problemi di fisica tecnica ambientale proposti come
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Università degli Studi di Genova DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA MECCANICA, ENERGETICA, GESTIONALE E DEI TRASPORTI Sezione Termoenergetica e Condizionamento Ambientale (TEC) Dime PROBLEMI DI FISICA TECNICA AMBIENTALE PROPOSTI COME TEMI D'ESAME Marco Fossa, A/Prof Dime, Università di Genova Via Opera Pia 15a - 16145 Genova, Italia Tel. 010 3532198, Fax 010 311870 http://www.ditec.unige.it (ver. nov 13) Premessa Questo fascicolo contiene i testi di alcune delle prove scritte d'esame, con le relative soluzioni, proposte dallo scrivente nell'ambito dei corsi di Fisica Tecnica Ambientale e Fisica Tecnica di cui è stato docente . La raccolta è ordinata per temi, articolati nelle sottosezioni: Termodinamica ed energetica Termodinamica dell’aria umida Fluidodinamica monodimensionale Trasmissione del calore Acustica ambientale Per una trattazione completa e rigorosa delle metodologie risolutive dei problemi di Termodinamica Tecnica, Trasmissione del Calore, Acustica ed Illuminotecnica si rimanda a testi specializzati, alcuni dei quali sono citati nella bibliografia allegata al presente fascicolo. Suggerimenti e notazioni di ogni genere sono ben accette ed auspicate. Marco Fossa M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 2 Bibliografia consigliata Abramowitz M., Stegun I.A., Handbook of Mathematical Function, Dover Publ. Inc. NY (1964). Barducci I., Elementi di Acustica Applicata, Ed. Esa (1988). Bejan A., Heat Transfer, Wiley & Sons Inc. (1992). Y.A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, Mc Graw-Hill, terza edizione, 2009 Cavallini A., Mattarolo L., Termodinamica Applicata, Cleup (1988). Chapra S.C., Canale R.P., Metodi Numerici per l'Ingegneria, McGraw-Hill (1988). Guglielmini G., Pisoni C., Elementi di Trasmissione del Calore, Ed. Veschi, seconda ediz., (2001). Incropera F.P., Dewitt D.P., Fundamentals of Heat Transfer, Wiley & Sons Inc. (1981). Kreith F., Principi di Trasmissione del Calore, Liguori Ed. (1988). Lazzarin R. Strada M., Elementi di Acustica Tecnica, Cleup (1992). Moran M.J., Shapiro H.N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Wiley & Sons Inc. (1988). Parolini G., Parimbeni M., Tecnica dell'Illuminazione, Utet (1977). Pizzetti C., Condizionamento dell'Aria e Refrigerazione, Masson Italia Ed. (1987). M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 3 Simbologia Simbolo Significato a A Bi cp cv COP D f f' Fo g G Gr diffusività termica fattore di assorbimento sonoro area assorbimento sonoro numero di Biot calore specifico a press. costante calore specifico a vol. costante coefficiente di prestazione cicli inversi diametro frequenza fattore di attrito coeff. di perdita di carico concentrata numero di Fourier accelerazione di gravità irradianza numero di Grashof Forma h L/k [m²/s] --[m²] [m²] --[J/kg K] [J/kg K] --[m] [1/s] ----- Fo= aτ/x2 g = 9.806m/s² Gr= βg (Tp - T∞) L3/ ν2 portata volumetrica umidità relativa i =ρv/ρvs coefficiente di scambio termico convettivo entalpia specifica h' entalpia specifica riferita all'unità di massa dell'aria secca ha, hm carico di attrito, carico motore H entalpia totale k conducibilità termica K trasmittanza L lunghezza lavoro L lavoro specifico livello di pressione sonora 10log10 (p²/p²0) Lp LMTD= differenza di temperatura media logaritmica ∆Tm m massa portata massica & m m massa molecolare n numero di kmoli Nu numero di Nusselt Nu = h L/k p pressione P potenza & flusso termico Q Q calore Q calore specifico Gv i h Unità di misura --[m/s²] [W/m²] --[m3/s] --[W/m²K] [J/kg] [J/kgas] [m] [J] [W/mK] [W/K] [m] [J] [J/kg] --[K] [kg] [kg/s] [kg/kmol] ----[Pa] [W] [W] [J] [J/kg] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 4 R R R1 Re s S T u U v V w x y z resistenza termica potere fonoisolante costante universale dei gas R = 8314 costante particolare del gas numero di Reynolds Re = w L / ν entropia specifica entropia temperatura energia interna specifica energia interna volume specifico volume velocità coordinata assiale nella direzione del moto grado igrometrico altezza [K/W] --[J/kmol K] [J/kg K] --[J/kgK] [J/K] [K] [J/kg] [J] [m3/kg] [m3] [m/s] [m] --[m] Simboli Greci α β ε γ η λ µ ν ρ ρc, ρe σ τ assorptività coeff. di dilatazione termica β = (dv/dT)p/v volumetrica emissività rapporto cp/cv frazione utilizzata, efficienza di aletta lunghezza d'onda viscosità dinamica viscosità cinematica densità rendimento isoentropico di compressione ed espansione costante di Stefan Boltzman σ=5.67*10-8 tempo --[1/K] ------[m] [kg/s m] [m²/s] [kg/m3 ] --[W/m2K4] [s] Pedici as e g i j l p s u v ∞ dell'aria secca lato esterno della fase aeriforme ingresso, lato interno del componente j-esimo del liquido di parete isoentropico, alla saturazione uscita del vapore riferito alle condizioni indisturbate M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 5 Apici ' '' ''' riferito all'unità di lunghezza riferito all'unità di area riferito all'unità di volume M.Fossa, Short CV (sept 2011) Professore Associato, Dottore di Ricerca in Fisica Tecnica, Autore di circa 100 pubblicazioni scientifiche. Insegna, tra l’altro, Fisica Tecnica ed Energia Rinnovabile alla Facoltà di Ingegneria dell’Università di Genova. Si occupa dal punto di vista scientifico di fluidodinamica bifase, trasmissione del calore, energie rinnovabili (geotermia a bassa entalpia, solare termico e ibrido). Vanta diverse collaborazioni internazionali (Cern di Ginevra, Insa Lione, UNSW Sydney). È stato visiting Professor negli anni 2006, 2008 e 2010 presso UNSW. È stato Direttore per conto di Unige dei corsi Certificazione Energetica degli Edifici e Progettazione di Sistemi Geotermici a Bassa Entalpia M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 6 TERMODINAMICA ED ENERGETICA G993/1B In una turbina entra una portata di aria pari a 17kg/s alla temperatura di T1=930K e pressione P1=16bar che espande adiabaticamente fino alla pressione di p2 =0.5bar e T2 =450K. Calcolare il rendimento isoentropico dell'espansore e la potenza smaltita trascurando i termini cinetici e potenziali. Risoluzione Il primo principio per il sistema con deflusso in regime stazionario ci consente di scrivere: P= m& (hi-hu) mentre per definizione si ha ρe=(hi-hu)/(hi-hu)rev L'interpolazione lineare da tabelle ci fornisce: hi= 967.5 hu= 453.1 kJ/kg si= 7.262 su= 7.475 kJ/kgK hu,rev=hu(pu ,si) = 367.1 Da cui: P=17*(967.5-453.1)=8744 kW ρe=(967.5-453.1)/(967.5-367.1)=0.855 M993/1B Un impianto motore a vapore opera con una pressione massima in caldaia di 80bar. Il vapore prodotto entra in turbina a 480°C ed espande fino alla pressione di 0.08bar e titolo finale pari a 0.87. Si richiede di determinare il rendimento isoentropico dell'espansore e la portata massica di vapore necessaria per ottenere una potenza di 25MW. Si richiede inoltre di calcolare il diametro minimo dei tubi della pompa di circolazione dell'impianto, se la velocità del liquido saturo non deve superare i 5m/s. S993/1A Occorre sottrarre ad una portata di azoto ( m& =0.3kg/s) inizialmente alla temperatura di 40 °C, 8 kW termici. Per fare ciò si utilizza un ciclo inverso a vapore con refrigerante R12. Si richiede di determinare : 1) La temperatura finale dell'azoto 2) La potenza del compressore (rendimento isoentropico 0.75) 3) Il COP della macchina frigorigena 4) La portata di refrigerante evolvente Si utilizzino le informazioni seguenti: M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 7 - La temperatura di evaporazione sia 4°C La condensazione avvenga alla temperatura di 34°C All'uscita del condensatore il fluido sia in condizioni di liquido saturo La velocità di ingresso dell'azoto nel condotto dove viene raffreddato sia 15[m/s], la velocità di uscita sia 3[m/s], la pressione sia quella atmosferica D993/1A Un serbatoio, del volume di 3000 litri, contiene una miscela di azoto ed ossigeno equamente ripartiti dal punto di vista della massa. Le condizioni iniziali per l'aeriforme sono temperatura 27°C, pressione 30bar. A seguito di un processo di riscaldamento isocoro il gas raggiunge dopo un'ora la temperatura di 180°C. Si richiede di determinare: 1) La pressione parziale dei due componenti nelle condizioni iniziali 2) La pressione finale vigente nel serbatoio 3) Il flusso termico medio fornito al sistema durante il periodo di riscaldamento Risoluzione Il sistema di massa m è costituito da ossigeno (componente a) e azoto (componente b); per ipotesi ma = mb. In accordo alla legge di Dalton (p = pa + pb) ed assimilando i due fluidi a gas perfetti si ha ma = mb = pV/(T1 (R1a + R1b)) = 53.8kg Nello stato iniziale (T1 = 300K) si ha: pa = ma T1 R1a / V = 14bar pb = 16bar Nello stato finale (T2 = 453K) si ha: pa = ma T2 R1a / V = 21.1bar pb = 24.1bar p = 45.2bar Il primo principio ci assicura che Q12 = U2 - U1 = (maua + mbub)2 - (maua + mbub)1 L'interpolazione lineare da tabelle fornisce: ua1 = 195.5 ua2 =299.4 ub1 = 222.7 Da cui si ottiene che Q12 =11700kJ ub2= 336 ( Q& )medio = Q12 / 3600 = 3.25kW D993/1B Una turbina viene alimentata con vapore alla pressione di 40bar, temperatura 310°C, velocità 50m/s. All'uscita dell'espansore il vapore è saturo alla pressione di 8bar e possiede una velocità pari a 150m/s. Una piccola parte di vapor saturo viene inviato ad una valvola di laminazione (che opera, al pari della turbina, come organo adiabatico) all'uscita della quale vengono misurate una pressione di 1.5bar e una temperatura di 118°C. Si richiede di valutare la potenza fornita a regime dalla turbina e, facoltativamente, il rendimento exergetico della stessa. La portata di aeriforme evolvente sia pari a 27tonnellate/ora. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 8 Risoluzione Conviene ricordare che la trasformazione 2-3 nella valvola di laminazione avviene in maniera isoentalpica. Si procede quindi al calcolo delle condizioni 3 e successivamente si applica il primo principio al sistema turbina. La Soluzione è: P=1995kW, ηex=0.87] F994/1B Un impianto frigorifero a semplice espansione, doppia compressione in serie e refrigerazione intermedia, opera con R12 garantendo un flusso termico all'evaporatore q=300kW. Le temperature all'evaporatore Te ed al condensatore Tc valgono rispettivamente -40°C e 40°C. All'uscita del condensatore il liquido è saturo, all'ingresso del compressore di bassa pressione il vapore è saturo secco. Le compressioni sono entrambe adiabatiche con rendimento isoentropico di compressione 0.8. La refrigerazione intermedia avviene alla pressione (costante) di 5bar ed il fluido frigorigeno viene raffreddato fino alla temperatura di 20°C. Due distinte portate di acqua vengono utilizzate per sottrarre calore al fluido R12 nei componenti interefrigeratore e condensatore. Entrambe le portate di acqua subiscono una variazione di temperatura di 10°C nell'attraversare i due elementi appena citati. Dopo aver tracciato uno schema di massima dell'impianto determinare: 1. La portata di R12 2. La potenza globale impegnata dai compressori 3. La portata di acqua di interefrigerazione 4. La portata di acqua al condensatore 5. Il coefficiente di effetto utile (COP) del ciclo [Soluzione: m& =3.12kg/s, ⏐P⏐=180kW, m& l=1.2kg/s, cop=1.65] M994/2A Un impianto motore a vapore eroga una potenza netta di 65MW. Il ciclo compiuto dal fluido consiste in un doppio surriscaldamento (temperatura finale 450°C) e doppia espansione. I due stadi di turbina sono caratterizzati da un rendimento isoentropico di espansione pari a 0.8 e la prima espansione avviene tra 80 e 25bar. Sapendo che la pressione al condensatore vale 0.09bar, si richiede di valutare: - La portata di vapore evolvente - La frazione utilizzata ed utilizzabile dal ciclo - La portata di refrigerante (acqua) al condensatore nell'ipotesi che la differenza di temperatura tra ingresso ed uscita debba essere contenuta in 10°C. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 9 L994/1A Un compressore aspira una portata di aria pari a 36m3/h a pressione atmosferica e temperatura 30°C. La compressione monostadio, fino alla pressione di 8bar, è realizzata con rendimento isoentropico 0.85. In serie al compressore è posto uno scambiatore a superficie nel quale il gas viene raffreddato per mezzo di una portata di acqua (200litri/h) che subisce un aumento di temperatura di 10°C. Si richiede di valutare, in condizioni di regime stazionario, la potenza spesa nel compressore e la temperatura finale dell'aeriforme. Nel caso in cui la temperatura finale dell'aria fosse 50°C e si operasse con aria umida (condizioni all'aspirazione: T=30°C, umidità relativa 50%), a quanto ammonterebbe la portata di acqua condensante in seguito al processo di compressione? Si considerino a questo scopo condizioni finali di saturazione. [Soluzione: P=3.4kW, T=121°C, m& l=4.1*10-5 kg/s] S994/1A Una delle prime macchine motrici basate sulla conversione termodinamica dell'energia è stata concepita e realizzata da Newcomen (1720). Il funzionamento della macchina prevedeva l'introduzione di vapor acqueo saturo secco a pressione atmosferica in un cilindro dotato di stantuffo. Il successivo raffreddamento isocoro dell'aeriforme, provocando una diminuzione della pressione interna, consentiva allo stantuffo di muoversi spinto dalla pressione atmosferica e produrre lavoro. Il ciclo termodinamico compiuto può essere pensato come la successione di tre trasformazioni: a) raffreddamento isocoro fino alla temperatura di 70°C a partire da condizioni di vapor saturo secco a pressione atmosferica; b) compressione adiabatica e reversibile fino a pressione atmosferica; c) Riscaldamento isobaro per ripristinare le condizioni iniziali (titolo del vapore unitario) Si richiede di valutare, in riferimento all'unità di massa, il lavoro utile "netto" che la macchina fornisce e l'ammontare del calore somministrato al sistema. Si valuti inoltre la frazione utilizzata, al solito intesa come rapporto tra lavoro ottenuto e calore fornito al sistema. [Soluzione: L=55kJ/kg, Q=1550kJ/kg, η=0.036] D994/1A Un impianto motore a vapore a semplice surriscaldamento opera con una portata di vapore pari a 140kg/s. Il fluido entra in caldaia alla temperatura di 55°C, pressione 80bar e ne esce alla temperatura di 530°C, velocità 70m/s. Il flusso termico necessario per la trasformazione viene fornito da una portata di fumi (assimilabili ad azoto) che, nell'attraversare la caldaia, subisce un raffreddamento da 800°C a 150°C. Se all'uscita della turbina il vapore è saturo alla pressione di 15kPa, titolo x=0.92 e possiede una velocità di 160m/s, si valutino le seguenti grandezze: 1) la potenza fornita dall'espansore in condizioni di regime stazionario; 2) Il rendimento isoentropico dello stesso; 3) la portata di fumi necessaria per effettuare lo scambio termico; [Soluzione: P=147MW, ρe=0.84, m& f=627kg/s] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 10 D994/1B Un serbatoio adiabatico, la cui capacità ammonta a 45litri, contiene anidride carbonica alla temperatura di 19°C. La pressione vigente all'interno è misurata con un manometro a mercurio i cui due rami sono in comunicazione rispettivamente con il serbatoio e l'atmosfera. Inizialmente la colonna liquida misura in altezza 150mm. Se l'aeriforme viene agitato attraverso l'azione di un mulinello, con conseguente scambio di lavoro isocoro pari a 3.2kJ, calcolare: 1) la temperatura finale; 2) la pressione finale [Soluzione: T=64°C, p=141kPa] F995/2A Un compressore aspira a regime permanente 550m³/ora di aria a pressione e temperatura ambiente (p=1bar, T=25°C). La compressione avviene in due successivi stadi in cui la pressione aumenta rispettivamente fino a 3 ed 8bar. Uno scambiatore di calore, interposto ai due stadi, raffredda isobaricamente l'aria fino alla temperatura di 40°C (ingresso secondo stadio) e tale processo è realizzato con una portata di acqua pari a 1.05m³/ora alla temperatura iniziale di 10°C. Si richiede di calcolare: 1) la potenza totale di compressione, posto che il rendimento isoentropico di ciascun compressore sia pari a 0.7; 2) la temperatura dell'acqua di refrigerazione in uscita dello scambiatore [Soluzione: P=54kW, T=30.1°C] M995/1A Un impianto frigorifero a semplice espansione, doppia compressione in serie e refrigerazione intermedia, opera con R12 garantendo un flusso termico all'evaporatore q=23kW. Le temperature all'evaporatore Te ed al condensatore Tc valgono rispettivamente -40°C e 40°C. All'uscita del condensatore il liquido è saturo, all'ingresso del compressore di bassa pressione il vapore è saturo secco. Le compressioni sono entrambe adiabatiche con rendimento isoentropico di compressione 0.6. La refrigerazione intermedia avviene alla pressione (costante) di 5bar ed il fluido frigorigeno viene raffreddato fino alla temperatura di 25°C. Due distinte portate di fluido vengono utilizzate per sottrarre calore al fluido R12 nei componenti interefrigeratore e condensatore. Nel primo caso viene utilizzata aria, nel secondo acqua liquida; entrambe le portate si trovano inizialmente alla temperatura di 10°C e subiscono una variazione di temperatura di 8°C nell'attraversare i due elementi appena citati. Dopo aver tracciato uno schema di massima dell'impianto determinare: 1. La portata di R12 2. La potenza globale impegnata dai compressori 3. La portata di aria di interefrigerazione M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 11 4. La portata di acqua al condensatore 5. Il coefficiente di effetto utile (COP) del ciclo Risoluzione Dal diagramma pressione entalpia del fluido R12 si ricava: h1=62[kJ/kg] h5=h6=238 h2s=369 s1=1.59[kJ/kgK] p5=p4=960 h4s=377 p1=64[kPa] h3=365 Dalla definizione di rendimento isoentropico di compressione otteniamo: h2=h1 + (h2s - h1)/ρc = 392 h4=h3 + (h4s - h3)/ρc = 385 p 5 4 T=25░C 3 2 Le equazioni di bilancio forniscono: 1) m& = Q& c /(h1 - h6) = 0.240[kg/s] 2)⏐P⏐ = m& ((h4 - h3) + (h2 - h1)) = 18.7[kW] 3) m& a = m& (h2 - h3)/(cpa *∆Ta ) = 0.81 4) m& l = m& (h4 - h5)/(cpl *∆Tl ) = 1.06 5) COP = Q& /⏐P⏐= 23 / 18.7 =1.23 1 6 h D995/2A Vapore Acqua Una pentola a pressione per uso domestico di capacità pari a 6.8dm³ contiene 0.1 litri di acqua liquida in equilibrio con il proprio vapore alla temperatura iniziale di 95°C. Il coperchio che chiude il contenitore è dotato di una valvola automatica che mette in comunicazione il sistema con l'esterno quando la pressione interna raggiunge 1.4bar, provvedendo quindi a mantenere costante la pressione a tale valore. Se il sistema riceve un flusso termico pari a 400W costante nel tempo si richiede di valutare le seguenti grandezze trascurando la capacità termica del contenitore: 1) la pressione vigente nel sistema ed il titolo del vapore nelle condizioni iniziali; 2) la temperatura ed il titolo finale del vapore quando il fluido raggiunge la pressione di 1.4bar; 3) il calore ceduto al fluido nel passare dalle condizioni iniziali alla pressione di 1.4bar; 4) in seguito all'apertura della valvola, il tempo necessario affinché tutto il liquido vaporizzi. Risoluzione M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 12 1) Dalle tabelle del vapor saturo (ls= liquido saturo, vs=vapor saturo secco): (T=95°C) ρls=961 kg/m³ ρvs=0.504 p1=ps=0.845 bar hls= 398 kJ/kg hvs= 2668 Da cui : Ml= Vl ρls =0.0001*961= 0.0961 kg Mv= Vv ρvs =0.0067*0.504= 0.00338 M1=Ml + Mv = 0.0995 kg vl = V / M = 0.0068/0.0995 = 0.0683 m³/kg x1= Mv /M = 3.38/99.5 = 0.034 2) h1=hls + x1 ( hvs - hls ) = 398 + 0.034 (2668 - 398) = 475 kJ/kg u1 = h1 -psv1 = 469 kJ/kg A seguito del riscaldamento isocoro fino alla pressione p2= 1.4 bar, avremo: v2 = v1 = [vls + x2 ( vls - vvs )]ps=1.4bar x2 = [v1 - vls( ps=1.4bar)] / [vvs( ps=1.4bar) - vls( ps=1.4bar)] = = [0.0683 - 0.00105] / 1.235 = 0.0545 3) u2 = [uls + x2 ( uvs - uls )]ps=1.4bar = 571 kJ/kg Dal primo principio per i sistemi chiusi: Q = M(u2 - u1 ) = 0.0995 (571 - 469) = 10.15 kJ 4) Quando la valvola è aperta dal sistema fuoriesce vapor saturo secco alla pressione di 1.4bar. In questo caso il primo principio ci consente di scrivere la seguente relazione nell'ipotesi che siano trascurabili le variazioni di energia cinetica e potenziale: d(U)/dτ = Q& - m& hu Integrando tra gli istanti 2 e 3 si ha: M3u3 - M2u2 = Q& ( τ3-τ2 ) - ( M2 - M3 )hu dove per ipotesi u3 = uvs hu = hvs M3 = (ρvs)ps=1.4bar *V = 0.0084 kg hu = ( hvs)ps=1.4bar = 2690 kJ/kg M2 = M1 Q& = 0.4 kW u3 = 2517 ∆τ = ( τ3-τ2 ) = [M3u3 - M2u2 + ( M2 - M3 )hu] / Q& = 523 s M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 13 D995/2B Il vaporizzatore di un impianto frigorifero opera in regime stazionario con fluido R134 alla pressione di 2.5bar; R134 all'ingresso del componente il titolo del vapore è pari a 0.35 mentre in uscita il vapore è saturo secco. Lo scambio Aria termico avviene con una portata di aria, le cui proprietà termodinamiche nella sezione di ingresso dello scambiatore sono: temperatura 20°C, pressione 1.4bar, portata 1440m³/ora, velocità 4m/s. Sapendo che all'uscita dello scambiatore (a sezione costante) la temperatura dell'aria è 8°C e la pressione vale 1.3 bar , determinare: 1) la portata massica di aria; 2) la sezione del canale attraversato dall'aria e la velocità dell'aria nella sezione di uscita 3) il flusso termico scambiato tra i due fluidi e la portata di refrigerante; Risoluzione 1) ρì(aria) = p/R1T = 140 / (0.287*293) = 1.665 kg/m³ m& (aria) = Gv *ρì = 0.4*1.665 = 0.666 kg/s Gv = 1440/3600 = 0.4 m³/s 2) ρu(aria)= p/R1T = 130 / (0.287*281) = 1.612 kg/m³ (equaz. di continuità) wu(aria)= wi ρi / ρu = 4.13 m/s A = maria / (ρi wi ) = 0.1 m² 3) Dalle tabelle dei gas e del fluido R134 otteniamo: hì(aria) = 294 kJ/kg hu(aria) = 282 hì(R134) = 166 kJ/kg hu(R134) = 297 Q& = m& aria [( hu -hì ) + 0.5 (wu2 - wì2 )] = - 8 kW m& R134 = Q& / [hu(R134) - hì(R134) ] = 0.0611 kg/s Nota: nella versione attuale (2013), Tabelle e Diagramma del fluido R134 differiscono nei valori di entalpia di 100 unità in relazione ad una diversa scelta del Riferimento. Le differenze di entalpia risultano comunque le medesime G996/1A Una portata di 72 kg/s di acqua in condizioni di liquido saturo a 150°C è estratta da un impianto geotermico. Il liquido espande in una valvola di laminazione fino alla pressione di 2.5 bar. In queste condizioni il fluido entra in una camera di separazione del vapore. Dal fondo della camera esce liquido saturo mentre dalla sommità si estrae vapore saturo secco che viene inviato ad una turbina. Nella turbina il vapore espande fino alla pressione di 0.20 bar. Il rendimento isoentropico di espansione è 0.8. Calcolare la potenza dell'impianto [Soluzione: P=1MW] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 14 F996/1A Un impianto a pompa di calore a singola espansione e singola compressione, opera con R134 garantendo un flusso termico al condensatore di 12kW. Le temperature all'evaporatore ed al condensatore valgono rispettivamente -10°C e 50°C. All'uscita del condensatore il liquido è saturo e la compressione è adiabatica con rendimento isoentropico di compressione 0.6. Il flusso termico ceduto dal condensatore viene utilizzato per riscaldare una portata di aria (pressione relativa 0.2bar) dalla temperatura iniziale di 8°C alla temperatura finale di 40°C. Dopo aver tracciato uno schema di massima dell'impianto determinare: 1) la portata di fluido refrigerante; 2) la potenza impegnata dal compressore; 3) Il coefficiente di effetto utile (COP) del ciclo inverso a pompa di calore; 4) La portata massica di aria; 5) La velocità media dell'aria, nell'ipotesi che essa percorra a pressione costante un canale rettangolare che misura 150x250mm. Risoluzione Dal diagramma pressione-entalpia del refrigerante R134 possiamo leggere: p h1=391kJ/kg h2s=430 h3=h4=270 2s 3 2 Da cui per definizione: h2 = h1+(h2s - h1)/ρc=456 Applicando il primo principio per i sistemi aperti trascurando i termini cinetici e potenziali: m& = Q& /(h2 - h3) = 0.0645kg/s P = m& (h1- h2) = -4.19kW 4 1 COP = Q& /P = 2.86 h m& aria = Q& /(hariaUscita- hariaIngresso) = 0.373kg/s Tmedio = 297K A = 0.0375m² waria = ( m& aria R1 Tmedio) / (p A) = 7.06m/s D996/1A Per realizzare la pastorizzazione del latte è necessario un procedimento che innalzi la temperatura del liquido in tempi brevi. Una tecnica consiste nell'immettere una portata di vapore d'acqua nella tubazione dove scorre il latte in modo da sfruttare la condensazione del vapore per riscaldare il liquido da trattare. Si consideri il seguente caso. Il latte scorre alla velocità di 2m/s in un condotto cilindrico di diametro 20cm in cui la pressione è 1.1bar. La densità del latte è 1020kg/m³, il calore specifico 3.95kJ/kgK. Il vapore viene insufflato alla temperatura di 150°C ed alla pressione vigente nel canale. Si richiede di determinare: 1) la portata massica di latte trattata; 2) la portata di vapore necessaria ad elevare la temperatura del latte da 42°C a 73°C. Il regime termodinamico sia stazionario, le variazioni di energia cinetica e potenziale trascurabili, il sistema adiabatico verso l'esterno. Il latte si comporti come un liquido incompribile a calore specifico costante. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 15 (Quesito facoltativo: se la composizione del latte prima del trattamento era 92% acqua, 8% elementi nutritivi, dopo il trattamento termico a quanto ammonta la percentuale di elementi nutritivi sulla massa totale?) Risoluzione Il sistema aperto pastorizzatore consta di due ingressi e due uscite. 1) La portata di latte si calcola dall'equazione di continuità: Vapore surriscaldato Latte + acqua (T=73°C) Latte (T=42°C) m& 1atte=w*ρ*πD2/4 = 64.1 kg/s 2) la portata di vapore si calcola con l'equazione di conservazione dell'energia per i sistemi con deflusso. Dalle tabelle del vapore possiamo ricavare l'entalpia del vapore surriscaldato in ingresso (hvap=2775 kJ/kg) e l'entalpia dell'acqua uscita, (liquido compresso, T=73°C, hliq=305 kJ/kg). Se la variazione di entalpia del latte può essere scritta come prodotto cp∆T, avremo m& latte cp(Ti - Tu) = m& vap(hu - hi) m& vap = [ m& latte cp(Ti - Tu)] /(hu - hi) = 3.18 kg/s Da cui: 3) La percentuale di elementi nutritivi rispetto alla massa totale dopo il trattamento vale: m& / m& tot = 0.08*64.1 / (64.1 + 3.18) = 0.076 = 7.6% D996/1B La turbina di un impianto motore Brayton viene attraversata da una portata di aeriforme le cui condizioni all'ingresso ed all'uscita sono rispettivamente (T1=950°C, p1=9.8bar) e (T2=520°C, p2=1.1bar). Se l'aeriforme è assimilabile ad azoto si vuole determinare: 1) il rapporto fra le sezioni di passaggio a monte e a valle della turbina affinché la velocità del gas sia uguale nelle due sezioni; 2) la portata di gas affinché la potenza erogata sia pari a 12MW; 3) il rendimento isoentropico dell'espansore. Si ipotizzi il processo stazionario, il sistema adiabatico e le variazioni di energia cinetica e potenziale trascurabili. Risoluzione 1) L'equazione di continuità ci consente di scrivere: (w*ρ*A)i = (w*ρ*A)u La densità del fluido in ingresso ed in uscita dal sistema può essere calcolata con la legge dei gas perfetti. Si ha quindi: Ai /Au = ( pu Ti ) / ( pi Tu ) = 1.1*1223 / (9.8*793) = 0.173 2) Il principio di conservazione dell'energia fornisce: m& = P /(hu - hi) dove hi = 1342.7 kJ/kg, hu = 838.7 kJ/kg (interpolazione lineare da tabelle) Si ha quindi: m& = 12*103 / (1342-838) = 23.8 kg/s 3) Nelle condizioni iniziali l'entropia specifica del fluido è pari a: M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 16 si = s(T=950°C, p=9.8bar) = 7.715 kJ/kgK Se l'espansione avvenisse in assenza di irreversibilità, all'uscita dell'espansore, dove vige una pressione di 1.1bar, avremmo su = si T = 423°C In questo stato termodinamico l'entalpia vale 729 kJ/kg Per la definizione di rendimento isoentropico si ha infine: ρe = (∆h) / (∆h)isoentropico = (1342-838) / (1342-729) = 0.822 O997/1A Il compressore di un impianto motore Brayton viene attraversato da una portata di aeriforme le cui condizioni all'ingresso ed all'uscita sono rispettivamente (T1=50°C, p1=1bar) e (T2=475°C, p2=12bar). Se l'aeriforme è assimilabile ad azoto si vuole determinare: 1) il rapporto fra le sezioni di passaggio a monte e a valle del compressore affinché la velocità del gas in ingresso sia due volte la velocità dello stesso nella sezione di uscita; 2) la portata di gas, se la potenza fornita alla macchina è pari a 15MW; 3) il rendimento isoentropico del compressore. Si ipotizzi il processo stazionario, il sistema adiabatico e le variazioni di energia cinetica e potenziale trascurabili. Risoluzione Dalle tabelle dei gas perfetti si ricava h1=335[kJ/kg] s1=6.923[kJ/kgK] p1=100[kPa] h2=788 h2s=675 p2=1200 p2=1200 s2s=6.923 s2s=7.081 Dalla legge dei gas perfetti e dall'equazione di continuità otteniamo: ρ1=1.04[kg/m³] ρ2=5.40 A1/A2= 2.6 Le equazioni di bilancio dell'energia fornisce: m& = ⏐P⏐ /(h2 - h1) = 33.1 [kg/s] Dalla definizione di rendimento isoentropico di compressione otteniamo infine: ρc =(h2s - h1)/(h2 - h1) = 0.75 G998/2A La turbina di un impianto motore Rankine viene attraversata da una portata di vapore le cui condizioni all'ingresso ed all'uscita sono rispettivamente (T1=450°C, p1=90bar, w=30m/s) e (p2=20kPa, x=0.88). Si vuole determinare: 1) il rapporto fra le sezioni di passaggio a monte e a valle della turbina affinché la velocità del vapore in uscita sia 5 volte la velocità in ingresso; 2) il rendimento isoentropico dell'espansore; 3) la portata di vapore affinché la potenza erogata sia pari a 120MW. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 17 Si ipotizzi il processo stazionario, il sistema adiabatico e le variazioni di energia potenziale trascurabili. Risoluzione Le tabelle del vapore consentono di ricavare: h1 = 3256kJ/kg s1 = 6.485kJ/kgK v1 = 0.0335m³/kg h2 = 2326kJ/kg s2 = 7.057kJ/kgK v2 = 6.732m³/kg h2s = 2135kJ/kg Da cui, per definizione: ρe = (∆h) / (∆h)isoentropico = (3256-2326) / (3256-2135) = 0.830 1) L'equazione di continuità ci consente di scrivere: A1 /A2 =5 v1 / v2 = 0.0248 (w*ρ*A)1 = (w*ρ*A)2 2) Il principio di conservazione dell'energia (w1 = 30m/s) fornisce infine: m& = P /[(h1 - h2) - 24w12/2 ] = 131kg/s N998/1A Due serbatori adiabatici a pareti indeformabili sono collegati tra loro attraverso una valvola inizialmente chiusa. I serbatoi contengono due masse A e B di azoto rispettivamente nelle condizioni: (mA=2kg, pA=0.7bar, TA=90°C) e (mB=8kg, pB=1.4bar, TB=15°C). A seguito dell'apertura della valvola le due masse vengono miscelate in un processo adiabatico fino al raggiungimento di una condizione di equilibrio termodinamico comune ad entrambi i serbatoi. Si richiede di determinare: 1) la densità del gas contenuto inzialmente nei due serbatoi; 2) il volume dei due serbatoi; 3) l'energia interna (per unità di massa) del gas dopo il miscelamento; 4) la temperatura finale; 5) la densità finale. Risoluzione Utilizzando la legge dei gas perfetti si ottiene: ρA=1.63 kg/m³, ρB=0.65 kg/m³, VA=3.07 m³, VB=4.88 m³ Dalle tabelle dei gas si ricava: uA=269 kJ/kg, uB=214 kJ/kg, Per il sistema adiabatico a pareti indeformabili si ha: Ufinale=Uiniziale=uAmA + uBmB Da cui : ufinale=(uAmA + uBmB)/(mA+mB) = 225 kJ/kg Tfinale=303 K, pfinale=113 Kpa M999/1A Un dispositivo cilindro/stantuffo contiene un volume iniziale pari a 0.1355m³ di vapore nelle condizioni p1=900kPa, T1=270°C. Il vapore subisce un processo di espansione fino al raggiungimento delle condizioni p2=700kPa, T2=210°C. Durante tale processo il vapore riceve un flusso termico pari a 8kJ ed inoltre riceve lavoro dall'esterno (2 kJ) per mezzo dell'azione di un mulinello. Si richiede di calcolare: 1) la massa di vapore contenuta nel sistema ed il numero di kmoli; 2) il lavoro fatto dal vapore sull'esterno dovuto all'azione sullo stantuffo; M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 18 Risoluzione Dalle tabelle si ricavano i seguenti dati (vapore surriscaldato) Punto 1, p=900 kPa, T=270 °C, u=2744 kJ/kg, v=0.2708 m³/kg Punto 2, p=700 kPa, T=210 °C, u=2651 kJ/kg, v=0.3073 m³/kg La massa ed il numero di moli presenti sono: m=V1/v1=0.1355/0.2708 = 0.5 kg T 1 2 n= m/ s = 0.5/18 = 0.02778 Durante la traformazione vengono scambiati calore e lavoro. In particolare viene scambiato lavoro sia attraverso l'azione del mulinello che attraverso il movimento del pistone. Il primo principio si scrive: (u2 - u1) = Q - (Lpist + Lmul) Da cui: Lpist= 8 + 2 +(2744-2651)*0.5 = 56.5 kJ S999/1A Un impianto frigorifero a semplice espansione, doppia compressione in serie e refrigerazione intermedia, opera con R134a con un flusso termico al condensatore pari a 70kW. Le temperature all'evaporatore Te ed al condensatore Tc valgono rispettivamente -40°C e 40°C. All'uscita del condensatore il liquido è saturo, all'ingresso del compressore di bassa pressione il vapore è saturo secco. Le compressioni sono entrambe adiabatiche con rendimento isoentropico di compressione 0.7. La refrigerazione intermedia avviene alla pressione (costante) di 5bar ed il fluido frigorigeno viene raffreddato fino alla temperatura di 20°C. Due distinte portate di acqua vengono utilizzate per sottrarre calore al fluido R134a nei componenti interefrigeratore e condensatore. Entrambe le portate di acqua subiscono una variazione di temperatura di 10°C nell'attraversare i due elementi appena citati. Dopo aver tracciato uno schema di massima dell'impianto determinare: 1. la portata di fluido refrigerante; 2. la potenza globale impegnata dai due compressori; 3. la portata di acqua di interefrigerazione; 4. la portata di acqua al condensatore; 5. Il coefficiente di effetto utile (COP) del ciclo Risoluzione M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 19 Dal diagramma pressione-entalpia del refrigerante R134 possiamo leggere: h1=272kJ/kg h2s=318 h3=310 h4s=325 h5=h6=156kJ/kg Da cui per definizione di rendimento isoentropico: h2 = h1+(h2s - h1)/ρc=338 h4 = h3+(h4s - h3)/ρc=331 p 5 4 3 2s 2 6 1 h m& 2l= m& r(h4 - h5)/(cpl *10) = 1.67 kg/s La portata di fluido frigorigeno risulta: m& r= Q& /(h4 - h5) = 0.4 kg/s Le portate di acqua al refrigeratore intermedio e al condensatore valgono rispettivamente: m& 1l= m& r(h2 - h3)/(cpl *10) = 0.278 kg/s La potenza dei compressori ed il COP sono dati da: ⎪P⎪ = m& r[(h2 - h1)+(h4 - h3)] = 34.8 kW COP = (h1 - h6)/[(h2 - h1)+(h4 - h3)] Q& /P = 1.33 M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 20 TERMODINAMICA DELL’ARIA UMIDA A993/1B Due portate di aria umida vengono miscelate adiabaticamente alla pressione di 101.1kPa. Si richiede di valutare le condizioni finali dell'aria (grado igrometrico, entalpia specifica) noti i seguenti dati sulle portate in ingresso: corrente 1 corrente 2 Portata volumetrica [m3/ora] 12 22 Temperatura [°C] 12 35 Umidità relativa 60% 30% Risoluzione Il problema si risolve applicando il primo principio al sistema con deflusso costituito da due ingressi ed un uscita, trascurando le variazioni di energia cinetica e potenziale. Le proprietà termodinamiche delle correnti possono essere dedotte per via analitica o ricorrendo al diagramma psicrometrico. Si ha: ρas = pas/R1T pv = i * ps(T) pas = ptot - pv 3600 y = 0.622 pv/(ptot - pv) h' = cpaT + y(cpvT+2500) Da cui: ρas1 =1.27 ρas2 =1.12 [kg/m3] m& as1=0.00423 m& as2=0.00684 [kg/s] y1=0.00528 y2=0.0105 h'1=25 h'2=62 [kJ/kgas] m& as = Gv*ρas / h'3=( m& as1h'1 + m& as2h'2) / ( m& as1 + m& as2) = 48 y3=( m& as1y1 + m& as2y2) / ( m& as1 + m& as2) = 0.0085 T3=(h'3 - y3 * 2500) / (cpa + y3cpv) = 26.3 [°C] A993/2B Una portata m& as=20kg/s di aria secca a pressione atmosferica, temperatura T=20°C ed umidità relativa i=40% attraversa, in condizioni di regime stazionario, un condizionatore nel quale riceve un flusso termico q=1.67kW ed una portata di vapore m& v =30.5g/s saturo secco alla pressione di 1 bar. Si valutino le condizioni dell'aria all'uscita del condizionatore (temperatura, umidità relativa). Risoluzione y1 = 0.622 i*ps(T1) / (ptot - i*ps(T1)) = 0.0058 h'1 = cpaT1 + y(cpvT1+2500) = 35 [kJ/kgas] L'equazione di conservazione della massa fornisce: m& as (y1 - y2) = m& v y2 = y1 +( m& v/ m& as) = 0.073 M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 21 Il primo principio per i sistemi aperti, trascurando le variazioni di energia cinetica e potenziale fornisce: Q& = m& as(h'1 - h'2) + m& v hv h'2 = h'1 + Q& / m& as + hv ( m& v/ m& as) = 39.2 [kJ/kgas] T2=(h'2 - y2 * 2500) / (cpa + y2cpv) = 21.5 [°C] A994/1A Due portate di aria umida vengono miscelate adiabaticamente alla pressione di 101.1kPa. A miscelamento avvenuto, alla portata d'aria risultante viene aggiunta una portata di vapore saturo secco (alla medesima pressione) pari a 0.04g/s. Si richiede di valutare le condizioni finali dell'aria (entalpia specifica, temperatura) noti i seguenti dati sulle portate in ingresso: Portata volumetrica [m³/ora] Temperatura [°C] Umidità relativa corrente 1 15 14 60% corrente 2 25 35 30% [Soluzione: h'=57.5 kJ/kgas, T=27.3°C] G995/1A Due portate di aria umida vengono miscelate adiabaticamente alla pressione di 104kPa. A miscelamento avvenuto, la portata d'aria risultante subisce un processo di umidificazione con aggiunta di una portata di acqua liquida pari a 0.03g/s. Sono noti i seguenti dati sulle portate in ingresso: corrente 1 Portata volumetrica [m³/ora] Temperatura [°C] Umidità relativa 12 12 60% corrente 2 25 32 30% Si richiede di valutare: 1) la portata massica di aria secca ed il grado igrometrico delle due correnti nella sezione di ingresso; 2) le condizioni termodinamiche a miscelazione avvenuta (entalpia, grado igrometrico); 3) le condizioni finali, in termini di temperatura ed umidità relativa. [Soluzione: m& 1=4.2*10-3, m& 2=8.1*10-3 kg/s, h'=44.3kJ/kg, y=7.4gv/kgas, T=19.1°C, i=0.73] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 22 F995/1A Due portate di aria umida vengono miscelate adiabaticamente alla pressione di 106kPa. A miscelamento avvenuto, la portata d'aria risultante subisce un processo di riscaldamento isobaro con un apporto di 18.5kW. Sono noti i seguenti dati sulle portate in ingresso: corrente 1 corrente 2 Portata volumetrica [m³/ora] 2200 1800 Temperatura [°C] 12 32 Umidità relativa 60% 30% Si richiede di valutare: 1) la portata massica di aria secca ed il grado igrometrico per i due effluenti nella sezione di ingresso; 2) le condizioni termodinamiche a miscelazione avvenuta (entalpia, grado igrometrico); 3) le condizioni finali, in termini di entalpia e grado igrometrico; S995/1B Un componente elettronico è raffreddato da aria alla temperatura di 25°C. Il componente è montato verticalmente, misura in altezza 40mm e possiede una superficie di scambio pari a 3600mm². Si determini il coefficiente di scambio termico convettivo nell'ipotesi che la temperatura superficiale del dispositivo sia pari a 115°C. Determinare inoltre la potenza termica dissipata complessivamente (per effetto convettivo e radiante) dal componente nell'ipotesi che lo stesso sia contenuto in un grande involucro la cui temperatura coincida con quella dell'aria ambiente. L'emissività del componente e della cavità in cui è alloggiato sia pari a 0.8. Per quanto riguarda lo scambio termico convettivo si utilizzi la correlazione: Nu=0.59 Ra1/4 e la sottostante tabella delle proprietà termofisiche dell'aria: T [K] βg/ν2 [1/m3K] k [W/mK] 290 300 310 320 340 350 360 370 15.6×107 13.3×107 11.5×107 10×107 7.5×107 6.6×107 5.8×107 4.9×107 0.025 0.026 0.026 0.027 0.028 0.029 0.030 0.030 (Pr=0.72) [Soluzione: h=9.8W/m²K, P=5.6W] N995/1A In relazione al dimensionamento di un impianto di condizionamento operante in una località di montagna dove la pressione atmosferica vale 84.5kPa, occorre calcolare la portata di acqua necessaria per umidificare una portata di aria pari a 2500m³/ora. Si determini la temperatura della corrente dopo il processo di umidificazione, posto che la temperatura iniziale sia 40°C, l'umidità relativa iniziale 0.3 ed il contenuto finale di vapore sia pari a 22g per kg di aria secca. Si considerino i due possibili processi di umidificazione: M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 23 A) con acqua liquida (Tliq=30°C), B) con vapore saturo secco (alla medesima pressione dell'aria). [Soluzione: TA=27.1°C, TB=40.5°C] S995/1A Un impianto di condizionamento estivo dotato di ricircolo dell'aria deve provvedere a smaltire un flusso termico pari a 10kW ed un apporto di vapor acqueo pari a 14.4 kg/h. L'aria trattata viene immessa nel locale alla temperatura di 15°C ed il locale è mantenuto alla temperatura di 24°C, umidità relativa 50%. La portata di rinnovo è imposta per legge in base alla destinazione del locale e vale 2800kg/h. Le condizioni esterne sono temperatura 35°C, umidità relativa 70%, in uscita della batteria fredda l'umidità relativa è pari al 90%. Si richiede di rappresentare le trasformazioni sul diagramma psicrometrico e valutare, unitamente alla portata di acqua che condensa, i flussi termici scambiati nell'unità di trattamento dell'aria. [Soluzione: m& l =0.017kg/s, Q& c=9.2kW, | Q& f|=70kW] G996/2B Due portate di aria umida vengono miscelate adiabaticamente. A miscelamento avvenuto, la portata d'aria risultante subisce un processo di riscaldamento fino alla temperatura di 40°C. Entrambi i processi avvengono alla pressione costante di 85kPa. Sono noti i seguenti dati sulle portate in ingresso: corrente 1 Portata volumetrica [m³/ora] Temperatura [°C] Umidità relativa corrente 2 15 10 60% 25 30 30% Si richiede di valutare: 1) la portata massica di aria secca ed il grado igrometrico per i due effluenti nella sezione di ingresso; 2) le condizioni termodinamiche a miscelazione avvenuta (entalpia, grado igrometrico); 3) il flusso termico ceduto alla corrente di aria; 4) l'umidità relativa nelle condizioni finali dopo il processo di riscaldamento. Risoluzione Il problema si risolve applicando il primo principio al sistema con deflusso costituito da due ingressi ed un uscita, trascurando le variazioni di energia cinetica e potenziale. Le proprietà termodinamiche delle correnti sono dedotte per via analitica. Si ha: pas = ptot - pv ρas = pas/R1T pv = i * ps(T) y = 0.622 pv/(ptot - pv) h' = cpaT + y(cpvT+2500) Da cui: ρas1 =1.037 ρas2 =0.96 [kg/m3] m& as = Gv*ρas / 3600 M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 24 m& as1=0.00432 y1=0.00545 h'1=23.8 m& as2=0.00669 y2=0.00945 h'2=54.3 [kg/s] [kJ/kgas] Condizioni di fine miscelazione: h'3=( m& as1h'1 + m& as2h'2) / ( m& as1 + m& as2) = 42.3 y3=( m& as1y1 + m& as2y2) / ( m& as1 + m& as2) = 0.00788 m& as3=+ m& as1 + m& as1= 0.011 Condizioni al termine del riscaldamento: y4=y3 T4=40°C h'4= 60.5 Q& = m& as3 (h'4 - h'3) = 0.2kW i4=(y4 ptot )/ [ps(T4) (y4 + 0.622)] = 0.14 M996/1A Una sala da conferenze può contenere fino a 95 persone. Essa è dotata di un impianto di climatizzazione senza ricircolazione che insuffla aria trattata a pressione atmosferica dal soffitto della sala (vedi figura). Durante il periodo estivo, la sala in esercizio è soggetta ad un flusso termico sensibile pari a 12kW ed a un flusso termico latente dovuto alla presenza delle persone, ciascuna delle quali produce una portata oraria di vapore pari a 0.12kg. Sapendo che le condizioni da mantenere all'interno della sala sono T=26°C, i=0.5 e le condizioni dell'aria esterna sono T=32°C, i=0.7, si richiede di valutare: 1) la portata di aria trattata, assumendo come temperatura della stessa all'immissione un valore compreso tra 15 e 19°C; 2) il diametro del condotto di ripresa se la velocità dell'aria per ragioni di rumorosità non deve eccedere i 6m/s; 3) la portata di liquido che condensa nelle batterie di condizionamento a seguito del processo di deumidificazione. Risoluzione 1) Ipotizziamo di immettere l'aria nell'ambiente alla temperatura di 15°C. Il flusso termico latente che interessa il volume di controllo vale: Q& l = m& v r0 = 95*0.12 / 3600 *2500 = 7.26 kW Per individuare graficamente la retta di carico calcoliamo il rapporto: Q& s /( Q& l + Q& s ) che risulta pari a 0.6 Individuata la retta di carico, risulta che le condizioni all'immissione (per T=15°C) sono i=0.7, y=0.0075 kgv/kgas . Le condizioni dell'aria esterna sono i=0.7, y=0.0215 kgv/kgas La portata di aria secca viene calcolata applicando un bilancio (di massa o energia) al volume di controllo in regime stazionario. Dall'equazione di continuità (indicando con il pedice I le condizioni dell'aria all'immissione, con A le condizioni ambiente): m& as = m& v / (yA - yI ) = 0.12 *95 / (3600 *(0.0105 - 0.0075)) = 1.056 kgas/s M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 25 2) Calcolo del diametro del condotto. Utilizziamo l'equazione di continuità per l'aria secca, trascurando la presenza del vapore: D2 = 4 m& as * R1T / ( p * π * w) = 4*1.056 * 0.287 * 299 / (101.3 * π * 6) = 0.190 m2 D = 0.436 m 3) Bilancio di massa all'unità di trattamento dell'aria: m& l = m& as * (yE - y1 ) = 1.056 (0.0215 - 0.0075) = 0.0148 kg/s G997/1A Una portata di aria umida defluisce a regime in un canale a pareti adiabatiche e sezione rettangolare (dimensioni 10x15cm) alla velocità media di 6m/s. La pressione nel canale è pari a 0.9bar, la temperatura dell'aria in ingresso è 35°C e l'umidità relativa è pari a 0.6. In una sezione del canale viene insufflata una portata di vapore d'acqua pari a 0.001kg/s alla temperatura di 150°C e alla pressione di 0.9bar . Si determini: 1) il grado igrometrico e l'entalpia specifica dell'aria all'ingresso del canale; 2) la portata massica di aria secca; 3) la temperatura dell'aria dopo il processo di umidificazione con vapore. Risoluzione Il grado igrometrico nella sezione di ingresso (sezione 1) si calcola con la relazione: y1= 0.622 i*ps(T1) / (ptot - i*ps(T1)) = 0.622*0.6*5.62 / (90 - 0.6*5.62) = 0.0242 L'entalpia specifica dell'aria umida nella medesima sezione vale invece: h1' = cpaT1 + y1(r0 + cpvT1) = 97.3 kJ/kgas La portata volumetrica di aria Garia all'ingresso del canale è pari al prodotto (sezione di passaggio)*(velocità dell'aria): Garia=Garia secca=Gvapore=0.1*0.15*6=0.09 m³/s La densità dell'aria secca si ricava dalla legge dei gas perfetti: ρas=(ptot - pv) / R1T1 = (ptot - i*ps(T1)) / R1T = (90 - 0.6*5.62) / (0.287*308) = 0.98 kg/m3 Da cui m& as=Gas*ρas= 0.09*0.98 = 0.0881 kg/s. Per il calcolo delle condizioni finali dell'aria occorre utilizzare le equazioni di conservazione della massa e dell'energia al sistema a due ingressi ed una uscita, nell'ipotesi che non si verifichi condensazione del vapore . A tale scopo occorre calcolare l'entalpia del vapore in ingresso hvi che risulta da tabelle essere pari a 2776 kJ/kg. Avremo quindi: y2 = ( m& as y1 + m& vi ) / m& as = 0.0355 h2' = ( m& as h1' + m& vi hvi ) / m& as = 128.8 kJ/kgas T2 = (h2' - y2 r0 ) / (cpa + y2 cpv ) = 37.3 °C M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 26 F997/1B Una portata di aria umida percorre a regime un canale circolare (diametro 20cm) alla velocità media di 5m/s e alla pressione totale di 85kPa. Le condizioni di ingresso sono T1=28°C, i1=60%. Nell'attraversare il canale la portata di aria subisce un processo di raffreddamento con deumidificazione: il flusso termico sottratto è pari a 5.2 kW, la portata di acqua che condensa è pari a 3.94kg/h.. Il processo di raffreddamento avviene per mezzo di una superficie alettata attraversata da fluido R134a. Si vuole determinare: 1) la portata massica di aria secca; 2) il grado igrometrico della corrente in uscita; 3) la temperatura e l'umidità relativa dell'aria in uscita; 4) la temperatura al bulbo umido che uno psicrometro ad aspirazione indicherebbe se posto all'ingresso del canale; 5) la portata di fluido refrigerante, nell'ipotesi che in ingresso della batteria di raffreddamento il titolo del vapore sia 0.35 ed in uscita il vapore sia saturo secco alla temperatura di 7°C. Risoluzione 1) La portata massica di aria secca si calcola dall'equazione di continuità ed utilizzando la legge dei gas perfetti: m& as=w*ρas*πD2/4 = w*(pas/R1T1)*πD2/4 = 0.150 kg/s 2) il grado igrometrico finale si calcola con l'equazione di conservazione della massa per il componente acqua: y1 = 0.622 i1ps (T1) / (pt - i1ps (T1)) = 0.0171 y2 = y1 - m& l / m& as = 0.0171 - 0.00109/0.15 = 0.0099 3) nell'ipotesi che l'acqua che condensa si trovi alla medesima temperatura dell'aria in uscita, l'equazione di conservazione dell'energia può scriversi: Q& = m& as [cpa T2+ y2 (cpv T2 + r0)] + m& lcplT2 - m& ash'1 dove: h'1 = cpa T1 + y1 (cpv T1 + r0) = 71.8 kJ/kgas Da cui, ricordando che q è pari a -5,2kW, si ricava: T2 = ( Q& + m& as (h'1 -y2 r0)) / [ m& as(cpa + y2 cpa ) + m& l cpl ] = 11.6°C i2 = y2 pt / (ps (T2)*(0.622 + y2)) = 0.95 4) La temperatura al bulbo umido si ricava dall'eguaglianza: h'(Tbu) = h'l e dalle relazioni: h'(Tbu) = cpa Tbu + ybu (cpv Tbu + r0) ybu = 0.622 ps (Tbu) / (pt - ps (Tbu)) M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 27 Da cui, per tentativi, Tbu = 21.7°C 5) Tenuto conto che il fluido refrigerante è un vapore saturo a temperatura assegnata, il diagramma pressione-entalpia del fluido R134a consente di leggere i valori dell'entalpia del fluido refrigerante in ingresso ed uscita dal sistema batteria di raffreddamento. Il bilancio di primo principio, nell'ipotesi di regime stazionario e variazioni di energia cinetica e potenziale trascurabili, può quindi scriversi nella forma: m& as = Q& / (hu - hi) = 5.2 / (305 - 182) = 0.0423 kg/s G999/1A Una portata di aria umida defluisce a regime in un canale a pareti adiabatiche e sezione rettangolare (dimensioni 10x15cm) alla velocità media di 5m/s. La pressione nel canale è pari a 0.8bar, la temperatura dell'aria in ingresso è 50°C e l'umidità relativa è pari a 0.8. In una sezione del canale è posta una batteria di tubi alettati mantenuti alla temperatura di 5°C grazie ad un processo di completa vaporizzazione di fluido R134a all'interno dei tubi. Dopo il raffreddamento la temperatura dell'aria è 8°C e l'umidità relativa è pari a 0.95. Si determini: 1) la portata massica di aria secca che defluisce nel canale; 2) il grado igrometrico e l'entalpia specifica dell'aria all'ingresso del canale; 3) il flusso termico sottratto alla corrente di aria; 4) la portata massica di fluido refrigerante (temperatura di vaporizzazione 5°C) necessaria per l'operazione di raffreddamento. Si trascurino nei bilanci di energia le variazioni di energia cinetica e potenziale e si ipotizzi che il titolo del fluido R134a in ingresso della batteria di raffreddamento sia pari a 0.4. Risoluzione 1) Per calcolare la portata massica di aria secca occorre conoscerne la densità valutata alla pressione parziale dell'aria secca (la pressione parziale del vapore è pari, in questo caso, a circa il 12% di quella totale). ρas = pas /R1Ti = [ptot - ips(Ti)]/R1Ti = (80 - 9.84) / (0.287*323) = 0.757 kg/m³ G = A*w= (0.1*0.15*5)= 0.075 m³/s m& as = G *ρas = 0.0568 kg/s 2) yi= 0.622 ii ps(Ti)/[ptot- ii ps(Ti)] = 0.0872 kgv/kgas h'i= 276.5 kJ/kgas 3) Dal primo principio possiamo ricavare il flusso termico sottrato all'aria. Occorre valutare a questo scopo le condizioni termodinamiche dell'aria in uscita e la portata di vapore condensato. yu= 0.622 iu ps(Tu)/[ptot-iu ps(Tu)] = 0.008 kgv/kgas h'u= 28.1 kJ/kgas m& liq = m& as (yi- yu ) = 0.00449 kg/s Q& = m& as ( h'u -h'i ) + m& liq cpliq*Tliq = - 14.1 kW 4) Il flusso termico sottratto all'aria consente infine di valutare la portata di fluido R134a necessaria per il raffreddamento e la deumidificazione dell'aria hi(R134) = 184 kJ/kg hu(R134) = 300 kJ/kg & m& R134 = Q / [hu(R134) - hi(R134) ] = 0.128 kg/s M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 28 FLUIDODINAMICA MONODIMENSIONALE M993/1A Una pompa che fornisce una pressione (relativa) di mandata pari a 105kPa consente il deflusso di una portata di olio (densità ρ=820kg/m , viscosità dinamica µ=200*10-4 kg/ms) attraverso un condotto (lunghezza 50m, diametro interno 26mm, scabrezza 50µm, dislivello h=3m) fino ad un serbatoio posizionato più in alto ed a pressione atmosferica (vedi figura). Trascurando h le perdite di carico concentrate, si valuti la portata effluente nell'ipotesi (da verificare) che il regime di moto all'interno del condotto sia laminare. F994/1A Due serbatoi sono tra loro collegati da una tubazione di diametro 26mm e rugosità assoluta 120µm. I serbatoi contengono un olio le cui proprietà sono: densità 850kg/m³, viscosità dinamica 2 0.02kg/sm. Il serbatoio posto in basso è mantenuto alla pressione di 1.55bar relativi, il serbatoio superiore si trova invece a pressione 14 atmosferica. Con riferimento alla figura a lato che riporta le lunghezze 2 in metri dei vari tratti di condotto, si richiede di determinare la portata 26 20 di liquido effluente e la pressione vigente nel tratto più elevato della linea. Si assumano i seguenti valori per i coefficienti λ' relativi alle perdite di carico concentrate: 1 Gomito a 90°: 0.8 2 Restrizione od allargamento brusco: 1.2 & [Soluzione: m=0.67kg/s, p=0.6bar] G995/1B Una conduttura del diametro interno di 60mm, scabrezza assoluta 300µm, è collegata ad un serbatoio in pressione (p=2.1bar relativi) che contiene un fluido le cui caratteristiche sono densità 850kg/m³, viscosità dinamica 0.01kg/sm. Il circuito, che prevede la presenza di una pompa, è schematizzato nella figura annessa dove sono riportate alcune lunghezze in metri. Utilizzando quale coefficiente per le perdite di carico concentrate 0.8, si richiede di valutare: 1) la potenza della pompa (rendimento unitario), se portata di fluido nel condotto vale 6kg/s; 2) la portata di liquido che fluirebbe nel circuito in assenza di pompa. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 29 Risoluzione Applichiamo l'equazione di Bernoulli tra le sezioni 1 e 2 poste rispettivamente in corrispondenza del pelo libero del serbatoio inferiore e della bocca della conduttura in prossimità del serbatoio superiore. In questo caso potremo porre w1=0, p1=(2.1 +1.013)bar, p2=1.013bar, (z2 - z1)=25m Avremo poi: & ρπD2) = 2.5m/s Re = w2D/ν = 12750 w2 = 4 m/( Da cui ricaviamo che il fattore di attrito f (Re=12750, ε/D=0.005) è pari a 0.0361 L'equazione di Bernoulli ci consente di scrivere: hm = w22 /2g (L/D f + Σ 13 f' + 1) + (p2 - p1)/ρg + (z2 - z1) = 13.36 La potenza fornita dalla pompa sarà quindi pari al prodotto: ⏐P⏐ = hm g m& = 786W In assenza di pompa ed ipotizzando moto laminare avremo: w22 /2g (64Lν/w2D2 + Σ3 f' + 1) + (p2 - p1)/ρg + (z2 - z1) = 0 Occorre quindi risolvere un'equazione del tipo: aw22 + bw2 + c = 0 dove a=0.173, b= 0.693, c= -0.18 che possiede la radice reale w2 = (-b + (b2 - 4ac)0.5 )/2a = 0.245m/s valore per il quale risulta Re<2300 (come da ipotesi) e m& = 0.588kg/s G996/2A Un ventilatore aspira in regime permanente una portata di aria pari a 5180m³/ora alla pressione di 98kPa e alla temperatura di 40°C; in queste condizioni il valore corrispondete della viscosità dinamica è 1.9*10-5kg/sm. Un lungo canale in lamiera metallica di sezione rettangolare (400x300mm, scabrezza 1500µm, lunghezza complessiva 215m) adduce il fluido ad un locale nel quale la pressione deve essere mantenuta pari a 100kPa (vedi figura). Considerando quale diametro equivalente del condotto il rapporto 4A/p (p=perimetro del condotto, A sezione trasversale dello stesso) ed ipotizzando la densità dell'aria costante lungo il condotto, si richiede di valutare: 1) la portata massica di fluido che fluisce nel canale e la velocità media di percorrenza; 2) il fattore di attrito relativo alle perdite di carico di tipo distribuito; 3) la potenza della soffiante (il cui rendimento è pari a 0.6). Si trascurino le perdite di carico concentrate all'imbocco e all'uscita del canale e si utilizzi per il calcolo delle perdite di carico concentrato nelle curve a 90° la seguente tabella che riporta la caduta di pressione locale in funzione della velocità della corrente d'aria: 5 15 20 35 50 65 90 ∆p [Pa] w [m/s] 4 6 8 10 12 14 16 M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 30 Risoluzione ρ = p/R1T = 98/(0.287*313) = 1.091kg/m Deq= 4A/p = 0.343m m& = Gv ρ=5180 * 1.091/ 3600 = 1.57kg/s Re=wDeq/ν=2.36*105 w=Gv/A=12m/s Fattore di attrito f(Re, ε/Deq)=0.030 Equazione di Bernoulli (densità costante, sezione costante, ingresso ed uscita del volume di controllo in prossimità degli estremi del canale) -he=ha + (p2-p1)/ρg + (z2-z1) = [w2/2g f*L/D + Σ(∆p/ρg)] + (p2-p1)/ρg + (z2-z1) -he= 144*0.030*215/(2*9.81*0.343) + 3*50/(1.091*9.81) + 2000/(1.091*9.81) +7 = 345.9m & η= -8.88*103W P=heg m/ S996/1A Uno degli strumenti per misurare la viscosità di un liquido è il viscosimetro capillare a gravità. Esso e' costituito da un recipiente termostatato (in comunicazione con l'aria ambiente) recante nella parte inferiore un tubicino capillare posto in posizione verticale (vedi figura). Il principio di funzionamento del dispositivo si basa sull'ipotesi di moto stazionario, laminare e sull'invarianza della quota del pelo libero nel recipiente. Le misure indicano che attraverso il capillare defluiscono 200g di liquido in 30 secondi. Considerando le sole perdite di carico distribuite nel capillare e sapendo che il liquido in esame ha densità pari a 1090kg/m³, 1) calcolare la viscosità cinematica del liquido; Di=3mm 2) verificare l'ipotesi di moto laminare. Risoluzione L=28cm H=30cm L'equazione di Bernoulli tra le sezioni 1 (pelo libero del recipiente) e 2 (estremo inferiore del capillare) si scrive: w22 L ρ + 32 w2 2 ν + ( a − 1) Hg = 0 D 2 ρl La velocità w nel capillare si calcola nota la massa defluita nel tempo τ=30s, la densità del liquido, la sezione di passaggio del tubicino: πD 2 w = m& / ρl A = m / ( τ ρl ) = 0.87m/s 4 Utilizzando quale valore per la densità dell'aria ρa = 1.2kg/m³, la risoluzione dell'equazione di Bernoulli fornisce υ=2.95×10-6 m²/s, a cui corrisponde Re=wD/υ = 882 G998/1A Il camino a tiraggio naturale di una industria di processo deve provvedere allo smaltimento di una portata di fumi pari a 2860m³/ora. Il gas espulso si trova alla temperatura di 90°C ed è composto (su base massica) dal 65% di azoto e dal 35% di anidride carbonica. La viscosità dinamica della miscela è pari a 1.9×10-5kg/sm, la temperatura dell'aria ambiente 20°C. I dati di progetto prevedono che il camino (a sezione costante ed adiabatico) assicuri una velocità dei fumi in uscita pari a 5m/s ed abbia un rapporto altezza/diametro non superiore a 15. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 31 Nell'ipotesi che la superficie del canale di deflusso presenti una scabrezza assoluta pari a 200µm, trascurando le perdite di carico concentrate si richiede di calcolare: 1) il diametro del camino; 2) la portata massica dei fumi; 3) la caduta di pressione per unità di lunghezza dovuta agli attriti; 4) l'altezza del camino; 5) la potenza di un eventuale ventilatore da inserire nel canale qualora l'altezza del camino eccedesse il valore di progetto. Risoluzione La densità dei fumi si ricava dalla legge dei gas perfetti (Tfumi=90°C) previa il calcolo della costante particolare della miscela R1m= 0.65*R1azoto + 0.35*R1anidride carbonica = 0.259kJ/kgK ρ = p/R1mT = 101.3/(0.259*363) = 1.077kg/m³ Analogamente la densità dell'aria ρa = p/R1a Ta = 1.205kg/m³ Il diametro del canale e la portata massica dei fumi risultano & Gv ρ=2860 * 1.077/ 3600 = 0.856kg/s D= (4Gv /πw)0.5 =0.45m m= Fattore di attrito Re=wDρ/µ=1.275*105 La caduta di pressione per unità di lunghezza f(Re, ε/D) = 0.0192 ∆p/L = w2ρ f /(2D) = 0.574Pa/m L'equazione di Bernoulli (densità costante, sezione costante, velocità del fluido in ingresso trascurabile, lunghezza del canale coincidente con l'altezza dello stesso, assenza di propulsori) consente di scrivere 0=ha + w2/2g + (p2-p1)/ρg + (z2-z1) = w2/2g [ f H/D + 1] + (-ρaH)/ρ + H Da cui H = w2/2g [ρa/ρ -1 -w2/2g f/D]-1 = 19.75m Riscrivendo l'equazione di Bernoulli per il caso del propulsore e ponendo H=15D si ottiene 0= he + w2/2g (1 + 15f) + 15D (1-ρa/ρ) -he= 25/(2*9.81)*(1+15*0.0192) + 15*0.45*(1- 1.205/1.077) = 0.839m La potenza del propulsore (per rendimento unitario) risulta quindi & -7.05*W P=heg m= F998/1A Il camino a tiraggio naturale di una industria di processo deve provvedere allo smaltimento di una portata di fumi pari a 3200m³/ora. Il gas espulso si trova alla temperatura di 80°C ed è composto da una miscela la cui massa molecolare media è pari a 26.8kg/kmol. La viscosità dinamica della miscela è pari a 1.8×10-5kg/sm, la temperatura dell'aria ambiente 15°C. Nell'ipotesi che il camino sia alto 5m, a sezione costante ed adiabatico e che la superficie del canale di deflusso presenti una scabrezza assoluta pari a 200µm, si richiede di calcolare: 1) la portata massica dei fumi; 2) la velocità di espulsione dei fumi; 3) il diametro del camino. Si trascurino le perdite di carico concentrate e la velocità dei fumi all'imbocco del canale. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 32 Risoluzione Il problema è simile a quello proposto a gennaio 1998. La densità dei fumi si ricava dalla legge dei gas perfetti (Tfumi=80°C, R1f =(8.314/26.8)kJ/kgK) ρf = p/R1fT = 101.3/(0.310*353) = 0.926kg/m³ ρa = p/R1a Ta = 1.226kg/m³ Analogamente la densità dell'aria La portata massica risulta quindi m& = ρf Gv = 3200* 0.926/ 3600 = 0.823kg/s L'equazione di Bernoulli (densità costante, sezione costante, velocità del fluido in ingresso trascurabile, lunghezza del canale coincidente con l'altezza dello stesso, assenza di propulsori) consente di scrivere 0=ha + w2/2g + (p2-p1)/ρf g + (z2-z1) = w2/2g [ f(w) H/D + 1] + (-ρaH)/ρf + H L'espressione contiene le incognite w e D; quest'ultima può ricavarsi dall'equazione di continuità, D= (4Gv /πw)0.5, ancora in funzione di w. La soluzione iterativa dell'equazione risultante fornisce w=5.14m/s Il diametro del canale risulta infine D= (4Gv /πw)0.5 =0.469m G999/1B Una conduttura orizzontale del diametro interno di 60mm, scabrezza assoluta 300µm, lunghezza 30m, collega due serbatoi i quali si trovano rispettivamente alla pressione relativa di 0.2bar ed alla pressione atmosferica. Il fluido in essi contenuto ha densità 880kg/m³, viscosità dinamica 0.02kg/sm. Se il pelo libero del serbatoio a pressione atmosferica si trova 2m più in alto rispetto al pelo libero dell'altro serbatoio, si valuti: 1) la portata di liquido che fluisce nel circuito, verificando se il regime è laminare o turbolento; 2) la potenza di un eventuale pompa (di rendimento unitario), dimensionata in modo da assicurare una velocità del fluido nel condotto pari a 6m/s; Si trascurino le perdite di carico concentrate. Risoluzione Applichiamo l'equazione di Bernoulli tra le sezioni 1 e 2 poste rispettivamente in corrispondenza del pelo libero dei serbatoi. In questo caso potremo porre w1=w2=0, p1=(0.2 +1.013)bar, p2=1.013bar, (z2 - z1)=2m In assenza di pompa ed ipotizzando moto laminare avremo: w2 /2g (64Lν/wD2) + (p2 - p1)/ρg + (z2 - z1) = 0 Occorre quindi risolvere di 1° grado nell'incognita w che fornisce w = 0.513m/s valore per il quale risulta Re<2300 (laminare) e m& = 1.278kg/s In presenza di un circolatore: w2 = 6m/s Re = wD/ν = 21100 (turbolento) m& = 14.93kg/s Da cui ricaviamo che il fattore di attrito f è pari a 0.035 L'equazione di Bernoulli ci consente di scrivere: ⏐he⏐ = w2 /2g (f L/D ) + (p2 - p1)/ρg + (z2 - z1) = 31.4 La potenza fornita dalla pompa sarà quindi pari al prodotto: ⏐P⏐ = hm g m& = 4.6kW M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 33 TRASMISSIONE DEL CALORE G993/1A Una conduttura in ferro (diametro esterno 26mm, diametro interno 22mm) alimenta con acqua una vasca di decantazione. Il tubo scorre per un lungo tratto interrato fatta eccezione per gli ultimi 20m nei quali il tubo è montato su supporti e si trova all'aria aperta. Si richiede di valutare la portata minima di acqua effluente nel condotto al fine di evitare il congelamento della stessa. Si utilizzino le informazioni seguenti: La temperatura dell'aria esterna è pari a -10°C ed il sito è soggetto a vento con velocità di 2m/s Si adotti la seguente relazione semplificata (valida per ReD<105) per il calcolo del coefficiente convettivo esterno: NuD = 0.4 ReD0.5 Pr0.4. La temperatura dell'acqua nel tratto di condotto interrato sia 6°C e si consideri una opportuna temperatura media altrove. Si trascuri la resistenza termica lato liquido, lo scambio termico radiante lato aria e si consideri la resistenza termica delle pareti del condotto, eventualmente mostrando se sia possibile trascurarla Si adottino i seguenti valori delle proprietà termofisiche: Conducibilità termica dell'aria karia =0.025[W/mK], conducibilità del ferro kf =45[W/mK], viscosità cinematica aria ν =15*10-6 [m2/s] diffusività aria=22*10-6 [m2/s], calore specifico acqua cp=4.18[kJ/kgK] Risoluzione Il problema consiste nel determinare la portata di acqua necessaria affinchè nel tratto di condotto esposto all'aria la temperatura del liquido non raggiunga zero gradi centigradi. In particolare se q rappresenta il flusso termico ceduto dal liquido all'ambiente attraverso la superficie del tubo, dovrà essere verificato il primo principio per il sistema con deflusso in regime stazionario: Poniamo che Tu (liquido all’uscita del condotto) debba essere pari a 1°C. & i -hu)= Q& ovvero mc & p(Ti-Tu)= Q& m(h & Q& /(cp(Ti-Tu) Allora m= ∆Tm 1 he Ae + ln( De / Di ) 2 πk f L ∆Tm=((Ti-Test)-(Tu-Test))/ln((Ti-Test)/(Tu-Test)) = (16-11)/ln(16/11)=13.3 °C q= Nu=0.4(wDe/ν)0.5 Pr0.4 = 0.4*(2*0.026/15*10-0.6)0.5*(0.72)0.4=0.4*34670.5*(0.72)0.4 = 20.7 he=Nu*karia/De = 20.7*0.025/0.026=19.9 W/m2K 13. 3 q= =13.3/(0.0308+0.00003)=432 W 1 + ln( 26 / 22 ) 2 π * 45 * 20 19. 9 * π * 0. 026 * 20 m& =432/(4180*5)=0.02 kg/s M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 34 A993/2A La superficie interna della parete di un forno si trova a 250°C. La parete, alta 50cm e larga 70cm, è costituita da uno strato di mattoni refrattari (conduttività k=0.4W/mK, spessore s=30cm) e da un rivestimento in acciaio(k=50, s=2cm). Si valuti il flusso termico disperso dalla parete (in regime stazionario) se la faccia esterna è lambita da aria (t=25°C) circolante per convezione naturale trascurando lo scambio termico radiante. Per il calcolo del coefficiente di scambio termico convettivo lato esterno, si utilizzi la correlazione Nu=0.54(GrPr)0.25. Si assuma Pr=0.72, karia =0.027. Si valuti il numero di Grashof alla temperatura media del fluido utilizzando la seguente tabella: T [K] βg/υ² [1/m³K] 290 15.6*107 300 13.3*107 310 11.5*107 320 10*107 330 8.7*107 340 7.5*107 350 6.6*107 360 5.8*107 Si eseguano un numero di passi di calcolo sufficienti a stimare il flusso termico con un errore massimo intorno al 20% rispetto all'iterazione precedente. Risoluzione Nell'ipotesi di flusso termico monodimensionale, possiamo scrivere: Q& = A (Ti - Te) / (R1 + R2 + R3) Q& conv = A (Tpe - Te) / R3 Q& cond = A (Ti - Tpe) / (R1 + R2) Q& conv = Q& cond = Q& Ti Tpe R1 = s1 / k1 Te R2 = s2 / k2 R3 = 1 / h3 h3 = Nu *karia / L = 0.54(GrPr)0.25 * (karia / L) Gr = (βg/ν2) * (Tpe - Te) L3 Il problema è complicato dal fatto che il coefficiente convettivo è funzione non lineare della temperatura di parete Tpe,anche in ragione del fatto che il gruppo (βg/ν2) va calcolato alla temperatura media del film, (Tpe + Te) / 2. L'equazione implicita F(z) = Q& conv(z) - Q& cond(z) = 0, nell'incognita z = Tpe , non può essere quindi risolta direttamente ma necessita di una procedura iterativa. Le strategie per risolvere equazioni di tipo implicito sono diverse. Per una rassegna esauriente si rimanda ai riferimenti citati (Abramovitz et Al., Chapra et Al., Tagliafico et Al.). Un algoritmo semplice, affidabile, che assicura la convergenza è il metodo detto di bisezione. Questo metodo è classificabile come metodo chiuso, in quanto consente di ricavare la radice dell'equazione una volta indentificato un intervallo (di estremi z1 e z2) in cui questa è contenuta. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 35 Scelti due valori z1 e z2 tali che F( z2 )*F( z1 )<0, si procede per passi successivi dimezzando di volta in volta l'intervallo (z1 , z2). Ad ogni passo viene calcolato il valore znuovo = (z1 + z2)/2 che individua due sottointervalli uguali (z1, znuovo), (znuovo, z2): il sottointervallo che soddisfa la disequazione F( z2 )*F( z1 )<0 viene quindi considerato ed il processo si ripete un numero di volte sufficiente per ottenere che l'ampiezza dell'intervallo divenga più piccola di una quantità prefissata o sia soddisfatto un qualche altro criterio di convergenza della procedura numerica. A partire dai valori di tentativo Tpe1=300, Tpe2 =360, l'algoritmo ci consente di ricavare ad ogni passo di calcolo i seguenti valori delle grandezze di nostro interesse. Tpe1 [K] 300 330 345 Tpe2[K] 360 360 360 F(Tpe1) <0 <0 <0 F(Tpe2) >0 >0 >0 Tpe1 + Tpe2 Q& ( ) [W] 2 90 83 79 Dopo tre iterazioni l'approssimazione può ritenersi soddisfacente, e la procedura conclusa. M993/2A Una superficie piana orizzontale di forma quadrata (lato 50cm) si trova all'aria aperta in un sito soggetto a vento (velocità 6m/s) e temperatura dell'aria T =3°C. La volta celeste verso la quale la piastra irraggia può essere pensata, durante la notte, come un corpo alla temperatura di 255K se vigono condizioni di cielo sereno. Per questa situazione semplificata, si richiede di determinare la temperatura raggiunta dalla superficie superiore della piastra (supposta un corpo grigio di emissività ε=0.85) in seguito agli scambi termici convettivi e radianti. Si assuma che la superficie inferiore della piastra sia adiabatica. Si adotti la correlazione, Nu=0.664 Re0.5 Pr0.33 verificando la condizione di regime di moto laminare. (Proprietà dell'aria: conduttività k=0.025W/mK, Pr=0.72, viscosità cinematica ν=14*10-6 ) [Soluzione: T=-1.2°C] M993/3A Uno scambiatore controcorrente è costituito da due tubi coassiali, nel più interno dei quali (diametro D=0.07m) scorre acqua ( m& =0.4kg/s, c =4180J/kgK, k =0.67W/mK, ρ=950kg/m , ν =0.35*10-6, Pr=2, Tingresso=351K). Lo spazio anulare compreso tra il tubo interno ed il tubo esterno (diametro D=0.1m) è alettato con 8 alette longitudinali (spessore s=0.001m, altezza h=0.015m) ed è percorso da aria ( m& =0.12kg/s, cp =1005J/kgK) che entra alla temperatura di 300K ed esce alla temperatura di 340K. Si richiede di valutare: 1) il coefficiente globale di scambio termico trascurando la resistenza termica conduttiva legata allo spessore del tubo interno; 2) la lunghezza dello scambiatore affinchè svolga il compito assegnato. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 36 Sono noti i seguenti dati: coefficiente di scambio termico convettivo lato aria h =100W/mK, conduttività delle alette in alluminio k=80W/mK. Si adotti la correlazione: Nu=0.023 Re0.8Pr0.33 per il calcolo del coefficiente di scambio termico convettivo lato acqua. Si ricavi il rendimento dell'aletta singola utilizzando la relazione per aletta con estremità adiabatica. [Soluzione: K=34.3W/m²K, L=5.6m] A994/1B Una parete di spessore 30cm è realizzata con un materiale la cui conducibilità termica vale 0.86W/mK e la cui diffusività termica vale 4.8*10-7m²/s. La parete inizialmente si trova alla temperatura di 35°C, concidente con quella dell'aria che ne lambisce il lato esterno con coefficiente convettivo pari a erfc(η) 12W/m²K. Il lato interno da un certo istante in poi viene investito da una corrente di vapore che ne eleva la temperatura di superficie a 400°C. Si richiede di valutare, in condizioni di regime stazionario: 1) lo spessore minimo di isolante (conducibilità termica 0.15W/mK) da apporre sulla superficie esterna della parete al fine di assicurare un flusso termico inferiore a 475W/m²; 2) la temperatura della superficie esterna in assenza di isolante; 3) la temperatura della superficie esterna in presenza di isolante. η 4) Si richiede inoltre di valutare, per quanto riguarda il transitorio termico, la temperatura in un punto interno della parete distante 5cm dalla superficie calda della stessa dopo che sono trascorsi 15 minuti dall'inizio del processo di riscaldamento. Si utilizzi il grafico a fianco (η=0.5(Fo)-0.5) [Soluzione: s=0.05m, T2=105°C, T3=74.6°C, T4=68°C] M994/1A Un radiatore domestico è realizzato con una piastra piana verticale (altezza 60cm) al cui interno scorre acqua. Il fluido vettore entra nell'elemento scaldante alla temperatura di 80°C e ne esce a 70°C. Si richiede di valutare la superficie del corpo scaldante affinché esso assicuri uno scambio termico convettivo e radiante pari a 1400W. Sono noti i seguenti dati: 1) Il radiatore è installato in un ambiente a temperatura uniforme dell'aria e delle pareti circostanti pari a 22°C. 2) L'emissività della superficie radiante, supposta un corpo grigio, sia pari a 0.85. 3) Si trascuri la resistenza convettiva interna al corpo scaldante e quella conduttiva, assumendo pertanto una opportuna temperatura media della piastra. Si assuma inoltre che lo scambio termico interessi una sola faccia dell'elemento. 4) Il fenomeno convettivo sia retto da una correlazione di scambio termico del tipo: M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 37 Nu=0.57(Ra)0.25, valida per regime laminare. Si assuma Pr=0.72. Le proprietà termofisiche possono essere valutate utilizzando la seguente tabella: T [K] k [W/mK] βg/υ² [1/m³K] 280 300 320 340 370 0.025 0.026 0.027 0.028 0.030 18.4*107 13.3*107 10*107 7.5*107 4.9*107 [Soluzione: A=2.45m²] M994/1B Un collettore solare piano, senza copertura in vetro, ha una superficie ricevente caratterizzata da emissività ε=0.1 e coefficiente di assorbimento α=0.95 nei confronti della radiazione solare. Quando l'intensità della radiazione solare incidente vale 650W/m², la temperatura superficiale del collettore risulta Tc=100°C. In queste condizioni la temperatura dell'aria esterna è 30°C, mentre quella della volta celeste risulta 17°C. Il coefficiente convettivo esterno può essere valutato secondo la relazione: h=1.43(Tc-Tamb)0.33. Calcolare il flusso termico utile che può essere ottenuto dal collettore e la sua efficienza in queste condizioni di funzionamento. Quali accorgimenti potrebbero essere impiegati per aumentare l'efficienza di captazione? Risoluzione Il bilancio termico del collettore solare in condizioni di regime si scrive: Q& ''utile = αsol G - Q& ''conv - εσ (Tc4 - Tvc4 ) dove G è l'irradianza solare, αsol è l'assorptività della superficie captante nei confronti della radiazione solare ed ε è l'emissività della stessa alla temperatura di esercizio del collettore. Si ha quindi: h=1.43(100 - 30)0.33 = 5.81W/m²K Q& ''utile = 0.95*650 - 5.81*(100 - 30) - 0.1*σ (3734 - 2904) = 141 W/m² η= Q& ''utile / G = 141/650 = 0.22 M994/2B Un criostato contenente azoto liquido a pressione atmosferica (temperatura alla saturazione 77K, densità 805kg/m³) è realizzato in acciaio inox (emissività di riferimento ε=0.08) con una struttura a contenitori concentrici (vedi figura) recante una intercapedine in cui è stato realizzato il vuoto. Il serbatoio, la cui superficie esterna misura 2.2m², è lambito da aria ambiente a temperatura di 20°C e coefficiente convettivo pari a 8W/m²K. Si richiede di valutare la portata oraria di azoto evaporante (entalpia di passaggio di fase a pressione atmosferica 199kJ/kg) ipotizzando che l'intercapedine sia sede di solo scambio termico raggiante e le resistenze conduttive e quella convettiva lato azoto siano trascurabili. & [Soluzione: m=0.67kg/h] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 38 M994/2B Una parete di un forno (spessore 30cm) è realizzata con un materiale la cui conduttività termica kp vale 0.86W/mK. In condizioni di funzionamento, la temperatura delle superfici interna ed esterna valgono, rispettivamente 1100°C ed 35°C. Dopo avere calcolato il flusso termico che si instaura attraverso il divisorio, si richiede di valutare lo spessore minimo di isolante (kis=0.35W/mK) da apporre alla parete per ridurre tale flusso termico al di sotto di 1850W/m². L994/1B La conduttura che collega la centrale termica di una industria chimica alle utenze, è percorsa da acqua alla temperatura di 80°C (viscosità cinematica 0.3*10-6 m²/s, densità 975kg/m³, conducibilità 0.67W/mK, Pr=2.25). Tale tubatura, per un tratto pari a 20m, si trova all'aria aperta (T=5°C, coefficiente liminare esterno 25W/m²K). Si richiede di valutare per tale tratto, il flusso termico disperso in condizioni di regime stazionario. Sono noti i seguenti dati: 1) La tubazione è realizzata in ferro (conducibilità kf = 40W/mK, diametro interno 36mm, spessore 2mm) e ricoperta con uno strato di isolante (kis = 0.08W/mK) di spessore 1cm. 2) La portata di liquido è pari a 2kg/s, la convezione forzata interna può essere descritta dalla correlazione: Nu=0.023Re0.8Pr0.3, valida per regime turbolento e moto completamente sviluppato (verificare). [Soluzione: Q& =1470W] S994/1A Un grande blocco di ghiaccio distaccatosi dalla banchina polare si muove sospinto dal vento nell'oceano. L'iceberg, che si trova alla temperatura di zero centigradi, presenta una struttura piatta a parallelepipedo (vedi figura). L'acqua del mare si trova alla temperatura di 10°C, quella dell'aria a 15°C. Se il blocco di ghiaccio si muove con velocità di 10cm/s (direzione del vento) rispetto all'acqua e l'aria si muove rispetto al solido alla velocità di 3.1m/s, a quanto ammonta il calore complessivamente sottratto all'iceberg da acqua ed aria per effetto convettivo? Quanto vale la portata oraria di ghiaccio che fonde? 30m Si adottino le seguenti ipotesi: 1) il fenomeno convettivo (di tipo forzato) può essere descritto dalla teoria dello strato limite su lastra piana per il quale 50m valgono le note relazioni: Nul = 0.664 Re0.5Pr0.33 (moto laminare) 0.8 0.33 Nul = (0.037 Re - 871)Pr (moto turbolento) 2) le proprietà termofisiche dell'acqua da considerare sono: viscosità cinematica 1.5*10-0.6m²/s, conducibilità termica 0.57W/mK, entalpia di fusione 333kJ/kg & [Soluzione: m=23400kg/h] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 39 F995/1B La struttura composta di una parete perimetrale (legno, conducibilità termica 0.15W/mK) è costituita da una serie di travi che racchiudono un'intercapedine profonda 5cm in cui è inserito del materiale isolante (conducibilità termica 0.06W/mK). L'elemento ripetitivo caratteristico dal punto di vista termico è schematizzato in figura (vista dall'alto), dove compaiono alcune dimensioni espresse in centimetri. Si richiede di valutare la trasmittanza della parete (per unità di area), utilizzando quali valori per i coefficienti liminari interno ed esterno 8 e 25W/m²K. Risoluzione Nell'ipotesi che il campo termico nella struttura descritta possa essere considerato monodimensionale, il problema può essere risolto ricorrendo all'analogia elettrica. La struttura può essere pensata come un insieme di resistenze termiche collegate tra loro in serie e parallelo, ma è possibile riconoscere almeno due circuiti elettrotermici che descrivono il processo. Il questo caso si conviene di calcolare la resistenza equivalente che compete ai due schemi, verificare che i due valori ottenuti non si discostino tra loro per più del 50% (rispetto alla media aritmetica dei valori) ed assumere tale media come valore di riferimento per i successivi calcoli...(vedi anche il testo di Tagliafico e Cavalletti) A995/1A La conduttura che collega la centrale termica ad un sistema di utenze, è percorsa da acqua alla temperatura di 80°C (viscosità cinematica 0.3*10-6 m²/s, densità 975kg/m³, conducibilità 0.67W/mK, Pr=2.25). Tale tubatura, per un tratto pari a 30m, si trova all'aria aperta (T=5°C, coefficiente liminare esterno 25W/m²K). Si richiede di determinare lo spessore di materiale isolante da apporre sulla superficie del tubo nel tratto in esame, al fine di contenere il flusso termico disperso in condizioni di regime stazionario in 80 W/m. Sono noti i seguenti dati: 1) La tubazione è realizzata in ferro (conducibilità kf = 40W/mK, diametro interno 36mm, spessore 2mm) ed il materiale coibente ha conducibilità kis=0.08W/mK. 2) La portata di liquido è pari a 2kg/s, la convezione forzata interna può essere descritta dalla correlazione: Nu=0.023Re0.8Pr0.3, valida per regime turbolento e moto completamente sviluppato (verificare). [Soluzione: s=0.009m] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 40 A995/1B In relazione al dimensionamento di un impianto di condizionamento estivo, occorre calcolare l'apporto termico radiante giornaliero di un edificio (posto in un sito alla latitudine 45°) attraverso una sua vetrata verticale disposta a sud. La vetrata, la cui superficie è pari a 18m², è costituita da un singolo vetro le cui caratteristiche di trasmissività sono τ=0.65 per lunghezze d'onda inferiori a 4.5µm e zero altrove. Si utilizzi il diagramma allegato, che riporta l'andamento del flusso termico solare incidente su superficie unitaria (kW/m²) in funzione del tempo espresso come ore prima e dopo il mezzodì. Si assuma che la composizione spettrale della radiazione termica sia assimilabile a quella di un corpo nero alla temperatura di 5800K e l'apporto termico attraverso la vetrata dipenda solo dalla componente trasmessa nel mezzo semitrasparente. [NOTA: la valutazione dell'apporto energetico giornaliero presuppone il calcolo dell'integrale della curva in figura. Tale integrale rappresenta l'energia incidente in una metà giornata. Esso può essere calcolato per esempio in maniera approssimativa tenendo conto che ciascun quadretto rappresenta 0.2*3600 KJ/m². Soluzione: Q=140.1*103kJ] M995/1B Una copertura piana di un edificio misura 10×15m ed è costituita da una struttura portante in calcestruzzo (conducibilità termica k1 =1.2W/mK, spessore 20cm) e da un rivestimento di materiale isolante (k2=0.08W/mK, spessore 4cm). La temperatura dell'aria esterna sia pari a 32°C, quella dell'aria interna a 25°C; il coefficiente liminare esterno (convettivo e radiante) valga 30W/m²K mentre lo scambio termico lato interno possa essere descritto dalla relazione h=0.95(∆T)0.33. Se la superficie esterna è assimilabile ad una superficie grigia di emissività 0.8, si determini in condizioni di regime stazionario il flusso termico che attraversa la struttura nell'ipotesi che l'intensità della radiazione solare incidente sia pari a 750W/m² Te Risoluzione R1 Il problema termico in regime stazionario può essere descritto da uno schema elettrico come quello di figura che ci consente di scrivere il seguente sistema di equazioni: Q& rad = Q& conv + Q& cond Q& rad = α G A Q& conv = Ahe (Tpe - Te) Q& cond = A(Tpe - Tpi) / (s1/K1+s2/K2) = Ahi (Tpi - Ti) qrad qconv Tpe R2 qcond R3 Tpi R4 Ti M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 41 dove hi è ancora una funzione della temperatura incognita interna di parete Tpi nella forma: hi = 0.95(Tpi - Ti)0.33 Combinando le varie equazioni è possibile ottenere un'equazione implicita nell'incognita Tpi da risolversi per via iterativa, adottando una opportuna strategia (Cfr. Aprile 1993/2A). Alla fine del processo si ottiene: Tpi = 35.9°C, Q& cond =3.44kW; Tpe =51.2°C. N995/1B Il lunotto di un automobile è sbrinato per mezzo di un sottile film trasparente apposto sulla superficie interna dello stesso e riscaldato elettricamente. Assumendo il riscaldamento uniforme, si valuti il flusso termico specifico necessario per mantenere una temperatura di parete interna di 15°C quando la temperatura dell'ambiente interno è di 25°C e quella esterna è di -5°C. Si assuma che i coefficienti liminari lato interno e lato esterno valgano rispettivamente 12 e 60W/m²K, lo spessore del vetro sia 4mm e la sua conducibilità termica valga 1W/mK. [Soluzione: Q& "=848W/m²] D995/1A Una portata di aria (temperatura iniziale 60°C, pressione 1.8bar, portata volumetrica 4320m³/ora, viscosità cinematica 19*10-6m²/s) attraversa in regime permanente una conduttura in lamiera a sezione costante di forma quadrata, lunghezza 340m, scabrezza 150µm. Durante il percorso la corrente di aria riceve un flusso termico pari a 45kW. Si richiede di calcolare: 1) la portata massica di aria; 2) la sezione trasversale del condotto A affinchè all'imbocco del canale la velocità del gas sia pari a 3m/s; 3) la temperatura e la velocità dell'aria all'uscita del canale (nell'ipotesi che la pressione non vari); 4) la caduta di pressione tra ingresso ed uscita del condotto, supposto rettilineo ed orizzontale, considerando quale diametro equivalente del condotto il rapporto 4A/p (p=perimetro del condotto) e la densità dell'aria costante. [Soluzione: m& =2.26kg/s, A=0.4m², T=80°C, w=3.2m/s, ∆p=99Pa] D995/1B Si vuole misurare la temperatura dell'aria all'esterno di un locale. Per realizzare questa operazione si dispone di un termometro a capillare, inizialmente alla temperatura di 20°C, coincidente con quella dell'ambiente interno in cui opera. Il termometro può essere assimilato ad un cilindro in vetro (conducibilità termica 1.1W/mK, densità 2200kg/m³, calore specifico 750J/kgK) di altezza 10cm e diametro 3mm. Sono noti i seguenti dati: la temperatura esterna sia pari a 8°C, lo scambio termico sia di tipo convettivo forzato (velocità dell'aria all'esterno 2m/s, conducibilità 0.025W/mK, viscosità cinematica 14*10-6m²/s, Pr=0.72), per il quale valga la relazione semplificata NuD=0.4 ReD0.5Pr0.33 Si richiede di valutare: M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 42 1) il coefficiente convettivo esterno; 2) l'applicabilità del modello di corpo sottile al sistema termometro; 3) il tempo necessario affinchè il termometro (inteso come corpo sottile) si porti ad una temperatura che differisce da quella esterna di 0.5°C [Soluzione:h=62W/m²K, Bi=0.043, τ=63s] G996/1B Un anemometro a filo caldo è un congegno che consente misure locali di velocità di una corrente fluida a partire da misure di tipo elettrico. L'anemometro è costituito da una resistenza elettrica, i cui valori caratteristici variano con la temperatura secondo la relazione: R [ohm]= Ro (1+ a(T-T0)) Ro=6 [ohm]; a=0.005 [1/C°]; T0= 25°C. L'elemento sensibile dell'anemometro ha forma cilindrica (lunghezza 1 cm, diametro 1 mm) ed è investito (ortogonalmente rispetto al proprio asse) da aria a pressione P=1 bar, T∞=20°C. Supponendo che sia valida la seguente correlazione di scambio termico: Nu = 0.622 Re0.5 Pr0.4. e ricordando che valgono le relazioni V=RI, q=VI (legge di Ohm), calcolare la velocità dell'aria se la tensione misurata è Vm= 3V e la corrente misurata è Im= 0.4A. Si utilizzino le seguenti proprietà termofisiche dell'aria: k cp [°C] ν [m2/s] [W /m K] [kJ/kg K] 0 13.0 10-6 0.0237 1.004 100 23.2 10-6 0.0304 1.010 T [Soluzione: w=40m/s] F996/1B Due piastre parallele di forma rettangolare, la cui distanza è piccola se confrontata con le dimensioni delle stesse, misurano 1400x1600mm. Le superfici in questione, mantenute rispettivamente alla temperatura di 750°C e 300°C, sono caratterizzate da valori di emissività pari a 0.2 nel campo di lunghezze d'onda comprese tra 0 e 4µm e 0.8 per lunghezze d'onda superiori. Dopo avere calcolato l'emissività delle due superfici "media" su tutto il campo delle lunghezze d'onda, si richiede di valutare il flusso termico radiante scambiato dalle piastre nell'ipotesi che queste si comportino come superfici grigie caratterizzate dalle emissività medie calcolate in precedenza. Risoluzione L'emissività totale di una superficie è definita come: ε= ∫ ∞ 0 ∫ ε λ e nλ dλ ∞ 0 e nλ dλ Nel nostro caso avremo quindi: M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 43 4 µm ∫ ε = 0.2 ∫ 0 ∞ 0 e nλ (T)dλ e nλ (T)dλ ∞ ∫ + 0.8 ∫ 4 µm ∞ 0 e nλ (T)dλ e nλ (T)dλ 4 µm ∫ = 0.8 + (0.2 − 0.8) ∫ 0 ∞ 0 e nλ (T)dλ e n λ ( T ) dλ Il rapporto che compare nell'ultima espressione viene sovente indicato con il simbolo F0-λ e può essere calcolato in funzione del prodotto λT, per esempio utilizzando le apposite tabelle per il calcolo della radiazione del corpo nero. Indicando con A la superficie alla temperatura inferiore e con B quella alla temperatura superiore, avremo: (λT)B=4*1023=4096µmK (λT)A=4*573=2292µmK (F0-λ)B=0.498 (F0-λ)A=0.119 εA=0.729 εB=0.501 Lo scambio termico radiante tra due superifici grigie parallele molto estese può essere descritto dalla relazione: A σ ( TA4 − TB4 ) che fornisce come risultato Q& =53.15kW q= 1 / ε A+ + 1 / ε B − 1 M996/1A Domanda 1) Calcolare il flusso termico scambiato da un cavo in rame per la trasmissione di energia elettrica di 2.5 cm di diametro, sapendo che la massima temperatura ammessa è 100 °C. Il cavo è disposto orizzontalmente in aria tranquilla alla temperatura di 30°C. Per il calcolo dello scambio termico per convezione si può utilizzare la relazione: Nu = 0.53 Ra1/4 in regime laminare. Nu = 0.13 Ra 1/3 in regime turbolento. L'emissività totale del filo è = 0.9, l'ambiente circostante si trova alla temperatura dell'aria. Considerare il cavo come un corpo sottile. Proprietà termofisiche dell'aria: T ρ [K] (βg)/ν2 [1/m3K ] Pr [kJ/kg K] a [m2/s] 0.0259 1.005 21.86 10-6 1.33 108 0.719 2.08 10-5 0.0292 1.008 28.74 10-6 6.60 107 0.719 2.29 10-5 0.0323 1.013 36.13 10-6 3.65 107 0.719 µ λ cp [kg/m3] ν [m2s] [Pa s] [W/m K] 300 1.177 15.7 1-6 1.85 10-5 350 1.008 20.6 10-6 400 0.8825 25.9 10-6 Domanda 2) Dimostrare la validità dell'ipotesi di corpo sottile utilizzata al punto 1, sapendo che la conducibilità termica del rame è km=400 [W/m K]. Risoluzione 1) Calcoliamo le caratteristiche geometriche del filo per unità di lunghezza: A/l = π D l/l = 3.14 0.025 = 0.07785 m²/m V/l = π D² /4 / l = 3.14 0.025² / 4 = 0.0004908 m³/m Per il calcolo dello scambio termico in convezione naturale valutiamo le proprietà fisiche alla temperatura del film che vale: Tf = (tp + ta )/2 = (100 + 30 )/2 = 65 °C = 338 K M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 44 Valuto quindi βg /υ² = 13.3 107 +38 (6.6- 13.3)107/50= 8.21 107 k = 0.0259 +38 (0.0292 - 0.0259)/50= 0.0284 [W/mK] Pr = 0.719 Numero di Grashof Gr = ∆T D³ βg /υ² =70 (2.5 10-2)3 8.21* 107 = 89.8*103 Numero di Rayleigh Ra= 6.46*104 : regime laminare! Numero di Nusselt Nu= 0.53 Ra1/4 = 8.45 Il coefficiente di scambio: hc= Nu k/D = 8.45*0.0284/0.025 = 9.6 W/m² K Il flusso termico per convezione Q& c/l= h A/l (tp- ta) = 9.6*0.07785*70 = 52.78 W/m Il flusso termico termico per irraggiamento si può valutare come quello scambiato da un corpo piccolo inserito in una cavità molto grande (l'ambiente). Q& i = A/l σε (tp4 - ta4) = 0.07785* 5.67* 0.9 (4.734 - 3.034) = 29.42 W/m Il flusso termico totale Q& = 82.2 W/m Domanda B) il coefficiente liminare h = hc + hi = Q& /A(tp -ta) = 15.1W/m²K Il numero di Biot Bi = h D/km = 0.0008 < 0.1. L'ipotesi di corpo sottile è ampiamente giustificata M996/1B Un problema tipico connesso al deflusso di fluidi criogenici in condotti è la formazione di ghiaccio sulla superficie esterna delle tubazioni quando queste sono immerse in aria ambiente. Si consideri il seguente caso: una lunga tubazione in acciaio di spessore trascurabile è attraversata da azoto liquido alla temperatura di -200°C. Il canale è coibentato con materiale isolante (conducibilità termica 0.04W/mK), il diametro esterno del condotto metallico è pari a 0.1m mentre lo spessore dell'isolante è 15mm. Se il coefficiente liminare lato ambiente vale 20W/m²K, la temperatura esterna vale 20°C, la resistenza termica convettiva lato azoto è trascurabile, si richiede di determinare, in condizioni di regime stazionario: 1) Il flusso termico scambiato per unità di lunghezza attraverso la superficie del tubo in assenza di ghiaccio e la temperatura esterna del condotto; 2) lo spessore di ghiaccio (conducibilità termica 2.2W/mK) che si deposita sul tubo. In relazione alla domanda 2, si rammenta che il processo di formazione di brina qui considerato si arresta quando la superficie esterna raggiunge gli 0°C. Risoluzione In assenza di ghiaccio sulla superficie esterna: Te − Ti 20 + 200 = Q& ′ = = 188.6 W/m ln( D2 / D1 ) 1 ln( 13 / 10 ) 1 + + 20 * π * 0.13 2π * 0.04 heπDe 2πk Te = Ta - Q& ' / (he π D2 ) = 20 - 188.6 / (20 * 0.13 *π) = -3.1 °C In presenza di ghiaccio, il bilancio di energia in regime stazionario ci consente di scrivere che il flusso termico conduttivo nel cilindro a due strati eguaglia il flusso termico di tipo convettivo all'esterno della superficie dove vige la temperatura Tsol = 0°C. Si fa osservare che il flusso termico nei due casi considerati non è lo stesso: M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 45 Tsol − Ti T −T = a sol 1 ln( De / D2 ) ln( D2 / D1 ) + 2 πk g 2 πk he πDe Per tentativi si ottiene De = 0.151, lo spessore del ghiaccio risulta quindi di circa 1cm M996/2A Occorre mantenere una temperatura di 20°C all'interno di una stanza quando la temperatura esterna vale 5°C. Le superfici perimetrali che separano la stanza dall'esterno sono di due tipi: pareti in muratura (spessore 30cm, superficie complessiva 35m², conducibilità termica 0.8W/mK) e superfici vetrate (spessore 6mm, superficie complessiva 5m², conducibilità termica 1.1W/mK). Nell'ipotesi di regime stazionario e flusso termico monodimensionale e posto che i coefficienti liminari lato interno e lato esterno valgano rispettivamente 8 e 23W/m²K, si determini: 1) il flusso termico disperso attraverso il confine del sistema; 2) la temperatura della superficie interna delle pareti in muratura e delle superfici vetrate; 3) la portata di acqua calda da inviare ai corpi scaldanti nell'ipotesi che essa si raffreddi di 10°C nell'attraversare gli elementi. Risoluzione Con le ipotesi fatte il flusso termico attraverso le superfici opache e trasparenti vale: Q& 1 = A1(Ti - Te ) / (1/hi + 1/he + s1/k1) = 966W Q& 2 = A2(Ti - Te ) / (1/hi + 1/he + s2/k2) =431W Il flusso termico disperso complessivamente è pari a: Q& = Q& 1 + Q& 2 = 1397W Le temperature sulla faccia interna delle superfici considerate valgono rispettivamente: Tp1 = Ti - Q& 1 / (A1 hi ) = 20 - 966 / (35 * 8) = 16.5°C Tp2 = Ti - Q& 2 / (A2 hi ) = 20 - 431 / (5 * 8) = 9.2°C La portata di acqua da inviare ai corpi scaldanti risulta: m& = Q& / cp ∆T = 1397 / (4180*10) = 0.0334 kg/s S996/1B Per misurare il calore specifico di un provino solido assimilabile ad un corpo sottile si può ricorrere alla seguente esperienza. Si immerge il provino in una corrente forzata di aria e lo si riscalda per mezzo di una resistenza elettrica che dissipa un flusso termico noto; quando una temperatura di regime è stata ottenuta, si interrompe il flusso termico e si osserva il transitorio di raffreddamento, le cui caratteristiche dipendono, tra l'altro, dal calore specifico incognito del provino in esame. Una prova eseguita secondo la procedura appena descritta ha fornito i seguenti dati: temperatura del provino a regime 40°C, temperatura della corrente forzata di aria 20°C, velocità dell'aria 6m/s, tempo necessario al provino per raffreddarsi fino alla temperatura di 24°C: 85 secondi. Sono note le proprietà termofisiche del provino (densità 960kg/m³, conducibilità termica 6W/mK) e della corrente d'aria (viscosità cinematica 1.8*10-5 m²/s, conducibilità termica 0.027W/mK, Pr=0.72). M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 46 Il provino ha forma cilindrica (D=0.01m, L=0.12m), lo scambio termico tra il solido e l'aria ambiente sia esclusivamente di tipo convettivo forzato per il quale valga la relazione: NuD= 0.4 ReD0.5 Pr0.3. Si richiede di determinare: 1) l'attendibilità del modello di corpo sottile; 2) il calore specifico del provino nell'ipotesi di corpo sottile. Risoluzione 1) Calcoliamo il coefficiente di scambio termico convettivo. I dati del problema sono D = 0.01m, w=6 m/s, k = 0.027 W/mK, υ=1.8×10-5 m²/s Da cui: h=Nu k / D = 0.4 (w D / ν)0.5 Pr0.3 k / D = 56.5 W/m²K Il numero di Biot è definito come Bi= (h V/S)/kp , dove V/S=2.5mm è il rapporto volume/(area esterna) del provino e kp è la conducibilità termica dello stesso. Risulta quindi Bi=0.02, l'ipotesi di corpo sottile è giustificata. ⎛ θ⎞ hS 2) Il transitorio di corpo sottile è descritto dalla relazione ln⎜⎜ ⎟⎟ = − (τ − τ 0 ) , dalla quale è ρcV ⎝ θ0 ⎠ possibile esplicitare la grandezza incognita calore specifico. ⎛ θ⎞ Noto il rapporto ⎜⎜ ⎟⎟ = (24-20) / (40-20) = 0.2, si ricava c=1243 J/kg K. ⎝ θ0 ⎠ O996/1B Una goccia di olio (ρ=820kg/m³, cp=1800J/kgK) di forma sferica (diametro D=4mm) percorre una traiettoria verticale in aria (T=20°C, p=101kPa, k=0.026W/mK, Pr=0.72, ν=1.5*10-5m²/s) per effetto della gravità. Dopo un breve transitorio iniziale la velocità di caduta si assesta su un valore costante per il quale la forza di gravità eguaglia la forza di attrito esercitata dall'aria; quest'ultima può essere espressa dalla relazione F=½CdAw2ρa, dove Cd è un coefficiente di attrito che vale 0.44, ρa è la densità dell'aria, A e w sono rispettivamente la sezione trasversale e la velocità della goccia. Si richiede di determinare: 1) la velocità asintotica della goccia; 2) il coefficiente di scambio termico convettivo aria/goccia nell'ipotesi che valga la relazione NuD=2+0.6 Re 0D.5 Pr0.33; 3) il tempo necessario affinché la goccia (intesa come corpo "sottile") possa portarsi dalla temperatura iniziale di 60°C alla temperatura finale di 30°C per effetto dello scambio termico convettivo. Risoluzione 1) La velocità asintotica di caduta si ricava eguagliando la forza di attrito alla forza di gravità. Tenuto conto che la massa della goccia vale: m=1/6πD3 ρ=2.75×10-5 kg e la densità dell'aria vale 1.2kg/m3 (legge dei gas perfetti) si ha: 2mg w= =9m/s Cd A ρa M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 47 2) Calcoliamo il coefficiente di scambio termico convettivo. I dati del problema sono D = 0.004m, w=9 m/s, k = 0.026 W/mK, υ=1.5×10-5 m²/s , Pr=0.72. Da cui: h=Nu k / D = (2+0.6 (w D / ν)0.5 Pr0.3) k / D = 185 W/m²K ⎛ θ⎞ hS 3) Il transitorio di corpo sottile è descritto dalla relazione ln⎜⎜ ⎟⎟ = − (τ − τ 0 ) , dalla quale è θ cV ρ ⎝ 0⎠ possibile esplicitare l'intervallo di tempo incognito. ⎛ θ⎞ Noto il rapporto ⎜⎜ ⎟⎟ = (30-20) / (60-20) = 0.25, e la superficie S della sfera, si ricava: ⎝ θ0 ⎠ (τ-τ0 )=7.4 secondi. G997/1B Si vuole fare in modo che sull'alettone di un aeroplano non si formi ghiaccio quando il veivolo si trova in quota. La superficie in oggetto ha forma rettangolare (80x120cm) ed è investita dall'aria su entrambe le facce nella direzione della dimensione minore. La superficie è riscaldata dall'interno per mezzo di una portata di olio (cp=2000J/kgK) che all'imbocco dell'alettone si trova alla temperatura di 80°C. Si vuole determinare: 1) la potenza termica da fornire a regime alla superficie affinché non si formi ghiaccio sulla stessa; 2) la portata di olio da inviare al sistema. I dati del problema sono i seguenti: velocità del veivolo 635km/h, temperatura dell'aria esterna -40°C, pressione esterna 60kPa. Si trascuri lo scambio termico radiante rispetto a quello convettivo, per il quale valga la relazione: Nu=0.037Pr0.3(Re0.8-23500). Le proprietà termofisiche dell'aria possono essere dedotte dalla tabella sottostante: T µ k [°C] [kg/sm] 1.45*10-5 [W/mK] 0.020 0.72 1.71*10-5 1.76*10-5 0.024 0.72 0.025 0.72 -50 0 10 Pr Risoluzione Per risolvere il problema occorre fissare opportuni valori della temperatura a cui si vuole mantenere la superficie alare Ts e della temperatura dell'olio all'uscita del sistema Tu. Poniamo Ts = 2°C, Tu = 20°C Per calcolare il flusso termico disperso a regime dalla superficie alare utilizziamo la legge di Newton. Il coefficiente convettivo h si ricava utilizzando la relazione per il numero di Nusselt proposta, i dati del problema (velocità dell'aria w, lunghezza significativa L) e le proprietà termofisiche dell'aria valutate alla temperatura media del film (-19°C). La densità dell'aria si ricava con la legge dei gas perfetti. Avremo w=176.4 m/s, L=0.8 m, k=0.022, µ=1.61*10-5, ρ=0.826, υ=1.95*10-5 Da cui risulta Re=wL/υ=7.237*106, Nu=hL/k=9442, h=259 W/m²K M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 48 Q& =hA(Ts - Ta) = 259 * 2 *(1.2*0.8)* (2+40) = 2.089*104 W Infine avremo: m& olio = Q& / [cp *(Ti - Tu)] = 2.089*104 / (2000*60) = 0.174 kg/s M997/1B Una superficie piana è esposta a radiazione solare di intensità 600W/m². Lo spettro di quest'ultima possa ritenersi coincidente con lo spettro del corpo nero a 5800K. La superficie in questione possiede, dal punto di vista radiante, un comportamento selettivo essendo caratterizzata da emissività pari a 0.8 per lunghezze d'onda inferiori a 2µm e pari a zero per lunghezze d'onda superiori. In assenza di altri scambi termici diversi da quello radiante verso l'ambiente circostante (20°C), si richiede di determinare: 1) la temperatura di equilibrio qualora la superficie si comportasse come un corpo nero; 2) la temperatura di equilibrio assunta dalla superficie nelle condizioni attuali. Risoluzione Il bilancio di energia a regime fornisce: Q& entrante= Q& uscente Nel caso del corpo nero, si ha σ(Tp4 - Tamb4 )= G Da cui Tp = 4 G / σ + T 4 amb = 4 600 / 5. 67 *10−8 + 2934 = 366[K] Nel caso in esame, l'equazione di bilancio assume la forma: G α = ε σ(Tp4 - Tamb4 ) dove ∞ ∫ α λ e nλ (Ts )dλ = α * (F ) α= 0 ∞ 0-λ s ∫ e nλ (Ts )dλ 0 α * = ε * = 0.8 ε = ∫ ∞ 0 ∫ ε λ e nλ (Tp )dλ ∞ 0 e nλ (Tp )dλ = ε * σ (F0-λ)p λ= 2µm La quantità a primo membro è nota, in quanto sono note la temperatura Ts =5800K ed il prodotto λTs = 11600 da cui dipende la funzione (F0-λ)s . La quantità a secondo membro risulta dipendere dalla temperatura incognita della piastra Tp che compare implicitamente anche nel gruppo (F0-λ)p . La soluzione richiede quindi una procedura di tipo iterativo, che fornisce quale risultato Tp=820[K] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 49 M997/2A Si consideri il locale schematizzato in figura. T=0°C 3.8m Esso è delimitato dall'esterno (T=0°C) da una 2m struttura vetrata verticale, mentre due pareti in T=20°C h=3m 2m muratura e una porta vetrata lo separano dall'ambiente interno (T=20°C). Nell'ipotesi di T=20°C flusso termico monodimensionale in regime stazionario e trascurando gli scambi termici attraverso le superfici orizzontali, si valuti: 1) la trasmittanza delle pareti verticali che delimitano il locale; 2) la temperatura che si stabilisce nel locale; 3) Il valore massimo dell'umidità relativa affinché, all'interno del locale, non si abbia formazione di condensa superficiale. Sono noti i seguenti dati: Parete Spessore [cm] Conducibilità termica [W/mK] vetrata muratura 1 20 1.1 0.8 Coefficiente liminare [W/m²K] (Interno edificio) 8 (Esterno edificio) 23 [Soluzione: T=6.3°C, i=0.77] O997/1B Una tubatura verticale alettata è attraversata da un liquido alla temperatura di 50°C. La tubatura (altezza H=1m, diametro D=20mm) è lambita da aria in convezione naturale e presenta 4 alette longitudinali di spessore s=2mm e lunghezza L=50mm (vedi figura). Nell'ipotesi di trascurare la resistenza convettiva interna e la resistenza conduttiva del condotto metallico e delle alette (alluminio, conducibilità termica 190 W/mK), si calcoli: 1) il flusso termico convettivo naturale smaltito dalla superficie quando lambita da aria alla temperatura di 10°C utilizzando la correlazione: NuH = (0.825 + 0.325RaH1/6)2 ; 2) Si verifichi l'ipotesi circa la resistenza termica conduttiva, calcolando il rendimento di aletta con la formula di aletta ad estremità adiabatica. Per il calcolo delle proprietà termofisiche dell'aria si utilizzi la tabella sottostante: T [K] βg/ν2 [1/m3K] k [W/mK] 290 300 310 320 15.6×107 13.3×107 11.5×107 10×107 0.025 0.026 0.026 0.027 (Pr=0.72) Risoluzione M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 50 1) La superficie di scambio complessiva (alette più tubo) risulta: A = π D H + 8 L H= 0.062 + 0.4= 0.462 [m²] Per il calcolo dello scambio termico in convezione naturale valutiamo le proprietà fisiche alla temperatura del film che vale: Tf = (tp + ta )/2 = (50 + 10 )/2 = 30 [°C] ≈ 300[K] La lunghezza significativa per la convezione naturale è l'altezza H, dimensione lungo la quale si sviluppa lo strato limite. Avremo quindi βg /υ² = 13.3 107 k = 0.026 Pr = 0.72 Numero di Grashof Gr = ∆T H³ βg /υ² = 5.32*109 Numero di Rayleigh Ra= = 3.83.*109 Numero di Nusselt Nu= 187 Il coefficiente di scambio: hc= Nu k/H = 4.9 [W/m² K] Il flusso termico per convezione Q& c= h A (tp- ta) = 90.6 [W] 2) Il rendimento di aletta ad estremità adiabatica può essere calcolato con le relazioni m=(hp/kAal)0.5 p≈ 2H Aal=H s = 0.002[m²] ηal=tgh(mL)/mL = 0.98 F998/1B Un pannello piano di un altoforno è esposto a una radiazione termica di intensità 400W/m², il cui spettro può ritenersi coincidente con lo spettro del corpo nero a 1200°C. La superficie in questione possiede, dal punto di vista radiante, un comportamento selettivo essendo caratterizzata da emissività pari a 0.8 per lunghezze d'onda inferiori a 4µm e pari a zero per lunghezze d'onda superiori. In assenza di altri scambi termici diversi da quello convettivo verso l'ambiente circostante (T=30°C), si richiede di determinare: 1) Il flusso termico radiante assorbito dalla superficie di area unitaria; 2) la temperatura di equilibrio assunta dalla superficie, nell'ipotesi che il coefficiente convettivo di scambio termico valga 20W/m²K. Risoluzione Il bilancio di energia a regime fornisce Q& entrante= Q& uscente Nel caso in esame, l'equazione di bilancio assume la forma: dove G α = h(T - Ta) α= ∫ ∞ α λ e nλ (TR )dλ 0 ∫ ∞ 0 ε * = 0.8 e nλ (TR )dλ = ∫ ∞ 0 ∫ ε λ e nλ (TR )dλ ∞ 0 e nλ (TR )dλ = ε * (F0-λ) λ= 4µm La quantità a secondo membro è nota, in quanto sono note la temperatura TR =1473K ed il prodotto λTR = 5892µmK da cui dipende la funzione (F0-λ). Avremo quindi assorptività media α =0.583 flusso radiante captato dalla superficie α G=233.3W/m² temperatura di equilibrio Tp=41.6°C M998/1A M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 51 La parete perimetrale di un locale è alta 3m e larga 6m. Essa è costituita da una struttura portante in blocchi di cemento (spessore s1=30cm, conducibilità termica k1=0.9W/mK) e da una pannellatura leggera in cartongesso e fibra di roccia (spessore s2=4cm, conducibilità termica k2=0.08W/mK). Durante il periodo estivo, la temperatura interna del locale è mantenuta a 24°C dall'impianto di condizionamento, mentre all'esterno la temperatura è pari a 30°C. La parete, grigia dal punto di vista radiante, possiede emissività pari a 0.9 ed è esposta a irradianza solare pari a 600W/m2. Adottando come coefficienti liminari interno ed esterno i valori previsti dalla normativa italiana (rispettivamente 8 e 23W/m2K), si richiede di calcolare: 1) il flusso termico che interessa la parete; 2) la temperatura della superficie esterna della parete. Risoluzione Il problema termico in regime stazionario può essere descritto da uno schema elettro-termico come quello di figura. Il primo principio ci consente di scrivere: αG + (Ti -Tpe) / (s1/k1+s2/k2+ 1/hi ) +he(Te -Tpe) =0 Da questa equazione si ricava facilmente Tpe = 52 °C Il flusso conduttivo q che attraversa la parete sarà: Q& = A(Ti -Tpe) / (s1/k1+s2/k2+ 1/hi ) = 525 W La temperatura Tpi inoltre risulta: Tpi = Tpe - Q& /[A(s1/k1+s2k2)] = 27.7 °C M999/1B M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 52 Una batteria di tubi alettati viene utilizzata per raffreddare una portata di aria in un impianto di climatizzazione. I tubi hanno diametro esterno D=18mm e presentano alette circonferenziali (in alluminio, conducibilità k=180W/mK) di lunghezza L=20mm e spessore t=0.8mm. La superficie delle alette rappresenta l'80% della superficie totale che ammonta a 2.5m². Il coefficiente convettivo h lato aria (supposto costante su tutta la superficie) vale 70W/m²K. La temperatura sulla superficie cilindrica di base del tubo vale 5°C, mentre l'aria da refrigerare si trova alla temperatura media di 25°C. Si richiede di determinare, utilizzando il diagramma in figura: 1) il rendimento di aletta circonferenziale; 2) il rendimento della superficie di scambio complessiva (rendimento di alettatura); 3) il flusso termico scambiato; D L t Risoluzione Dalla diagramma allegato si ricava che il rendimento di aletta singola risulta: η=0.8 Il rendimento di superficie alettata ηsa vale invece: ηsa = (Abase +η Aalette) / (Atotale) = (0.2*Atotale + 0.8*Atotale*η ) / Atotale = 0.84 Q& =h Atotale ηsa *(Tbase -Taria) = 2940 W S999/1B Un radiatore è costituito da una serie di tubazioni cilindriche verticali (diametro esterno 5cm, altezza 60cm) al cui interno scorre acqua. Il fluido entra nell'elemento scaldante alla temperatura di 80°C e ne esce a 70°C. Si richiede di valutare il numero di corpi cilindrici necessari per uno scambio termico convettivo e radiante pari a 1400W. Sono noti i seguenti dati: 1) Il radiatore è installato in un ambiente a temperatura uniforme dell'aria e delle pareti circostanti pari a 22°C. 2) L'emissività della superficie radiante, supposta un corpo grigio, sia pari a 0.85 ed il fattore di vista dei corpi cilindrici rispetto alla stanza sia unitario. 3) Si trascuri la resistenza convettiva interna al corpo scaldante e quella conduttiva, assumendo pertanto una opportuna temperatura media della superficie. 4) Il fenomeno convettivo sia retto da una correlazione di scambio termico del tipo: Nu=0.68(Ra)0.25, valida per regime laminare. Si assuma Pr=0.72. Risoluzione M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 53 Per il calcolo dello scambio termico convettivo e radiante assumiamo che la superficie di trovi alla temperatura media di 75°C (348K). Le proprietà termofisiche dell'aria andranno quindi calcolate alla temperatura del film pari a (22+75)/2. Ricordando che nel caso in esame la dimensione caratteristica del fenomeno convettivo è l'altezza H della superficie cilindrica, il numero di Rayleigh risulta pari a 0.74*109 ed il numero di Nusselt pari a 112. Il coefficiente di scambio convettivo sarà dato da: h=Nu k/H = 112*.0275/0.6 = 5.1 W/m2K Infine il numero dei condotti cilindrici può essere calcolato con l'espressione: n ≅ Q& /[[h (Tp- Ta) + σ ε (Tp4 - Ta4)] π D H] = 24 Si osservi che l'errata assunzione del diametro come dimensione caratteristica del fenomeno convettivo comporta un'errore sulla valutazione del coefficiente di scambio pari al 100%. M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 54 ACUSTICA AMBIENTALE G995/1A Si determini il livello di pressione sonora per banda di ottava ed il livello sonoro globale nel locale adiacente a quello in cui è contenuta una sorgente sonora (vedi figura). La parete comune ad i due ambienti è realizzata in mattoni pieni intonacati, il livello sonoro per bande di ottava nel locale disturbante è dato dalla tabella acclusa unitamente ai valori dei coefficienti di assorbimento delle superfici che delimitano il locale disturbato: f [Hz] coeff. assorbimento pavimento. 125 250 500 1000 2000 4000 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04 0.05 coeff. assorbimento soffitto 0.02 0.03 0.03 0.04 0.02 0.03 e pareti potere fonoisolante del divisorio 34 35 40 50 55 57 Lp1 [dB] 65 58 50 50 50 47 Risoluzione Supponiamo per semplicità che la propagazione del rumore avvenga esclusivamente attraverso la parete divisoria e che l'emissione della sorgente sia costante nel tempo. Introdotta la grandezza potere fonoisolante R ed invocando la teoria elementare della riverberazione (densità sonora costante nello spazio ed assorbimento continuo) si può dimostrare che esiste il seguente legame tra livello sonoro nell'ambiente disturbante (1) e nell'ambiente disturbato (2): Lp1 - Lp2 = R + 10 Log (A2/Sp) dove A2 è l'assorbimento caratteristico del locale disturbato ed Sp è la superficie del divisorio. Possiamo quindi costruire la seguente tabella per bande di ottava: f [Hz] 125 250 500 1000 2000 4000 R 34 35 40 50 55 57 A2 = Σai Si 2.2 3.05 3.3 4.15 2.7 3.8 10Log (A2/Sp) -8.3 -6.9 -6.6 -5.6 -7.4 -6 Lp2 39.3 29.9 16.6 5.6 2.4 -4 Il livello sonoro globale nel locale disturbato sarà dato dalla relazione: (Lp2 )tot =10 Log Σ 10Lpi/10 dove Lpi rappresenta il livello sonoro nella banda i-esima. Il livello sonoro globale risulta quindi pari a 39.8dB M996/2B M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 55 In una sala di un ristorante (dimensioni 10x24x3.5m) si vuole diminuire il livello sonoro prodotto dalla presenza di 100 persone nelle condizioni di massimo affollamento. A tale scopo si prevede di applicare dei pannelli fonoassorbenti f [Hz] 125 250 500 1000 2000 4000 a soffitto. Utilizzando la tabella acclusa, che riporta le caratteristiche Lp1 [dBA] 53 65 72 70 68 63 fonoassorbenti delle superfici della stanza ed il livello sonoro misurato coeff. assorbimento pareti 0.02 0.04 0.04 0.04 0.04 0.05 prima dell'intervento, si determini: verticali e pavimento. 1) il livello sonoro complessivo prima dell'intervento; coeff. assorbimento 0.02 0.03 0.03 0.02 0.02 0.03 2) il livello sonoro complessivo soffitto dopo la posa in opera dei pannelli fonoassorbenti coeff. assorbimento 0.4 0.6 0.8 0.62 0.4 0.26 Si adotti l'ipotesi di ambiente pannelli fonoassorbenti riverberante perfettamente diffuso. Assorbimento per singola 0.09 0.21 0.61 0.59 0.62 0.1 persona seduta [m²] Risoluzione Nell'ipotesi di ambiente perfettamente diffuso, la differenza di livello sonoro nei due casi considerati è data, per ogni banda di ottava, dalla relazione: Lp1 - Lp2 = 10Log(A2 / A1 ). Occorre quindi calcolare l'assorbimento alle varie frequenze in assenza ed in presenza di pannelli fonoassorbenti come mostrato in tabella. Il livello complessivo (in banda larga) nei due casi è dato dalla relazione Lp = 10LogΣ 10Lp2/10 che fornisce: Lp1 =75.7, Lp2 =71.3 [dBA] f [Hz] 125 250 500 1000 2000 4000 Lp1 [dBA] 53 65 72 70 68 63 A1 = Σ (ai Si )1+ 100*Apersona [m²] 23.4 47.3 87.3 82.9 85.9 41.1 A2 = Σ (ai Si )2+ 100*Apersona [m²] 114.6 184.1 272.1 226.9 177.1 96.3 10Log(A1/A2) 6.9 Lp2 = Lp1 10Log(A1/A2) [dBA] 5.9 4.9 4.4 3.1 3.7 46.1 59.1 67.1 65.6 64.9 59.3 M997/2B Un potente ventilatore è posto sulla parete verticale di un edificio industriale. Il rumore da esso prodotto si irradia nello spazio circostante (campo libero) sotto forma di onde semisferiche. Lo spettro di potenza sonora è noto e vale: LW [dB] f [Hz] 85 63 93 125 100 250 98 500 100 1000 95 2000 80 4000 Si vuole determinare il livello di pressione sonora a 300m di distanza dalla sorgente in termini di: 1) livello di pressione sonora per bande di ottava; 2) livello sonoro complessivo (banda larga); 3) livello sonoro complessivo ponderato A; 4) il livello di pressione sonora a 1000Hz, quando si considera l'assorbimento atmosferico (T=20°C, i=0.5, Aatm=7.4 (f 2 * r) / i *10-10 dB) M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 56 [Soluzione: Lp=47.5dB, LpA=45.1dB, LpA(f=1000)=42.1dB] M998/1B Nell'ipotesi che il flusso termico che interessa tutte le pareti del locale descritto nell'esercizio precedente valga 1700W, e che la portata oraria di vapor d'acqua introdotto nell'ambiente sia pari a 1kg, si richiede di determinare alcune condizioni di funzionamento dell'impianto di condizionamento dell'aria. I dati del problema sono i seguenti: il locale deve essere mantenuto nelle condizioni T1=24°C, i1=0.5, l'aria immessa nel locale si trova alla temperatura T2=18°C, a monte dell'unità di trattamento dell'aria le condizioni termodinamiche sono T3=30°C, i3=0.6, la pressione atmosferica è quella standard. Calcolare: 1) la portata di aria secca necessaria per le operazioni di condizionamento; 2) il diametro del condotto dell'aria affinché la velocità risulti inferiore a 6m/s; 3) la portata oraria di condensato nella batteria di raffreddamento; 4) il livello sonoro in scala A prodotto dal sistema di immissione dell'aria (bocchette di aerazione), note le componenti alle varie frequenze di seguito riportate: f [Hz] 250 Lp[dB] 34 500 1000 2000 4000 36 38 38 36 Risoluzione Con l'ausilio del diagramma psicrometrico (la pressione atmosferica è quella standard, 101.3 kPa), o con le note relazioni analitiche, si ricava: h1=39.3 kJ/kg y1 = 0.00934 kgv/kgas y3 = 0.016 La retta di carico ha la pendenza che può essere espressa in funzione dei carichi termici sensibile Q& s e latente Q& l: Q& s = 1700 W Q& l= 694 W Q& s / ( Q& s+ Q& l) = 0.710 Per via grafica o analitica, le equazioni di conservazione ci consentono di ricavare le condizioni dell'aria all'immissione nel locale: h2=48 kJ/kg y2 = 0.00834 kgv/kgas m& as = m& v/(y1-y2) = 0.278 kg/s La portata di liquido condensante nell'unità di trattamento dell'aria risulta infine: m& l = m& as (y3-y2) = 0.0021 kg/s = 7.66 kg/h Il livello sonoro complessivo ponderato A si ricava dalla relazione LpA= 10 log ∑ 10(Lpi+Ci)/10 , dove Ci rappresenta il termine correttivo previsto dalla scala A alle varie frequenze di ottava. Si ottiene LpA= 43.4 dBA M999/1A M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 57 Si vuole ridurre il rumore prodotto da una f [Hz] 125 250 500 1000 2000 4000 arteria viaria posta in ambito urbano utilizzando una barriera acustica. La Lwi [dB] 96 85 79 77 73 65 mezzeria della strada è posta alla distanza di 12 m da una serie di palazzine disposte Ci (Pesatura A) [dB] -16.1 -8.6 -3.2 0 1.2 1 parallelamente alla stessa. Il rumore prodotto dalla circolazione dei veicoli è assimilabile a quello di una sorgente lineare avente un numero infinito di sorgenti disposte alla distanza di 5 m una dall'altra e poste a 0.5 m da terra; la potenza della singola sorgente è espressa (per bande di ottava) nella tabella acclusa. Si calcoli, nell'ipotesi propagazione semicilindrica: 1) il livello sonoro in dBA in assenza di barriera in corrispondenza della facciata degli edifici (altezza di riferimento 5 m); 2) l'altezza di una barriera acustica (di lunghezza infinita, da porre ad una distanza di almeno 5 m dalla mezzeria della strada) in modo da ottenere un effetto complessivo di attenuazione del livello sonoro di almeno 5 dBA. Risoluzione R d2 1) Per calcolare il livello sonoro ad una distanza prefissata si utilizza il modello di propagazione semicilindrica. Se r0 rappresenta la distanza tra la linea delle sorgenti e la postazione ricevente ed inoltre b è la distanza tra le singole sorgenti, il legame tra livello di potenza e livello di pressione può esprimersi : Lpi=Lwi -10log(r0b) -5 dove r0 =12.8m e b=5m d1 r 0 S H Il livello sonoro complessivo con pesatura A si calcola tenendo conto dei termini correttivi Ci relativi alla pesatura A: LpiA = Lpi+Ci =61.1 [dBA] LpA = 10log ∑10(LpiA)/10 Infine, scelta la geometria della barriera, l'attenuazione da barriera ed il livello sonoro complessivo attenuato possono ricavarsi con le relazioni: Abi=10log N +8 LpA b=10log ∑10[(LpiA-Abi)/10] dove N è il numero di Fresnel, f è la frequenza, c la velocità di propagazione del suono N = 2f (d1+d2-r0) /c. Ponendo per esempio la barriera a 5 metri dalla sorgente e con un'altezza H pari a 4m si ottiene un'attenuazione complessiva (o perdita per inserzione) pari a 5dB, da cui LpA b=56.1 [dBA] M.Fossa, Esercizi proposti di Fisica Tecnica Ambientale 58