FISICA TECNICA (Ingegneria Medica)

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1 NOME N. MATRICOLA N. CREDITI Prova di esame del 11 Febbraio Sia dato un ciclo frigorifero, in cui il fluido evolvente è R134a, a cui in cascata è collegato un secondo ciclo il cui fluido evolvente è R22. - la temperatura dell ambiente esterno è pari a 30 C; - la temperatura della cella è pari a -30 C, - il rendimento isoentropico del compressore del ciclo superiore è pari a 0.8; - il rendimento isoentropico del ciclo inferiore è pari a 0.65; - la portata di R134a è pari a 0.95 kg/s; - la portata di R22 è pari a 0.5 kg/s; - la pressione del condensatore del ciclo ad R22 è pari a 7bar; - la temperatura dell evaporatore del ciclo a R134a è pari a 0 C; - gli stati termodinamici di entrambi i cicli; - la potenza termica sottratta alla cella frigorifera; - la potenza termica ceduta all ambiente esterno; - il rendimento totale del ciclo. 2. Sia dato un recipiente cilindrico a parete sottile avente un diametro pari a 0.90 m, riempito fino all altezza di 1.20 m da acqua inizialmente alla temperatura di 20 C. Determinare il tempo necessario affinché l acqua si riscaldi fino alla temperatura di 60 C, quando il serbatoio viene immerso in un fluido alla temperatura di 150 C, sapendo che il coefficiente globale di scambio termico tra fluido ed acqua è pari a 250 W/(m 2 K) e che la superficie di scambio è pari a 3.7m Un impianto di condizionamento invernale ad aria, deve mantenere un locale di volume pari a 600m 3, alla temperatura di 25 C ed umidità pari al 30%, quando l ambiente esterno si trova a 10 C e 10% di umidità relativa. - il carico termico da smaltire è pari a 10kW; - il carico di vapore da smaltire è pari a 1kg/h; - il salto termico tra l aria immessa e quella del locale non deve essere superiore a 8 C; - il numero di ricambi di volume per ora da assicurarsi sono 2; - la portata di aria da immettere nel locale; - le condizioni di immissione; - la potenza che deve fornire la batteria di pre e post-riscaldamento; - tracciare le trasformazioni subite dalla miscela di aria sul diagramma psicrometrico allegato

2 NOME N. MATRICOLA N. CREDITI Prova di esame del 21 Febbraio Si consideri un impianto frigorifero a compressione di vapore con camera di separazione liquido-vapore. Siano noti i seguenti dati: 1. fluido evolvente R410a; 2.la temperatura a cui il locale deve essere mantenuto è di -30 C; 3. l ambiente esterno si trova a 20 C; 4. i due compressori hanno un rendimento isoentropico pari al 75%; 5. in camera di separazione la frazione di vapore è pari al 20%; 6. la potenza termica sottratta alla cella frigorifera è apri a 41,6 kw. 1. la potenza meccanica spesa dai compressori; 2. la portata di fluido evolvente; 3. la pressione di lavoro della camera di separazione; 4. il rendimento del ciclo 2. Sia dato un cilindro di acciaio, con conducibilità termica pari a 43W/(mK), di lunghezza pari a 10m, avente diametro interno di 50cm e diametro esterno pari a 60cm, rivestito da uno spessore di materiale isolante di 7,5cm, con conducibilità termica pari a 0.2W/(mK). All interno scorre acqua con una velocità pari a 1,5m/s e a temperatura di 50 C. Sapendo che l acqua scambia calore con il cilindro secondo la seguente relazione empirica: NuDint=0.023(ReDint)^0.618 Pr^0.33 Il cilindro è immerso in aria alla velocità di 3m/s e alla temperatura di 30 C, sapendo che lo scambio termico tra cilindro e aria è regolato dalla seguente relazione empirica: Nuisot=0.0156(ReDiso)^0.8 Pr^ la potenza termica dissipata dal cilindro; 2. il raggio critico dell isolante e confrontarlo con il raggio dato. 3. Si progetti un impianto di condizionamento invernale sapendo che il volume del locale è pari a 800m^3, che la temperatura interna è pari a 26 C e ha un grado di umidità pari al 40%, quando esternamente la temperatura è di 5 C ed umidità relativa pari al 20%. Sapendo che devono essere garantiti 3 ricambi orari, che la potenza termica dispersa dalle pareti è pari a 10kW, all interno del locale sia presente una produzione di calore dovuta ad una stufa pari a 3kW e che il carico termico di vapore sia pari a 2kg/h, 1. la portata di aria da immettere nel locale; 2. le condizioni di immissione; 3. la potenza assorbita dalle batterie di pre e post riscaldamento; 4. tracciare le trasformazioni sul diagramma psicrometrico.

3 NOME N. MATRICOLA N. CREDITI Prova di esame del 7 Luglio Un ciclo Linde a regime prevede: - 6 compressioni adiabatiche aventi lo stesso rapporto di compressione, per portare l aria dalla pressione di 1 bar, fino alla pressione di 150 bar, essendo le temperature iniziali di ogni compressione pari a 300 K. - Raffreddamento isobaro fino alla temperatura di 150 K - Laminazione fino alla pressione di 1 bar Se la portata di aria volumica totale circolante nell impianto è di 50kg/s, determinare. - La quantità di aria liquida prodotta nell unità di tempo - La potenza fornita ai compressori - La potenza di raffreddamento. - Tracciare le trasformazioni termodinamiche sul diagramma allegato. 2. Sia dato un locale delle dimensioni 30x50x5 m^3, da climatizzare nella stagione estiva. Devono essere assicurate una temperatura di 26 C e umidità del 40 e 0,7 ricambi di volume di aria all ora. Sapendo che il carico termico che si genera all interno del locale è dato dal calore generato da 5 lampade, ognuna fornisce una potenza di 72kW e che la potenza dispersa attraverso le pareti è pari a 5kW. L ambiente esterno si trova ad una temperatura di 35 C ed umidità del 70%, -la portata di aria da immettere nel locale - le condizioni di immissione - la potenza termica di raffreddamento e post riscaldamento Sia nota la densità dell aria, pari a 1.2kg/m^3 e il cp=1.005 kj/kgk 3. Una portata di 42 l/min di acqua entra alla temepratura di 40 C in uno scambiatore di calore a tubi coassiali, funzionante in controcorrente. L acqua nello scambiatore viene riscaldata da una portata di 93l/min di olio, che entra ad una temperatura di 115 C. La densità ed il cp dell acqua sono apri a 1000 kg/m^3 e kj/kg C, mentre per l olio valgono 903kg/m^3 e 1.883kJ/kg C. Se l area della superficie di scambio è pari a 13 m^2 ed il coefficiente di scambio termico globale vale 340 W/m^2 C, determinare - Il calore totale scambiato nell unità di tempo - Le temperature di uscita dei due fluidi. 1.

4 NOME N. MATRICOLA N. CREDITI Prova di esame del 17 Luglio Sia dato un ciclo frigorifero, in cui abbiamo come fluidi evolventi l R134a, seguito in cascata da NH3 e R22. - La temperatura del condensatore dell R134a è pari a 50 C; - La temperatura della cella frigorifera è pari a -50 C, - Il rendimento isoentropico del ciclo ad R134a è pari a 0.85; - Il rendimento isoentropico del ciclo a R22 è pari a 0.65; - La portata di R134a è pari a0.7kg/s; - La portata di R22 è pari a 0.45kg/s; - La portata di NH3 è pari a 15kg/s; - La pressione del condensatore dell NH3 è pari a 6bar; - La temperatura dell evaporatore del ciclo a R134a è pari a 0 C; - La temperatura dell evaporatore del ciclo ad NH3 è pari a -30 C; - La pressione del condensatore dell R22 è pari a 2bar. - gli stati completi del ciclo; - la potenza termica sottratta alla cella frigorifera; - la potenza termica ceduta all ambiente esterno; - il rendimento totale del ciclo. 2. Si deve progettare un impianto di condizionamento estivo, per la sala di un museo di 4000m^3. All interno devono essere garantite una temperatura ambiente di 26 C ed un umidità del 30%. Viene prelevata aria dall esterno alla temperatura di 35 C ed umidità del 60%. Il locale assorbe dall esterno anche una potenza pari a 30kW. All interno del locale non vi è carico di vapore. - il numero di ricambi orari per garantire che la temperatura di immissione sia inferiore di 5 C rispetto la temperatura del locale stesso; - la portata di aria; - la potenza termica di raffreddamento e di post-riscaldo. 3. Una pala di turbina, lunga 63mm ed avente una sezione trasversale di 4.6 cm^2 di area d i 12cm di perimetro, è fatta di acciaio inossidabile con costante di conducibilità termica pari a k=22kw/mk. La temperatura della base è di 480 C. La pala è esposta ad una gas avente temperatura pari a 870 C, con conduttanza superficiale unitaria pari a 400kW/m^2K. Determinare la distribuzione della temperatura e la potenza termica che fluisce attraverso la base della pala. Supporre la punta della pala isolata.

5 NOME N. MATRICOLA N. CREDITI Prova di esame del 12 settembre Sia dato un locale di 1000 m 3, climatizzato durante l inverno. Il carico termico è pari a 10kW e viene prodotto un carico di vapore pari a 2 kgv/h. All interno la temperatura è pari a 25 C, l umidità relativa è pari al 50% e sono previsti 1.5 ric/h. Le condizioni esterne sono temperatura pari a 0 C e umidità relativa pari al 60%. Ricavare le condizioni di immissione in assenza di ricircolo e determinare la portata di ricircolo, affinché la temperatura di immissione non superi quella interna di 20 C. Inoltre è presente un ventilatore (posizionato prima della batteria di preriscaldo) che provoca un aumento di temperatura di 3 C. Infine calcolare le potenze fornite dalle batterie di pre-riscaldo e post-riscaldo. 2. Sia dato un impianto frigorifero a compressione di vapore, con camera di separazione, che serve a raffreddare un flusso di aria alla temperatura di -50 C. - il carico termico assorbito è pari a 50 kw; - la temperatura dell ambiente esterno è pari a 10 C; - la portata di fluido refrigerante, R22, che attraversa l evaporatore è pari al 70% della portata che attraversa il condensatore; - gli stati termodinamici del ciclo; - la portata che evolve nell evaporatore; - la portata che evolve nel condensatore; - la potenza meccanica spesa dai compressori; - la potenza termica ceduta all ambiente esterno; - il rendimento termodinamico o coefficiente di prestazione dell impianto. 3. Sia data una parete di dimensioni 2.5 x 3 m 2 costituita da diversi strati di materiali differenti. In figura sono riportate le dimensioni geometriche della parete con i rispettivi spessori e altezze di ogni strato. - i coefficienti di scambio termico convettivo all interno e all esterno della parete valgono hi=35w/m 2 K e he=10w/m 2 K; - le temperature interna ed esterna valgono rispettivamente Ti=35 C e Te=15 C; determinare in regime stazionario e con l ipotesi di flusso monodimensionale: - la potenza termica ceduta all esterno; - le temperature alle interfacce. [Le conduttività termiche dei materiali componenti la parete sono: k A=0.05W/mK, kb=0.18w/mk, kc=0.15w/mk, kd=0.20w/mk, ke=1.2w/mk, kf=0.70w/mk e kg=0.4w/mk]

6 NOME N. MATRICOLA N. CREDITI N. 1 Prova di esame del 25 settembre 2014 Un locale di 5x20x15 m^3. In inverno viene climatizzato con un impianto ad aria. All interno del locale vengono prodotti 10kW, e attraverso le pareti vengono dispersi 20kW. Il carico di umidità è pari a 1.3kgv/h. All interno la temperatura e l umidità sono pari rispettivamente a 18 C e 50% e devono essere garantiti 2 ric/h di aria. La temperatura e l umidità dell ambiente esterno sono di 5 C e 70%. - le condizioni di immissione; - le potenze delle batterie di pre e post- riscaldo. N. 2 Una pompa di calore funzionante con R134a, deve riscaldare una portata d aria pari a 600kg/h, considerata gas ideale, dalla temperatura di 20 C alla temperatura di 40 C. Il rendimento isoentropico del compressore è pari 0.9. Supponendo che nell evaporatore circoli una portata d acqua pari a 3000kg/h entrante alla temperatura di 20 C, - la temperatura di uscita dell acqua dall evaporatore; - la potenza di compressione; - il coefficiente di prestazione dell impianto. N. 3 Una sfera di acciaio, di diametro pari a 84mm, si trova inizialmente alla temperatura di 356 C. Viene raffreddata tramite un flusso di aria avente temperatura pari a 22 C e velocità di 15m/s. Trovare il tempo necessario affinché la sfera di acciaio raggiunga la temperatura superficiale di 60 C. Ricavare il coefficiente di convezione, sapendo che vale la seguente relazione empirica: Nu,D=0.37(Re,D)^0.6 Pr^0.33 Verificare che il problema sia riconducibile all ipotesi dei parametri concentrati. Considerare per l acciaio una densità di 7500kg/m^3 ed un calore specifico pari a 502J/kgK.