Compressore. Esercizio.

Antonio_80
Un compressore aspira $15.0 (m^3)/(s)$ di aria a $20.0^oC$ e $1.00 b a r$ e la porta a $6.00 b a r$. Sapendo che il rendimento isoentropico è di $0.75$ e che la temperatura dell'ambiente è di $293 K$, calcolare:
1) La potenza meccanica necessaria.
2) La temperatura dell'aria all'uscita del compressore.
3) La generazione oraria di entropia.
4) Il rendimento exergetico.


Nelle turbine, compressori, si hanno trasformazioni che vengono considerate adiabatiche in quanto lo scambio di calore è infinitesimale.
Il primo principio della termodinamica per questo compressore diventa:

$dot(L) = - dot(m) (h_2 - h_1)$ (Potenza)

Si avrà $dot(L)$ positivo per turbine e negativo per compressori.

Conosciamo:

$dot(V)=15.0 (m^3)/(s)$
$T_1=20.0^oC= 293K$
$P_1=1.00 b a r$
$P_2=6.00 b a r$



Edit: Ho messo tutto in spoiler così recuperò spazio!

Risposte
Antonio_80
Help!

professorkappa
Comincia a calcolarti il lavoro isoentropico ideale del compressore.

Antonio_80
"professorkappa":
Comincia a calcolarti il lavoro isoentropico ideale del compressore.


Quindi se la potenza e' espressa con questa formula:

$dot(L) = - dot(m) (h_2 - h_1)$ (Potenza)

Allora per il lavoro isoentropico devo usare questa?

$L = - m (h_2 - h_1)$ (Lavoro)

Giusto :?:

E le entalpie specifiche, le devo calcolare cosi' come ho fatto per le entropie specifiche, vero :?:

professorkappa
No. Devi usare la formula per il lavoro in una trasformazione adiabatica di un sistema aperto

Antonio_80
Per sistemi reversibili aperti si ha:

$dot(L)=dot(m)p_1v_1(k)/(k-1)[1-((p_2)/(p_1))^((k-1)/(k))] $

Ovviamente si tratta della potenza ma e' facile capire come calcolare il lavoro $L$

Oppure c'e' per il caso non reversibile aperti:

$dot(L) =- dot(m) c_p(T_1 - T_2)$

Ovviamente e' facile capire come sara' la formula del lavoro.

Ma io, quale delle due devo usare?
Io penso che sia un sistema non reversibile, vero??

professorkappa
Usale entrambe e vedi se torna I'll risultato.

Antonio_80
I valori noti sono questi:

$dot(V)=15.0 (m^3)/(s)$
$T_1=20.0^oC= 293K$
$P_1=1.00 b a r$
$P_2=6.00 b a r$

La formula che vorrei usare è questa:

$dot(L)=dot(m)p_1v_1(k)/(k-1)[1-((p_2)/(p_1))^((k-1)/(k))] $

Che se voglio il lavoro devo usare questa:

$L=m p_1v_1(k)/(k-1)[1-((p_2)/(p_1))^((k-1)/(k))] $

Mi manca il volume specifico dell'aria $v_1$, come lo trovo :?:
Prendo la tabella delle Proprietà termofisiche dell'aria a pressione atmosferica ed ho che la densità a $20^oC$ è
$rho= 1.193(kg)/(m^3)$, quindi $v= 1/(rho)= 1/( 1.193(kg)/(m^3)) = 0.838 (m^3)/(kg)$.
Giusto :?: :?:

Mi manca la massa $m$, come la trovo :?:
Per la $m$, forse devo usare la seguente $dot(m) = (dot(V))/(v)$, quindi
$dot(m) = (15.0 (m^3)/(s))/(0.838 (m^3)/(kg))= 17.895 (kg)/(s)$
Se io voglio la massa basta che non considero il tempo e allora si ha:
$m = 17.895 (kg)$ (senza considerare il tempo in $s$)
Giusto :?: :?:

E poi che valore si deve dare a questo $k$ :?:

E poi se volessi usare la seguente:
$dot(L) =- dot(m) c_p(T_1 - T_2)$

non penso che potrei usarla, in quanto la temperatura è sempre quella Ambiente :!:

Accipicchia, per questo esercizio ho un buio totale! :(
P.S. Perdonami, ma io non sto capendo perchè mi devo trovare il Lavoro se mi chiede direttamente la potenza :?:

Antonio_80
Per il calcolo della potenza del primo punto, ho trovato un esercizio simile al seguente link:

http://www.den.unipi.it/paolo.dimarco/eps/C4ctd07.pdf

si tratta del Esempio 4.5 di pag. 10, è simile, ma anche vedendo questo esempio risolto, non riesco a venirne a capo! :shock:

HELP!!!!!!!!!!!

professorkappa
Perche, esattamente come ti suggerisco di NON fare, devi studiare la teoria.
Invece di farti la teoria vai su internet a cercare esempi simili. E siccome ti manca la base teorica, non capisci nemmeno l'esempio svolto, di un esercizio banalissimo.

Se fai domande del tipo "cosa e' k" e come faccio a trovare la massa dato il volume, la pressione e la temperatura, vuol dire che ti mancano le basi teoriche.

Ristudia un po', e poi riprendiamo l'esercizio.

PS. Professor Dimarco era assistente a Pisa per i corsi di Fisica Tecnica e Macchine. Non ho aperto il link (cosa che faro per curiosita), ma sono sicuro che e' tutto spiegato passo passo. Stesso procedimento su cui cercavo di instradarti. Ma devi fare la teoria.

Manda un messaggio quando sarai un po piu pronto e ricominciamo

Antonio_80
Ho rivisto la teoria, ma io vado a calcolarmi direttamente la potenza, in quanto il testo mi da determinati valori, trovo assurdo complicarmi la vita e andare a calcolare il lavoro, ma ascoltero' volentieri tue critiche in merito a quello che sto facendo............

Uso la seguente:

$dot(L)=dot(m)p_1v_1(k)/(k-1)[1-((p_2)/(p_1))^((k-1)/(k))] $

L'aria si puo' considerare un gas biatomico, quindi $k=1.40$
Il volume specifico l'ho calcolato nel messaggio precedente e' $v=0.838(m^3)/(kg)$
La portata massica e' data dalla seguente$dot(m)=(dot(V))/(v)= 17.90(kg)/(s)$

La potenza sara':

$dot(L)= 17.90*1*0.838*((1.40)/(1.40-1))*[1-((6)/(1))^((1.40-1)/(1.40))]=34.177$

Cosa ne dici adesso? :?:

Aspetto anziosamente tue risposte :|
P.S. Ti chiedo per favore di non credere a cio' che pensi che non vado a vedere la teoria e mi cimento a fare esercizi cosi', si tratta di pratica ed e' come un cuoco che studia la ricetta, ma se non si mette a cucinare, non imparera' mai come fare un buon piatto!

professorkappa
Si, ma se mi chiedi cosa e' k......mi fai pensare che la teoria non l'hai fatta tanto bene.
i miei commenti.
1. In generale, in questi esercizi non occorrono le tabelle. Sei in condizioni di gas ideale, quindi le equazioni del gas perfetto vanno bene
2. La tabella che mi hai mandato tu sull'aria, anche se non lo dice (o perlomeno non sono riuscito a vederlo), e' relativa all'aria in condizioni di pressione 1bar, e temperatura T=300K (non sto a spiegarti da cosa lo capisco). Qui sei a 293K, quindi o aggiusti i valori tabellari, oppure non usare la tabella e calcola tutto dalle equazioni.
Non e' una grandissima differenza ai fini pratici, ma il valore di v che viene a te e' leggermente diverso rispetto al valore che viene a me. Quindi per favore, calcola il volume senza usare le tabelle.
3 In questi esercizi, conviene quasi sempre calcolare il lavoro senza moltiplicare per la portata massica. Ti viene un lavoro specifico (J/kg), cioe' il lavoro da fare su ogni kg di gas. Che e' comodo, perche se dovessi usare le tabelle, tutti i valori di entalpia, entropia, energia interna etc, sono riferiti al kg. Se includi la portata o la massa dall'inizio, ogni singolo valore di sulle tabelle va moltiplicato, con una complicazione inutile della vita e la possibilita' di sbgaliare qualche calcolo.
Alla fine di tutti i conti, moltiplichi per la portata massica e ottieni le potenze.

Detto questo, mi calcoli>
Il lavoro specifico (con la formula sopra, attento al v1)
La temperatura ideale del gas (quella che si avrebbe all'uscita se la trasformazione fosse adiabatica

Non ti fissare sull'esercizio, seguimi. Poi si continua. Al solito, niente parole, numeri ed equazioni, limita la parte verbale.

Antonio_80
Per aria secca $R= 287(J)/(kg*K)$
$pv=RT->v=(RT)/p= (287*293)/(100000)= 0.84(m^3)/(kg)$(e' evidente il perche' mi hai detto di calcolare in questo modo $v_1$)

$1b a r= 100000Pa$

$L=(100000)*(0.840)*((1.40)/(1.40-1))*[1-(6)^((1.40-1)/(1.40))]= -197794.8 J/(kg)$

Calcolo la temperatura $T_2$, insicuro ho pensato che il volume $V$ sia costante, quindi:

$T_2 = (p_2*T_1)/(p_1)= (6*293)/(1)= 1758K$

Ma e' possibile una temperatura del genere?
C'e' qualcosa che non va!
Non mi sta venendo come calcolare la temperatura in questo caso?

A te la parola, amico mio, ti ringrazio per il fatto che mi metti sempre sulla giusta via, cioe' quella del ragionare!

professorkappa
OK, la prima parte va bene, ti faccio solo notare che alternativamente non ti occorreva calcolate $v_1$.
Ti saresti risparmiato fatica tenendo che $p_1v_1=RT_1$. R ce l'hai, $T_1$ ce l'hai, ti risparmiavi un passaggio.
Comunque sappiamo che il lavoro per unita di kg e' circa 197 kJ/kg.

La seconda parte, te ne accorgi da te, e' sbagliata. Il volume non e costante (un compressore comprime proprio riducendo il volume). L'errore e' proprio li. La trasformazione e' adiabatica. Devi tenere conto di quello.

A questo punto hai 3 modi per calcolare la temperatura (ideale) di arrivo.
A me basta che me ne dai uno, gli altri 2 te li do io dopo.

Antonio_80
Per calcolare la temperatura $T_2$ si potrebbe pensare di usare Poisson, cioe'

$V_2= V_1*((P_1)/(P_2))^(1/k)$

E mi manca $V_1$ per poter poi usare la seguente:

$T_2=(p_2V_2)/(nR)$

Credimi non mi sta venendo nulla di differente in mente!
Puoi darmi qualche altro aiutino??

professorkappa
Il calcolo di una temperatura alla fine di un adiabatica in funzione di temperatura iniziale e del rapporto delle pressione o dei volumi lo devi sapere come l ' Ave Maria. E' nella parte che hai studiato di teoria

Antonio_80
Ma ti riferisci a questo?

$dot(L) = dot(m)c_p(T_1 - T_2)$

Dici questa?

professorkappa
No, questa e' un altro modo per calcolare la temp finale.
Trovare la temperatura finale avendo a disposizione temp iniziale (293K), pressione iniziale (1bar) e pressione finale (6bar). Come hai tu nell'esercizio.

Antonio_80
E' che tu non riesci a vedere immagini, altrimenti ti fare le foto all'intero testo, non c'e' sul mio testo principale nessuna formula che si addica a cio' che intendi tu!
Io ti ho scritto u a formula che porta alla soluzione della temperatura, non so a cosa vuoi arrivare tu come formula, ma sarei interessatissimo a vedere cosa intendi?
Puoi scriverla la formula cosi' ci ragiono su?
:?

professorkappa
Davvero?

Non hai mai visto $T_2/T_1=(p_2/p_1)^((k-1)/k)$

Non ci credo. E se e' vero, allora cambia testo e di corsa. Comunque quella e la formula, ricavabile dall' equazione dell' adiabatica $pv^k=p_1v_1^k$ congiuntamente a qualche altro passaggetto che usa $pv=nRT$'.



Tu hai usato il metodo alternativo che ti spiegavo dopo.

Quanto vale insomma la temperatura usando $L=C_p\DeltaT$ e $T_2/T_1=(p_2/p_1)^((k-1)/k)$.

Calcola entrambre per vedere se tornano valori uguali (se non tornano, hai sbagliato qualcosa)

Antonio_80
Allora, ricapitoliamo....

Per aria secca $R= 287(J)/(kg*K)$
$pv=RT->v=(RT)/p= (287*293)/(100000)= 0.84(m^3)/(kg)$(e' evidente il perche' mi hai detto di calcolare in questo modo $v_1$)

$1b a r= 100000Pa$

$L=(100000)*(0.840)*((1.40)/(1.40-1))*[1-(6)^((1.40-1)/(1.40))]= -197794.8 J/(kg)$

$dot(m)= (dot(V))/(v) =(15(m^3)/(s))/(0.84(m^3)/(kg))=17.85 (kg)/(s)$ (va bene la portata massica :?: )

La potenza sarà allora:

$-197794.8 J/(kg) * 17.85 (kg)/(s) = -3530637.18 J/s = dot(L)$ (cosa posso dedurre dal valore negativo :?: )

Calcolo la temperatura $T_2$:

$c_p = 1.01 (kJ)/(kg*K)= 1.01*10^(-3) (J)/(kg*K)$

$dot(L) = dot(m)c_p(T_1 - T_2)$

$-3530637.18 J/s = 17.85 (kg)/(s)*1.01*10^(-3) (J)/(kg*K)*(293K - T_2)$

$-3530637.18 J/s = 17.85 (kg)/(s)*1.01*10^(-3) (J)/(kg*K)*(293K - T_2)$

$(-3530637.18 J/s)/( 17.85 (kg)/(s)*1.01*10^(-3) (J)/(kg*K)) =(293K - T_2)$

$293K - T_2 = -(3530637.18 J/s)/( 17.85 (kg)/(s)*1.01*10^(-3) (J)/(kg*K)) $

$293K - T_2 = -195836435.6 K $

$ -T_2 = -293K -195836435.6 K $

$ T_2 = 293K +195836435.6 K = 195836728.6K$

Ma è un valore impossibile! :shock:

Tu invece mi hai detto di usare la stessa che ho usato io, senza moltiplicare la portata massica, perchè :?:

$L = c_p*(T_2 - T_1)$
$T_2= (L)/(c_p)+T_1 = (-197794.8)/(1.01*10^(-3))+293= -195836142.6 K$

Ma che diamine sta succedendo con questi valori :?:

P.S. Prima di fare altri calcoli voglio capire che diamine sta succedendo nei calcoli che ho fatto che mi danno temperature assurde :shock: :shock: :shock: :shock: 8-[ 8-[ 8-[ 8-[

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