POMORSKI FAKULTET BAR TERMODINAMIKA (za BM)

1. POMORSKI FAKULTETBARTERMODINAMIKA(za BM) Prezentacija autorizovanih predavanja Priredio:Prof. dr David PETROVIĆ

2. ZNAČAJ TERMODINAMIKE, VELIČINE STANJA I JEDNAČINE STANJA Termodinamika je dio nauke o toploti. Nauka o toploti proučava pojave koje se odigravaju kada toplota (toplotna energija) prelazi sa jednog tijela na drugo, kada prolazi kroz neko tijelo i uopšte kada se mijenja toplotno stanje tijela. Termodinamika proučava pojave vezane za pretvaranje toplotne energije u druge oblike energije (mehaničku, hemijsku, električnu) i obratno, definiše oblike pretvaranja i uslove pod kojima je moguće to pretvaranje. Za mašinsku tehniku najvažniji je slučaj pretvaranja toplotne energije u mehanički rad i obratno. Taj dio nauke o toploti koji se bavi pretvaranjem toplotne energije u mehaničku i obratno naziva se tehnička termodinamika. Tehnička termodinamika proučava toplotne procese koji se odigravaju u mašinama i daje teoretske osnove za njihovu racionalnu konstrukciju i najveću efikasnost. Toplotna se energija pretvara u mehanički rad pomoću radnog tijela (gas ili para). Radi toga se tehnička termodinamika bavi i proučavanjem svojstava radnih tijela. Pri opisivanju pojava u termodinamici ne polazi se od pojedinačnog ponašanja najsitnijih čestica koje sačinjavaju tijelo (atomi i molekuli), nego iz ukupnog rezultata njihovog ponašanja, tj. predmet posmatranja su makroskopski sistemi sastavljeni od velikog broja elementarnih čestica,kod kojih ima smisla govoriti o nekim statističkim srednjim vrijednostima pojedinih parametara. Tako stanje tijela se određuje pritiskom (p) koji se javlja kao ukupni rezultat udaranja molekula o stijenke posude, temperaturom (T), koja je proporcionalna kinetičkoj energiji kretanja molekula i specifičnom zapreminom (v), koja zavisi od pritiska i temperature. Navedene 3 veličine karakterišu toplotno stanje tijela i nazivamo ih veličinom stanja. Navedene osnovne veličine (temperatura, pritisak i zapremina) mogu se odrediti mjerenjem ili izračunati na osnovu ostalih, neposredno mjerenih veličina. S obzirom na to da između navedene 3 veličine ostoji jednoznačna veza, možemo pisati da je: Ako su nam poznate funkcije f1, f2, f3, možemo iz bilo koje dvije zadane veličine stanja izračunati treću.

3. Pritisak Pritisak je sila kojom neko tijelo djeluje na jedinicu površine. Iz kinetičke teorije gasova poznato je da je pritisak stvoren gasom rezultat udaranja molekula o stijenke pri njihovom haotičnom kretanju. Pritisak se mjeri u paskalima (Pa). Pošto je to veoma mala jedinica, koristi se megapaskal (MPa). Često se za pritisak upotrebljava i mjerna jedinica bar, koja približno odgovara nekadašnjoj mjernoj jedinici atmosfera (at). Iako bar nije predviđen u Međunarodnom sistemu mjernih jedinica (SI), Zakon o mjernim jedinicama i mjerilima dozvoljava njegovu upotrebu. ili Pritisak može biti izražen kao apsolutni ili relativni. Relativni pritisak je razlika između apsolutnog (stvarnog) pritiska u posudi i barometarskog pritiska okoline, pa se ta razlika pojavljuje kao natpritisak ili potpritisak. U formulama termodinamike računa se s apsolutnim pritiskom, jer je on veličina stanja gasova. Pritisak okoline mjerimo barometrom, i on je apsolutni atmosferski pritisak (barometarsko stanje). Ako je apsolutni pritisak u nekoj posudi veći od barometarskog, imamo natpritisak, pa je: gdje je: pa – apsolutni pritisak pb – barometarski pritisak pn – natpritisak Ako je apsolutni pritisak u nekoj posudi manji od barometarskog, imamo potpritisak. gdje je: pv – potpritisak.

4. Temperatura Natpritisak (pn) se mjeri manometrom pa se zato često naziva i manometarski pritisak. Manometri mogu biti izvedeni od cijevi u obliku slova ’’U’’, ispunjeni živom, vodom i drugim tečnostima ili mehanički, a u novije vrijeme i električki. Instrumenti za mjerenje potpritiska se nazivaju vakuummetri. Potpritisak (vakuum) se izražava i u postocima atmosferskog pritiska: Ako bi apsolutni pritisak bio jednak nuli, imali bismo vakuum 100%, a kada je apsolutni pritisak jednak barometarskom tada nema potpritiska ni natpritiska ( ). Pod temperaturom podrazumjevamo mjeru srednje kinetičke energije translatornog kretanja neodređenog broja molekula. Ona je vanjska, makroskopska manifestacija unutrašnjeg toplotnog stanja. Tijela mogu biti više ili manje topla, dakle postoje različita toplotna stanja. Ako dva tijela različitog toplotnog stanja (različite temperature) dovedemo u dodir, nastupiće toplotna ravnoteža. Tijela koja su u toplotnoj ravnoteži imaju istu temperaturu. Promjena temperature tjelima utiče na promjenu njihovih dimenzija, električne vodljivosti, uzrokuje promjenu agregatnog stanja i promjenu drugih fizikalnih osobina. Razlika temperature između dva različita zavarena metala uzrokuje nastanak električnog napona (termoelement). Navedene promjene u tijelima koriste se za mjerenje temperature i u sistemima regulacije (automatike).

5. Termometri mogu biti: tečni punjeni živom ili alkoholom, gasni punjeni helijumom ili vodonikom, zatim termometri koji koriste promjenu električnog otpora, pa termoelementi, te, za naročito visoke temperature pirometri. Jedinice za mjerenje temperature su stepen Celzija, označava se °C i stepen Kelvina, oznaka K. Celzijeva temperaturna skala se naziva i relativna temperatura, a Kelvinova skala apsolutna ilitermodinamička temperatura. Uobičajeno je da se označava sa K (umjesto °K) radi jednostavnosti. Celzijeva temperaturna skala je podjeljena tako da je talištu vodenog leda pripisana relativna temperatura 0°C, a vrelištu vode 100°C, pri normalnom vazdušnom pritisku. Apsolutna temperatura isključuje zavisnost od bilo koje materije ili veličine. Po veličini podioka skale 1°C = 1K. Temeljna tačka 0K (koja se naziva apsolutna nula) jednaka je za sve materije. Nula K je stanje ‘’toplotne smrti’’, što znači stanje u kojem prestaje svako kretanje molekula, bez obzira o kojoj se materiji radi i pod kojim se pritiskom tvar pre ohlađenja nalazila. Niža temperatura od apsolutne nule (T =0K ili t = 273,15 °C) ne postoji, a njoj se u praksi možemo samo približiti, ali je nikada ne možemo postići. Odnos između apsolutne i relativne temperature je (slika 1.1): gdje je: T – apsolutna temperatura [K] t – relativna temperatura [°C] Sl. 1.1 – Uporedba apsolutne i relativne temperature

6. Specifična zapremina Specifična zapremina je zapremina jedinice mase, a ima smisla ako je tijelo homogeno. Takvi su gasovi i pare. Cjelokupna zapremina tijela je: V – ukupna zapremina tijela [m3] v – specifična zapremina tijela [] m – masa tijela [kg] Specifična zapremina je jednaka recipročnoj vrijednosti gustoće Gasovi i pare se koriste kao radna tijela u toplotnim i ostalim mašinama. Molekule unutar svakog tijela se nalaze u stalnom kretanju, a osiim toga između molekula djeluju privlačne sile. Te privlačne sile u gasova su vrlo male, pa su molekuli vrlo udaljeni jedan od drugog, radi čega gasovi teže da zauzmu što je moguće veći prostor i lako mjenjaju svoj oblik i volumen. Zavisno od veličine privlačnih sila između molekula, gasovi su više ili manje gusti. Gasovi u kojih dejstvo međumolekularnih sila teži ka nuli a čiji su molekuli materijalne tačke, nazivamo idealnim gasovima. Idealnih gasova, u stvari, nema, a uvedeni su radi pojednostavljivanja teorije. Većina realnih gasova primjenjenih u tehnici posjeduju svojstva za koja se može reći da se približavaju svojstvima idealnog gasa. Realni gasovi su bliži idealnom što su razređeniji i zagrijaniji, tj. što im je manji pritisak i što im je viša temperatura. Ukratko rečeno, radno gasovito tijelo biće po svojim osobinama bliže idealnom gasu ukoliko je ono dalje od tečnog agregatnog stanja, tj. ako je dalje od tačke kondenzovanja. Ako je vodena para dovoljno pregrijana (400-600°C), a da se pri tom ne nalazi pod visokim pritiskom, imaće svojstva gasova koji se približavaju svojstvima idealnog gasa. Gej Lisak je eksperimentalno odredio zavisnost između zapremine i apsolutne temperature pri konstantnom pritisku.

7. Bojl i Mariot su vršili eksperimente tako da su mjenjali pritisak i volumen gasu, a pri tome su održavali konstantnu temperaturu. Pokazalo se da je uvijek odnos konstantan, pa je ta konstanta obilježena saR [] i nazvana gasna konstanta. pa je osnovna jednačina stanja idealnog gasa: p · v = RT Za m kilograma gasa jednačina glasi: p · V = mRT gdje je: V – zapremina gasa [m3] m – masa gasa [kg] Potrebno je naglasiti da jednačina stanja gasova vrijedi samo za idealne gasove. Za realne gasove koji nisu pod velikim pritiscima odstupanja su mala, pa se mogu i zanemariti, dok se za realne gasove pod velikim pritiscima navedena jednačina ne može primjeniti. Ako hoćemo tačne račune za realne gasove velikih pritisaka, moramo se poslužiti posebnim tabelama i dijagramima radi određivanja korekcionih faktora koje koristimo u jednačni stanja. Za M kmol idealnog gasa odgovarajuća jednačina stanja će biti: pv = RT / M pMv = MRT pMv = RmT Rm = MR = 8314 [] odnosno: R = = []

8. ENERGIJA I ZAKON O ODRŽANJU ENERGIJE ENERGIJA Ako je neko tijelo sposobno da pod određenim okolnostima izvrši rad, ono raspolaže energijom. Energija je uvijek povezana sa materijom, javljajući se kao mjera njenog kretanja. Različitim oblicima kretanja materije odgovaraju različiti oblici energije: mehanička, toplotna, električna, zvučna, nuklearna i dr. Ukupna energija tijela se sastoji od unutrašnje i spoljašnje energije. Energija kretanja spoljašnjih vidljivih tijela (makrotijela) naziva se mehanička energija. Toplota je tadođe jedan od oblika energije. Prema molekularno-kinetičkoj teoriji molekuli unutar tijela ne miruju već se nalaze u neprekidnom kretanju. Među molekulima postoje i privlačne sile, ali su one u gasovima veoma male jer su molekuli udaljeni jedan od drugog. Spoljni odraz kretanja molekula i atoma jeste temperatura. Što je to unutrašnje kretanje intenzivnije, temperatura je viša. To unutrašnje kretanje molekula i atoma u tijelu ispoljava se u obliku toplotne energije, a zovemo je unutrašnja toplotna energija. Neki oblici energije obično se dijele u dvije osnovne grupe: potencijalnu i kunetičku. Potencijalna energija se ispoljava u mogućnosti tijela da se kreću, tj. da pod određenim uslovima mogu da izvrše rad (gasovi u spremniku pod određenim pritiskom, hemijska energija goriva i sl.). Predmet podignut na određenu visinu posjeduje potencijalnu energiju. Kinetička energija se ispoljava u samom kretanju tijela, odnosno njegovih sićušnih čestica: molekuli gasa pri strujanju, tečnost kada teče i dr. Prema tome, potencijalna energija ima osobinu da se pretvara u kinetičku. Znači mogućnost za kretanje pretvorila se u samo kretanje. Prema Zakonu o održanju energije, koji je zapravo aksiom, energija se ne može ni proizvesti ni uništiti, već je moguće samo pretvaranje jednog oblika u drugi. U jednom izolovanom sistemu je zbir svih energija konstantan:

9. Mjerenjima je utvrđeno da se umjesto iščezle energije jednog oblika uvijek javljaju potpuno određene količine drugih oblika. Za izolovani sistem je ukupna promjena energije jednaka nuli, tj. koliko je određenog oblika manje u tom sistemu, toliko će biti više drugih oblika: ΔE1 + ΔE2 + ... + ΔEn = ΔEi = 0 Unutrašnja energija je zbir svih energija unutar pojedinih tijela. U unutrašnjosti pojedinih molekula nekih tijela sadržana je velika količina hemijske (unutrašnje) energije. Kada nastanu hemijske reakcije, oslobađa se ili veže jedan dio te energije pri čemu se stvaraju novi molekuli. Posebno je velika energija sadržana u jezgrima atoma, koja se oslobađa pri nuklearnim reakcijama i naziva se nuklearna (unurašnja) energija. U tehničkoj termodinamici pod unutrašnjom energijom podrazumjevamo kinetičku energiju toplotnog kretanja molekula i potencijalnu energiju njihovog međusobnog privlačenja, a zovemo je toplotnom (unutrašnjom) energijom. Od navedenih vrsta unutrašnjih energija u termodinamici ćemo razmatrati toplotnu unutrašnju energiju koja je, u stvari, određena kinetičkom energijom translatornog kretanja molekula, obrtnog kretanja molekula i titrajnog kretanja atoma unutar molekula, pošto su privlačne sile između molekula idealnog gasa zanemarljive. Iz kinetičke teorije gasova poznato je da navedena kretanja molekula i atoma zavise samo od temperature, pa je na osnovu toga unutrašnja toplotna energija idealnog gasa: Količinu unutrašnje energije možemo mjenjati na razne načine, npr. dovođenjem toplote spolja, ali i mehanički rad možemo kompresijom gasa ili trenjem pretvoriti u unutrašnju energiju. Onaj dio unutrašnje energije koji prelazi pod pritiskom razlike temperatura sa jednog tijela na drugo nazivamo toplotom.

10. Unutrašnja energija određuje energiju koja je sadržana u tijelu određenog stanja, pa je zato funkcija stanja, tj. unutrašnja energija je veličina stanja kao što je to pritisak ili temperatura. Toplota nije funkcija stanja ona je funkcija procesa. Dogovorom je određeno da predznaci za toplotu i mehanički rad budu kako prikazuje slika 2.1. Ako se toplota dovodi i rad odvodi sa tijela, označavamo ih pozitivno, a ako se toplota oduzima iz tijela i dovodi mehanički rad, označavamo ih negativno (-). Da bismo različita tijela zagrijali do određene temperature, moramo im dovesti različite količine toplote. Količina toplote zavisi od mase tijela i vrste materijala. To se izražava specifičnom toplotom. Označavamo je sa c. Specifična toplota je ona količina toplote koju treba dovesti jedinici mase nekog tijela da mu se temperatura poveća za 1°C (1K). Razlikujemo više specifičnih toplota gasova, što zavisi od načina promjene stanja gasa, a najvažnije su dvije i to: 1) Specifična toplota pri v = konst. Sl. 2.1 – Predznaci za toplotu i rad Sl. 2.2

11. 2) Specifična toplota pri p = konst. Poznati su i važeći sledeći odnosi: za 1-atomne gasove za 2-atomne gasove (većina) za 3-atomne i višeatomne gasove. Sl. 2.3

12. PRVI I DRUGI ZAKON TERMODINAMIKE Već je napomenuto da su unutrašnja energija može vrlo jednostavno povećati ako se nekom gasu dovede toplota. Po zakonu o održanju energije dovedena toplota se u ovom slučaju utrošila djelimično na promjenu unutrašnje energije gasa a djelimično za vršenje rada Ovako izrečen i napisan zakon o održanju energije u termodinamici naziva se I glavni zakon termodinamike, a glasi: dovedena toplota radnom tijelu troši se djelimično za povećanje unutrašnje energije, a djelimično za vršenje mehaničkog rada. Mnogi oblici energije mogu se potpuno pretvoriti u toplotu bez posebnih poteškoća, na primjer električnu kroz omski otpornik, mehaničku trenjem i dr. Međutim, pretvaranje toplote u mehanički rad (i druge oblike energije) vrlo je složen problem. Prvi zakon termodinamike govori da je energija toplota i da se može pretvoriti u rad, ali se ne upušta u uslove pretvaranja toplote u rad. Te ulove definiše II zakon termodinamike i on je zapravo dopuna I glavnog zakona. II glavni zakon se definiše na nekoliko načina: • Toplota ne može sama od sebe preći sa tijela niže temperature na tijelo više temperature • Nije moguće sagraditi mašinu sa periodičnim dejstvom koja ne bi ništa drugo proizvodila do dizanja nekog tereta uz primjereno ohlađivanje jednog toplotnog spremnika • Nemoguće je ostvariti perpetuum mobile druge vrste Količina toplote se tako određuje kao:

13. KARAKTERISTIČNE PROMJENE STANJA IDEALNIH GASOVA Pri tehničkim procesima kojima je svrha proizvesti mehanički rad važno je da se odrede veličine stanja, u prvom redu p, T i v. To je izračunavanje potrebno za konstruktivne svrhe. Pored toga, posebno nas zanima koje su količine toplote potrebne da bismo dobili određeni mehanički rad u toplotnim procesima. 1) PROMJENA STANJA PRI(IZOHORA) Ako gasu u posudi s v = konst. dovodimo toplotu, prema I zakonu Termodinamike je , a kako jene postoji vršenje rada, pa je Cjelokupna dovedena toplota pri izohori ide na povećanje unutrašnje energije. Odnos promjena pritiska i temperature dobijamo iz jednačine stanja: Znači, pritisci i temperature pri izohori odnose se upravo proporcionalno. Sl. 4.1 – Promjena stanja pri v=konst.

14. 2) PROMJENA STANJA PRI(IZOBARA) Prema I glavnom zakonu dovedena toplota je: ili Odnosi volumena i temperature se dobiju iz i Znači da većem volumenu odgovara viša temperatura. Ako se toplota dovodi gasu (sl.4.2), raste mu temperatura i volumen, a rad je pozitivan (dobijen). Kad bi promjena stanja tekla od tačke 2 prema 1, morali bismo odvoditi istu količinu toplote (hladiti) i dovesti isti rad w (izvršiti kompresiju i na taj način utrošiti rad w pri p=konst.). Sl. 4.2– Promjena stanja pri p=konst.

15. 3) PROMJENA STANJA PRI(IZOTERMA) Ova promjena stanja je moguća pri polaganom širenju ili kompresiji gasa u nekom cilindru koji nije izolovan. Gasu se dovodi toliko toplote pri ekspanziji ili odvodi pri kompresiji da mu temperatura ostane konstantna. Jednačina izoterme glasi p·v=konst. U p-v dijagramu predstavlja istokraku hiperbolu. Za izotermsku promjenu je prema tome: ili (jer je ) Sl. 4.3– Izotermski proces

16. 4) PROMJENA STANJA PRI dq=0 (IZENTROPA ILI POVRATNA ADIJABATA) Povratna adijabata ili izentropa se naziva promjena stanja pri kojem nema izmjene toplote između gasa kojem se mjenja stanje i okolina te ne postoji trenje. Pri ovome je q=0, a može da postoji kada je cilindar mašine potpuno izolovan ili kada se promjena odvija tako brzo da se ne mogu izmjeniti primjetne količine toplote. Prema prvom glavnom zakonu je: ,a Pri izentropskoj ekspanziji rad se obavlja isključivo na račun unutrašnje energije radnog tijela. Zato izentropska ekspanzija uzrokuje hlađenje medija. Jednačina izentrope za p-v koordinatni sistem glasi Vrijednosti za k su date ranije. Pri izentropskom procesu mjenjaju se sve tri veličine stanja(p, v, T). Iz jednačine adijabate slijedi: Odakle je Sl. 4.4– Izentropski proces

17. 5) PROMJENA STANJA PO POLITROPI U pv dijagramu politropa je predstavljena krivom čija jednačina glasi: pri Eksponent politrope n određuje se formulom ili ako nam je poznat eksponent n, možemo izračunati specifičnu toplotu politrope cn Sl. 4.5– Politropska promjena stanja

18. KRUŽNI CIKLUSI; POVRATNI I NEPOVRATNI PROCESI 1) KRUŽNI CIKLUSI Namjena toplotne mašine je pretvaranje toplotne energije u mehanički rad. Samo pomoću jednog od ranije opisanih procesa to nije moguće. Da bismo mogli dobiti rad u nekoj mašini, radno tijelo (gas) treba da ekspandira. Sama ekspanzija pri tome može teći po bilo kojoj promjeni stanja, osim izohore, kod koje se ne vrši rad. Ako želimo trajno vršenje rada, moramo gas dovesti u početno stanje. Taj obratni proces se naziva kompresija, a utrošeni rad po apsolutnoj vrijednosti mora biti manji od rada ekspanzije da bi rad ciklusa bio pozitivan. Ako se proces odvija u smislu kazaljke na satu, onako kako je prikazano na slici, rad ciklusa je pozitivan i naziva se desnokretni. Desnokretni kružni procesi se odvijaju u toplotnim mašinama, a lijevokretni ili obrnuti procesi u rashladnim mašinama. U zatvorenom kružnom ciklusu unutrašnja energija na kraju procesa ima istu vrijednost kao i na početku. Sl. 5.1– Kružni ciklus

19. Karnoov kružni ciklus se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate. Da bi se ostvario, potrebno je imati ogrevni spremnik koji predaje potrebnu količinu toplote radnom tijelu kada se izotermno širi od tačke 1 do 2 (sl. 5.2) i rashladni spremnik koji prima odgovarajuću količinu toplote od radne materije kada se ona izotermno sabija. Termički stepen djelovanja Karnoovog kružnog ciklusa je: Sl. 5.2– Karnoov kružni ciklus

20. 2) POVRATNI I NEPOVRATNI PROCESI Povratni proces se odvija u oba smjera pri čemu pri povratku u suprotnom smjeru mora da se vrati u početno stanje, a da ne dođe ni do kakavih promjena u okolnim tijelima. Svaki je mehanički proces povratni (reverzibilan) ako se pretpostavi da se odvija bez trenja (sl. 5.3 i 5.4). I u nauci o toploti postoje povratni i nepovratni procesi. Svi procesi promjene stanja (izentropa, izoterma, izohora, izobara i politropa) mogu biti povratni pod određenim uslovima. Na primjer, izentropska promjena stanja (ekspanzija i kompresija) je povratna ako je kretanje klipa koji radi u izolovanom cilindru bez trenja. Ili izotermna promjena stanja zahtjeva da se radnom mediju dovodi ili odvodi toplota. Ona može biti povratna samo onda ako se temperatura gasa razlikuje za neznatnu temperaturu dT od temperature toplotnog spremnika da bi prilikom ekspanzije toplota prelazila na gas, a pri kompresiji obratno. Iz te formule možemo zaključiti sledeće: -Termički stepen djelovanja povratnog Karnoovog ciklusa zavisi samo od temperature ogrijevnog spremnika T1 i rashladnog spremnika T0. Raste sa povećanjem T1 i smanjivanjem T0. Sl. 5.3– Povratno kotrljanje apsolutno elastične kugle Sl. 5.4– Povratno oscilovanje klatna

21. -η1Karnoovog ciklusa ni u kom slučaju ne može dostići vrijednost 1 pošto je za to potrebno da budeili što je nemoguće. Iz ovoga proizilazi da predana toplota Q1 ne može nikada da se sva pretvori u rad već se znatan dio predaje rashladnom spremniku (II glavni zakon). -Pošto u formuli nema veličina koje određuju svojstva gasa, ηt ne zavisi od vrste radnog medija. -Temperatura T0 je obično temperatura okoline koja se neznatno mjenja, pa zato ηt Karnoovog ciklusa zavisi samo od temperature T1 ogrijevnog spremnika (izuzetak je za mlazne motore, gdje T0 može dostići i vrijednost ispod 273 K). Povratni procesi u stvarnosti ne postoje. Trenje će se pojavljivati pri svakom procesu, a za prelaz toplote biće potrebne uvijek konačne temperature. Povratni procesi su samo granični slučajevi (idealni procesi) kojima uvijek težimo, ali se nikada ne mogu postići. Tipični nepovratni procesi su trenje, prigušivanje i mješanje gasova. Ovi procesi se ne mogu izvesti obrnutim smjerom. Rad se trenjem pretvara u toplotu. Ta toplota se ne može ponovo vratiti da proizvede isti rad. Pri prigušivanju koje nastaje naglim suženjem presjeka strujanja gasa jedan dio energije se pretvara u toplotu, pritisak opada, a ne vrši se nikakav koristan rad. Mješanje gasova je takođe nepovratan proces, jer se gasovi izmješaju sami od sebe, ali se neće nikada sami od sebe razdvojiti.

22. VODENA PARA; ISPARAVANJE, VLAŽNA PARA, PREGRIJANA PARA U praktičnoj upotrebi, pored gasova (više ili manje bliskih idealnim gasovima), nalaze se i materije koje se pojavljuju u kružnom ciklusu u dva agregatna stanja. Ovakve materije imaju osobinu da lako prelaze iz gasovitog stanja u tečno i zovemo ih parama. Parom, dakle, zovemo one gasove koji se nalaze blizu stanja u kojem kondenzuju. Tehnički vlažne pare su vodena para koja služi kao radna materija u parnim toplotnim mašinama, zatim pare ugljendioksida, amonijaka, freona i dr. kao radne materije u rashladnim mašinama. 1) ISPARAVANJE Isparavanje je fizikalni proces pri kojem, uz dovođenje toplote, mjenjamo tečno agregatno stanje u gasovito (parno). Obrnuti proces od isparavanja je kondenzacija. Para se u kotlu (u parno-turbinskom postrojenju) proizvodi izobarno. Prilikom dovođenja toplote moguće je očitavanje temperature i promjena zapremine. Zapažamo da se u početku zapremina neznatno povećava, a temperatura osjetno raste (sl. 6.1 od a do b). To stanje traje sve dok temperatura ne postigne vrijednost temperature zasićenja, odnosno ključanja. Tada prestaje porast temperature. Počinju se stvarati mjehurići pare koji se dižu i uzburkavaju vodu. Vodena para ima mnogo veću zapreminu od vode, pa se zato zapremina u cilindru naglo povećava, a temperatura ostaje ista (na sl. 6.1 od b do d). U trenutku kada je poslednja kapljica vode isparila (položaj d), imamo stanje suvo zasićene pare koja još ima temperaturu ključanja. Ako i dalje dovodimo toplotu, počinje temperatura ponovo rasti, a i zapremina se povećava (d-e na sl. 6.1), pa od tačke d dalje dobijamo pregrijanu paru. Sl. 6.1– Proces isparavanja u t-v dijagramu

23. Sl. 6.2–T-s dijagram za vodenu paru 2) VLAŽNA PARA Vlažna para je smjesa ključale vode i suvo zasićene pare. Zato veličine vlažne pare zavise od stepena suvoće x, koji predstavlja odnos masa tečnosti i suve pare u 1 kg vlažne pare. Na primjer, ako je x=0,75 , to znači da u 1 kg vlažne pare imamo 0,75 kg suvo zasićene pare, a ostatak od (1-x)=0,25 kg količinu neisparene vode. Specifični volumen vlažne pare iznosi: Da bismo 1 kg vrele vode pri temperaturi ključanja Ts pretvorili pri konstantnom pritisku u suvo zasićenu paru, potrebna je toplota isparavanja koju označavamo sa r. Iz dijagrama T-s (sl. 6.2) vidimo da je , odnosno Jednačina predstavlja prvi glavni zakon primjenjen na isparavanje. Toplota isparavanja r se troši na povećanje unutrašnje energije i vršenje rada pri konstantnom pritisku radi povećanja volumena pri isparavanju. ρ se naziva i unutrašnja ili latentna toplota, a ψ spoljna toplota isparavanja. Entalpija vlažne pare u nekoj tački A je: a unutrašnja energija i entropija

24. 3) PREGRIJANA VODENA PARA Pregrijanom parom nazivamo onu paru koja ma višu temperaturu od temperature zasićenja na odgovarajućem pritisku isparavanja. To znači ako se suvo zasićena para pri istom pritisku grije, ona prelazi u stanje pregrijane pare. Na slici 6.2 od tačke 2 do 3 je prikazan proces pregrijanja pri stalnom pritisku p. Temperatura je porasla od T2 do T3, a porastao je i specifični volumen. Ukupna dovedena toplota za proizvodnju 1 kg pregrijane pare prema toj slici je gdje je: qk -toplota zagrijavanja vode do Ts u parnom kotlu, qp -toplota dovedena u pregrijaču pare. U T-s dijagramu su toplote prikazane površinama. Za neke proračune u termodinamici mnogo je prikladnije da se toplote (entalpije) prikažu dužinama. To je sprovedeno u Molierovom i-s dijagramu nazvanom po autoru (sl. 6.3). Za preciznija određivanja veličina stanja vode i vodene pare, koriste se posebne tablice. Postoje dvije vrste tablica: tablice za vlažnu (zasićenu) paru i tablice za vodu i pregrijanu vodenu paru. Dijagram i-s ima veliku praktičnu primjenu, jer se koristi u svim proračunima i razmatranjima promjena stanja vodene pare. Sl. 6.3–i-s dijagram za vodenu paru

25. KRUŽNI CIKLUSI PARNIH POSTROJENJA Razmotrićemo kružni ciklus parnog turbinskog postrojenja karakteristične izvedbe na nekim ratnim i trgovačkim brodovima. Parna turbina radi na pregrijanu paru, jer ima bolji termički stepen djelovanja u odnosu na vlažnu paru koja još i štetno utiče na lopatice turbine. Proces ovog postrojenja prikazan je u T-s i p-v dijagramu, a i šematski (slika 7.1). Proces 1-2 (sl. 7.1) je izentropska ekspanzija u turbini, 2-3 izobarno-izotermsko odvođenje toplote u kondenzatoru (kondenzacija), 3-4 povećanje pritiska napojnoj vodi u pumpi do pritiska u kotlu i 4-5-6-1 dovođenje toplote u parnom kotlu (4-5 zagrijavanje vode do tačke ključanja, 5-6 izobarno-izotermski proces isparavanja i 6-1 pregrijavanja pare u pregrijaču). Sl. 7.1–Kružni ciklus parnog postrojenja u T-s i p-v dijagramu

26. Sl. 7.2–Kružni ciklus parnog postrojenja u p-v dijagramu Obzirom da se sva toplota iz goriva u ložištu parnih kotlova sagorijevanjem ne prenosi na vodu i paru, već se znatan dio gubi, može se odrediti odnos između predate toplote na vodu i paru prema ukupnoj toploti dovedenoj u ložište parnog kotla, a taj odnos se naziva STEPEN KORISNOSTI parnog kotla. Tako je: pa je gdje su: - količina proizvedene pare (potrošnja pare, proizvodnost kotla) - entalpija pare, odnosno napojne vode – potrošnja goriva toplotne moći Stepen korisnosti parnih kotlova kreće se od 0,70÷0,93, što znači da se gubici toplote u kotlovskom postrojenju kreću od 7÷30 %, a čine ih: • Gubici usled hemijske nepotpunosti sagorijevanja (gubici u nesagorivim ostacima), od 0,5÷9 %; • Gubici usled čađi (zbog zaprljanosti kotla čađu) od 0,5÷1,5%; • Gubici u izlaznim gasovima – produktima sagorijevanja, od 8÷14 %; • Gubici usled spoljnog hlađenja, od 1÷2,5 %; • Gubici toplote isijavanjem, od 4÷8 %; • Gubici toplote u letećem pepelu goriva, od 0,5÷3 %; • Gubici toplote zbog naslaga kamenca, od 1÷4 %.

27. Kada je u pitanju energetski tretman turbinskog postrojenja, uzimaju se u obzir tokovi pare pred ulazom u turbinu, ekspanzija u samoj turbini, pa dalji tokovi u kondenzatoru, sve do povratka kondenzata u parni kotao. Naime, turbini se dovodi pare određenog stanja p, i, t, pa ona ekspandira u turbini do nižeg pritiska i temperature, nakon čega se na tom pritisku kondenzuje u kondenzatoru do stanja vlažne pare, te se, pomoću kondenzacione pumpe vodi u spremnik kondenzata, odnosno napojne vode, koja se odatle, pomoću napojne pumpe vraća u parni kotao (v. slike 7.1 i 7.2). Termički stepen korisnosti ovog idealnog ciklusa predstavlja odnos između teoretske korisne proizvedene energije i energije koja je predata pari još u parnom kotlu: Međutim, u stvarnosti dolazi, u toku ekspanzije u turbini, do gubitaka zbog prigušivanja pare na ulaznim i regulacionim djelovima turbine, zatim usled trenja, sudara čestica, skretanja i vrtloženja u međulopatičnim prostorima, prostrujavanja pare kroz raspore među stepenima, te usled trenja rotora i odvijanja ventilacija. Zbog svega toga se gubi dio raspoloživog toplotnog pada, pa je u stvarnom ciklusu aktuelan adijabatski stvarni proces (a ne idealni – izentropski). Upravo odnos tog iskorištenog stvarnog toplotnog pada (h0) i raspoloživog (h0i) daje UNUTARNJI ili INDICIRANI STEPEN KORISNOSTI parne turbine (ηi): gdje su: U detaljnoj energetskoj analizi kompletnog energetskog postrojenja (PK i PT) valja uzeti u obzir i tretman i druge stepene korisnosti, pri čemu se ukupni-totalni stepen korisnosti računa kao proizvod svih stepena korisnosti. Tako je efektivni stepen djelovanja napr. kod brodskih motora jednak:

28. STRUJANJE GASOVA I PARA; ENERGETIKA STRUJANJA; MLAZNICE Sl. 8.1–Strujanje u cijevi promjenljivog presjeka Pod strujanjem se podrazumjeva kretanje gasova i para u cijevima, kanalima i mlaznicama. Sva razmatranja će se odnositi na takozvano stacionarno strujanje. Pri stacionarnom strujanju je brzina na bilo kom mjestu nepromjenljiva, u zavisnosti od vremena, a količina proticanja je takođe stalna. Pri nestacionarnom strujanju brzina se neprestano mijenja, pa su i razmatranja vrlo složena. Ako kroz kanal promjenljivog presjeka protiče neki gas ili para mase , tada kroz sve presjeke mora proći ista količina materije (sl. 8.1). Kako je gdje je: Ili Ta jednačina zove se jednačina kontinuiteta i iz nje se vidi da u istoj jedinici vremena kroz sve presjeke kanala protiče jednaka količina materije (m).

29. Ukupna energija 1 kg nekog fluida (gas ili para) koji struji dobije se ako se zbroje unutrašnja, kinetička i potencijalna energija. Potencijalnu energiju u ovom slučaju sačinjavaju energija položaja i energija pritiska. Brzina isticanja idealnih gasova se računa kao: A ako je riječ o isticanju pare iz turbine (gdje je p2<<p1 pa je p2/p1=0), tada je: Mlaznici su konstruktivni elementi toplotnih turbina i mlaznih i raketnih motora u kojima se toplotno-potencijalna energija pare ili gasova pretvara u kinetičku. Nastoji se da duž mlaznika bude ravnomjeran porast brzine. Da bi se što potpunije pretvorila toplotno-potencijalna energija 1 kg gasa u kinetičku, mlaznik mora imati odgovarajući presjek i profil. Iz jednačine kontinuiteta imamo: Ako je odnos, a to je kada je p2=0, tada dobijamo maksimalnu izlaznu brzinu c2max , tj. Iz te jednačine se vidi da za idealne gasove maksimalna brzina isticanja zavisi samo od početne temperature. Izlazni pritisak može težiti 0 samo u kosmosu, pa radi toga i zbog nepostojanja otpora, rakete u kosmosu mogu postizati velike brzine uz relativno mali utrošak goriva.

30. Za brzine isticanja koje su manje od brzine zvuka rade se konvergentni mlaznici (slika 8.2-a), a za brzine isticanja veće od brzine zvuka – konvergentno-divergentni (sl. 8.2-b). Sl. 8.2–Mlaznicia) konvergentne mlazniceb) oblik Lavalove mlaznice

31. PARNO – KOTLOVSKA POSTROJENJA (pojam i namjena, osnovne karakteristike parnih kotlova) Parni kotlovi su izmjenjivači toplote kojima je zadatak da toplotu sadržanu u produktima sagorijevanja iskoriste za proizvodnju pare. Prema propisima, parni i vrelovodni kotlovi spadaju u posebnu grupu sudova pod pritiskom, pa je njihova novoizrada, montaža, pogon i nadzor propisana zakonom. Na osnovu toga data je i definicija ovih sudova: • parni kotao smatra se svaki zatvoreni sud u kome se razvija vodena para pritiska većeg od atmosferskog • vrelovodnim kotlom smatra se kotao u kojem je temperatura vode preko 110°C. U kotlu proizvedena para služi za rad u parnim mašinama, za pogon broda ili za pogon pomoćnih mašina i ostale potrebe na brodu. U novije vrijeme umjesto naziva ‘’parni kotlovi’’ sve češće se sreće naziv ‘’generatori pare’’. Kotlovno postrojenje se sastoji od kotla i pomoćnih uređaja potrebnih za njegov rad. Osnovne elemente brodskog kotlovnog postrojenja prikazuje slika 9.1 Sl. 9.1–Shema brodskog kotlovskog postrojenja

32. Kotao je osnovni dio postrojenja u kojem se proizvodi para. Sastoji se od parne komore 1, vodenih komora 11 i 7 te snopova vodenih cijevi 2, 4, i 12 koji spajaju parnu i vodene komore. Voda u cijevima prirodno cirkuliše usled zagrijavanja, i to se cijevima uz ložište diže, a u stražnjim cijevima spušta iz parne u vodenu komoru. Ložište kotla 9 je prostor gdje sagorijeva gorivo. Gorivo za brodske kotlove je tekuće (ložulje) i u ložište se uvodi u finom rasprskanom stanju. Pregrijač pare 3 služi da proizvedenu vlažnu paru u parnoj komori osuši a zatim pregrije do određene temperature. Temperatura pregrijane pare u brodskih postrojenja najčešće se kreće u granicama od 300 do 400°C. Para se pregrijava pri stalnom pritisku. Zagrijač vazduha 15 služi za zagrijavanje vazduha potrebnog za sagorijevanje goriva. Za zagrijavanje vazduha koristi se dio toplote dimnih gasova. Zagrijač napojne vode (ekonomajzer) 13 služi za zagrijavanje napojne vode, a koristi se i dio toplote dimnih gasova. Uređaj za dostavu vazduha i stvaranje promaje obezbjeđuje vazduh za izgaranje goriva i izbacivanje dimnih gasova u dimnjak. Za dostavu vazduha u ložište obično služi pritisni ventilator 17, a za izbacivanje gasova usisni ventilator 16. Napojni sistem se sastoji od cijevi, pumpi i uređaja za hemijsku pripremu i dostavu napojne vode u kotao (regulator za napajanje). Sistem goriva služi za zagrijavanje, dostavu i rasprskavanje goriva u ložište. Sastoji se od pumpe goriva 6, rasprskača 8, čistioca i zagrijača goriva. Armatura parnog kotla.U armaturu kotla spadaju ventili i mjerni instrumenti preko potrebni za pravilan i bezopasan rad kotla. Kotlovnu armaturu dijelimo na sigurnosnu i pogonsku.

33. U sigurnosnu armaturu spadaju:- pokazivači vodostaja- manometri i - ventil sigurnosti. Svaki kotao, prema propisima, mora imati po 2 komada navedene armature. Osnovne veličine svakog parnog kotla su: Produktivnost kotla D [kg/h] je količina pare proizvedena za 1 sat. Produktivnost glavnih brodskih kotlova kreće se od 3 do 30 t/h. Ogrijevna površina kotla H [m2] je površina preko koje se prolazi toplota od gasova na vodu. Specifično opterećenje ogrijevne površine DH [kg/m2h] je količina pare koja se dobija sa 1 m2 ogrevne površine za vrijeme od 1 sata. U savremenih kotlova D/H = 120 [kg/m2h]. Pogonski pritisak (normalni, radni) je pritisak za 5% ispod dopuštenog. Dopušteni pritisak je pritisak najveći pri kojem kotao smije raditi i prema njemu je regulisan sigurnosni ventil. Prema namjeni, kotlove dijelimo na glavne i pomoćne. Glavni kotlovi su oni koji služe za proizvodnju pare za glavne turbine i za pomoćne mehanizme koji obezbjeđuju rad glavnih turbina. Pomoćni kotlovi proizvode paru ili vrelu vodu koja se upotrebljava samo za pomoćne mehanizme koji služe za opšte brodske potrebe (zagrijavanje brodskih prostorija, zagrijavanje nafte, zagrijavanje vode prilikom pripreme motora za pogon, potrebe u kuhinji, sanitarne potrebe i dr.)

34. PARNO-TURBINSKA POSTROJENJA (pojam i namjena, značaj ekspanzije i kompresije, osnovne karakteristike parnih turbina) Toplotne turbine obuhvataju parne i gasne turbine. U parnim turbinama se na račun toplotne energije radnog medija – pare, dobija meanička energija. U turbinama se obrtanje vratila proizvodi neposredno, za razliku od klipnih motora gdje se pravolinijsko kretanje klipa pretvara u kružno pomoću mehanizma. U turbinama je i predavanje energije radnog fluida rotoru kontinuirano, tako da i veličina obrtnog momenta ne varira kao u klipnih mašina. Principi rada parnih i gasnih turbina su isti; zato ono što će biti obrađeno u okviru poglavlja o parnim turbinama važi i za gasne turbine. Parna turbina je toplotna mašina koja potencijalno-toplotnu energiju pare pretvara u mehanički rad. Danas su i parnu turbinu djelimično istisnule savremene pogonske mašine, motori sa unutrašnjim sagorjevanjem i gasne turbine, ali za pogon velikih brodova upotrebljavaju se i dalje parne turbine. Ono što je naročito uticalo na primjenu parnih turbina na velikim brodovima jeste to što se mogu ugrađivati za velike snage. U propulziji brodova problem je bio veliki broj obrtaja turbina, jer je broj obrtaja propelera ograničen. Broj obrtaja turbine morao se redukovati. Za to se najčešće upotrebljavaju zupčasti reduktori. Pošto je zupčasti reduktor težak i zauzima dosta prostora, na nekim brodovima se primjenjuju turbogeneratori sa električnim prenosom snage do elektromotora koji okreće propelerskovratilo. U turbini se dvostruko pretvara energija. Najprije se toplotno-potencijalna energija u procesu ekspanzije (u mlazinku) pretvara u kinetičku, a zatim kinetička energija mlaza – u rad obrtanja vratila. Para koja dolazi iz kotla vodi se u mlaznike, gdje ekspandira i njena toplotno-potencijalna energija prelazi u kinetičku. Takvo pretvaranje energije objašnjava se jednačinom za izentropsko strujanje u mlaznicama.

35. Ako zanemarimo brzinu kojom para ulazi u mlaznik, a uzevši u obzir gubitke u mlazniku, njena izlazna brzina iz mlaznika c1 je određena formulom: gdje je: Para brzinom c1 ulazi na radne lopatice, gdje se njen pravac mjenja u zavisnosti od forme lopatica i vrši pritisak na njihovu površinu. Pošto se lopatice pokreću, ta sila pritiska vrši rad. Sklop pomenutih mlaznika i pokretnih radnih lopatica naziva se stepenom turbine. Najprostija turbina ima jedan stepen i primjenjuje se samo za pogon pomoćnih mehanizama. Glavne turbine sastoje se iz više stepeni. Po principu pretvaranja energije u stepenu, turbine se dijele na akcione i reakcione. Akcione turbine su one u kojima para ekspandira samo u nepokretnim kanalima (mlaznicama). U reakcionih turbina para ekspandira ne samo u nepokretnim kanalima već i u kanalima obrazovanih radnim lopaticama. Pri prolazu pare kroz protočni dio turbine postoje različiti gubici. U mlaznicama se oni uzimaju u obzir s koeficijentom brzine . Dobijena kinetička energija pri daljem kretanju pare djelimično se gubi zbog trenja, udara, propuštanja i dr. Izgubljena kinetička energija ponovo se pretvara u entalpiju. Zato se sav raspoloživi pad entalpije h0 koji dolazi na turbinu ne pretvara u kinetičku energiju. Gubici koji utiču na stanje pare u turbini zovu se unutrašnji, a koeficijent koji ih uzima u obzir – unutrašnji koeficijent korisnog djelovanja ηiT.

36. Unutrašnja (indicirana) snaga Ni turbine se određuje na osnovu utroša pare D [kg/h] i pada entalpije hi [kJ/kg]. Unutrašnja se snaga umanjuje radi savladavanja mehaničkih gubitaka i pogona privešenih mehanizama. Zato je efektivna snaga koju daje turbina za pokretanje propelera manja za izgubljenu snagu na mehaničke gubitke Nm , Mehanički koeficijent korisnog djelovanja je Obično iznose ηiT=0,60-0,86, ηeT=0,50-0,85, a efektivni koeficijent cjelokupnog postrojenja (uzimajući u obzir i kotao) ηe=0,21-0,30.

37. PRENOS TOPLOTE: KONDUKCIJA, KONVEKCIJA, ZRAČENJE Pod prenosom toplote podrazumjeva se nepovratni proces izmjene toplote u prostoru uslovljenom razlikom temperatura. Već je ranije rečeno da se toplota prenosi sama od sebe uvijek sa toplijeg na hladnije tijelo. Što je veća temperaturna razlika, prenos toplote je intenzivniji. Prenos toplote možemo razmatrati sa dva aspekta: • Pri konstrukcii izmjenjivača toplote (rashladnici ulja, vode i dr., kondenzatori, grejna tijela, cijevi parnih kotlova, isparivači i dr.) gdje se nastoji da se prenese potrebna količina toplote sa što manjom temperaturnom razlikom; • Pri izolaciji prenosa toplote radi smanjenja gubitaka u rashladnim uređajima ili zaštite uređaja i ljudi od previsokih temperatura. Prenos toplote između dva tijela različitih temperatura može teći na tri načina: provođenjem (kondukcijom), prelazom (konvekcijom) i toplotnim isijavanjem (zračenjem). Pri prenosu toplote najčešće su zastupljena sva tri načina. 1) PROVOĐENJE TOPLOTE (KONDUKCIJA) Provođenjem toplota prelazi sa jedne strane kroz tijelo na drugu stranu tijela debljine δ, a pri temperaturnoj razlici (t1-t2) (sl. 11.1). Kroz stijenku će prolaziti toplota prema Furijeovom zakonu. Gdje je Toplota će prolaziti kroz neku stijenku to brže što su veći koeficijenti vodljivosti λ, temperaturna razlika (t1-t2) i površina A, a što je manja debljina stijenke δ.

38. 2) PRELAZ TOPLOTE (KONVEKCIJA) Ako čestice gasova i tečnosti (fluida) prilikom svog kretanja dođu u dodir sa hladnijom ili toplijom površinom, izmjenjuje se jedan dio toplotne energije. Što je veća brzina strujanja materije uz površinu, biće intenzivniji prelaz toplote. Količina toplote koja na taj način prelazi prema Njutnovom zakonu iznosi: gdje je: Prosječne vrijednosti za α su: • Za vazduh u mirovanju α=3,5 do 12 • Za vazduh u kretanju α=12 do 70 • Za tečnosti u kretanju α=232 do 14000 1. Prolaz toplote U praksi se vrlo rijetko prenosi toplota samo provođenjem ili prelazom (konvekcijom). U toplotnim izmjenjivačima toplota se predaje prelazom sa toplijeg fluida na stijenku, provođenjem kroz stijenku i prelazom na hladniji fluid, a naziva se prolazom toplote. Toplota koja može preći sa materije A kroz površinu na materiju B (sl. 11.1) biće: Q=K·A(t1 – t2) [W], gdje je: K – koeficijent prolaza toplote (t1 – t2) – temperaturna razlika između toplijeg i hladnijeg fluida [°C] Sl. 11.1–Prolaz toplote

39. 2. Tehnički izmjenjivači toplote To su uređaji kroz koje struje dvije materije odvojene metalnim stijenkama i pri tome se prenosi toplota sa jedne materije na drugu. Na brodu izmjenjivači toplote služe za hlađenje ili grijanje materija. Postoje rashladnici ulja za podmazivanje, rashladnici slatke vode motora, kondenzatori u rashladnim uređajima i parnim postrojenjima i dr. Kao rashladna materija na brodovima za navedene rashladnike i kondenzatore služi morska voda. Izmjenjivači toplote za grijanje su: radijatori za grijanje prostorija, izmjenjivači za grijanje ulja i vode dizel motora i dr. Prema smjeru strujanja izmjenjivači toplote mogu biti: istosmjerni, protusmjerni i unakrsni. Protusmjerni je izmjenjivač toplote ekonomičniji od istosmjernog, jer je za izmjenu iste količine toplote potrebna manja površina. Unakrsno je strujanje po svom efektu slično protusmjernom. Sl. 11.2–Izmjenjivači toplotea) istosmjerni, b) protusmjerni, c) unakrsni

40. 3) TOPLOTNO ISIJAVANJE (ZRAČENJE) U ovom slučaju toplota prelazi emitovanjem energije u obliku elektromagnetnih talasa. Na ovaj način toplota prelazi i u bezvazdušni prostor. Toplotni zraci su određeno područje dužine talasa, a oni kao i svjetlosni se šire brzinom od 108 m/s, a razlika je jedino u talasnoj dužini. Za toplotne zrake važe svi zakoni koji se odnose i na svjetlosne: pravolinijsko kretanje, odbijanje, lom, sakupljanje u žarištu lupe itd. Toplotni (infracrveni) zraci imaju talasnu dužinu od 0,8 do 400 μ. Količina toplote koju zrači neko tijelo zavisi od njegove površine (kvaliteta obrade, veličine i oblika) i temperature. Količina toplote prenesena isijavanjem sa apsolutno crnog tijela je: gdje je: C=5,67 - konst. isijavanja aps. crnog tijela, A – površina tijela [m2] T – apsolutna temperatura tijela [K] Za ‚‚siva‚‚ tijela toplota isijavanja je gdje je e – emisioni koeficijent zračenja sivog tijela

41. KOMPRESORI Kompresori su mašine za dobavu vazduha pod pritiskom. Po konstrukciji i principu rada, razlikujemo klipne, rotacione i turbokompresore. Klipni i rotacioni kompresori upotrebljavaju se za srednje (10-60 bara) i visoke pritiske (preko 60 bara), a za srednje i male dobave. Za velike količine dobave pri malim pritiscima (do 10 bara) upotrebljavaju se turbokompresori. U grupu rotacionih kompresora spadaju vijčani, kolovrtni i kompresori sa krilcima, ali na brodovima ne nalaze široku primjenu. Za sabijanje (komprimovanje) vazduha na brodovima se koriste klipni kompresori. Komprimovani vazduh se na brodovima upotrebljava za upućivanje dizel motora, daljinsko upravljanje glavnim mašinama, za ispiranje tankova, za brodske sirene i drugo. Redoslijed procesa usisavanja i tlačenja u klipnih kompresora isti je kao i u klipnih pumpi. Pri tlačnom hodu pumpe, pošto je tečnost nestišljiva, odmah počinje istiskivanje tečnosti preko tlačnog ventila. U klipnom kompresoru pri tlačnom hodu klipa gas se najprije komprimira, a zatim istiskuje klipom preko tlačnog ventila. Na slici 12.1 prikazan je u p-v dijagramu princip rada klipnog kompresora. Sl. 12.1–Princip rada klipnog kompresora

42. Pri kretanju klipa udesno u cilindru se stvara potpritisak usled čega se otvara usisni ventil 1 i usisava se vazduh (na dijagramu 0-1). Kada klip dođe u krajnji desni položaj, usisni se ventil pod dejstvom svoje opruge zatvara. Pri kretanju klipa ulijevo, vazduh se u cilindru komprimuje (linija 1-2) sve dok se ne otvori tlačni ventil, kada počinje istiskivanje vazduha (2-3). Možemo primjetiti da komprimirani vazduh koji se istiskuje iz cilindra savladava oprugu tlačnog ventila i pritisak vazduha u tlačnoj cijevi. Prema načinu djelovanja, broju stepeni i konstruktivnoj izvedbi, klipne kompresore dijelimo: -po načinu djelovanja: jednoradni i dvoradni -prema položaju ose cilindra: vertikalni, horizontalni, u obliku slova L, V ili W te vrlo rijetko zvijezdasti, -prema broju stepeni: jednostepeni, dvostepeni i višestepeni, -prema broju cilindara: jednocilindrični, dvocilindrični i višecilindrični, -prema pritisku: niskog (do 10 bara), srednjeg (10-60 bara) i visokog (preko 60 bara). Maksimalni pritisak dostignut u današnje vrijeme iznosi približno 2.500 bara, -po broju obrtaja: sporohodni (do 200/min), srednjehodni (200-450/min) i brzohodni (450-1000/min), -prema vrsti pogona: elektromotorni kompresori i kompresori pogonjeni motorom SUS. Pogon može biti preko kružnog mehanizma (najčešće) ili dizel motorom sa protuhodnim klipovima (Junkers sistem). Sl. 12.2–Shema vertikalnog jednostepenog klipnog kompresora

43. Teoretski ciklus u kompresoru Radi olakšanja izučavanja procesa kompresije, uvodi se, kao i u motora SUS, teoretski radni ciklus. U teoretskim ciklusima zanemaruje se trenje klipa i svi ostali mehanički i hidraulički gubici. Pored toga, u teoretskom ciklusu se razmatra cilindar bez štetnog prostora. Ciklus klipnog kompresora je lijevokretni pa se mora trošiti rad. Pri objašnjenju principa rada već smo opisali i teoretski ciklus prema slici 12.1. Površina 0-1-2-3 na dijagramu (sl. 12.3) u nekom mjerilu predstavlja rad utrošen za jedan ciklus kompresora. Što je manja površina u indikatorskom dijagramu pri istom stepenu povišenja pritiska, to je manji utrošeni rad u kompresoru. Prema slici 12.4 proces kompresije će biti najbolji po izotermi. To bi bio slučaj kada je hlađenje pri kompresiji tako intenzivno da temperatura ostane konstantna. Praktično izotermijski proces je nemoguć, pa se kompresija odvija po politropi (linija 1-2). Sl. 12.3–p-v dijagram klipnog kompresora bez štetnog prostora Sl. 12.4–Proces kompresije

44. Snaga kompresora se može izračunati i iz srednjeg indiciranog pritiska pi : gdje je: pi - srednji indicirani pritisak koji se izračuava iz dijagrama [Pa] S – hod klipa [m] n – broj obrtaja koljenastog vratila [o/min] Efektivna snaga pogonske mašine kompresora mora biti veća za mehaničke i ostale gubitke u kompresoru. Uticaj štetnog prostora na rad kompresora Sagraditi klipni kompresor bez štetnog prostora je nemoguće. Iz konstruktivnih razloga kada je klip u gornjoj mrtvoj tački, mora ostati određen prostor između klipa i poklopca cilindra. Za kompresore sa ventilima štetni prostor (V0 ) iznosi 1-2% od radne zapremine cilindra, a za kompresore koji umjesto ventila imaju razvodnik to je 3-4%. Štetni prostor umanjuje kapacitet kompresora, pošto vazduh koji je ostao u njemu, pri usisnom hodu klipa ekspandira (linija 3-4 slike 12.5). Radi toga usisavanje ne počinje odmah iz gornje mrtve tačke, već od tačke 4. Koristan hod klipa pri usisavanju je od tačke 4-1. Odnos štetnog prostora V0 prema radnoj zapremini Vs naziva se koeficijent štetnog prostora. Sl. 12.5–Teoretski p-v dijagram kompresora sa štetnim prostorom

45. Pored gubitaka usled štetnog prostora, u stvarnom radu kompresora se javljaju i gubici vezani sa gušenjem vazduha u usisnim i potisnim ventilima. Da bi se otvorio usisni ventil, pritisak u cilindru mora biti manji od atmosferskog za Δp1 , a da bi se otvorio potisni ventil pritisak u cilindru mora biti veći od pritiska u potisnom vodu za Δp2 . Iz navedenih razloga kapacitet kompresora je manji od teoretskog. Kapacitet kompresora je količina gasa koju dobavlja kompresor u jedinici vremena, računajući na stanje gasa pri ulazu u kompresor. Stvarni kapacitet jednoradnog klipnog kompresora možemo izračunati kao: gdje je ηv = 0,80-0,95 (stepen iskorišćenja zapremine cilindra). Višestepeni klipni kompresori Stepen povišenja pritiska se naziva odnos konačnog pritiska p2 prema početnom p1 u cilindru kompresora. Kompresor u kome se vazduh komprimira samo jednom, posle čega se istiskuje u spremnik vazduha, naziva se jednostepeni. Jednostepeni kompresori mogu imati jedan ili nekoliko cilindara koji rade paralelno. Ako se vazduh visoko komprimira u jednostepenom kompresoru, temperatura vazduha će postati visoka bez obzira na intenzivno hlađenje, a ona kao takva otežava podmazivanje cilindra i kompresor radi nepouzdano, dio ulja sagorjeva, a moguća je i eksplozija kompresora. Pri visokim stepenima povišenja pritiska i štetni prostor sve lošije utiče na rad kompresora. Radi svega toga jednostepeni kompresori se primjenjuju za komprimiranje vazduha do p2 od 6-8 bara. Za dobijanje visokih pritisaka vazduha upotrebljavaju se višestepeni kompresori. U njih se vazduh nakon izlaska iz svakog stepena hladi u rashladnicima vazduha (međuhladnjaci). Višestepeni kompresori imaju sledeće prednosti: -snižava se konačna temperatura kompresije -povećava se koeficijent dobave -smanjuje se utrošeni rad. Pri praktičnim izvedama klipni kompresori se grade sa 2 stepena, a za pritiske 200-250 bar kao tro i četvorostepeni. Stepen povišenja pritiska u jednom cilindru kompresora je najviše 5-5,5.

46. RASHLADNI CIKLUSI I RASHLADNI UREĐAJI Rashladni uređaji na brodovima služe za vještačko sniženje tepmperature i podržavanje niskih temperatura u brodskim rashladnim prostorijama. Rashladni uređaji na savremenim brodovima hlade komore u kojima se čuva hrana, voda, pravi se led, hlade stambene i službene prostorije, i dio su ventilacionih i klimatizacionih uređaja. Brodski rashladni uređaji razlikuju se od kopnenih u tome što se pred njih postavljaju posebni zahtjevi što manje mase i dimenzija. Ove zahtjeve treba imati u vidu pri izboru rashladne mašine i uređaja, te vrsti izolacije zidova. Dalji zahtjevi za brodske rashladne uređaje su u odnosu na škodljivost rashladnog sredstva, nesagorljivost izolacije itd. Vrste rashladnih uređaja i princip rada Svako zagrijano tijelo se može rashladiti prirodnim putem, ali samo do temperature okoline. Hladiti tijelo na temperaturu nižu od temperature okoline može se samo vještačkim putem, pri kome se koriste lijevokretni kružni ciklusi, to jest ciklusi sa utroškom mehaničkog rada. Rashladni uređaji su zatvoren sistem u kome neprekidno cirkuliše rashladno sredstvo (para ili gas). Rashladni uređaji kod kojih se za dobijanje rashladnog efekta koristi tečnost koja isparava pri niskim temperaturama nazivaju se parni rashladni uređaji. U tim uređajima se najčešće upotrebljavaju rashladna sredstva freon 12, freon 22 i amonijak. Parni i vadušni uređaji u svom sastavu imaju kompresor, pa se nazivaju kompresorski rashladni uređaji (vazdušni su vrlo rijetki). Pored kompresorskih postoje još i apsorpcioni, ejektorski i termoelektrični rashladni uređaji. Kod apsorpcionih uređaja koristi se osobina pojedinih para ili gasova da se rastvaraju ili apsorbuju u tečnost. Rastvori koji tako nastaju imaju osobinu da pri zagrijavanju oslobađaju upijene pare ili gasove.

47. U odnosu na kompresorske rashladne uređaje kod kojih se za postizanje rashladnog efekta troši mehanički rad, kod apsorpcionih uređaja za tu svrhu se troši direktno toplota iz rashladnog materijala. Prema tome, apsorpcioni rashladni uređaji će se najekonomičnije upotrebiti tamo gdje je na raspolaganju velika količina odbačene toplotne energije (ispusni gasovi, topla voda i dr.) Kod ejektorskih rashladnih uređaja se kao rashladno sredstvo koristi voda (tačnije rasolina) koja isparava pri visokom vakuumu i pri tome poprima nisku temperaturu. Ovakvom hladnom vodom hlade se i željeni objekti. Visoki vakuum se stvara pomoću parnog ejektora. Termoelektrični rashladni uređaji koriste za svoj rad posebni efekat, koji se svodi na to da se prilikom propuštanja istosmjerne struje kroz kolo od 2 različita provodnika jedan spoj hladi a drugi grije. Ovaj princip je uspješno ostvaren primjenom poluprovodničkih materijala. Pri prolazu električne struje kroz 2 različita poluprovodnika dolazi na mjestu spoja do razlike temperatura. Na savremenim brodovima se najviše primjenjuju kompresorski rashladni uređaji sa freonom kao rashladnim sredstvom. Najpovoljniji rashladni ciklus sa toplotnog stanovišta bio bi lijevokretni Karnoov kružni ciklus (sl. 13.1). Sl. 13.1–Lijevokretni Karnoov ciklus

48. Rashladno sredstvo stanja 1 prvo izentropski komprimiramo do stanja 2. zatim slijedi izotermsko odvođenje toplote (2-3), a ekspanzija rashladnog sredstva počinje izentropom (3-4) i dovršava se izotermom (4-1), pri čemu se rashladnom sredstvu dovodi toplota Qdo . Za ovaj se kružni ciklus utrošio rad W, a postignut je efekat da smo toplotu iz rashladne komore prenijeli u okolinu. Taj utrošeni rad biće: Pošto je Qdo manje od Qod rad je negativan. Ocjena valjanosti nekog rashladnog postrojenja se izažava koeficijentom (stepenom) rashladnog dijelovanja koji je jednak odnosu između toplote koju rashladno sredstvo oduzima iz rashladne komore Qdo i utrošenog rada W: Na sl. 13.2 prikazana je shema najjednostavnijeg parnog kompresorskog rashladnog uređaja, na kojoj su dati kompresor, kondenzator, ekspanzioni cilindar i isparivač. Sl. 13.2–Shema kompresorske rashladne mašine

49. Rashladna sredstva za parne rashladne uređaje Stvarni rashladni ciklusi su nepovratni i njihova ekonomičnost zavisi od izbora rashladnog sredstva. Zato je veoma važno da se izabere odgovarajuće rashladno sredstvo koje će dati optimalne praktične rezultate. Pored termodinamičkih zahtjeva postoje i drugi uslovi kojima rashladna materija treba da odgovori. Rashladno sredstvo treba da ima sledeće osobine: -pritisak u isparivaču mora biti iznad atmosferskog (da ne bi ušao vazduh) -pritisak u kondenzatoru da ne bude previsok -kritična temperatura da nije blizu temperature kondenzacije -toplota isparavanja da je što veća -rashladni medij ne smije da bude otrovan, zapaljiv i neprijatnog mirisa -ne smije da bude agresivan prema dijelovima u kontaktu. Praktično ni jedna materija ne udovoljava svim tim uslovima. Na brodovima se kao rashladna sredstva uglavnom koriste freon 12 i freon 22, a na običnim trgovačkim brodovima još i amonijak (za velike hladnjače). Freon 12 ima najšire područje primjene od svih rashladnih sredstava. To je gas bez boje i sa jako slabim mirisom. Nije zapaljiv, a radni pritisci su mu umjereni. Ključa na -29,9 °C pri atmosferskom pritisku. Jako se rastvara u ulju i smanjuje mu viskozitet. Zbog toga se za podmazivanje upotrebljavaju specifična ulja. U freonu 12 ne smije da bude ni malo vlage. Ima veliku sposobnost proticanja na zaptivnim mjestima. Propuštanje freona je teško otkriti jer ima slab miris i počinje da se osjeća tek kada koncentracija u vazduhu dostigne vrijednost veću od 20%. Mjesta propuštanja freona se određuju pomoću elektronskog detektora, ili po ulju koje izbija na mjestu isticanja.

50. Znaci trovanja organizma pojavljuju se tek tada, kada ga u vazduhu ima više od 30% zapremine. Pri temperaturi većoj od 400°C (u dodiru sa užarenim površinama ili otvorenim plamenom) freon se razlaže, a jedan dio produkta razlaganja je otrovni gas – fosgen. Zbog toga u odjeljenjima sa freonskim rashladnim mašinama zabranjuje se pušenje i korištenje električnih grijača. Freon 22 ima slične fizičke osobine freonu 12, a termodinamičke amonijaku. Koeficijent odavanja toplote freona 22 je za 25-30% viši nego freona 12, što omogućava da se smanje dimenzije izmjenjivača toplote. Freon 22 lako prolazi kroz zaptivna mjesta , ako nema vlage ne djeluje na metale, nije eksplozivan, ali je otrovniji od freona 12. upotrebljava se za duboko rashlađivanje i duboko zamrzavanje (-20 do -40°C). Pri korištenju freona 22 umjesto freona 12, rashladna sposobnost istog uređaja se povećava za 60%, a specifični utrošak električne energije samo za 6%. Amonijak se upotrebljava za rashladna postrojenja srednjih i velikih kapaciteta. To je bezbojan gas oštrog mirisa. Temperatura ključanja pri atmosferskom pritisku mu je -33,4°C. Otrovan je i zapaljiv ako ga u vazduhu ima više od 13%. Ima dobre termodinamičke osobine, pa i pored velikih kapaciteta rashladnih uređaja dimenzije su im relativno male. U prisustvu vlage nagriza bakar i njegove legure. Ako amonijak ističe na spojevima, lako se osjeti po mirisu. Za tačno određivanje mjesta isticanja amonijaka primjenjuju se posebni indikatorski listići. Najveći nedostatak amonijaka je u štetnom uticaju na čovječiji organizam, pogubno djeluje na oči i organe za disanje. Ako vazduh sadrži viže od 1% po zapremini amonijaka, to pri boravku u takvoj atmosferi može doći do trovanja i smrti. Pri sadržaju amonijaka u vazduhu od 13,1 do 26,8 % smješa je eksplozivna. Pri manjim i većim koncentracijama od navedenih smješa amonijaka i vazduha nije eksplozivna.