Impianti e fenomeni di trasporto

Impianti e fenomeni di trasporto

Anno 2019-2020

Docente: Luca Gianpaolo Nobili

By M.B.

Sommario

• Introduzione .................................................................................................................................. 5
• Equazioni di bilancio .................................................................................................................... 5
• Operatori differenziali ................................................................................................................. 6
• Flusso convettivo ........................................................................................................................ 6
• Equazioni di continuità ................................................................................................................ 7
• Equazioni di Navier-Stokes ........................................................................................................... 8
• Equazioni di bilancio dell’energia................................................................................................... 8
• Meccanismi di trasferimento di calore ............................................................................................ 10
• Conduttività termica dei gas ...................................................................................................... 10
• Conduttività termica nei liquidi .................................................................................................. 12
• Conduttività termica nei solidi.................................................................................................... 13
• Conduttività termica nei diversi materiali .................................................................................... 14
• Conduttività dei solidi eterogenei ............................................................................................ 15
• Trasferimento di calore ed equazione dell’energia ............................................................................ 16
• Trasferimento di calore in convezione forzata .............................................................................. 17
• Coefficiente di scambio termico .............................................................................................. 19
• Trasferimento di calore in convezione naturale ............................................................................ 20
• Scambio termico con moto turbolento........................................................................................ 21
• Scambio termico con ebollizione ............................................................................................. 21
• Raffreddamento durante la tempra per immersione .................................................................. 22
• Raffreddamento con getti d’acqua .......................................................................................... 22
• Esercitazione 1 (19/03/2020) ......................................................................................................... 23
• Esercizio 1................................................................................................................................ 23
• Esercizio 2................................................................................................................................ 24
• Esercizio 3................................................................................................................................ 25
• Esercizio 4................................................................................................................................ 27
• Conduzione termica nei solidi ........................................................................................................ 29
• Sistema a dimensione finita ....................................................................................................... 29
• Raffreddamento Newtoniano .................................................................................................. 31
• Problema generale ................................................................................................................ 32
• Sistema a dimensione infinita (semi-infinita) ................................................................................ 35
• Sistemi multidimensionali .......................................................................................................... 36
• Alettature ................................................................................................................................ 37
• Sorgenti localizzate ................................................................................................................... 40
• Sorgenti statiche su lastre spesse............................................................................................ 40
• Sorgenti mobili su lastre spesse .............................................................................................. 41
• Sorgenti mobili su lastre sottili ............................................................................................... 43
• Esercitazione 2 (31/03/2020) ......................................................................................................... 44
• Esercizio 6................................................................................................................................ 44
• Esercizio 7................................................................................................................................ 46
• Esercizio 8................................................................................................................................ 47
• Esercizio 9................................................................................................................................ 50
• Irraggiamento .............................................................................................................................. 51
• Radiazione del corpo nero ......................................................................................................... 52
• Fattori di vista .......................................................................................................................... 53
• Casi semplici di fattori di vista ................................................................................................ 55
• Corpi grigi................................................................................................................................ 56
• Applicazione 1: Superfici radianti semplici ................................................................................ 56
• Applicazione 2: Schermi tra superfici radianti............................................................................ 57
• Applicazione 3: Irraggiamento in spazi delimitati ....................................................................... 58
• Convezione e irraggiamento.................................................................................................... 60
• Esercitazione 3 (07/04/2020) ......................................................................................................... 61
• Esercizio 10 .............................................................................................................................. 61
• Esercizio 11 .............................................................................................................................. 63
• Esercizio 12 .............................................................................................................................. 65
• Metodi numerici .......................................................................................................................... 67
• Metodo esplicito ....................................................................................................................... 67
• Irraggiamento in superficie ..................................................................................................... 70
• Sistemi bidimensionali ........................................................................................................... 72
• Metodo implicito ...................................................................................................................... 72
• Applicazione: Stampaggio a iniezione di polimeri .............................................................................. 73
• Cinetica di cristallizzazione ......................................................................................................... 74
• Equazione di conduzione termica................................................................................................ 75
• Misura della resistenza termica di contatto .................................................................................. 76
• Applicazione: Leghe metalliche amorfe ........................................................................................... 79
• Leghe amorfe massive (Bulk Metallic Glasses)............................................................................... 81
• Polveri di lega (Al Ni Y ) .......................................................................................................... 82
• Raffreddamento delle polveri (atomizzazione)........................................................................... 82
• Solidificazione su ruota raffreddata (melt spinning) .................................................................. 83
• Trasporto di materia ..................................................................................................................... 87
• Diffusione nei solidi................................................................................................................... 87
• Diffusione nei liquidi ................................................................................................................. 88
• Diffusione nei gas ..................................................................................................................... 89
• Diffusione in materiali porosi ...................................................................................................... 90
• ≪ )Piccoli liberi cammini medi ( ......................................................................................... 90
• ≫ )Piccoli liberi cammini medi ( ......................................................................................... 91
• Trasporto di materia per convezione ........................................................................................... 92
• Diffusione in sistemi finiti ....................................................................................................... 94
• Coefficiente di scambio materiale............................................................................................ 95
• Trasporto di materia in convezione forzata .............................................................................. 96
• Trasporto di materia in convezione naturale............................................................................. 97
• Trasporto di materia interfase................................................................................................. 98
• Esercitazione 4 (28/04/2020) ........................................................................................................101
• Esercizio 1...............................................................................................................................101
• Esercizio 2...............................................................................................................................104
• Esercizio 3...............................................................................................................................108
• Applicazione: Deposizione chimica da fase vapore (CVD)..................................................................111
• Reattori LPCVD per wafer di Si...................................................................................................115
• Applicazione: Ossidazione ad alta temperatura ...............................................................................117
• Ossidazione del cromo .............................................................................................................118
• Ossidazione di altri materiali (W, Mo, Si e Al) ...............................................................................120
• Reazioni gas-solido......................................................................................................................121
• Riduzione diretta del ferro........................................................................................................125
• Impianto a riducente gassoso................................................................................................127
• Processo di riduzione............................................................................................................129
• Ferro ridotto .......................................................................................................................131
• Controllo delle emissioni ..............................................................................................................132
• Decantazione ..........................................................................................................................133
• Dimensionamento del decantatore .........................................................................................135
• Decantatore a pareti inclinate ................................................................................................137
• Decantatore reale ................................................................................................................138
• Coagulazione e flocculazione.....................................................................................................139
• Coagulazione pericinetica ......................................................................................................141
• Coagulazione ortocinetica .....................................................................................................142
• Agenti coagulanti .................................................................................................................142
• Condizioni operative.............................................................................................................143
• Filtrazione...............................................................................................................................144
• Flottazione ..............................................................................................................................148
• Flottazione nei minerali (collettori e inibitori)...........................................................................149
• Impianti di flottazione (bolle generate da agitazione meccanica) ...............................................149
• Processo di flottazione (impianti) ...........................................................................................150
• Aerazione con acqua satura (bolle generate acqua salata) ..........................................................151
• Flottazione nel trattamento delle acque..................................................................................152
• Adsorbimento (inizio trattamenti chimici)....................................................................................152
• Adsorbimento con carbone attivo ...........................................................................................152
• Processo a flusso continuo (curva breakthrough) .....................................................................153
• Dimensionamento della colonna ............................................................................................153
• Rigenerazione ......................................................................................................................154
• Aerazione ............................................................................................................................154
• Resine a scambio ionico ............................................................................................................155
• Reazioni di scambio (addolcimento acqua) ..............................................................................156
• Capacità delle resine ............................................................................................................156
• Selettività delle resine ..........................................................................................................157
• Affinità delle resine ..............................................................................................................157
• Acqua deionizzata ................................................................................................................157
• Scambiatori a letto misto ......................................................................................................158
• Processi di separazione a membrana ..........................................................................................159
• Moduli di separazione (modulo a spirale) ................................................................................160
• Osmosi: Diretta e inversa.......................................................................................................161
• Materiali delle membrane .....................................................................................................162
• Effetto dei parametri di processo ............................................................................................163
• Limitazioni del processo ........................................................................................................164
• Elettrodialisi ........................................................................................................................165
• Evaporazione...........................................................................................................................166
• Evaporazione e termocompressione .......................................................................................166
• Evaporazione a multiplo effetto..............................................................................................167
• Dissalazione mediante evaporazione (esempio evaporazione a multiplo effetto) ...........................168

Introduzione

I fenomeni di trasporto governano i processi di trasformazione dei materiali. La trattazione di questi fenomeni si fonda su equazioni di bilancio, che esprimono i principi di conservazione di materia, quantità di moto (affrontato nel corso “Meccanica dei Fluidi”) ed energia.

Le equazioni di bilancio possono essere applicate:

• All’intero sistema in esame (bilanci globali, integrali o macroscopici).
• Ad un elemento di volume all’interno del sistema ipotizzabile come piccolo a piacere (bilanci...