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)
Trasmissione del calore: pacchetto last-minute
Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 4 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.
1Formule e metodi
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
Una parete è composta da 200 mm di vetro e 25 mm di calcestruzzo, con un’area di 6 m². Le facce esterne sono a 23 °C e 10 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.
L1 = 200 mm, k1 = 0,96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 23 °CT3 = 10 °C
Ti = °C
2.Conduzione del caloreDifficile
Una parete di 250 mm cartongesso e 25 mm vetro separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -7 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 30 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 12 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.
L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -7 °C
Q̇ = W
3.Scambiatori di calore (LMTD)Media
Uno scambiatore controcorrente trasferisce 150 kW. Il fluido caldo si raffredda da 140 a 90 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 85 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.
Q̇ = 150 kWU = 1000 W/(m²·K)Th: 140 → 90 °CTc: 25 → 85 °C
A = m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
In uno scambiatore a doppio tubo controcorrente, olio caldo (1 kg/s, cp = 2,5 kJ/(kg·K)) scorre nel tubo interno e si raffredda da 145 a 110 °C. Acqua (0,5 kg/s, cp = 4,18 kJ/(kg·K)) nell’intercapedine anulare entra a 10 °C. Il tubo interno ha un diametro di 20 mm, e U = 300 W/(m²·K) è riferito a questo diametro. Trova la lunghezza del tubo L necessaria.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 145 → 110 °Cṁc = 0,5 kg/sTc,in = 10 °CD = 20 mmU = 300 W/(m²·K)
L = m
3Soluzioni
1.Conduzione del calore
Risposta: Ti = 11,03 °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) = (200/1000)/(0,96·6) = 0,03472 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·6) = 0,002976 K/W
Flusso termico
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/0,0377 = 344,8 W
Temperatura all’interfaccia
La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.
Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 344,8·0,03472 = 11,03 °C
Risposta
Ti = 11,03 °C
2.Conduzione del calore
Risposta: Q̇ = 210,3 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 in serie
Ri = 1/(hiA) = 1/(8·12) = 0,01042 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·12) = 0,1225 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,96·12) = 0,00217 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·12) = 0,002778 K/W
ΣR = 0,1379 K/W
Perdita di calore
Q̇ = (22 − (-7))/0,1379 = 210,3 W
Risposta
Q̇ = 210,3 W
3.Scambiatori di calore (LMTD)
Risposta: A = 2,506 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 = 140 − 85 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 90 − 25 = 65 K
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 65)/ln(55/65) = 59,86 K
Area
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 150000/(1000·59,86) = 2,506 m²
Risposta
A = 2,506 m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)
Risposta: L = 48,09 m
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.
Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua
Q̇ = 1·2,5·(145 − 110) = 87,5 kW
Tc,out = 10 + 87,5/(0,5·4,18) = 51,87 °C
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 = 145 − 51,87 = 93,13 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 110 − 10 = 100 K
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (93,13 − 100)/ln(93,13/100) = 96,53 K
Area e lunghezza
A = 87500/(300·96,53) = 3,022 m²
L = A/(πD) = 3,022/(π·0,02) = 48,09 m
Risposta
L = 48,09 m
ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer