Appunti di Fisica Tecnica (Convezione)

POLITECNICO DI MILANO

Facoltà di Ingegneria Aerospaziale

Appunti del corso di:

Fisica Tecnica

(Convezione del Calore)

prof. A. Salerno

a cura di

Giorgio Montorfano

e

Riccardo Rota

A.A. 2013/2014

Disclaimer

(Note dagli autori)

Questa dispensa è una raccolta di appunti presi durante le lezioni del corso di Fisica Tecnica

(relativamente alla sola parte di convezione del calore), tenute dal professor Antonio Salerno

presso il Politecnico di Milano, nell'Anno Accademico 2013/2014. Essa è strutturata come una

serie di risposte ad un elenco di domande che coprono l'intero programma del corso. Tale

elenco è fornito dal professore stesso, che lo utilizza durante il colloquio orale per torchiare lo

studente valutare la preparazione dello studente.

Per questo motivo essa è da intendersi come uno strumento per seguire con più facilità le

lezioni e le esercitazioni, per ripassare velocemente prima dell'esame e per chiarire eventuali

dubbi sorti durante le spiegazioni (quelli per cui non si alza la mano per chiedere al docente,

insomma...): non è dunque assolutamente concepita come un sostituto dei libri di testo o

(soprattutto) della frequenza alle lezioni (fondamentali per comprendere e interiorizzare i

concetti).

La dispensa è frutto di un profondo impegno (spesso e volentieri quotidiano) volto ad ottenere

un risultato quanto più possibile sintetico, preciso e completo. Sfortunatamente - nonostante

la grande dedizione posta dagli autori nella stesura di questi appunti - in questo mondo non

esiste nulla di perfetto e, pertanto, anche questa dispensa sarà ben lungi dall'essere corretta e

comprensibile in ogni sua parte. Per questo motivo gli autori saranno più che felici (e

orgogliosi) di ricevere qualsiasi tipo di suggerimento e correzioni per sopperire alle carenze di

quest'opera.

Buono studio! Gli autori,

Giorgio Montorfano

Riccardo Rota

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Contatti (per info e suggerimenti):

39gmont93@gmail.com

riccardoxrota@gmail.com

Appunti del corso di: Fisica Tecnica v.1.0 G. Montorfano, R. Rota

Sommario

Descrizione degli argomenti trattati ........................................................................................................ II

Convezione ............................................................................................................................................ 1

1. Definizione di viscosità dinamica e cinematica. ........................................................................................ 1

2. Convezione forzata: numeri di Nusselt, Reynolds, Prandtl. ...................................................................... 1

3.a. Convezione forzata su lastra piana: definizione di strato limite. ........................................................... 2

3.b. Convezione forzata su lastra piana: relazioni semi-empiriche per lo scambio termico. ........................ 3

4. Convezione dentro i tubi. .......................................................................................................................... 3

5.a. Convezione dentro i tubi: calcolo di T a costante. ............................................................................ 4

5.b. Convezione dentro ai tubi: calcolo di T a Ts costante. ........................................................................... 4

6. Convezione naturale: fenomenologia, condizioni necessarie, numero di Rayleigh, esempi. ................... 4

7. Tipologia e problemi degli scambiatori di calore. ..................................................................................... 5

8. Relazioni di scambio termico per scambiatori di calore in equicorrente e in controcorrente. ................ 6

9.a. Efflussi da serbatoi e equazione di Hugoniot. ........................................................................................ 7

9.b. Determinazione delle condizioni di blocco sonico. ................................................................................ 8

prof. A. Salerno I A.A. 2013/2014

Appunti del corso di: Fisica Tecnica v.1.0 G. Montorfano, R. Rota

Descrizione degli argomenti trattati

1. Convezione.

Caratteristiche. Convezione forzata all’esterno di superfici e all’interno di condotti: fe-

nomenologia, numeri adimensionali di Reynolds, Nusselt, Prandtl, e uso di correlazioni

adimensionali. Temperatura di miscelamento adiabatico e suo andamento lungo un condotto;

differenza media logaritmica di temperatura. Introduzione alla convezione naturale, numeri

adimensionali di Grashof e Rayleigh. Scambiatori di calore: classificazione, andamento delle

temperature negli scambiatori equicorrente e controcorrente; potenza massima ed efficienza.

prof. A. Salerno II A.A. 2013/2014

Appunti del corso di: Fisica Tecnica v.1.0 G. Montorfano, R. Rota

Convezione

La convezione è caratterizzata da un trasposto di energia simultaneo a un trasporto di materia, dovuti al

rimescolamento di parti più fredde con parti più calde. La convezione può essere naturale (flusso d’aria in

corrispondenza di una parete calda) o forzata (ventola che raffredda componenti interni di un computer),

quando viene imposta la velocità del flusso.

1. Definizione di viscosità dinamica e cinematica.

La viscosità dinamica è una grandezza fisica che quantifica la resistenza dei fluidi allo scorrimento. A

causa della viscosità, un corpo in moto immerso in un flui