Trasmissione del calore: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 4 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Conduzione del calore

Legge di Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Resistenza conduttiva
R = L/(kA)
Resistenza convettiva
R = 1/(hA)
Resistenze in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Trasmittanza U
U = 1/(ΣR·A)

Scambiatori di calore (LMTD)

Potenza termica
Q = U·A·ΔTlm
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilancio di una corrente
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2Esercizi

1.Conduzione del caloreMedia
Mattone, k = 0,72100 mmLegno, k = 0,17100 mm25 °C-5 °CQ̇ = ?

Una parete è composta da 100 mm di mattone e 100 mm di legno, con un’area di 12 m². Le facce esterne sono a 25 °C e -5 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.

L1 = 100 mm, k1 = 0,72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = -5 °C
Q̇ = W
2.Conduzione del caloreDifficile
Vetro, k = 0,96150 mmMattone, k = 0,7225 mmstanza 22 °Cesterno -6 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 150 mm vetro e 25 mm mattone separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -6 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 8 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 150 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -6 °C
Ts = °C
3.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT100 °C55 °C20 °C10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 260 kW. Il fluido caldo si raffredda da 100 a 55 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 20 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,8, e U = 500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 260 kWF = 0,8U = 500 W/(m²·K)Th: 100 → 55 °CTc: 10 → 20 °C
A = m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT120 °C15 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 120 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 3 m² e U = 3000 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (1 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 15 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 120 °CA = 3 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °C
Tc,out = °C

3Soluzioni

1.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 495,1 W

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze degli strati

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,72·12) = 0,01157 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·12) = 0,04902 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,06059 = 495,1 W

Risposta

Q̇ = 495,1 W
2.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 13,37 °C

Resistenza termica: il flusso di calore stazionario attraverso strati in serie si comporta come una corrente in resistori in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, con R = L/(kA) per uno strato conduttivo e R = 1/(hA) per una superficie con convezione. La caduta di temperatura in ogni strato è proporzionale alla sua resistenza.

Resistenze in serie

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·8) = 0,0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0,96·8) = 0,01953 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·8) = 0,00434 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,04054 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-6))/0,04054 = 690,7 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 690,7·0,0125 = 13,37 °C

Risposta

Ts = 13,37 °C
3.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 10,69 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Differenze di temperatura agli estremi (controcorrente)

In controcorrente l’ingresso caldo è di fronte all’uscita fredda, e l’uscita calda di fronte all’ingresso freddo.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 100 − 20 = 80 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 55 − 10 = 45 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 45)/ln(80/45) = 60,83 K

Area

A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 260000/(500·0,8·60,83) = 10,69 m²

Risposta

A = 10,69 m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 107,8 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Combina il bilancio energetico e l’equazione di scambio

Con ΔT₁ = Ts − Tc,in e ΔT₂ = Ts − Tc,out, la differenza ΔT₁ − ΔT₂ è uguale all’aumento di temperatura dell’acqua, quindi l’aumento si semplifica.

ṁcp(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁcp) = 3000·3/(1·4180) = 2,153

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−2,153 = 105·0,1161 = 12,19 K
Tc,out = 120 − 12,19 = 107,8 °C

Risposta

Tc,out = 107,8 °C

Calore trasferito: Q̇ = 387,9 kW.

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