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Anno Accademico 2007/08
01IHKGC
Progettazione termotecnica con metodi numerici
Corso di L. Specialistica in Ingegneria Meccanica - Torino
Docente Qualifica Settore Lez Es Lab Tut Anni incarico
Borchiellini Romano ORARIO RICEVIMENTO PO ING-IND/10 36 10 10 0 7
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/10 5 B - Caratterizzanti Ingegneria meccanica
Obiettivi dell'insegnamento
Il corso si propone di familiarizzare gli studenti con il concetto di modello, in particolare di modello matematico, e il suo impiego nella progettazione termotecnica. A questo scopo sono utilizzati alcuni temi teorici e applicativi trattati nei corsi di termodinamica e termocinetica di particolare interesse per la progettazione di sistemi termotecnici quali le reti di distribuzione di fluidi e i generatori di vapore. Particolare risalto è dato alle tecniche numeriche adottate per la soluzione numerica dei problemi progettuali.
Nella prima parte, il corso è focalizzato sulla progettazione di reti di distribuzione di fluidi. A partire dalla trattazione teorica delle equazioni che governano il comportamento dei fluidi, fornita nell'ambito dei corsi precedenti, sono esposte le tecniche di soluzione numerica dei problemi fluidodinamico e termico. Attraverso una applicazione a una rete di teleriscaldamento il corso ha l'obiettivo di rendere l'allievo ingegnere familiare con le tecniche di analisi nodale.
Nella seconda parte del corso è dato ampio spazio al problema dell'irraggiamento con particolare riferimento al modello di corpo grigio e al comportamento radiativo dei gas. Come tecnica numerica di soluzione è proposto il metodo a zone, particolarmente utile per l'analisi dello scambio termico radiativi in generatori di vapore. L'esercitazione su questa tematica riguarda la progettazione numerica di un generatore di vapore a tubi di fumo. Questa si compone di una analisi termica dei tubi di fumo nella quale si prendono in esame lo scambio termico convettivo e radiativo e di una applicazione del metodo a zone per l'analisi del focolaio.
Competenze attese
Al termine del corso lo studente deve essere in grado di utilizzare criticamente i modelli numerici e di conoscere le problematiche progettuali, caratteristiche di alcuni impianti termotecnici di applicazione industriale, legate alla complessità del sistema e alla fisica dei fenomeni che in questi hanno luogo. Lo studente inoltre acquisirà famigliarità con le tecniche di soluzione numerica utili per la progettazione di impianti termotecnici quali le reti di distribuzione di fluidi e i generatori di vapore.
Prerequisiti
Prerequisiti per l'insegnamento sono costituiti dai corsi di termodinamica e termocinetica e di applicazioni avanzate di fisica tecnica, nell'ambito dei quali sono sviluppate le competenze teoriche necessarie per la comprensione della fisica dei problemi che hanno luogo nei sistemi considerati in questo corso. Sono inoltre considerate già note le conoscenze di base dell'analisi, del calcolo differenziale e del calcolo numerico.
Programma
Introduzione al corso. Introduzione al significato dell'uso delle tecniche numeriche in campo termotecnico.
Il concetto di rete. Il concetto di modello. Metodologia di studio di situazioni reali attraverso l'applicazione di modelli numerici. Applicazioni della metodologia al caso delle reti: vincoli, obiettivi, il problema studiato, la metodologia di calcolo. La teoria dei grafi e lo studio monodimensionale di sistemi complessi. Il modello topologico. Gli elementi ramo e nodo. Definizione di grafo, albero, co-albero, sezionamento, maglia. Matrici di incidenza, sezionamento, maglie. Le relazioni topologiche principali. Il modello fisico. Le equazioni fondamentali. La metodologia di calcolo in funzione del problema analizzato. Il problema fluidodinamico stazionario: metodo lineare, metodo nodale e metodo alle maglie.
Richiami di irraggiamento: definizione geometriche, radiazione emessa, radiazione incidente, interazione tra radiazione e materiali, legge di Beer, Corpo nero, Emissività, Corpo grigio, Scambio tra superfici nere. Superfici di scambio diretto. Scambio tra superfici grigie, il calcolo del flusso radiativo netto scambiato in assenza di altre modalità di scambio termico.
Introduzione al metodo a zone e calcolo della radiosità in cavità formata da corpi grigi. Calcolo del flusso netto scambiato in cavità formata da corpi grigi. La superficie totale di scambio, il caso particolare delle superfici adiabatiche. Scambio termico radiativo tra superfici nere con mezzo interposto assorbente assimilabile a corpo grigio. Scambi termici radiativi superficie-superficie. Scambi termici radiativi gas-superficie e gas-gas. Estensione al caso di superfici grigie e superficie totale di scambio. Estensione al caso di gas reali e superficie di flusso diretto. Il bilancio di energia.
Laboratori e/o esercitazioni
Nelle esercitazioni del corso sarà illustrato il procedimento di calcolo richiesto per lo svolgimento di due temi progettuali proposti che rappresentano una applicazione delle nozioni teoriche introdotte a lezione.
Il primo tema riguarderà il dimensionamento di una rete di teleriscaldamento; lo svolgimento compererà l'applicazione numerica ai seguenti argomenti:
' metodo nodale e studio termo-fluidodinamico di reti in condizioni stazionarie
' grafo di una rete di teleriscaldamento
' calcolo del fabbisogno dell'utenza e determinazione diametri
' matrice di incidenza e matrice dei coefficienti
' imposizione delle condizioni al contorno
' equazione di conservazione dell'energia ai rami
' bilancio di energia ai nodi
' algoritmo iterativo per la determinazione di portate e pressioni
' soluzione del problema termico e calcolo delle temperature
Il secondo tema riguarderà il dimensionamento di un generatore di vapore; lo svolgimento compererà l'applicazione numerica ai seguenti argomenti:
' calcolo della combustione
' scambio termico fumi-vapore
' flussi di energia scambiati nel focolaio e nei giri di fumo
' algoritmo per la determinazione della temperatura lungo i giri di fumo
' calcolo della pressione nel generatore di vapore e diagramma p-v
' determinazione della potenza del ventilatore
' calcolo dello scambio termico radiativo con metodo grafico e analitico
' applicazione del metodo analitico per il calcolo dell'emissività dei gas
' applicazione del metodo analitico per il calcolo dello scambio termico radiativo dei giri di fumo
' confronto delle emissività calcolate con i differenti metodi visti
' portata di vapore prodotta dal generatore
' applicazione metodo a zone
Bibliografia
Gli appunti di lezione costituiscono comunque materiale sufficiente per la preparazione dell'esame.
Sul Portale della Didattica sono disponibili i lucidi utilizzati a lezione
Testi consigliati per le lezioni ed esercitazioni:
Borchiellini R., Calì M., Torchio M., Fisica Tecnica, Esercitazione di Termocinetica. Politeko.
H.C. Hotel, A.F. Sarofin , Radiative Transfer, McGraw-Hill, 1967
Controlli dell'apprendimento / Modalità d'esame
Prova orale sugli argomenti del corso: teoria, esercitazioni progettuali
E' richiesta una relazione scritta per ogni esercitazione progettuale
E' obbligatorio prenotarsi per sostenere gli esami.
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami

Programma definitivo per l'A.A.2007/08
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