Fisica tecnica

Convezione termica

MAXQuesta è la convezione naturale: si verificano le forze di galleggiamento e quindi per poter avvenire è necessario un campo gravitazionale Convezione forzata: avviene indipendentemente dalle forze di galleggiamento per effetto meccanico dovuto ad un ventilatore se aeriforme o una pompa se si tratta di un liquido. Si realizza uno scambio termico superiore (flusso termico scambiato tra le pareti è nettamente superiore) Forzata interna convezione convezione naturale eat Convezione Esterna: - si realizza uno strato limite simile a quello visto in cui la velocità va dalla parete (velocità nulla) alla superficie esterna Interna: - ad esempio in un tubo circolare, si crea una colonna circolare di strato limite e questi strati limite aumentano fino a quando arrivano sulla mezzeria al centro del tubo stesso dove si ha l'interazione tra i due strati limite per cui, dopo un po', si ha l'andamento delle temperature di tipo parabolico convelocità nulla sul contorno del tubo e velocità massima sull'asse. Dove interagiscono gli strati limite si ha un rimescolamento del fluido mentre prima si vede proseguire il fluido in maniera ordinata (maniera laminare) e se aumentiamo la velocità abbiamo gli strati limite con dimensione maggiore e quando si ha la stabilizzazione del fluido non si ha un profilo di temperatura parabolico. In base alla velocità impostata dal fluido si possono avere dei moti laminari o turbolenti (presenza di vortici) che comporta un rimescolamento del fluido maggiore e anche il coefficiente di scambio convettivo che ne deriva tende ad aumentare. Legge di Newton: meccanismo utilizzato per determinare il flusso termico scambiato in una convezione termica. Il flusso termico scambiato tra una parete più calda e una parete più fredda è dato dalla formula: Q = h * A * (Tc - Th) dove: - Q è il flusso termico scambiato - h è il coefficiente di scambio convettivo - A è l'area di scambio termico - Tc è la temperatura della parete più fredda - Th è la temperatura della parete più calda Invertendo la formula, si ottiene: h = Q / (A * (Tc - Th)) Quindi, il coefficiente di scambio convettivo dipende dal flusso termico scambiato, dall'area di scambio termico e dalla differenza di temperatura tra le pareti.

calore scambiato il caratterizzacheh semplifica convezionel'espressione per locale considera scambio l'effettivo quantitativamente senza dovrei di conto letenertermine dinamiche anche questo econ gapprossimare oltre termiche quellea 4 wniokma. con naturale convezione d ventola1 nel assencaso aishan E 5 zo fortedi ventonel20 caso Invezione Forzata alle basse vel vel50 Tha fluido ha hIn SAT altissimoin un 1000 10.000 un si nil paretidelle due Tosalto laTo quindid uguali9 e si approxIIRumazione Quando abbiamo generazione interna di calore la parete si comporta come metà resistenza attraversata da tutto il flusso Scambiatori: sono organi che permettono scambio di calore da fluidi caldi a fluidi freddi Torre evaporante: viene spruzzata acqua e viene mandato il vapore caldo dal basso che fa evaporare l'acquaspruzzata e si entra nella zona dei vapori surriscaldati H O cede tanta entalpia e il gas caldo viene raffreddato 2 Altro scambiatore: il fluido caldo entra in un sistema con

Molti scambiatori ad intermittenza generano blocchi con molta capacità termica. Il gas cede calore ai blocchi e viene fatto uscire una volta che la temperatura diminuisce (si deve raffreddare il gas per legge). Si usa questo metodo solo in caso di uscita non continua di fluidi perché i blocchi si devono raffreddare.

Scambiatori a flussi separati:

• esternamente sono adiabatici e possono essere equicorrenti o controcorrenti. Il fluido principale subisce la maggiore escursione termica
• fluido I portata principale
• fluido G secondario portata

Considero 1 D In In f In In p In principio il Port Tu I Più ipotizzo Tw scrivo Cp cone Scelta 1144 ptwtu Tn concentrati Tecnica parametria di merito parametro E efficienza E' 10 uno ifh.io Tout ce Tw To erincyale sto primario Tj et secondario To T4 Q'Max T.caorenat Qd I fluido dell'altro I qat 18149 tra termiche portale Rapporto 144 di fino 6f trovare anche NUT Nut di Numero può arrivare sia sppuò 84 scambio fluidi della condettanza

Tra due resistenze di convezione inversa, la resistenza tra i fluidi con due temperature medie può essere calcolata utilizzando la formula superficiale: f = 1 / (h specie * Not) Dove: - f è la resistenza termica superficiale - h specie è il coefficiente di scambio termico specifico - Not è la superficie di scambio termico Grafici che legano la capacità termica acon e il salto termico possono essere utilizzati per determinare la resistenza termica superficiale. Gli scambiatori di calore controcorrente sono più convenienti rispetto a quelli equicorrenti perché il salto di temperatura rimane notevole lungo tutta la lunghezza dello scambiatore. All'infinito, aumentando la superficie, tendono all'efficienza unitaria. Nel caso in cui la densità (ρ) sia uguale a 1, le capacità termiche sono le stesse e i profili di temperatura diventano rettilinei. Funziona anche con un fluido in saturazione. Se entrambi i fluidi sono in saturazione a una temperatura costante (SAT), è possibile calcolare la resistenza termica utilizzando la formula: X = S'AT / (K * sat) Dove: - X è la resistenza termica - S'AT è la differenza di temperatura tra i fluidi in saturazione - K sat è la conducibilità termica del fluido in saturazione È possibile calcolare e conoscere questi valori per determinare la resistenza termica tra i fluidi.

scambioricavare sp• Altro caso: in uno scambiatore la temperatura passa da 20° in ingresso a 110° in uscita-> divido lo scambiatore in 3scambiatori di cui uno iniziale e uno finale con ρ!=0 e uno nel mezzo, prima dell’evaporazione, in saturazione con ρ=0Raffreddamento componenti elettronici• Convezione forzata: ventola interna al calcolatore. Le schede funzionano entro una certa temperatura T e con una Qdissipata massima• Se la convenzione forzata non basta allora le schede vengono immerse in un fluido dielettrico non conduttivo e ilcoefficiente di scambio convettivo cresce (in questo modo si possono miniaturizzare i componenti). In questo modoserve un sistema di ricircolo del liquido e si usa quindi una pompa• Un altro metodo è immergere la scheda in un dielettrico in condizione di ebollizione sottoraffreddata, ovvero un corpocon temperature maggiori di 100º viene immerso in un liquido alla temperatura di circa 60º; il

contatto provoca ebollizione sulla superficie e le bolle si staccano sentendo, sulla superficie del dielettrico, una temperatura minore e di conseguenza implodono. Gli ultrasuoni servono per far staccare più velocemente queste bolle. Il coefficiente di scambio convettivo aumenta (non abbiamo movimento di fluido). Affinché il sistema non vada in overflow serve un sistema con temperatura di saturazione di circa 50°-60°

DEFINIZIONI

• Sistema: spazio delimitato da una superficie detta frontiera che può essere fissa o mobile
• Sistema chiuso: se attraverso il contorno non vi è flusso di materia in entrata e in uscita; può interagire con l'esterno scambiando calore o lavoro
• Sistema aperto: se attraverso il contorno vi è flusso di materia in entrata e in uscita

Lavoro [J]

• >0 se il lavoro è fatto dal sistema verso l'esterno
• <0 se il lavoro è fatto dall'esterno sul sistema

Reversibile: è

associato alle trasformazioni reversibili (quando si passa da uno stato di equilibrio all'altro, è una trasformazione che può essere invertita riportando il sistema nelle condizioni iniziali senza scambio di energia con l'ambiente esterno) o Irreversibile: è associato alle trasformazioni irreversibili (trasformazione nella quale non è possibile ritornare allo stato iniziale se non con uno scambio di energia) • Equilibrio termodinamico: quando il sistema è contemporaneamente in equilibrio meccanico, chimico e termico. Quando un sistema si trova in questo equilibrio tutte le grandezze del sistema non variano nel tempo e sono omogenee, ovvero che tutte le grandezze in ogni sottoparte del sistema sono uguali o Equilibrio meccanico: sistema fermo in ogni sua parte o Equilibrio chimico: non ci sono trasformazioni chimiche in atto o Equilibrio termico: temperatura è uniforme in ogni sua parte del sistema • Scambi di calore: per poter avvenire

Le pareti del sistema devono essere permeabili al calore che può essere:

• Entrante: se la temperatura esterna è maggiore di quella interna
• Uscente: se la temperatura interna è maggiore di quella esterna

Pareti adiabatiche: non si scambia calore con il sistema, hanno resistenza e spessore infinito (non esistono in natura)

Pareti diatermiche: si scambia calore con il sistema, hanno resistenza e spessore nullo (non esistono in natura)

Termostato: è un sistema che scambia calore con un altro sistema senza cambiare il suo stato di equilibrio (non esiste in natura)

Calore [J]

• >0 se entrante
• <0 se uscente
• È additivo -> se il sistema raddoppia lo fa anche il calore

Variabili di scambio -> (calore e lavoro)

Variabili di stato -> (P, T, energia, entalpia etc) sono differenziali esatti, ovvero si possono scrivere come somma di derivate parziali rispetto ad altre variabili di stato

Estensive -> dipendono dalle dimensioni del corpo

a cui si riferiscono e possono essere sommatetra di loro. Facendo riferimento al Kg possono diventare intensive ma non il viceversao intensive->(P e T)si rifà alle proprietà della grandezza e alle caratteristiche di equilibrio• Grandezze estensive: sono additive (calore); si indicano in corsivoo Possono diventare intensive: basta dividere per la massa• Grandezze intensive: non sono additive (calore/massa); si indicano in stampatelloo Non possono diventare estensive• Grandezza di stato: rimane costante se il sistema è in equilibrio• Bocca della frontiera: dove si ha lo scambio di massa che entra/esce dal sistema (non si ha scambio dicalore)• Portata: viene utilizzata per quantizzare la massa che esce o entra nel sistema attraverso le bocche.Se bocca IN portata<0, se OUT portata>0.• Lavoro di pulsione: lavoro necessario per spingere il fluido all'interno del sistema o quello per tenereil fluido all'interno. Agisce in

corrispondenza delle bocche. In OUT è il sistema che lo compie mentre