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PORTALE DELLA DIDATTICA

Termodinamica applicata e trasmissione del calore

05IHQMK, 05IHQMQ

A.A. 2020/21

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Energetica - Torino
Corso di Laurea in Matematica Per L'Ingegneria - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Collaboratori
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10 8 B - Caratterizzanti Ingegneria energetica
2019/20
L'insegnamento è diviso in due parti, in ognuna delle quali si trattano prima i metodi e le questioni di carattere generale e quindi le applicazioni. Nella prima parte gli studenti sono guidati a comprendere come i cambiamenti nei corpi materiali siano legati e determinati dalla scambi con altri corpi di energia in forma di calore e lavoro. Si introducono le definizioni e i concetti fondamentali, le leggi fenomenologiche e i principi generali che governano questi fenomeni insieme con le loro rappresentazioni matematiche. Successivamente si descrivono le principali tecnologie per la conversione di calore in lavoro e viceversa nei motori e nelle macchine frigorifere, e per controllare il comportamento di miscele di gas, specialmente quelle di aria e vapore acqueo, insieme ai relativi metodi di calcolo. Nella seconda parte si sviluppa dal punto di vista fenomenologico e dei calcoli l'analisi dei meccanismi attraverso i quali si trasferisce l'energia nello spazio e nel tempo come la conduzione di calore, la convezione e la radiazione. Tra le applicazioni fondamentali si studiano gli scambiatori di calore e il trasferimento di calore nelle superfici estese, come le alette di raffreddamento.
The course is organized in two parts, each of which will be analysed before the methods and general aspects, and then applications. In the first part, students are guided to understand as a thermodynamic systems and its control surface is linked to the surroundings thank to exchange of heat and work. The basic concepts, definitions, phenomenological laws and principles will be introduced with their mathematical representations. Subsequently the main technologies for the conversion of heat into work and vice versa will be described as well as some methods of calculation will be analysed, in particular will be considered engines and refrigeration equipment (both gas cycles and vapour cycles will be dealt with). In the second part will be analysed, from the phenomenological point of view, the mechanisms by which the heat could be transferred in space and time: heat conduction, convection and radiation. Among the key applications will be studied heat exchangers and heat transfer in extended surfaces such as fins.
Al termine dell'insegnamento lo studente, per quanto attiene alle questioni generali, sarà in grado di comprendere e di esprimere in modo quantitativo come i flussi di energia siano insieme causa ed effetto di tutte le trasformazioni che si constatano nel modo fisico, e come si propaghino nello spazio e nel tempo in forma di calore per conduzione nei solidi, convezione nei liquidi e negli aeriformi e per onde elettromagnetiche nei mezzi trasparenti. Per quanto attiene le conoscenze tecnologiche e peculiari dell'ingegnere, egli saprà distinguere gli elementi fondamentali e calcolare le prestazioni fondamentali dei principali dispositivi per la produzione di energia meccanica - motori a combustione interna e macchine a vapore - e per la refrigerazione - frigoriferi e pompe di calore, e per i più diffusi e importanti tipi di scambiatori di calore, svolgendo calcoli di dimensionamento prima approssimazione.
At the end of the course students will be able to understand and express in a quantitative way as the energy flows are both cause and effect of all the changes that can be observed in the physical world and as they propagate in space and time in the form of heat: conduction in solids, convection in fluids and thermal radiation in transparent media. As regards the technological knowledge of the engineer, he will be able to distinguish the basic elements and calculate the basic performance of the main devices for producing mechanical power - internal combustion engines and steam engines - and cooling - refrigerators and heat pumps, and for the most common and important types of heat exchangers (sizing of first approximation).
E' necessario conoscere elementi di analisi matematica (calcolo differenziale e integrale, metodi di soluzione dei tipi più semplici di equazioni differenziali ordinarie e alle derivate parziali, algebra delle matrici), fisica (meccanica, dinamica, statica dei fluidi, elettromagnetismo, fisica della materia) e di chimica di base.
Mathematical analysis (differential and integral calculus, methods of solution of the simplest types of ordinary differential equations and partial differential, matrix algebra), physics (mechanics, dynamics, statics of fluids, electromagnetism, the physics of matter), and basic chemical.
TERMODINAMICA APPLICATA Definizione di grandezze e concetti fondamentali: Sistema e stato termodinamico; equilibrio, processi e trasformazioni. Temperatura, calore, lavoro. Proprietà di corpi omogenei: Trasformazioni fondamentali: Isocora, Isobara, Isoterma, Adiabatica, Politropica. Comprimibilità isoterma e adiabatica. I gas ideali. Il lavoro: Lavoro delle forze esterne e delle forze interne. Il lavoro di attrito nei fluidi. L'equazione dell'energia cinetica e il teorema di Bernoulli. Primo principio: Enunciato generale. Energia interna, entalpia, calori specifici: Bilanci di energia. Secondo principio: Macchine termiche. Enunciato generale. entropia, reversibilità e irreversibilità. Ciclo ideale di Carnot. Il teorema di Carnot. Temperatura termodinamica. Le sostanze pure: cambiamenti di stato, equazioni di stato dei gas, gas ideali, equazione di Clapeyron per i vapori, proprietà delle miscele di liquido e vapore. Sistemi aperti o a deflusso: Definizioni e rappresentazioni. Le equazioni fondamentali per i sistemi aperti: conservazione della massa e dell'energia meccanica, primo e secondo principio della termodinamica. Equazione dell'energia utilizzabile per sistemi aperti in condizioni stazionarie e concetto di exergia Concetto di macchina motrice e operatrice. I cicli dei motori a gas. I cicli dei motori a vapore. I cicli inversi a vapore. Miscele di gas e psicrometria: Proprietà delle miscele di gas ideali. Miscele di gas con fluidi incondensabili. Grandezze psicrometriche diagrammi termodinamici dell'aria umida. Trasformazioni psicrometriche. TRASMISSIONE DEL CALORE Introduzione ai modi di trasmissione del calore: Conduzione, convezione e irraggiamento. La conduzione: Equazione generale. La legge di Fourier. Fenomenologia e conduttività termica. Applicazioni: Soluzione di problemi in regime stazionario monodimensionale con e senza generazione di calore La convezione: Proprietà dei fluidi. I tipi di deflusso. Strati limite delle velocità e delle temperature. La legge di Newton nella convezione. Convezione termica, forzata e naturale, nel deflusso interno ed esterno. I principali numeri adimensionali e loro significato fisico. Le principali correlazioni tra numeri adimensionali. Applicazioni a problemi conduttivi-conduttivi: Soluzione del transitorio termico con corpo a zero dimensioni. Raggio critico di isolamento. Superfici estese ed alette: tipologie, analisi alette a sezione costante; efficacia e rendimenti di un'aletta e di un banco alettato Scambiatori di calore: Tipologie. Calcolo dell'andamento della temperatura dei fluidi. Efficienza. I metodi di dimensionamento della differenza di temperatura media logaritmica ed efficienza-NTU. Irraggiamento: Proprietà energetiche della radiazione elettromagnetica. Grandezze caratteristiche, Interazione tra radiazione e superfici, coefficienti di assorbimento, riflessione e trasmissione. Il corpo nero. Corpi grigi. Emissività. Scambio di energia per irraggiamento tra corpi neri e grigi, fattori di forma; reti di resistenze equivalenti.
APPLIED THERMODYNAMICS Definition of variables and basic concepts: system and thermodynamic state; equilibrium, processes and transformations. Temperature, heat, work. Properties of homogeneous bodies: fundamental transformations: isochoric, isobaric, Isothermal, adiabatic, polytropic. Isothermal and adiabatic compressibility. The ideal gas. The work: the work of the external and internal forces. The work of friction in fluids. Kinetic-energy theorem and Bernoulli equation. The first law of thermodynamics: formulation, internal energy, entalpy, specific heat. Energy balance. The second law of thermodynamics: thermal devices, general formulation, entropy, specific heat, reversibility and irreversibility. Ideal Carnot cycle. Carnot's theorem. Thermodynamic temperature. State equation, phase transformations in single-component systems and, Clapeyron equation, liquid-vapor system properties. Thermodynamics of open systems. General formulations: mass conservation, first and second law. Exergy and availability balance for an open system (steady flow equation) Gas power cycles. Vapour power cycles. Reverse vapour compression cycles. Principles Gas-vapor mixtures Psychrometric properties, charts and transformations. HEAT TRANSFER Introduction to the thermal transport modes: conduction, convection, and radiation. Conduction: Fourier’s law, thermal conductivity, general heat conduction equation. Applications for steady one-dimensional conduction with and without internal heat generation. Convection: fluid properties. Fluid transictions. Velocity and thermal boundary layers. Newton’s law of cooling. Natural and forced convection: internal and external flows. Dimensionless parameters and theirs meaning. Summary of convection relationships. Applications for conduction and convention: transient conduction: lumped thermal capacity model. Critical radius for radial heat conduction. Extended surfaces (longitudinal fins, temperature distribution, rate of heat transfer, and fin efficiency). Heat Exchangers : logarithmic mean temperature difference method and effectiveness-NTU method. Thermal Radiation. Thermal radiation in the electromagnetic spectum. Fundamentals definition. Absorptivity, reflectivity, transmissivity. View factors, emittance, radiative exchange between black and grey surfaces. The electrical circuit analogy for radiation among grey surfaces.
Gli argomenti del corso vengono trattati attraverso delle lezioni che forniscono i fondamenti teorici della materia. Sono poi previste delle esercitazioni nelle quali si analizzano dei casi applicativi inerenti i principali argomenti della teoria, e per i quali si sviluppano le soluzioni numeriche. E’ prevista l’analisi di almeno un impianto presente nel laboratorio didattico.
The course topics are treated in lectures that provide the basis of the Thermodynamic and the Heat transfer. Then some application problems are proposed and analysed and for these cases are developed the numerical solutions. Moreover it is planned the analysis of at least one plant of the didactic laboratory.
• Calì M., Torchio M.F., ELEMENTI DI TERMODINAMICA TECNICA, Clut Editore, Torino • Cavallini A., Mattarolo L., TERMODINAMICA APPLICATA, Cleup Editore, Padova. • Cavallini A., Bonacina C., Mattarolo L., TRASMISSIONE DEL CALORE, Cleup Editore, Padova. • Giaretto V., LEZIONI DI TERMODINAMICA APPLICATA E TRASMISSIONE DEL CALORE, Clut Editore, Torino. • Giaretto V., ESERCITAZIONI DI TERMODINAMICA APPLICATA e ESERCITAZIONI DI TRASMISSIONE DEL CALORE, Clut Editore, Torino. • APPLICAZIONI DI TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE, Collana Create, McGraw-Hill Editore, 2019, ISBN 9781307506761 • Torchio M.F., TABELLE DI TERMODINAMICA APPLICATA E TRASMISSIONE DEL CALORE, Clut Editore, Torino. Ogni docente titolare comunicherà a lezione quali testi seguirà preferenzialmente nel proprio insegnamento
• Calì M., Torchio M.F., ELEMENTI DI TERMODINAMICA TECNICA, Clut Editore, Torino • Cavallini A., Mattarolo L., TERMODINAMICA APPLICATA, Cleup Editore, Padova. • Cavallini A., Bonacina C., Mattarolo L., TRASMISSIONE DEL CALORE, Cleup Editore, Padova. • Giaretto V., LEZIONI DI TERMODINAMICA APPLICATA E TRASMISSIONE DEL CALORE, Clut Editore, Torino. • Giaretto V., ESERCITAZIONI DI TERMODINAMICA APPLICATA e ESERCITAZIONI DI TRASMISSIONE DEL CALORE, Clut Editore, Torino. • APPLICAZIONI DI TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE, Collana Create, McGraw-Hill Editore, 2019, ISBN 9781307506761 • Torchio M.F., TABELLE DI TERMODINAMICA APPLICATA E TRASMISSIONE DEL CALORE, Clut Editore, Torino. In the first lectures each lecturer will notify the suggested text-books for his teaching.
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa;
Le competenze acquisite saranno verificate attraverso una prova scritta dove sono proposti quesiti rispondendo ai quali il candidato deve dimostrare di saper analizzare il problema descritto, individuare una soluzione analitica e arrivare, quando richiesto, al risultato numerico corretto e corredato dalle coerenti unità di misura. I quesiti riguardano tutto il programma svolto durante l’insegnamento e possono richiedere di saper usare in modo appropriato equazioni, tabelle e diagrammi termodinamici. Il candidato deve anche essere in grado di tracciare schemi impiantistici, disegnare le trasformazioni sui diagrammi e saper scrivere e applicare correttamente le leggi generali della termodinamica e della trasmissione del calore. Per lo svolgimento dei calcoli è necessaria una calcolatrice scientifica e se il compito richiedesse l’uso di tabelle o diagrammi termodinamici questi verranno forniti con il testo. Il voto finale dello scritto sarà espresso in trentesimi (30). I quesiti dello scritto potranno essere 3 o 4 e ogni quesito avrà uguale peso (quindi se 3 quesiti ognuno peserà 10 punti, se 4 quesiti ognuno peserà 7,5 punti). In base alla lunghezza dei calcoli richiesti la durata potrà variare da un minimo di 2 h ad un massimo di 2,5 h.
Exam: written test; optional oral exam;
The acquired skills are verified through a written test. The candidate must demonstrate to analyze the problem proposed, find an analytical solution and, when required, obtain the correct numerical result and be accompanied by consistent units of measure. The questions concern all the program and may require you to know how to use equations, tables and thermodynamic diagrams appropriately. The candidate must also be able to draw plant schemes, draw transformations on diagrams, and be able to properly write and apply the general laws of thermodynamics and heat transfer. To make calculations a scientific calculator is required and if the task requires the use of thermodynamic tables or diagrams these will be provided with the text. The score of the written exam will be expressed in thirty (30). The questions can be 3 or 4 and each question will have the same weight (so if 3 questions each will weigh 10 points, if 4 questions each will weigh 7.5 points). Depending on the length of the calculations required, the total duration of the exam will vary from a minimum of 2 hours to a maximum of 2.5 hours.


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