Esercizi con domande di Fisica Tecnica

Domande teoria

1. Descrivi il trasporto di calore per irraggiamento

Forma di trasmissione del calore che avviene attraverso la propagazione di onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche comprendono anche onde radio, microonde, raggi x e y.

Queste onde sono prodotte da vari fenomeni fisici, tutti riconducibili ad uno stato di eccitazione dei componenti elementari della materia.

A differenza di conduzione e convezione, l’irraggiamento propaga il calore anche nel vuoto, perché non ha bisogno di mezzi per la trasmissione.

Il calore netto trasportato è quindi dato dalla differenza dei due flussi e fluisce verso il corpo a temperatura minore. L’irraggiamento riveste particolare importanza per quanto attiene:

• Alla radiazione solare incidente sulle pareti degli ambienti d’estate, soprattutto quelle trasparenti come le vetrate.
• Allo scambio d’energia radiante tra gli occupanti e le pareti dell’ambiente.
• Ai forni di cottura o riscaldamenti convenzionali.

2. Il trasporto di calore per conduzione

Fenomeno della trasmissione del calore, solito dei solidi, secondo il quale il calore fluisce da una regione a più alta temperatura ad un’altra a temperatura inferiore, attraverso uno solido, liquido, gassoso o più mezzi a stretto contatto fra di loro. La principale differenza con la convezione sta nel fatto che la conduzione non dà luogo a spostamento macroscopico di materia.

Il meccanismo alla base della conduzione è la diffusione molecolare: le molecole che stanno nella zona a temperatura maggiore hanno un’agitazione termica maggiore, quindi per diffusione l’agitazione viene trasmessa alle molecole vicine, causando un moto vibratorio verso la temperatura minore; l’energia si sposta e il calore fluisce, le molecole però stanno ferme.

Nei liquidi e nei gas macroscopicamente in quiete la conduzione è associata principalmente alle collisioni tra le molecole costituenti il fluido.

3. Il trasporto di calore per conduzione nelle pareti cilindriche

Stessa spiegazione della trasmissione di calore per la parete piana; per la parete cilindrica abbiamo un cambio di coordinate com r ° z poiché varia la geometria del corpo in questione, facciamo variare la relazione formula e analogamente variano anche le resistenze che si impongono da parte dei materiali, cambiano in formula. Queste resistenze che il flusso deve attraversare non sono tutte analoghe, si dividono in serie e parallelo formula delle resistenze che può essere considerata come il reciproco della conducibilità termica. Fondamentalmente il cambio di coordinate da parete piana a cilindrica con relative variazioni serve per andare ad individuare in maniera univoca la temperatura T in ogni punto del solido.

D’altro canto a questa conclusione si poteva arrivare anche con considerazioni basate sul primo principio. Non avendo generazione interna di calore ed essendo il sistema stazionario, si ricava che l’energia entrante è uguale all’uscente; pertanto la potenza termica è costante. Dato che il flusso è pari alla potenza termica diviso l’area, si vede immediatamente che il flusso è inversamente proporzionale al raggio.

4. Descrivi il trasporto di calore per convezione

La convezione riguarda i fluidi in movimento, però questa è una condizione necessaria ma non sufficiente infatti: la convezione è la modalità di trasporto di calore che si verifica tra una superficie solida e un fluido in moto che la lambisce. Per cui si determina l’effetto combinato di trasporto di calore per conduzione e il movimento del fluido. Quindi non devo aspettare che l’energia si trasporti per conduzione, ma viene agevolata dal movimento macroscopico del fluido. Per cui ho uno spostamento macroscopico di materia: maggiore è la velocità del fluido, maggiore è l’efficienza di trasporto di calore.

Distinguiamo 2 tipi di convezione, a seconda delle cause che generano il movimento del fluido:

• Convezione forzata: movimento del fluido indotto da cause esterne, organi meccanici o pompe che trasferiscono energia meccanica al fluido.
• Convezione naturale: movimento non indotto esternamente da organi meccanici, ma dalle forze di galleggiamento indotte dalle differenze di densità che si instaura in seno al fluido a causa di una differenza di temperatura.

La convezione naturale avviene perché se circondo di aria un corpo caldo, le particelle d’aria vicino al corpo caldo sono più calde, hanno densità minore e tendono a salire, quindi generano movimento. In altre parole le differenze di temperatura generano differenze di densità, che sono la causa del movimento naturale del fluido. La convezione ha uno scambio di energia maggiore rispetto a quella naturale, a causa delle velocità differenti di un moto dei fluidi.

5. L’umidificazione dell’aria umida con acqua: descrivi il processo in funzione della temperatura dell’acqua utilizzata

L’umidificazione isoentalpica avviene se la temperatura dell’acqua che uso è uguale alla temperatura del bulbo umido. In questo caso l’umidificazione è una linea isoentalpica.

Se uso dell’acqua a una temperatura diversa rispetto a quella del bulbo umido, cambio l’entalpia.

7. Descrivere i processi di umidificazione e di deumidificazione dell’aria

L’umidificazione è il processo che conferisce una maggiore percentuale di umidità all’aria circolante in un ambiente. L’umidificazione di una miscela avviene facendo passare la corrente d’aria attraverso un’apparecchiatura entro la quale una serie di ugelli nebulizzano acqua o vapore sulla miscela: il processo si considera che avvenga senza scambio di calore con l’esterno, ovvero è di tipo adiabatico.

Il processo di deumidificazione ha inizio quando l’aria lambisce la superficie della batteria di raffreddamento che si trova a temperatura inferiore a quella di rugiada: la cessione di vapore avviene a causa della condensazione del vapore sulle alette della batteria e quindi si ha la deumidificazione.

8. Le alettature

Sono utilizzate per ottenere la massimizzazione del flusso, ovvero aumentare lo scambio termico. Se il flusso è elevato, le resistenze sono basse e viceversa. La resistenza conduttiva è piccola e quindi trascurabile, perché devo diminuire le resistenze grandi per massimizzare il flusso, ovvero quelle convettive. In particolare tra un liquido e un gas, quello che mi dà più problemi è il gas, perché è meno efficiente e ha una resistenza maggiore, quindi quando il mio fluido è l’aria, devo lavorare su quello per diminuire la resistenza convettiva. Per diminuire la resistenza convettiva, cerco di aumentare il denominatore della formula, e lo faccio con le alettature, che aumentano h e A.

9. Descrivere il meccanismo di incremento dello scambio termico ottenuto mediante alettature

Le alettature poste nel senso del fluido migliorano lo scambio poiché aumentano la superficie di scambio dove formula flusso con alettature, dove Ap è la superficie primaria e As la superficie secondaria ovvero quella che compete alle alettature e E è la loro efficienza, valore compreso tra 0 e 1. Questi fattori fanno diminuire la resistenza convettiva ma aumentano quella conduttiva, perché aumentano la A di scambio e lo strato limite. Per aumentare H invece si ricorre ad alettature trasversali così da rompere lo strato limite e far passare il moto da laminare a turbolento così da ridurre la resistenza al passaggio di calore. NB: uno scambiatore dotato di alettature ha bisogno di più manutenzione in quanto più soggetto all’effetto di fouling che ne diminuiscono l’efficienza.

10. Descrivere il funzionamento della serra e le leggi fisiche coinvolte

Il funzionamento delle serre è una conseguenza della legge di Wien. All’interno della serra entrano solo radiazioni del visibile, le altre vengono riflesse. All’interno della serra abbiamo corpi opachi, piante e fiori, quindi parte delle radiazioni viene assorbita e parte viene riflessa. Quella assorbita causa un aumento di temperatura del corpo, agitazione termica ed emissione. La radiazione riemessa non riesce ad uscire dalla serra, perché è infrarossa, temperature basse, quindi rimane nella serra scaldandola.

Il calore scambiato per irraggiamento è un bilancio netto di calore emesso da un corpo verso l’altro, e di calore emesso dall’altro verso il primo.

Occorre tener conto anche del fattore di vista: quanto emesso dal corpo 1 sul corpo 2 e viceversa: regola della reciprocità:

11. Gli scambiatori di calore

Lo scambiatore di calore è un dispositivo nel quale avviene il trasferimento di calore tra 2 corpi fluidi:

• Fluido di processo: fluido che deve scaldare o raffreddare.
• Fluido di servizio: fluido che uso per scaldare o raffreddare.

Gli scambiatori di calore possono essere classificati secondo due criteri:

1) In base alla continuità:

• Discontinuo: il processo riguarda masse definite; ad esempio nello scambiatore a camicia, che ha la forma di una pentola, viene caricato il fluido di processo e il trasferimento di calore è effettuato grazie a una camicia che circonda le pareti della pentola nella quale scorre il fluido di servizio.
• Continuo: il prodotto viene trattato in maniera continua, il fluido viene alimentato ininterrottamente.

2) In base alla direzione:

• In equicorrente: alimento tutti i fluidi dalla stessa parte per scambiatori continui.
• In controcorrente: alimento i fluidi in versi diversi o opposti per scambiatori αcontinui.
• Incrociato: un fluido scorre in direzione ortogonale rispetto all’altro riguarda gli scambiatori che hanno come fluido l’aria.

12. Descrivi i gruppi Nusselt, Reynolds, Grashof, Prandt

Il numero di Nusselt Nu confronta un trasporto convettivo con uno conduttivo. La formula hD fisica è: con questa formula si riesce a mettere in relazione i 2 fluidi di calore per K monitorare come la conduzione aiuta la convezione. Se il numero di Nusselt è pari a 1, significa che è un tipo di trasporto sostanzialmente conduttivo.

Il numero di Reynolds dà un’indicazione sul regime di moto del fluido laminare o turbolento. In generale all’interno dei tubi per Re<2500 il moto è laminare. p v D v D: La formula fisica è oppure vμ.

Il numero di Grashof è un numero abbastanza complesso e rappresenta il rapporto fra le forze di galleggiamento e le forze viscose. 3 2D p g α p a r e t e−T f l u id o T. La formula fisica del numero di Grashof è: 2μ.

Il numero di Prandt è un valore che paragona la diffusività della quantità di moto alla diffusività del calore. In questo numero considero il trasporto di calore e il moto del fluido. C p μ. La formula fisica è: .K

13. Descrivere l’isolamento dei tubi di piccolo diametro raggio critico

Consideriamo per esempio un tubo di rame, come quelli dell’impianto di condizionamento, di diametro De e lunghezza L. Una necessità percepita da chiunque sarebbe di isolarlo per limitare gli scambi termici con l’ambiente ed aumentare l’efficienza. E qui nasce il problema: per quanto possa sembrare assurdo, l’opposizione di uno strato isolante potrebbe addirittura aumentare lo scambio termico con l’ambiente: si trova che lo scambio termico diminuisce sicuramente solo se il raggio esterno della conduttura, valutato senza isolamento, è maggiore del raggio critico, altrimenti ciò non è detto in linea generale. Si definisce quindi raggio critico il valore del raggio superato il quale la potenza termica scambiata da un corpo con l’ambiente circostante, tende a diminuire. L’espressione che permette di calcolarlo è: K/h con K uguale alla conducibilità dello strato di isolante e h uguale al coefficiente convettivo.

Quindi per diminuire il flusso in entrata ci sono due modi: se la figura è piana, aggiungo uno strato di isolante; se la superficie è cilindrica, ispessendo aumento la resistenza convettiva. La diminuzione del flusso dipende dalla variazione delle resistenze: r conduttiva aumenta con l’aumentare del raggio esterno, r convettiva diminuisce con l’aumento del raggio esterno. Il raggio critico segna il punto in cui il comportamento del sistema si inverte, ovvero dove la resistenza della parete cessa di diminuire e comincia ad aumentare. Quindi per inibire lo scambio termico, isolare il sistema, basta scegliere un raggio del cilindro che sia maggiore del raggio critico.

14. Energia interna, calore, esperimento di Joule

Per il principio di conservazione dell’energia meccanica, se si compie un lavoro su un sistema chiuso, scambia energia e lavoro con l’esterno ma non massa, l’energia potenziale e cinetica del sistema subiscono una variazione pari a: W=ΔU+ΔK. Questo modello non descrive tutti i fenomeni che si possono verificare in natura, per dimostrarlo eseguiamo l’esperimento di Joule: prendiamo un recipiente munito di agitatore contenente H2O e con le pareti tali da non convertire nessuno scambio termico con l’esterno. Se si lascia scendere il peso da A a B esso, essendo collegato per mezzo di un filo al mulinello, fa girare quest’ultimo e il lavoro compiuto è: W=F h0-h1 diverso da zero. Se si guarda il sistema, il recipiente, né l’energia potenziale né l’energia cinetica hanno subito variazioni per cui W=ΔU+ΔK=0. Questa contraddizione si risolve osservando alla fine dell’agitazione il termometro che segna T1>T0. Questo significa che il sistema ha assorbito l’energia corrispondente al lavoro compiuto dal peso. Chiamiamo questa forma di E E interna quindi il lavoro diventa: W=ΔU+ΔK+ΔE. Dall’esperimento di Joule si ricava l’equivalente meccanico del calore.

15. Torri di raffreddamento: funzionamento, bilanci di massa e energia

La torre di raffreddamento è uno scambiatore di calore di gas liquido nel quale la fase liquida cede energia alla fase gassosa, riducendo così la propria T. Negli impianti termoelettrici nucleari, l’acqua di raffreddamento non può essere scaricata nei bacini idrici a T troppo elevate al fine di evitare l’inquinamento termico, viene quindi utilizzata come mezzo per asportare calore dall’aria atmosferica. L’acqua cede calore all’aria e contemporaneamente evapora parzialmente caricando l’aria di umidità. Ottengo così acqua in minore quantità e più fredda e aria più umida e più calda. Ne esistono due tipi: flusso per convezione naturale: aria nella torre contiene vapor d’acqua e tende a salire. La portata di aria che si sviluppa all’interno della torre dipende da h, >h meglio è, e il profilo iperbolico della torre serve a rinforzare la struttura della torre.

La struttura meno ingombrante e meno costosa: aria immessa dal basso aspirata verso l’alto da un ventilatore, l’acqua calda viene spruzzata dall’alto, una parte delle goccioline evapora e cade. Il bilancio energetico è: Ein contenuto entalpico dell’aria in ingresso + entalpia acqua in ingresso = Eout contenuto entalpico aria in uscita + entalpia acqua in uscita.

mH2Oin = mH2Oout

m H 2O in * C p H 2 O H 2 Oo u t−T H 2 Oi n T .

mAS = l n in−ln ou t x * C p H 2O * T H 2 o u t +Δ

16. Processo di umidificazione dell’aria con vapore e acqua

Esistono due metodi per umidificare l’aria, aumentare l’umidità assoluta: nebulizzando acqua o iniettando vapore. Avvengono entrambi con il passaggio dell’aria attraverso un apparecchio con ugelli che umidificano in uno dei due modi la miscela. Per ambienti dove si vuole evitare contaminazione microbica è meglio usare vapore miscelando adiabaticamente la corrente d’aria e il vapor d’acqua iniettato. Lo stato finale del processo è sulla retta passante per il punto di condizioni iniziali e di inclinazione determinata dall’entalpia di vapore. Quando l’umidificazione avviene con acqua nebulizzata l’entalpia del liquido è molto bassa quindi avviene quasi isoentalpicamente.

17. Condizionamento invernale ed estivo

Serve per mantenere costanti le condizioni termoidrometriche.

Occorre utilizzare l’aria immessa nel locale per compensare le condizioni di temperatura e umidità che si creano nel locale.

Occorre trovare quali sono le condizioni che deve avere l’aria in immissione per far sì che le condizioni di progetto non cambino. Quindi trasformiamo l’aria presa dall’esterno per portarla nelle condizioni di immissione.

Devo conoscere i carichi:

• Termici
• Latenti, di umidità che si produce nel locale.

Come trovo I, condizioni di immissione? ∅Ø = mAS · Δh = mAS · hL – hI hI= hL− mAS

Qui è rappresentato un raffreddamento con la produzione di condensa e un post-riscaldamento.

Il punto I indica le condizioni di immissione dell’aria se ho solo a che fare con carichi sensibili, non producono vapore.

E = aria che prendo dall’esterno, in alto d’estate, in basso d’inverno.

Nel locale tende ad essere prodotto del vapore, quindi per compensare devo immettere aria più secca di quella del locale. Di quanto?

mv = Δx · mAS = mAS xL – xI xI= xL− mvmAS

Con questa formula trovo l’umidità assoluta che compensa il carico latente.

MA devo tener conto che devo anche conservare l’entalpia, ma l’entalpia del vapore se ne va.

600 kcal/kgv retta parallela all’asse x

Trovo l’incontro tra xI con la retta hv 600

I’ = conduzione di immissione per conservare le condizioni sensibili e latenti.

Compensare carichi termici sensibili con il bilancio energetico e quelli latenti di v