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Università di Roma Tor Vergata – corso Coppa/Petracci
Federico Casucci Federico Casucci ©
2 1 SOMMARIO
1 TERMODINAMICA _______________________________________________________________________________________________________ 7
1.1 Lavoro termodinamico ____________________________________________________________________________________________ 8
1.2 Calore, temperatura ed equilibrio termico _______________________________________________________________________ 8
1.3 Primo principio della termodinamica conservazione dell’energia per i sistemi chiusi _____________________ 9
1.4 Conservazione della massa per sistemi aperti _________________________________________________________________ 10
1.5 Primo principio della termodinamica conservazione dell’energia per i sistemi aperti __________________ 10
1.6 Secondo principio della termodinamica ________________________________________________________________________ 11
1.6.1 Formulazione analitica del secondo principio ____________________________________________________________ 12
1.7 Entropia ___________________________________________________________________________________________________________ 12
1.7.1 Teorema di aumento dell’entropia ________________________________________________________________________ 13
1.7.2 Calore in termini di entropia _______________________________________________________________________________ 13
1.7.3 Energia interna ed entalpia in termini di entropia _______________________________________________________ 13
1.7.4 Lavoro in termini di entropia ______________________________________________________________________________ 13
2 SISTEMI TECNICI ______________________________________________________________________________________________________ 15
2.1 Sistemi tecnici chiusi _____________________________________________________________________________________________ 15
2.1.1 Sistema motore _____________________________________________________________________________________________ 15
2.1.2 Sistema frigorifero __________________________________________________________________________________________ 15
2.1.3 Sistema pompa di calore ___________________________________________________________________________________ 16
2.2 Sistemi tecnici aperti _____________________________________________________________________________________________ 16
2.2.1 Espansore o turbina ________________________________________________________________________________________ 17
2.2.2 Compressore o pompa _____________________________________________________________________________________ 17
2.2.3 Valvola di laminazione _____________________________________________________________________________________ 18
2.2.4 Miscelatore __________________________________________________________________________________________________ 19
2.2.5 Scambiatore _________________________________________________________________________________________________ 19
2.2.6 Condotti, ugelli e diffusori __________________________________________________________________________________ 20
2.3 Sistemi tecnici nei diagrammi ed __________________________________________________________________ 20
3 PROPRIETÀ DELLE SOSTANZE _______________________________________________________________________________________ 21
3.1 Coefficienti di dilatazione e compressione _____________________________________________________________________ 21
3.2 Coefficienti calorimetrici ________________________________________________________________________________________ 21
3.3 Potenziali termodinamici ________________________________________________________________________________________ 22
3.4 Equazioni di Maxwell ____________________________________________________________________________________________ 22
3.5 Energia interna in variabili di stato _____________________________________________________________________________ 23
3.6 Entalpia in variabili di stato _____________________________________________________________________________________ 24
3.7 Calore in variabili di stato _______________________________________________________________________________________ 24
3.8 Entropia in variabili di stato _____________________________________________________________________________________ 24
3.9 Relazione di Mayer _______________________________________________________________________________________________ 24
3.10 Diagramma ________________________________________________________________________________________________ 25
3.11 Diagramma ________________________________________________________________________________________________ 26
4 GAS PERFETTI _________________________________________________________________________________________________________ 28
4.1 Trasformazione isoentropica ___________________________________________________________________________________ 28
Federico Casucci © 3
4.2 Trasformazioni politropiche ____________________________________________________________________________________ 29
4.3 Diagramma per i gas perfetti ____________________________________________________________________________ 30
5 PASSAGGI DI STATO PER SOSTANZE PURE _________________________________________________________________________ 32
5.1 Liquido-Vapore nel diagramma __________________________________________________________________________ 32
5.2 Liquido-Vapore nel diagramma _________________________________________________________________________ 33
5.3 Liquido-Vapore nel diagramma _________________________________________________________________________ 33
5.4 Piano delle fasi ___________________________________________________________________________________________________ 33
6 MISCELE DI ARIA UMIDA _____________________________________________________________________________________________ 35
6.1 Psicrometro _______________________________________________________________________________________________________ 36
6.1.1 Diagramma psicrometrico _________________________________________________________________________________ 37
6.2 Trasformazioni di miscele di aria umida _______________________________________________________________________ 37
6.2.1 Riscaldamento isotitolo ____________________________________________________________________________________ 37
6.2.2 Miscelazione ________________________________________________________________________________________________ 38
6.2.3 Raffreddamento isotitolo ___________________________________________________________________________________ 39
6.2.4 Raffreddamento con deumidificazione ___________________________________________________________________ 39
6.2.5 Umidificazione adiabatica con raffreddamento __________________________________________________________ 40
6.2.6 Umidificazione isoterma ___________________________________________________________________________________ 41
7 CICLI MOTORE TERMICI A COMBUSTIONE INTERNA ______________________________________________________________ 43
7.1 Ciclo Otto __________________________________________________________________________________________________________ 43
7.1.1 Ciclo reale e semplificazioni termodinamiche ____________________________________________________________ 44
7.1.2 Parametri di valutazione ___________________________________________________________________________________ 45
7.2 Ciclo Diesel________________________________________________________________________________________________________ 45
7.2.1 Ciclo reale e semplificazioni termodinamiche ____________________________________________________________ 46
7.2.2 Parametri di valutazione ___________________________________________________________________________________ 47
7.2.3 Confronto Otto vs Diesel ___________________________________________________________________________________ 48
7.3 Ciclo misto Sabathé ____________________________________________________________________________________________ 49
7.4 Ciclo Joule _________________________________________________________________________________________________________ 50
7.4.1 Parametri di valutazione ___________________________________________________________________________________ 51
8 CICLI MOTORE A VAPORE ____________________________________________________________________________________________ 54
8.1 Ciclo di Carnot ____________________________________________________________________________________________________ 54
8.1.1 Parametri di valutazione ___________________________________________________________________________________ 55
8.1.2 Limiti realizzativi del ciclo di Carnot ______________________________________________________________________ 55
8.2 Ciclo Hirn o Rankine a vapore surriscaldato _________________________________________________________________ 55
8.2.1 Parametri di valutazione ___________________________________________________________________________________ 57
8.2.2 Confronto Hirn vs Carnot __________________________________________________________________________________ 57
9 IMPIANTI MISTI _______________________________________________________________________________________________________ 59
9.1 Impianto a ciclo combinato ______________________________________________________________________________________ 59
9.2 Impianto di cogenerazione ______________________________________________________________________________________ 59
10 CICLI FRIGORIFERI _________________________________________________________________________________________________ 60
10.1 Ciclo frigorifero a compressione di vapore ____________________________________________________________________ 60
10.1.1 Parametri di valutazione ___________________________________________________________________________________ 61
Federico Casucci ©
4 10.1.2 Fluidi refrigeranti ___________________________________________________________________________________________ 61
10.2 Impianto frigorifero in cascata __________________________________________________________________________________ 62
11 TERMOFLUIDODINAMICA _________________________________________________________________________________________ 63
11.1 Conservazione della massa ______________________________________________________________________________________ 63
11.2 Equazione di Bernoulli generalizzata principio in forma meccanica ___________________________________ 64
11.3 Misurazione della pressione ____________________________________________________________________________________ 65
11.4 Carico potenziale per attrito come caduta di pressione _______________________________________________________ 66
11.5 Viscosità __________________________________________________________________________________________________________ 66
11.6 Esperienza di Reynolds __________________________________________________________________________________________ 67
11.7 Perdite di carico __________________________________________________________________________________________________ 68
11.7.1 Perdite di carico distribuite ________________________________________________________________________________ 68
11.7.2 Perdite di carico concentrate ______________________________________________________________________________ 71
11.7.3 Perdite di carico totali ______________________________________________________________________________________ 71
12 TRASMISSIONE DEL CALORE ______________________________________________________________________________________ 72
12.1 Conduzione _______________________________________________________________________________________________________ 72
12.1.1 Conduzione in regime permanente monodimensionale _________________________________________________ 73
12.1.1.1 Lastra piana ____________________________________________________________________________________________ 74
12.1.1.2 Cilindro cavo ___________________________________________________________________________________________ 74
12.1.1.3 Lastre piane affacciate ________________________________________________________________________________ 74
12.1.1.4 Cilindri cavi affacciati _________________________________________________________________________________ 76
12.1.2 Conduzione a parametri concentrati ______________________________________________________________________ 77
12.1.2.1 Solido a contatto con un fluido _______________________________________________________________________ 78
12.2 Irraggiamento ____________________________________________________________________________________________________ 78
12.2.1 Corpo nero __________________________________________________________________________________________________ 79
12.2.2 Intensità di radiazione di un corpo nero __________________________________________________________________ 80
12.2.3 Corpi reali ___________________________________________________________________________________________________ 81
12.2.4 Legge di Kirchhoff __________________________________________________________________________________________ 81
12.2.5 Scambio termico per irraggiamento – fattori di vista ____________________________________________________ 82
12.2.6 Irraggiamento in cavità nere _______________________________________________________________________________ 84
12.3 Convezione _______________________________________________________________________________________________________ 84
12.3.1 Convezione naturale ________________________________________________________________________________________ 85
12.3.2 Numero di Nusselt per la convezione naturale ___________________________________________________________ 85
12.3.3 Numero di Nusselt per la convezione forzata ____________________________________________________________ 86
12.3.4 Convezione e regime di moto ______________________________________________________________________________ 88
13 COMFORT TERMOIGROMETRICO _________________________________________________________________________________ 90
13.1 Corpo umano _____________________________________________________________________________________________________ 90
13.1.1 Bilancio termico del corpo umano _________________________________________________________________________ 91
13.2 Equazioni del comfort di Fanger ________________________________________________________________________________ 93
13.2.1 Intervallo di comfort ________________________________________________________________________________________ 94
14 IMPIANTI AD ACQUA _______________________________________________________________________________________________ 96
14.1 Tipologie di impianti ad acqua calda ___________________________________________________________________________ 96
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14.2 Componenti degli impianti ad acqua calda _____________________________________________________________________ 97
14.2.1 Caldaia _______________________________________________________________________________________________________ 97
14.2.2 Corpi scaldanti ______________________________________________________________________________________________ 97
14.2.3 Vaso di espansione _________________________________________________________________________________________ 98
14.2.4 Pompa _______________________________________________________________________________________________________ 99
14.2.5 Tubazioni ___________________________________________________________________________________________________ 100
14.2.6 Altri componenti ___________________________________________________________________________________________ 101
14.3 Dimensionamento di un impianto di riscaldamento ad acqua calda ________________________________________ 101
14.3.1 Dimensionamento di un impianto di circolazione a 2 tubi _____________________________________________ 101
14.3.2 Dimensionamento di un impianto a ritorno inverso e ad anello _______________________________________ 103
14.3.3 Dimensionamento di un impianto ad un solo tubo ______________________________________________________ 103
14.3.4 Dimensionamento di un impianto a collettore complanare ____________________________________________ 105
14.4 Regolazione di un impianto di riscaldamento ad acqua calda _______________________________________________ 105
14.5 Installazione delle pompe in un impianto di riscaldamento ad acqua calda _______________________________ 106
15 IMPIANTI DI TELERISCALDAMENTO ____________________________________________________________________________ 108
15.1 Centrale di cogenerazione ______________________________________________________________________________________ 108
15.2 Tipologia di rete _________________________________________________________________________________________________ 109
15.3 Componenti degli impianti di teleriscaldamento _____________________________________________________________ 109
15.3.1 Tubazioni ___________________________________________________________________________________________________ 109
15.3.2 Fluidi termovettori ________________________________________________________________________________________ 109
15.3.3 Vaso di espansione ________________________________________________________________________________________ 110
15.3.4 Serbatoi o accumulatori ___________________________________________________________________________________ 110
15.4 Dimensionamento di un impianto di teleriscaldamento _____________________________________________________ 110
15.5 Posizionamento della pompa___________________________________________________________________________________ 111
16 IMPIANTI AD ARIA ________________________________________________________________________________________________ 113
16.1 Componenti degli impianti ad aria _____________________________________________________________________________ 113
16.1.1 Scambiatori di calore ______________________________________________________________________________________ 113
16.1.2 Umidificatori _______________________________________________________________________________________________ 113
16.1.3 Deumidificatori ____________________________________________________________________________________________ 113
16.1.4 Filtri _________________________________________________________________________________________________________ 114
16.1.5 Bocchette o diffusori _______________________________________________________________________________________ 115
16.1.6 Condotti ____________________________________________________________________________________________________ 115
16.1.7 Ventilatori __________________________________________________________________________________________________ 116
16.2 Tipologie di impianti ad aria ___________________________________________________________________________________ 116
16.2.1 Impianti a tutta aria _______________________________________________________________________________________ 116
16.2.1.1 Im
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