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Indice
P.1 Termodinamica
- Sistemi termici
- Auto e def.
- Energia e 1a prinicpio t.d.
- Prop. termodinamiche
- Analisi energetica ai V.C.
- 2o principio t.d.
- Entropia
- Macchine di potenza e scamb. vapore
- Sist. di potenza per gas
- Psicometria
P.2 Fluidodinamica
- Meccanica dei fluidi: statica
- Equaz. della P e En
- Similitudine analisi dim. e modellazione
- Flusso: interno ed esterno
P.3 Trasferimento del calore
- Trasmissione del calore: modalità, equaz. e bilanci
- Scambio di calore per conduzione
- Trasmissione del calore per convezione
- Trasmissione del calore per irraggiamento
SISTEMI TERMICI
INGEGNERIA DEI SISTEMI TERMICI
- accumulo
- trasferimento
- conversione
della ENERGIA
Si occupa delle modalità con cui l'energia viene ottimamente impiegata
- Settori:
- produz. en. elettr.
- industria chimica
- manifatturiero
- mezzi locomozione
Ec cinetica + Ep potenziale + Eu interna
U sistema
Si sono composte da più elementi - analizzzati stocastizzando:
- TERMODINAMICA
- FLUIDODINAMICA
- SC. CALORE
Sfruttando:
- conservaz. massa
- conservaz. energia
- conservaz. quant. moto
- II princi. termodinam.
Termodinamica
- conservaz. massa
- conservaz. energia
- II° principio
Fluidi
- conservaz. P
- equilibrio meccanica
Trasf. calore
- convezione
- conduzione
- irraggiamento
Potenza di un albero
rel. angolare ω
- coppia T
- forza tangente Ft
T = Ft R
L = Ft l
W = ᠁ = I ᠁
=> Twω
Potenza elettrica
L = VI
con V = pot. elettrica (E)
I = corrente elettrica
- v. elettrostatica: Pe = VI
- Pe = VI
Lavoro di espansione o compressione
La forza esercitata da un gas su un pistone è
F = P · A => F = P · πR2 se sup. circolare
Quindi: il lavoro prodotto del gas è -
SL = F.ds
s.p A dx
A dx = dV => SL = PdV
Ls = ∫v1v2 p · dV
Trasformazione quasi-statica
trasform. in cui tutti gli stati
attraverso cui il sistema si evolve possono essere considerati
stati di equilibrio.
- valori delle proprietà intensive sono uniformi all'interno del sistema o di ciascuna fase.
Analisi delle Proprietà Termodinamiche
Principio di stato determina il numero di proprietà indipendenti necessarie a stabilire lo stato di un sistema.
- Regola per gas: V = C - F + 2
- Identificato un sistema da n, allora delle sole proprietà indipendenti
Per i sistemi semplici comprimibili (es. H2O gas, etc.), c'è n = 2.
- Tutte le proprietà intensive possono essere determinate in funzione di:
- es.: T e v ⟹ p=p(T,v), u=u(T,v), T e p
- Se non pure
Rappresentazione grafica di p-V-T
- Diagramma delle fasi (p, T)
Le linee rappresentano le regioni bifasiche, all'interno delle quali p e v ed T non sono indipendenti tra loro.
Pt è il punto triplo dove le 3 fasi possono coesistere in equilibrio.
Pc è il punto critico, che è Tc e la temperatura critica di ogni liquido e vapore. Possono coesistere in equilibrio ad una particolare pressione, ed una particolare temperatura.
Il vapore diventa indistinguibile dal suo liquido, e non è possibile dire se si è sotto una parte liquida o una parte vapore. Dalle misure note è determinato mediante la misura dei parametri di saturazione.
Nella maggior parte dei casi, in ambito ingegneristico, è possibileutilizzare delle approssimazioni per determinare le proprietà deiliquidi e dei solidi.
a) Valutazione approssimata con i dati del liquido saturo
Le tabelle mostrano che il v e la u variano moltopoco al variare della p ad una certa T⇒ v(T, p) ≈ vf(T)⇒ u(T, p) ≈ uf(T)e quindi per l’entalpia:⇒ h(T, p) ≈ uf(T) + p vf(T)= hf(T) + vf(T) (p - psat(T))
Avendo il 2o membro è piccolo⇒ h(T, p) ≈ hf(T)
b) Modellizzazione a sostanza incomprimibile (
Si assume che il v sia costante e che u varisoltanto in funzione di T(⇒ v = costu = u(T))
► sostanza INCOMPRIMIBILE⇒ anche c = c(T)cv(T) = du/dTl’entalpia invece resta h = h(p, T)h(T|p) = u(T) + pv⇒ Cp:(∂h)/(∂T)│p:
- du/dT = cv
- ⇒ Cp = Cv = C
NB: v = V/m = v
Con una variazione in un ΔTlimitata e modesta (≥ C è cost.)
Anàlisi Energetica dei Volumi di Controllo
Lo scambio di energia attraverso il contorno di un volume di controllo (sist. aperti) avviene come nei sistemi chiusi: sotto forma di Q ed L, ma in questo caso è necessario tenere conto anche del trasferimento di energia sotto forma di m entrante ed m uscente.
Volume di Controllo:
Se bilancio della portata massica per il vol. di controllo, stabilisce che:
invc = imci - imcu
(con imci e imcu = portate massiche) con mvc = massa contenuta nel v.c. a t0
In generale:
dmvc/dt = Σi imcu - Σi imcu
Se ci sono ɪ uscite ed entrate è
Idealizzazioni:
Se flusso è monodimensionale se:
- Vi ≠ 0 al contorno del V.C. in corrispondenza delle regioni d'i e cu.
- Tutte le proprietà intensive (p, v, ..) sono uniformi lungo ciascuna delle regioni di ingresso ed uscita.
Alcuni analogie gas:
- ΔU =0
- - Δh0 - opportune corone (turbina)
- Δα0 piccole
COMPRESSORE
Dispositivo destinato a svolgere lavoro su un gas, allo scopo di aumentarne la pressione.
TIPI:
- a) ALTERNATIVO
- b) ASSIALE
- c) CENTRIFUGO
- d) ROOTS
POMPA
Il lavoro in questo caso è utilizzato per comprimere un liquido
Per compressori e pompe:
- Δh e ΔU molto piccole
- scambio di Q con l'ambiente
Cicli Frigoriferi
Per un frigorifero il coefficiente di prestazione è:
β = QF / (Lciclo =) Ac - QF
= QF / Ac - 1
Se Lciclo => 0 β=>∞
Se Lciclo =< 0 => Il sistema assorbirebbe energia QF dalla sorgente calda fredda & fornirebbe energia Ac = QF
No! per enunciato di Carnot
=> β valore finito (Corollari)
Corollari per cicli frigoriferi:
- Il coefficiente di prestazione di un ciclo frigorifero irreversibile è sempre inferiore al coeff. di pr. di un ciclo frigorifero reversibile che opera tra le stesse due sorgenti termiche
Birr < Brev
- Tutti i cicli frigoriferi che operano tra 2 = sorgenti termiche, hanno lo stesso β.
(Analogo anche per pompe di c.)
Scala Kelvin
- Poiché η dipende solo dalle 2 temperature delle sorgenti, e anche il βciclo inverso, dipende solo dalle temp.st., allora è possibile definire una scala di temperatura indipendente dalle propr. del sostanza.
QF / (Ac/ciclo rev.) = TF / Tc
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