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
Cartongesso, k = 0,1750 mmPolistirene espanso, k = 0,03550 mm16 °C2 °CTi​ = ?Q̇

Una parete è composta da 50 mm di cartongesso e 50 mm di polistirene espanso, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 16 °C e 2 °C. Trova la temperatura Ti all’interfaccia tra i due strati.

L1 = 50 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 16 °CT3 = 2 °C
Ti = °C
2.Conduzione del caloreDifficile
Lana minerale, k = 0,04250 mmCartongesso, k = 0,17100 mmstanza 22 °Cesterno -6 °CQ̇ = ?

Una parete di 250 mm lana minerale e 100 mm cartongesso separa una stanza a 22 °C dall’aria esterna a -6 °C. I coefficienti di convezione sono 8 W/(m²·K) all’interno e 20 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 6 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.

L1 = 250 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -6 °C
Q̇ = W
3.Scambiatori di calore (LMTD)Media
lunghezzaT175 °C60 °C110 °C25 °CΔT₁ΔT₂controcorrente

Uno scambiatore controcorrente trasferisce 250 kW. Il fluido caldo si raffredda da 175 a 60 °C e il fluido freddo si riscalda da 25 a 110 °C. Il coefficiente globale di scambio è 1500 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.

Q̇ = 250 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 175 → 60 °CTc: 25 → 110 °C
A = m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
lunghezzaT120 °C30 °C?ΔT₁ΔT₂vapore che condensa

Il vapore condensa a 120 °C costanti all’esterno dei tubi di un condensatore con un’area di scambio di 1,5 m² e U = 3000 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 = 120 °CA = 1,5 m²U = 3000 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 = 13,61 °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)/(0,17·15) = 0,01961 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·15) = 0,09524 K/W

Flusso termico

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,1148 = 121,9 W

Temperatura all’interfaccia

La temperatura scende nel primo strato di Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 16 − 121,9·0,01961 = 13,61 °C

Risposta

Ti = 13,61 °C
2.Conduzione del calore

Risposta: Q̇ = 23,95 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/(8·6) = 0,02083 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,04·6) = 1,042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,17·6) = 0,09804 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 1,169 K/W

Perdita di calore

Q̇ = (22 − (-6))/1,169 = 23,95 W

Risposta

Q̇ = 23,95 W
3.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: A = 3,439 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 = 175 − 110 = 65 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 60 − 25 = 35 K

Differenza di temperatura media logaritmica

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (65 − 35)/ln(65/35) = 48,46 K

Area

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250000/(1500·48,46) = 3,439 m²

Risposta

A = 3,439 m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)

Risposta: Tc,out = 67,46 °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) = 3000·1,5/(2·4180) = 0,5383

Temperatura di uscita

ΔT₂ = ΔT₁·e−0,5383 = 90·0,5838 = 52,54 K
Tc,out = 120 − 52,54 = 67,46 °C

Risposta

Tc,out = 67,46 °C

Calore trasferito: Q̇ = 313,2 kW.

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