf Vf Sf Temperatura dell’atmosfera Scambio di entropia sistema+ambiente “Lavoro perso”

I prodotti di combustione si raffreddano TT0 e compiono lavoro: EXERGIA PERSA NELLA COMBUSTIONE Tc, pc, Vc + Prodotti di combustione T Combustibile + Aria T0, p0, V1 Combustione adiabatica I prodotti di combustione si raffreddano TT0 e compiono lavoro:  = C Exergia totale prima della combustione Energia persa

Il lavoro perso diventa: Tc = 2240 K Exergia persa nella combustione