Esercizi di Fisica tecnica industriale sulla trasmissione del calore, 2

Esercizi di scambio termico

Riscaldamento dell'acqua in un tubo

In un tubo lungo 5 m e diametro 3 cm scorre acqua che deve essere riscaldata da 15°C a 65°C. Il tubo è riscaldato attraverso resistenza elettrica ed è ben isolato rispetto all’esterno. Se il sistema deve fornire 10 l/min determinare:

• La potenza elettrica.
• La temperatura della parete all’ingresso e all’uscita.

Per calcolare la potenza elettrica non si possono usare le formule di conduzione o convezione perché la potenza non è limitata dallo scambio termico verso l’esterno, ma è il lavoro elettrico che impone l’aumento di entalpia del fluido. Il tubo è isolato termicamente.

Dispersione termica di un tubo d'acqua calda

Un tubo d’acqua calda lungo 6 m attraversa un grande ambiente a temperatura 20°C. Il tubo ha diametro pari a 8 cm. Se la temperatura della superficie esterna del tubo è 70°C, calcolare la potenza termica dispersa dal tubo nell’ambiente per convezione naturale.

Scambiatore di calore a tubi concentrici

Uno scambiatore di calore a tubi concentrici è utilizzato per raffreddare olio lubrificante di una grossa turbina a gas. La portata massica dell’acqua di raffreddamento è 0,2 kg/s e circola nel tubo interno di diametro 25 mm. L’olio caldo circola nell’anello esterno di diametro 45 mm e ha una portata di 0,1 kg/s. L’olio entra a 100°C e l’acqua a 30°C. Calcolare la lunghezza dello scambiatore affinché l’olio esca a 60°C, noto il coefficiente globale di scambio termico pari a 39,3 W/m²K.

In uno scambiatore ideale, isolato, il calore ceduto dal fluido caldo è uguale al calore assorbito dal fluido freddo per conservazione dell’energia.

Gli scambiatori controcorrente sono più efficaci di quelli in equicorrente perché dispongono meglio il salto medio logaritmico. Nel caso in cui sono poco più efficaci si preferisce gli scambiatori in corrente perché sono più semplici da gestire a livello impiantistico.

Scambio termico tra due piastre

Due piastre parallele molto larghe sono tenute a temperatura costante rispettivamente 800 K e 500 K con emissività pari a 0,2 e 0,7. Calcolare la potenza scambiata tra le due piastre per unità di superficie.

Scambio termico dalla parete esterna di un'abitazione

La parete esterna di una abitazione ha una temperatura di 10 °C e una emissività pari a 0,4. Se l’ambiente che lambisce si trova a 5°C e il coefficiente di convezione è uguale a 15. Calcolare la potenza scambiata per unità di superficie.

• Convezione: scambio con l’aria.
• Irraggiamento: scambio con le superfici.
• Vuoto: solo irraggiamento.
• Aria ferma: conduzione + irraggiamento.
• Aria con moto: convezione + irraggiamento.
• Solido: conduzione.