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
Polistirene espanso, k = 0,03550 mmVetro, k = 0,9625 mm19 °C-5 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 50 mm di polistirene espanso e 25 mm di vetro, con un’area di 8 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -5 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 19 °CT3 = -5 °C
Ti = °C
2.Conduzione del caloreDifficile
Legno, k = 0,17250 mmMattone, k = 0,72100 mmstanza 21 °Cesterno 0 °CTs​ = ?Q̇

Una parete di 250 mm legno e 100 mm mattone separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a 0 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 12 m². Trova la temperatura Ts della superficie interna della parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 12 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 0 °C
Ts = °C
3.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT180 °C80 °C30 °C10 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 310 kW. Il fluido caldo si raffredda da 180 a 80 °C e il fluido freddo si riscalda da 10 a 30 °C. Il coefficiente globale di scambio è 800 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 310 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 180 → 80 °CTc: 10 → 30 °C
A = m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT105 °C30 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 105 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 5 m² e U = 1000 W/(m²·K). L’acqua di raffreddamento (2 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) entra nei tubi a 30 °C. Trova la temperatura di uscita dell’acqua Tc,out.

Ts = 105 °CA = 5 m²U = 1000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/scp = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °C
Tc,out = °C

3Soluzioni

1.Conduzione del calore

Risposta: Ti = −4,57 °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 degli strati

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·8) = 0,1786 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·8) = 0,003255 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0,1818 = 132 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 19 − 132·0,1786 = −4,57 °C

Risposta

Ti = −4,57 °C
2.Conduzione del calore

Risposta: Ts = 19,81 °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/(10·12) = 0,008333 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·12) = 0,1225 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,72·12) = 0,01157 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W
ΣR = 0,1466 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (21 − (0))/0,1466 = 143,2 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 143,2·0,008333 = 19,81 °C

Risposta

Ts = 19,81 °C
3.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 3,692 m²

Metodo LMTD: la differenza di temperatura tra le correnti cambia lungo lo scambiatore, quindi l’equazione usa la sua media logaritmica: Q̇ = U·A·ΔTlm, con ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dove ΔT₁ e ΔT₂ sono le differenze ai due estremi. A parità di temperature di ingresso e uscita, la controcorrente dà un ΔTlm maggiore dell’equicorrente.

Differenze di temperatura agli estremi

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 = 180 − 30 = 150 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 80 − 10 = 70 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (150 − 70)/ln(150/70) = 105 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 310000/(800·105) = 3,692 m²

Risposta

A = 3,692 m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 63,76 °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) = 1000·5/(2·4180) = 0,5981

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,5981 = 75·0,5499 = 41,24 K
Tc,out = 105 − 41,24 = 63,76 °C

Risposta

Tc,out = 63,76 °C

Calore trasferito: Q̇ = 282,2 kW.

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