FISICA TECNICA - A.A. 99/00

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1 Termo-fluidodinamica applicata - 1 a Interprova del Cognome Nome Anno di Corso Matricola 1 T1=200 C p1=7,0 bar m1=40 kg/s 2 A2=25 cm 2 T2=40,0 C p2=7,0 bar 3 V3=0,060 m 3 /s p3=7,0 bar Q A) Due correnti d'acqua in ingresso da 1 e 2 si miscelano, in regime stazionario, nel contenitore qui illustrato, per produrre una corrente di liquido saturo. Nell'ipotesi di flusso monodimensionale attraverso le sezioni di ingresso e uscita, si determinino 1) le portate massiche m 2 e m 3, 2) la velocità w 2 e 3) la potenza termica da somministare al contenitore per ottenere in uscita una corrente di vapore saturo di titolo x 3 = 0,200 (18 punti). B) Si calcoli la variazione di energia interna ed entropia specifiche per N 2 portato dalle condizioni 1 (p=0,90 bar, T=10,0 C) alle condizioni 2 (p=15,0 bar, t=600 C) (8 punti). C) Elencare le ipotesi semplificative, motivandole adeguatamente, che permettono di ottenere l'equazione di Bernoulli a partire dalla equazione dell'energia meccanica (4 punti).

2 2 a Interprova del a) Una macchina frigorifera impiega un lavoro meccanico pari a 0,25 kwh per trarre 7, kcal dalla cella alla quale è asservita. Si esegua uno schema termodinamico della macchina e si calcolino: il calore ceduto all'ambiente in J, per ogni ciclo effettuato; (3 punti) il COP della macchina; (3 punti) la generazione di entropia, nel caso che nella cella sia a T = -4 C e che nell'ambiente in cui la macchina è situata sia a T = 30 C. (8 punti) b) Il muro di un magazzino è costituito da mattoni aventi conducibilità costante e pari a 2,2 W/m K. Lo spessore L di questo muro è 30 cm. La temperatura dell'aria interna è T 1 = 18 C. Si determinino il flusso termico attraverso la muratura e le temperature delle sue superfici interne ed esterne, in corrispondenza di una temperatura dell'aria esterna T 2 pari a -10 C, se la trasmittanza unitaria convettiva lato interno vale 5 W/m 2 K e quella lato esterno 16 W/m 2 K. (8 punti) c) Si tracci qualitativamente, sul diagramma ASHRAE, una trasformazione di raffreddamento a titolo costante. Perché tale trasformazione non può proseguire indefinitamente? (4 punti) d) Si indichi come calcolare, in una generica situazione di scambio termico convettivo, i numeri adimensionali di Nusselt e Prandtl, e se ne discutano i rispettivi significati fisici. (4 punti)

3 2 a Interprova del a) Si tracci qualitativamente, sul diagramma ASHRAE, una trasformazione di umidificazione a temperatura costante. Perché tale trasformazione non può proseguire indefinitamente? (4 punti) b) Si indichi come calcolare, in una generica situazione di scambio termico convettivo, i numeri adimensionali di Reynolds e Biot, e se ne discutano i rispettivi significati fisici. (4 punti) c) Una macchina frigorifera impiega un lavoro meccanico pari a 0,50 kwh per trarre 5, kcal dalla cella alla quale è asservita. Si esegua uno schema termodinamico della macchina e si calcolino: il calore ceduto all'ambiente in J, per ogni ciclo effettuato; (3 punti) il COP della macchina; (3 punti) la generazione di entropia, nel caso che nella cella sia a T = -4 C e che nell'ambiente in cui la macchina è situata sia a T = 30 C. (8 punti) d) Il muro di una costruzione, di 15 cm di spessore, è costituito da laterizio avente conducibilità costante e pari a 1,1 W/m K. Le temperature dell'aria interna ed esterna sono T 1 = 20 C e T 2 = -9 C rispettivamente. Si determinino il flusso termico attraverso il muro e le temperature delle sue superfici interne ed esterne, se la trasmittanza unitaria convettiva lato interno vale 5 W/m 2 K e quella lato esterno 16 W/m 2 K. (8 punti)

4 1 a Interprova del recupero a) Si tracci qualitativamente il diagramma ASHRAE. Si vuole raffreddare, a titolo costante, una certa corrente di aria umida, fino al raggiungimento delle condizioni di aria umida satura. Si prosegua il raffreddamento di tale corrente. Infine, si riscaldi la corrente per ottenere un grado igrometrico minore. Si tracci sul diagramma la trasformazione risultante. (6 punti) b) Una quantità d acqua pari a 0,860 kg è contenuta in un sistema pistone-cilindro. Al sistema, inizialmente a 325 C e 3, Pa, è sottratto del calore a pressione costante, fino ad ottenere un vapore saturo di titolo 0,300. Si calcoli il calore sottratto al sistema e la variazione di temperatura. (12 punti) c) Una portata massica pari a 0,278 kg/s di un certo fluido, avente una velocità di 3,80 m/s ed un entalpia di 134 kj/kg, entra in un reattore attraverso un apertura posta a 30,0 cm dal pavimento. Nel reattore il fluido viene agitato con un elica, e riscaldato con una potenza termica di 12,6 kw. In corrispondenza dell uscita dal reattore, posta a 2,50 m dal pavimento, l entalpia è di 209 kj/kg e la velocità e di 2,40 m/s. Si determini la potenza meccanica somministrata al fluido. Si indichi quali sono i termini energetici che appaiono trascurabili. (12 punti)

5 FISICA TECNICA - A.A. 00/01 1 a Interprova del a) Si tracci qualitativamente il diagramma ASHRAE. Volendo mantenere la temperatura di una certa corrente di aria umida costante, la si vuole umidificare fino al raggiungimento delle condizioni di aria umida satura. A questo scopo si dispone unicamente di acqua liquida. Si diano tutte le indicazioni (qualitative) sulla/e trasformazione/i risultante/i, e le si traccino sul diagramma. (6 punti) b) Una corrente d acqua di portata massica pari a 0,551 kg/s, è immessa a 30,0 C e 5,00 bar in una tubazione. A questa è somministrata una potenza termica pari a 500 kw. Si determini, nel caso di trasformazione isobarica, 1) lo stato della corrente d acqua in uscita, e la sua temperatura 2) lo stato della corrente d acqua in uscita, e la sua temperatura nel caso che la potenza termica somministrata sia 2000 kw. (6 punti) c) Si consideri un ciclo frigorifero ideale in cui il fluido evolvente è R134a. Il refrigerante entra nel compressore come vapore saturo secco a 1,0 bar, e ne esce allo stato di vapore surriscaldato a 40 C. All uscita del condensatore è liquido saturo. Si tracci il ciclo in un piano termodinamico. Se la portata massica di R134a è 2,0 kg/min, determinare 1) la potenza meccanica spesa, 2) il calore sottratto alla cella frigorifera, 3) il calore ceduto all ambiente esterno e 4) il rendimento del ciclo. (12 punti) d) Una certa quantità di ammoniaca NH 3 alla temperatura di 500 C e pressione di 1, Pa viene portato alla temperatura di 800 C e pressione di 10, Determinare la variazione di entropia specifica. (6 punti)

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