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 250 mm di cartongesso e 50 mm di polistirene espanso, con un’area di 15 m². Le facce esterne sono a 19 °C e -2 °C. Trova il flusso termico Q̇ attraverso la parete.
L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 19 °CT3 = -2 °C
Q̇ = W
2.Conduzione del caloreDifficile
Una parete di 200 mm calcestruzzo e 75 mm vetro separa una stanza a 21 °C dall’aria esterna a -9 °C. I coefficienti di convezione sono 10 W/(m²·K) all’interno e 25 W/(m²·K) all’esterno, e l’area della parete è 10 m². Trova la perdita di calore Q̇ attraverso la parete.
L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -9 °C
Q̇ = W
3.Scambiatori di calore (LMTD)Media
Uno scambiatore a fascio tubiero (un passaggio lato mantello, due passaggi lato tubi) deve trasferire 750 kW. Il fluido caldo si raffredda da 155 a 95 °C e il fluido freddo si riscalda da 15 a 100 °C. Il fattore di correzione della LMTD per questa configurazione è F = 0,95, e U = 1000 W/(m²·K). Trova l’area di scambio A necessaria.
Q̇ = 750 kWF = 0,95U = 1000 W/(m²·K)Th: 155 → 95 °CTc: 15 → 100 °C
A = m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)Difficile
Olio caldo (1 kg/s, cp = 2,1 kJ/(kg·K)) si raffredda da 165 a 105 °C in uno scambiatore controcorrente. Riscalda 1 kg/s di acqua (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) che entra a 30 °C. Con U = 1500 W/(m²·K), trova l’area di scambio A necessaria.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 165 → 105 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 30 °CU = 1500 W/(m²·K)
A = m²
3Soluzioni
1.Conduzione del calore
Risposta: Q̇ = 108,7 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) = (250/1000)/(0,17·15) = 0,09804 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·15) = 0,09524 K/W
Flusso termico
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 21/0,1933 = 108,7 W
Risposta
Q̇ = 108,7 W
2.Conduzione del calore
Risposta: Q̇ = 831,1 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 in serie
Ri = 1/(hiA) = 1/(10·10) = 0,01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(1,4·10) = 0,01429 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,96·10) = 0,007813 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·10) = 0,004 K/W
ΣR = 0,0361 K/W
Perdita di calore
Q̇ = (21 − (-9))/0,0361 = 831,1 W
Risposta
Q̇ = 831,1 W
3.Scambiatori di calore (LMTD)
Risposta: A = 11,83 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 = 155 − 100 = 55 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 95 − 15 = 80 K
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 80)/ln(55/80) = 66,72 K
Area
A = Q̇/(U·F·ΔTlm,cf) = 750000/(1000·0,95·66,72) = 11,83 m²
Risposta
A = 11,83 m²
4.Scambiatori di calore (LMTD)
Risposta: A = 0,9428 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.
Potenza termica e temperatura di uscita dell’acqua
Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,1·60 = 126 kW
Tc,out = 30 + 126/(1·4,18) = 60,14 °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 = 165 − 60,14 = 104,9 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 105 − 30 = 75 K
Differenza di temperatura media logaritmica
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (104,9 − 75)/ln(104,9/75) = 89,1 K
Area
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 126000/(1500·89,1) = 0,9428 m²
Risposta
A = 0,9428 m²
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