THERMODYNAMICA Hoofdstuk 5

1. THERMODYNAMICAHoofdstuk 5 ing. Patrick Pilat lic. Dirk Willem

2. GESLOTEN systeem De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa Voor open stelsels Wet van behoud van massa: gesloten systeem  geen massa transport open systeem  massatransport OPEN systeem uitgang u ingang i (in kg/s)

3. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa Voor open stelsels Wet van behoud van massa: gesloten systeem  geen massa transport open systeem  massatransport 3 1 4 2

4. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa Voor open stelsels Volume materie c Δt dA A [massa die door dA passeert in ∆t] = ρ(c ∆t)dA massadebiet door dA : (in kg/s) massadebiet door A :

5. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa Voor open stelsels Volume materie c Δt dA A = cte ≠ cte massadebiet door A :

6. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa Voor open stelsels Wet van behoud van massa gemiddeld

7. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa Voor open stelsels Wet van behoud van massa : Volumedebiet: (m³/s)  m = r . V [(kg/m³).m³ = kg] = V / v [m³/(m³/kg) = kg] en r = m/V = 1/v Verband tussen massadebiet en volumedebiet: (kg/s) gemiddeld

8. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming Voor open stelsels Stationaire stroming: als: - m/t = cte - p, v, T, c … in een bepaalde A = cte - overgedragen Q en W per tijdseenheid = cte Voorbeelden: compressoren, turbines, pompen … IN DEZELFDE WERKOMSTANDIGHEDEN

9. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa Voor open stelsels Wet van behoud van massa : Behoud van massa bij stationaire stroming:

10. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (1 ing. + 1 uitg.): Energie per kg instromend fluïdum OPEN systeem (per s) Energie per kg uitstromend fluïdum

11. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (1 ing. + 1 uitg.): OPEN systeem stromingsarbeid technische arbeid: - arbeid met een as - elektrische arbeid - volumearbeid

12. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (1 ing. + 1 uitg.): Inlaat i Inlaat i pi Ai pi Ai F F ci ci Open systeem Open systeem

13. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (1 ing. + 1 uitg.): Open systeem Open systeem cu cu cu Uitlaat u F F pu Au pu Au

14. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (1 ing. + 1 uitg.): : Open systeem Open systeem cu cu cu Uitlaat e F F pu Au pu Au

15. De 1ste hoofdwet Voor open stelsels Wet van behoud van energie (1 ing. + 1 uitg.):

16. De 1ste hoofdwet Voor open stelsels Wet van behoud van energie (1 ing. + 1 uitg.): en h = u + pv

17. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (≠ ing. en ≠ uitg.): 1 3 4 2 tot. energie instromende massa per s tot. energie uitstromende massa per s

18. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (≠ ing. en ≠ uitg.):

19. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (≠ ing. en ≠ uitg.):

20. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Wet van behoud van energie (≠ ing. en ≠ uitg.):

21. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Energiebalans stat. strom. (1 ing. + 1 uitg.): OPEN systeem

22. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Energiebalans stat. strom. (1 ing. + 1 uitg.): OPEN systeem ingang 1 uitgang 2 (per s)

23. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Energiebalans stat. strom. (1 ing. + 1 uitg.): OPEN systeem (per s) delen door (per kg)

24. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie Voor open stelsels Energiebalans stat. strom. (≠ ing. en ≠ uitg.): 3 1 4 2

25. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - straalpijp en diffuser - Turbines, compressoren, pompen en ventilatoren - Expansieventiel - Mengkamer - Warmtewisselaar

26. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - straalpijp en diffuser q – wt= Dekin + Depot+ Dh straalpijp diffuser p1, c1 p1, c1 P2 , c2  P2 , c2 

27. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - straalpijp en diffuser - Turbines, compressoren, pompen en ventilatoren - Expansieventiel - Mengkamer - Warmtewisselaar

28. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Turbines, compressoren, pompen en ventilatoren turbine  wt > 0 compressor, pomp, ventilator  wt < 0 q – wt= Dekin + Depot+ Dh

29. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Turbines, compressoren, pompen en ventilatoren wt= -Dh compressor / pomp  gas = samendrukbaar  vloeistof: dV ≈ 0 Dh = u2 – u1 + (p2.v2 – p1.v1) met T2 ≈ T1 : u2 – u1 = q - ∫pdv = q = c ∆T ≈ 0  Dh = v.(p2– p1)

30. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - straalpijp en diffuser - Turbines, compressoren, pompen en ventilatoren - Expansieventiel - Mengkamer - Warmtewisselaar

31. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Expansieventiel (smoorklep) q – wt= Dekin + Depot+ Dh  h1 = h2

32. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - straalpijp en diffuser - Turbines, compressoren, pompen en ventilatoren - Expansieventiel - Mengkamer - Warmtewisselaar

33. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Mengkamer 2 1 3 sommatie over alle ingangen sommatie over alle uitgangen

34. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Mengkamer 2 1 3

35. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - straalpijp en diffuser - Turbines, compressoren, pompen en ventilatoren - Expansieventiel - Mengkamer - Warmtewisselaar

36. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Warmtewisselaar

37. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Warmtewisselaar: stelsel = WW 2 3 4 1 sommatie over alle ingangen sommatie over alle uitgangen

38. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Warmtewisselaar: stelsel = WW 2 3 4 1

39. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: - Warmtewisselaar: stelsel = vloeistof A q – wt= Dekin + Depot + Dh  Dh = q 1 2

40. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: q – wt = ∆(ekin + epot + h) turbine: we = wt hmech (hmech< 1)

41. De 1ste hoofdwet • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen Voor open stelsels Stationaire ingenieurssystemen: q – wt = ∆(ekin + epot + h) pomp:wt = we hmech (hmech< 1)

42. De 1ste hoofdwet Voor open stelsels • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen • Energieana- • lyse Energieanalyse van een kringproces : kringproces  gesloten systemen 1 2: Q12 – W12 = E2 – E1 2 3: Q23 – W23 = E3 – E2 3 4: Q34 – W34 = E4 – E3 4 1: Q41 – W41 = E1 – E4 Totaal: SQ – SW = 0 of SQ = SW p 1 2 4 3 V

43. De 1ste hoofdwet Voor open stelsels • Stationaire stroming • Behoud van massa • Behoud van energie • Stationaire ingenieurs-systemen • Energieana- • lyse Energieanalyse van een kringproces : kringproces  open systemen 1 2: q12 – wt,12 = h2 – h1 2 3: q23 – wt,23 = h3 – h2 3 4: q34 – wt,34 = h4 – h3 4 1: q41 – wt,41 = h1 – h4 Totaal: Sq – Swt= 0 of Sq = Swt turbine 2 3 ketel 1 condensor 4 Wpomp

44. Voorbeeld 1: turbine De hoeveelheid gas die doorheen een gasturbine stroomt bedraagt 17 kg/s. Het geleverde vermogen is 14000 kW. De enthalpie van het gas aan de inlaat en respectievelijk aan de uitlaat bedraagt 1200 kJ/kg en 360 kJ/kg. De snelheden aan inlaat en uitlaat zijn respectievelijk 60 m/s en 150 m/s. Bereken de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid aan de omgeving wordt afgegeven. Bereken eveneens de doorsnede van de inlaatpijp als het soortelijk volume daar 0,5 m³/kg bedraagt.

45. Voorbeeld 1: turbine

46. Voorbeeld 1: turbine

47. Voorbeeld 1: turbine

48. Voorbeeld 2:Koeling computer De elektronische componenten van een computer worden gekoeld door lucht stromend doorheen een ventilator die zich bevindt aan de luchtinlaat van de kast. Bij stationaire stroming komt lucht binnen met een temperatuur van 20°C en 1 atm. Om lawaaihinder te reduceren, mag de snelheid van de binnenkomende lucht niet groter zijn dan 1,3 m/s. De temperatuur van de lucht aan de uitgang mag niet groter zijn dan 32°C. De elektronische componenten en de ventilator krijgen een elektrisch vermogen van 80 W, respectievelijk 18 W. Bepaal de minimale diameter van de luchtinlaat waarbij de grenzen van luchtsnelheid aan de ingang en de luchttemperatuur aan de uitgang worden bereikt.

49. Voorbeeld 2:Koeling computer Geg. : ingang: t1 = 20°C p1 = 1 atm = 1,013.105 Pa c1 ≤ 1,3 m/s uitgang: t2 ≤ 32°C lucht: cp = 1005 J/kg.K R = 287 J/kg.K Gevr.: D1? (minimaal)

50. Voorbeeld 2:Koeling computer Geg. : ingang: t1 = 20°C p1 = 1 atm = 1,013.105 Pa c1 ≤ 1,3 m/s uitgang: t2 ≤ 32°C lucht: cp = 1005 J/kg.K R = 287 J/kg.K Gevr.: D1? (minimaal) Oplossing: