Elemente de Termotehnică Avansată pentru Studiul Fenomenelor din Instalațiile Termice

Rolul studiului elementelor de termotehnică avansată este de a îmbina cercetarea în domeniul clasic al termotehnicii cu cu aplicaţiile tehnice întâlnite în practică. Astfel în loc să se insiste asupra stărilor de echilibru şi ale relaţiilor dintre proprietăţile lor, se urmăreşte scoaterea în evidenţă a proceselor ireversibile, mai ales cele ale aplicaţiilor practice.

Un obiectiv important este acela de a demonstra că termodinamica tehnică este un domeniu de cercetare activ şi adesea controversat, de aceea devine o provocare puterea creatoare a inginerului în dezvoltarea viitoare a acestui domeniu.

Vom urmări aprofundarea problemelor printro discuţie comparativă a diferitelor căi prin care principiile fundamentale au fost formulate de-a lungul anilor, prin restabilirea legăturilor dintre principiile fundamentale şi tendinţele contemporane de cercetare, cum ar fi metodologia „exergiei”.

1.1 Rolul şi importanţa metodei de analiză exergetică a proceselor termice

Una din preocupările cele mai vechi priveşte obţinerea de energie utilizabilă şi stabilirea mijloacelor de folosire a acesteia. Atât timp cât domeniile de activitate nu erau prea diverse, aceste probleme se rezolvau cu mijloace rudimentare, empirice. În măsura în care a apărut necesară extinderea domeniilor de activitate şi mai ales în urma dezvoltării tehnologiei, necesarul de energie a crescut rapid, atât cantitativ, cât şi ca diversitate a formelor de energie. Au trebuit să se cunoască în profunzime tehnicile producerii, distribuirii şi consumării de energie pentru a se putea rezolva probleme tot mai numeroase şi mai dificile care apăreau în aceste domenii.

Printre problemele spinoase ce au căpătat o importanţă din ce în ce mai mare, se numără cele referitoare la eficacitatea proceselor utilizate precum şi cele referitoare la pierderile legate de aceste procese, ajungând în ultimă instanţă în prim planul preocupărilor în acest domeniu.

Ca urmare a preocupărilor în domeniile producerii de energie şi efectuării de transformări energetice s-a conturat şi fundamentat noţiunea de randament, noţiunea cu conţinut foarte larg şi cu posibilităţi de aplicare extrem de variate.

În practică, rezultatele au arătat că, procesele în care intervin unele forme de energie, cum ar fi energia mecanică, electrică, hidraulică, etc., se esfăşoară cu randamente relativ mari, în timp ce unele procese în care intervin alte forme de energie, cum sunt energia internă şi căldura, se desfăşoară cu randamente mult mai reduse.

În interpretarea clasică primul principiu al termodinamicii, care pleacă de la existenţa diferitelor forme de energie, se rezumă doar la a stabili caracterul conservativ al energiei. Limitarea posibilităţilor de efectuare a unor transformări energetice nu este luată în considerare în această lege, şi apare astfel necesitatea reală a menţinerii randamentelor acestor procese de valori reduse, chiar în condiţiile ideale.

Astfel, acestea apar ca şi consecinţe ale caracterului exclusiv cantitativ al primului principiu al termodinamicii, în cadrul căruia, nu se face nici o deosebire de ordin calitativ, între diferitele forme de energie existente.

În esenţă, pricipiul al doilea al termodinamicii face diferenţierea calitativă a formelor de energie. Ca şi consecinţe ale acestei diferenţieri apar dificultăţile legate de realizarea unor procese, limitarea şi chiar imposibilitatea efectuării unor tranformări energetice şi astfel, se explică şi randamentele reduse ce caracterizează unele procese termoenergetice.

Energia consumată într-un proces şi care nu se regăseşte ca efect util, capătă implicit caracterul de pierdere de energie, sau în lumina primului principiu al termodinamicii, ţinând seama de caracterul conservativ al energiei, aceasta nu se poate pierde. Mergând şi mai departe cu raţionamentul, cauzele şi localizarea în instalaţii a pierderilor de energie, stabilite numai pe baza primului principiu al termodinamicii, conduc în general la concluzii care nu corespund realităţii.

Aceste aspecte sunt consecinţele caracterului limitat al principiului întâi al termodinamicii şi nu trebuie să se comită eroarea de a omite că valabilitatea generală a legii conservării energiei se referă în exclusivitate la aspectul cantitativ al proceselor energetice.

În prezent, metoda cea mai utilizată, de analiză şi de calcul al proceselor şi instalaţiilor termice are la bază bilanţul de energie şi randamentul termic, care la rândul lor sunt concepte rezultate din primul principiu al termodinamicii. În consecinţă, analizele şi calculele efectuate în cadrul acestei metode prezintă inconvenientele şi lacunele caracteristice aplicării exclusive a acestei legi.

Obţinerea de concluzii şi rezultate corecte în studiul proceselor şi instalaţiilor termice este condiţionată de analiza completă a acestora, analiză care impune considerarea simultană a :

- cantităţilor de energie care intervin;

- caracteristicilor calitative ale acestor energii;

- condiţiilor de desfăşurare a proceselor.

Analiza cantitativă, care constă în realizarea bilanţului de energie şi determinarea randamentului termic, rezolvă doar aspectele legate de primul principiu al termodinamicii. Concluziile ce privesc perfecţiunea termodinamică nu rezultă decât în subsidiar, unele din aceste concluzii fiind însă alterate şi conduc uşor la interpretări eronate.

Analiza calitativă se bazează pe capacităţile de transformare diferite ale diverselor forme de energie folosite, precum şi pe ireversibilitatea proceselor şi rezolvă aspectele legate de cel de-al doilea principiu al termodinamicii (cauzele şi mărimile pierderilor, eficacitatea proceselor etc.)

Analiza completă şi obţinerea de rezultate corecte în ceea ce priveşte procesele termice, impune prin urmare, aplicarea simultană a ambelor principii ale termodinamicii.

Datorită mai ales a posibilităţilor de utilizare a unor mărimi de calcul intuitive, aplicarea în lucrările tehnice a primului principiu al termodinamicii nu prezintă dificultăţi deosebite, însă aplicarea celui de-al doilea principiu al termodinamicii a fost mult împiedicată de dificutăţi derivate mai ales din caracterul abstract al mărimii de calcul care este, entropia.

Analiza entropică permite studierea completă a proceselor termodinamice. Deşi este cunoscută demult, această metodă nu a capătat totuşi o răspândire prea largă, deoarece trebuie să fie aplicată în paralel cu metoda bilanţurilor de energie. Este totuşi o metodă foarte laborioasă şi poate cel mai important inconvenient al acesteia este că atât analiza în sine, cât şi rezultatele şi concluziile obţinute, prezintă caracterul profund abstract, imprimat de entropie.

Este un fapt cunoscut că metoda de analiză entropicăm de altfel complet pusă la punct şi prezentată sub diferite variante, adaptate unor domenii diferite, a rămas un mijloc de analiză şi de calcul utilizat rareori şi aproape în exclusivitate în domenii restrânse. Folosirea curentă a acestei metode în activitatea tehnică nu s-a generalizat din motivele precizate anterior.

Necesitatea de a dispune de o metodă corectă şi completă de analiză şi de calcul a proceselor termoenergetice, metodă care să îndeplinească condiţiile impuse de necesităţile tehnice (simplă, sigură, corectă, intuitivă) a condus la metoda de analiză exergetică.

În baza noţiunilor şi mărimilor definite anterior, cum ar fi energia liberă şi entalipia liberă, s-au definit conceptele exergie şi anergie.

Avantajele pe care le prezintă aceste mărimi rezultă dinfaptul că ele sunt definite ca o consecinţă a primelor două principii ale termodinamicii. Ca urmare, prin structura lor, aceste mărimi includ şi exprimă atât caracterul conservativ al energiei, cât şi capacitatea de transformare caracteristică fiecărei energii în parte.

Numeroase aspecte legate de procesele termoenergetice se clarifică şi devin mai uşor de înţeles, datorită caracterului intuitiv al exergiei şi mărimii complementare, anergia. În acest mod, însăşi formularea celui de al doilea principiu al termodinamicii, devine mai clară şi mai accesibilă înţelegerii.