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PORTALE DELLA DIDATTICA

Termodinamica applicata e trasmissione del calore

06IHQMN

A.A. 2019/20

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 51
Esercitazioni in aula 27
Esercitazioni in laboratorio 2
Tutoraggio 19.5
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Borchiellini Romano - Corso 1 Professore Ordinario ING-IND/10 51 0 0 0 15
Chiavazzo Eliodoro - Corso 3 Professore Associato ING-IND/10 36 0 12 0 2
Santarelli Massimo - Corso 2 Professore Ordinario ING-IND/10 57 0 0 0 8
Collaboratori
Espandi

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 dagli 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 i principali processi termodinamici 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 termica. 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.
Conoscenza dei principi della termodinamica; Capacità di applicare i principi della termodinamica a sistemi semplici; Capacità di applicare i principi della termodinamica nel caso di processi che utilizzino fluidi elementari, quali gas ideali e vapore d’acqua. Capacità di leggere i diagrammi termodinamici Conoscenza dei principali processi e cicli termodinamici , sia cicli diretti (motori) che cicli inversi (macchine operatrici) Conoscenza dei fondamenti della trasmissione del calore anche con riferimento al moto dei fluidi; Saper individuare i meccanismi di trasmissione del calore significativi per un dato fenomeno. Saper analizzare il funzionamento di uno scambiatori di calore e procedere ad un primo dimensionamento.
Knowledge of the principles of thermodynamics; Knowledge of the main processes and thermodynamic cycles Knowledge of the fundamentals of heat transfer, also with reference to the motion of fluids; Ability to apply the principles of thermodynamics to simple systems; Ability to describe and understand the main thermodynamic cycles; Ability to read thermodynamic diagrams Ability to identify the mechanisms of heat transfer relevant to a given phenomenon. Ability to analyse the heat exchanger behaviour and to make a first sizing.
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), di fisica (meccanica, dinamica, statica dei fluidi, elementi base di 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.
DEFINIZIONI E PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA (27 ORE): Scopo della Termodinamica. Definizioni fondamentali: Grandezze primitive e derivate. Coordinate termodinamiche, stato ed equazioni di stato. Processi e trasformazioni. Processi diretti ed inversi e ciclici. La temperatura: definizione e cenni di termometria. Grandezze funzione di trasformazione: Calore e flusso termico. Lavoro e potenza. Forze di superficie e di massa e interne. L’equazione dell’energia meccanica. Calorimetria: Trasformazioni di fluidi omogenei semplici. L’adiabatica. Applicazione ai gas ideali. Il primo principio della Termodinamica: Enunciato. Energia interna ed Entalpia. L’entalpia generalizzata. Il secondo principio della Termodinamica: Macchine termiche e rendimento. Le irreversibilità. L’enunciato fondamentale nella forma della diseguaglianza di Plank. Il ciclo ed il teorema di Carnot. L’equazione di Clapeyron. Processi reversibili. Entropia. Rendimento massimo di un ciclo. Il teorema del massimo rendimento e il lavoro massimo. Il primo principio per i sistemi aperti. Il secondo principio per i sistemi aperti. I sistemi aperti: Descrizione lagrangiana ed euleriana. La portata di massa. Conservazione della massa e della quantità di moto, primo e secondo principio della Termodinamica. L'equazione di Bernoulli. CICLI DIRETTI E INVERSI (18 ORE) Motori a gas: I cicli ideali di Carnot, Otto, Diesel, Joule. I sistemi polifasi: I cambiamenti di stato e le trasformazioni liquido-vapore. Definizioni ed equazioni fondamentali. Il titolo. L'equazione di Clapeyron. Motori a vapore: I cicli termodinamici a vapore di Carnot, Hirn e Rankine, e loro rappresentazioni nei piani p-v, T-s e h-s. Il rendimento del ciclo Rankine. Surriscaldamenti e rigenerazione. I gas reali: equazioni di stato. Macchine frigorifere e pompe di calore: Fluidi con attrito ed effetto Joule-Thomson nella trafilazione isoentalpica. I cicli inversi. Definizioni. L'efficienza o COP. Il diagramma h-log p. Cicli di macchine frigorifere a compressione di vapore con compressione semplice e multistadio. PSICROMETRIA (6 ORE) Le miscele ideali di gas ideali, grandezze psicrometriche, diagramma di Mollier dell’aria umida, trasformazioni aria umida. FONDAMENTI DI TRASMISSIONE DEL CALORE: CONDUZIONE ,CONVEZIONE E IRRAGGIAMENTO (19 ORE) Introduzione alla trasmissione del calore. Rappresentazioni continue e discrete. I modi dello scambio termico. La conduzione: L'equazione fondamentale con le condizioni al contorno. La relazione di Fourier. Fenomenologia e conduttività termica. Applicazioni. Moto dei fluidi e convezione: Viscosità. Moto laminare e turbolento e numero di Reynolds. Interazioni fluido-parete e strato limite di velocità e temperatura su lastre piane e nei condotti. La convezione e l'equazione di Newton. I numeri adimensionali. Convezione forzata in lastra piana. Lo scambio termico nei condotti. Relazioni adimensionali per la convezione forzata. Convezione naturale e relazioni adimensionali in lastra piana. Irraggiamento: Definizioni e grandezze caratteristiche. Il corpo nero. Le leggi di Stefan-Boltzmann e Wien. I corpi reali e le leggi di Kirchhoff. Scambio di energia raggiante tra superfici. I fattori di forma. L'analogia elettrica. APPLICAZIONI NOTEVOLI: SCAMBIATORI DI CALORE, SUPERFICI ESTESE (10 ORE) Scambiatori di calore: Classificazione e caratteristiche costruttive. Calcolo degli scambiatori a superficie. Bilanci di energia e flussi termici. Andamento della temperatura dei fluidi negli scambiatori a tubi coassiali. Efficienza. Il raggio critico e transitorio a massa concentrata. Teoria delle Alette e dei banchi alettati.
DEFINITIONS AND PRINCIPLES OF THERMODYNAMICS (27 HOURS) Purpose of Thermodynamics. Basic definitions: primitive and derived quantities. Thermodynamic coordinates, state and equations of state. Processes and transformations. Direct and inverse processes and cycles. Temperature: definition and outline of thermometry. Quantities function of process: Heat and heat flow. Work and power. Forces on surface, mass and internal forces. The equation of mechanical energy. Calorimetry: Transformations of simple homogeneous fluids. The adiabatic process. Application to ideal gases. The First Law of Thermodynamics: Statement. Internal energy and enthalpy. The generalized enthalpy. The Second Law of Thermodynamics: Heat engines and efficiency. The irreversibility. The key statement in the form of Plank inequality. The cycle and Carnot's theorem. The Clapeyron equation. Reversible processes. Entropy. Maximum efficiency of a cycle. The theorem for maximum efficiency and maximum work. The first law for open systems. The second law for open systems. Open systems: Lagrangian and Eulerian description. The mass flow rate. Conservation of mass and momentum, first and second law of thermodynamics. The Bernoulli equation. DIRECT AND INVERSE CYCLES (18 HOURS) Gas cycles: ideal cycles Carnot, Otto, Diesel, Joule. The multi-phase systems: The state changes and transformations vapor-liquid. Definitions and basic equations. The Clapeyron equation. Steam Engines: The thermodynamic steam cycles Carnot and Rankine-Hirn, and their representations in the plans p-v, T-s and h-s. The efficiency of the Rankine cycle. Overheating and regeneration. Real gases: equation of state. Chillers and heat pumps: Fluid friction and Joule-Thomson effect in lamination isoenthalpic. The inverse cycles. Definitions. The efficiency or COP. The h-log p diagram. Cycles of compression refrigeration machines with simple compression and multistage. PSYCHROMETRY (6 HOURS) ideal mixtures of ideal gases, psychrometric variables, Mollier diagram of moist air, moist air changes. HEAT TRANSFER FUNDAMENTALS CONDUCTION, CONVECTION, RADIATION (19 HOURS) Introduction to heat transfer. Continuous and discrete representations. The modes of the heat exchange. Conduction: The fundamental equation with boundary conditions. The Fourier equation. Phenomenology and thermal conductivity. Applications. Fluid flow and convection: Viscosity. Laminar and turbulent flow and Reynolds number. Interactions fluid-wall, boundary layer of speed and temperature in flat plates and in the ducts. The convection and the Newton equation. The dimensionless numbers. Forced convection in the flatbed. The heat exchange into ducts. Dimensionless relations for forced convection. Natural convection and dimensionless relations in the flatbed. Radiation: Definitions and characteristics variables. The black body. The Stefan-Boltzmann and Wien laws. The real bodies and Kirchhoff's laws. Exchange of radiant energy between black bodies. The form factors. The electrical analogy. HEAT TRANSFER APPLICATIONS: HEAT EXCHANGERS, EXTENDED SURFACES (10 HOURS) Heat Exchangers: Classification and structural characteristics. Calculation of surface heat exchangers. Energy balance and heat fluxes. Trend of the temperature of the fluids in the heat exchangers in coaxial tubes. Efficiency. Critical radius of insulation Lumped capacitance method Heat transfer from extended surfaces.
ESERCITAZIONI IN AULA Risoluzione di esercizi di calcolo inerenti a tutti gli argomenti svolti nell'insegnamento. ESERCITAZIONI DA SVOLGERE IN MODO AUTONOMO A CASA Sono assegnate delle esercitazioni di calcolo con report da discutere all’esame: • calcolo di un ciclo diretto Joule a gas • calcolo di un ciclo inverso a vapore • calcolo su uno scambiatore di calore LABORATORI I calcoli relativi alle esercitazioni sul ciclo inverso a vapore e sullo scambiatori di calore saranno abbinati alle esperienze di laboratorio. Il laboratorio è situato nel Dipartimento Energia presso la sede centrale del Politecnico di Torino (Corso Duca degli Abruzzi, 24).
TUTORIALS Tutorials with problem solving examples about all the topics of the course. HOME ASSIGNEMENTS Some home assignments, with a report each, to be discussed in the oral exam: • Joule cycle (gas cycle) • Vapour-compression refrigeration system • Heat exchanger analysis LABS The analysis concerned the Vapour-compression refrigeration system and the heat exchanger are matched to laboratory experiences. The laboratory is located in the Energy Department at the Polytechnic of Turin (Corso Duca degli Abruzzi, 24).
L’unico riferimento degli argomenti trattati nell'insegnamento e che saranno oggetto di esame è il programma riportato sopra. Ai fini di una preparazione adeguata NON è sufficiente studiare solamente sugli appunti presi durante le lezioni. Per comprendere meglio gli argomenti trattati occorre infatti approfondire lo studio su un libro o, meglio, su più di uno, che a discrezione dello studente può essere scelto tra uno di quelli riportati nell’elenco qui di seguito. TESTI CHE TRATTANO SOLAMENTE LA TERMODINAMICA APPLICATA • M. Calì, P. Gregorio, "Termodinamica" Esculapio, Bologna (Ricalca nel modo più completo le lezioni di termodinamica dell'insegnamento). • M. W. Zemansky, M.M. Abbott, H.C. Van Ness, "Fondamenti di termodinamica per ingegneri", Zanichelli • P. S. Schmidt, O. A. Ezekoye, J. R. Howell, D. K. Baker, "Thermodynamics: An Integrated Learning System", J. Wiley & Sons, Inc., 2006. (Ottimo testo in inglese) Testi che trattano solamente la Trasmissione del calore • G. Guglielmini, C. Pisoni, "Introduzione alla trasmissione del calore", Casa Editrice Ambrosiana. • Bonacina C., Cavallini A., Mattarolo L., “Trasmissione del calore”, Cleup Ed., Padova Testi che trattano Termodinamica applicata e Trasmissione del calore nello stesso volume • Y. A. Çengel, "Termodinamica e trasmissione del calore", McGraw-Hill,. • M. J. Moran, H. N. Shapiro, B. R. Munson, D. P. DeWitt, "Introduction to Thermal Systems Engineering, • V. Giaretto, “Lezioni di Termodinamica Applicata e Trasmissione del Calore”, edizioni CLUT (testo in italiano che, indicativamente, segue il ciclo delle lezioni del corso) Esercizi di Termodinamica applicata e Trasmissione del calore nello stesso volume • P. Gregorio, “Esercizi Svolti (4 volumi)”, Levrotto & Bella Ed., (ottimo testo di esercizi guidati di Termodinamica e Trasmissione del Calore, in italiano).
The only reference of the topics covered in the course and that will be considered is the program above. For the purpose of adequate preparation is NOT sufficient to study only on notes taken during the lectures. To better understand the topics it is necessary to deepen the study of a book, or better, on more than one, at the discretion of the student that can be chosen from one of those listed in the list below. Textbooks on Applied Thermodynamics only • M. Calì, P. Gregorio, "Termodinamica" Esculapio, Bologna (the closest to the program of the course). • M. W. Zemansky, M.M. Abbott, H.C. Van Ness, "Fondamenti di termodinamica per ingegneri", Zanichelli • P. S. Schmidt, O. A. Ezekoye, J. R. Howell, D. K. Baker, "Thermodynamics: An Integrated Learning System", J. Wiley & Sons, Inc., 2006. (Good textbook in English) Textbooks on Heat Transfer only • G. Guglielmini, C. Pisoni, "Introduzione alla trasmissione del calore", Casa Editrice Ambrosiana. • Bonacina C., Cavallini A., Mattarolo L., “Trasmissione del calore”, Cleup Ed., Padova Textbooks on both Applied Thermodynamics and Heat Transfer • Y. A. Çengel, "Termodinamica e trasmissione del calore", McGraw-Hill. • M. J. Moran, H. N. Shapiro, B. R. Munson, D. P. DeWitt, "Introduction to Thermal Systems Engineering, • V. Giaretto, “Lezioni di Termodinamica Applicata e Trasmissione del Calore”, edizioni CLUT Exercises on both Applied Thermodynamics and Heat Transfer • P. Gregorio, , “Esercizi Svolti (4 volumi)”, Levrotto & Bella Ed., (Excellent text of guided exercises).
Modalità di esame: prova scritta; prova orale facoltativa; elaborato scritto individuale;
L'esame intende verificare l'apprendimento dei contenti dei corso, in particolare la conoscenza dei principi della termodinamica anche con riferimento ai diagrammi termodinamici e la conoscenza dei fondamenti della trasmissione del calore anche con riferimento al moto dei fluidi. L'esame è composto dallo svolgimento di RELAZIONI (obbligatorie), un compito SCRITTO (obbligatorio) e un ORALE (non obbligatorio per chi è sufficiente nelle parti precedenti) RELAZIONI Devono essere svolte e poi depositate come file (formato PDF) sul portale della didattica entro il termine di scadenza di iscrizione l’appello in cui si vuole sostenere l’esame. Tali relazioni sono composte da: i) una relazione monografica sull’analisi del fabbisogno di energia di uno stabilimento industriale; ii) una relazione sulle prestazioni di un ciclo inverso a vapore in condizioni stazionarie; iii) una relazione sulle prestazioni di scambiatori di calore in configurazione di equi- e contro-corrente. Tali relazioni sono svolte durante l’intero semestre con il supporto dei docenti. COMPITO SCRITTO Può accedere al compito solo chi ha rispettato le richieste sulle relazioni riportate al punto precedente. Il compito scritto ha una durata di 2 ore ed è composto da 4 quesiti: 2 esercizi di calcolo, e 2 domande a risposta aperta. Gli esercizi richiedono di esplicitare per scritto i passaggi analitici e la soluzione numerica arrivando ai risultati finali numerici corredati delle corrette unità di misura. Gli esercizi possono richiedere anche l’uso dei diagrammi e tabelle che saranno forniti durante la prova d’esame. Il valore massimo totale assegnato agli esercizi è 14 punti. Le domande a risposta aperta sono sugli argomenti sviluppati sia nelle lezioni teoriche sia sulle relazioni proposte durante il corso. Il valore massimo totale assegnato alle domande a risposta aperta è 14 punti. Non è consentito l’uso di alcun materiale didattico durante tale prova scritta. Per superare lo scritto è indispensabile che siano raggiunti contemporaneamente i seguenti punteggi: ▪ avere raggiunto almeno 8 punti sulla parte degli esercizi ▪ avere raggiunto almeno 8 punti sulla parte delle domande a risposta aperta Gli studenti che non raggiungono i valori minimi richiesti nella teoria e negli esercizi, sono respinti e dovranno ripetere lo scritto in un altro appello ESAME ORALE Dalla correzione del compito scritto gli studenti che hanno raggiunto i valori minimi di cui sopra possono scegliere tra i seguenti casi: (I) gli studenti con voto tra 18 e 28 possono scegliere se: -A- accettare il voto dello scritto (che verrà registrato solo a seguito dell’esame delle relazioni con modalità che saranno indicate dai docenti del corso). -B- sostenere un esame orale (che includerà sia la teoria che le esercitazioni). Nell’esame orale il voto può variare di più o meno 8 punti, pertanto il voto può sia migliorare sia peggiorare e, in caso si rilevino gravi lacune, che portino a un voto finale sotto il 18, si può anche essere respinti. -C- rifiutare il voto dello scritto e ripetere il compito scritto in un altro appello (II) gli studenti con voto tra 16 e 17 (compresi): possono raggiungere la sufficienza solo con un esame orale (che includerà sia la teoria che le esercitazioni). Chi non si presenta, o non risulta sufficiente durante l’esame orale, sarà respinto e dovrà ripetere lo scritto in un altro appello. Chi si presenta all’esame orale deve portare una stampa completa su carta delle proprie relazioni (quelle messe sul portale prima dello scritto) per l’eventuale discussione. La durata dell’esame orale è di circa 45 minuti e non è consentito l’uso di alcun materiale didattico durante tale prova. Durante la prova orale le domande possono riguardare tutti gli argomenti sviluppati nelle lezioni teoriche e nelle esercitazioni numeriche nonché quelli affrontati nelle relazioni proposte durante il corso.
Exam: written test; optional oral exam; individual essay;
The exam aims to verify the learning of the course contents, in particular the knowledge of the principles of thermodynamics also with reference to the thermodynamic diagrams and the knowledge of the fundamentals of heat transmission also with reference to the motion of fluids. The examination consists of: HOME ASSIGNMENTS (mandatory), a WRITTEN EXAMINATION (mandatory) and ORAL EXAMINATION (not mandatory if the previous parts are sufficient, see rules below). REPORTS The home assignments must be completed and then uploaded as a (PDF) file on the webportal of the course within the registration deadline of the exam that is to be taken. Those reports are composed of: i) a monographic report on the analysis of the energy needs of an industrial plant; ii) a report on the performance of an inverse cycle under stationary conditions; iii) a report on the performance of heat exchangers in parallel- and counter-flow configuration. Those reports are conducted throughout the semester with the support of the lecturers. WRITTEN EXAMINATION The access to the written examination is allowed only for the students who have complied with the requirements on the reports described above. The written examination lasts 2 hours and it consists of four questions: 2 calculation exercises, and 2 open-ended questions. The exercises require you to explain in writing the analytical steps and the numerical solution, up to the numeric final results accompanied by the correct units. The exercises may also require the use of charts and tables that will be provided during the exam. The maximum score for the exercises is 14 points. The open-ended questions will deal with all the arguments developed in the lectures and in the home assignments. The maximum score for the open-ended questions is 14 points. The use of any teaching material during this written test is not permitted. Students can have access to the oral examination only if in the written examination the following scores are achieved simultaneously: ▪ at least 8 points for the exercises ▪ at least 8 points for the open-ended questions If these values are not reached, students will have to repeat the written exam in another date. ORAL EXAMINATION After the correction of the written examination you can be in the following cases: (I) Students with score between 18 and 28 (included) can choose to: -A- Accept the score of the written exam (which will be registered only upon the assessment of the reports according to modalities that will be communicated by the lecturer). -B- Do an oral examination (which will include all the topics of the lectures, and the reports as well). The oral examination score falls inside the range plus or minus 8 points, therefore the final mark can either increase or decrease, and if you have serious gaps, and final score under 18, you are rejected. -C- Refuse the written exam and repeat the written test in another call of the exams. (II) Students with score between 16 and 17 (included) can reach the sufficiency only with an oral exam (which will include all the topics of the lectures, and the home assignments as well). Who is not sufficient during the oral exam will be rejected and will have to repeat the written examination in another official date. All those who make the oral examination will have to bring a complete print-out of the home assignments (those uploaded on the webportal before the written exam) needed for a possible discussion of the reports. The duration of the oral examination is approximately 45 minutes and the use of any teaching material during this test is not allowed. During the oral examination the questions can focus on all the topics addressed during both the theoretical lessons and the numerical exercises as well as on those addressed in the reports proposed during the course.


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