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 partiolare importanza per quanto

attiene:

1) alla radiazione solare incidente sulle pareti degli ambienti (d’estate, soprattutto quelle

trasparenti come le vetrate);

2) allo scambio d’ energia radiante tra gli occupanti e le pareti dell’ ambiente;

3) 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) poichè 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 puo essere consideraata 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 dalla 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 di

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 linee isoentlapica.

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 èil 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 poichè 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, perchè 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 Wein. 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’altr, 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 de 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 v

μ

il numero di Grashof è un numero abbastanza complesso e rappresenta il rapporto fra le

forze di galleggiamento e le forze viscose. 3 2

D p g α p a r e t e−T f l u id o

(T )

La formula fisica del numero di Grashof è: 2

μ

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 necessita percepita da chiunque sarebbe di iolarlo 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

lasciare 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

fassorbito 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 p 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 priflo

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