Fisica Tecnica Ambientale

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Giacomo Ferri
6 anni fa
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1 Università degli Studi di Perugi Sezione di Fisic Tecnic Fisic Tecnic Ambientle Lezione del 11 mrzo 2015 Ing. Frncesco D Alessndro dlessndro.unipg@cirif.it Corso di Lure in Ingegneri Edile e Architettur A.A. 2014/2015

2 Argomenti APPLICAZIONI: INGEGNERIA INDUSTRIALE Distribuzione di fluidi termovettori L isolmento delle tubzioni Rffreddmento di un fluido in un tubzione + esempio Riscldmento e rffreddmento di un corpo

3 Appliczioni: Ingegneri Industrile Distribuzione di fluidi termovettori

4 Distribuzione di fluidi termovettori Riscldmento domestico centrlizzto Economi di produzione Economi di gestione Mggiore sicurezz Minore flessibilità

5 Distribuzione di fluidi termovettori Teleriscldmento Impinto di Prepo (2011) Impinto cogenertivo: Produzione combint di clore ed elettricità tre cldie metno d 330 kw 45 utenze

6 Distribuzione di fluidi termovettori Bilncio termico di un distribuzione di clore Centrle termic QCT Qu Utenze Qp VA MINIMIZZATO Rendimento di distribuzione η D Q Q u CT

7 Distribuzione di fluidi termovettori Distribuzione di fluidi freddi Il costo dell frigori è mggiore di quello dell clori V evitt l formzione di condens

8 Isolmento delle tubzioni Per i fluidi cldi: Limitre le dispersioni termiche Sicurezz (evitre di scottrsi se si viene in conttto con l tubzione) Per i fluidi freddi: Limitre le dispersioni termiche Evitre l condens sull superficie estern del tubo

9 Isolmento delle tubzioni Cellul chius Cellul pert

10 Rffreddmento di un fluido in un tubzione Un fluido incomprimibile percorre un tubzione di lunghezz L, immers in un mbiente tempertur T. L tempertur di ingresso del fluido nel tubo è T 0 > T. Come vri T nel tubo?

11 Rffreddmento di un fluido in un tubzione Ipotesi: il regime è stzionrio; l tempertur T è uniforme; l tempertur T del fluido è funzione soltnto dell x e non vri sull sezione (vlid nel cso di moto turbolento); le proprietà termofisiche del fluido non vrino con l tempertur.

12 Rffreddmento di un fluido in un Considerimo un elemento dx di tubo, ttrverso il qule si trsmette, nell unità di tempo, il clore dq x : dq x 2 πr H T T dx tubzione Nel pssggio d x d x+dx, l portt G di fluido subisce un rffreddmento dt l qule corrisponde un cessione di clore dq f d prte del fluido, tle che REGIME STAZIONARIO dqx=dqf Soluzione dq f G γ dt T T G γ dt dx dx dt 2π rh(t T ) Gγ dx 2πrH x Gγ (T0 T )e

13 Rffreddmento di un fluido in un tubzione T T 2πrH x Gγ (T0 T )e T Possibili interventi per limitre l eccessiv riduzione di tempertur: T 0 Limitre l lunghezz dell tubzione L (corretto posizionmento dell centrle termic rispetto lle utenze) T (x) T 0 -T L T Diminuire l trsmittnz H dell tubzione (instllzione di mterile isolnte). L x

14 Rffreddmento di un fluido in un tubzione: Esempio Tubo di cciio lmbito esternmente d ri 10 C. Crtteristiche tubo: d i = 38,1 mm d e = 48,3 mm L = 100 m = 54 W/mK re ri Dti di progetto: v = 0,25 m/s; T 0 = 95 C. Voglimo verificre che l cqu cld perveng ll utilizztore d un tempertur mggiore di 90 C. L formul per clcolre l tempertur d rrivo è T 2πrH L Gγ L T (T0 T )e

15 Rffreddmento di un fluido in un tubzione: Esempio Tubo di cciio lmbito esternmente d ri 10 C. Crtteristiche tubo: d i = 38,1 mm d e = 48,3 mm L = 100 m = 54 W/mK re ri Dti di progetto: v = 0,25 m/s; T w,0 = 95 C. TL T (T T )e 0 2πrH L Gγ Rggio medio r r 24,15 19, ,60mm 0,0216 m Portt G = Av w A = r i 2 = 0,00114 m 2 w (95 C) = 961,8 kg/m 3 G 0, ,25 961,8 0,274 kg/s

16 Rffreddmento di un fluido in un tubzione: Esempio Tubo di cciio lmbito esternmente d ri 10 C. Crtteristiche tubo: d i = 38,1 mm d e = 48,3 mm L = 100 m = 54 W/mK re ri Dti di progetto: v = 0,25 m/s; T w,0 = 95 C. TL T (T T )e 0 2πrH L Gγ Trsmittnz H k w =2000 W/m 2 K k =10 W/m 2 K s = r e -r i =0,0051 m cc = 54 W/mK H 1 k 1 s λ 1 w k H , ,94 W/m 2 K

17 Rffreddmento di un fluido in un tubzione: Esempio Tubo di cciio lmbito esternmente d ri 10 C. Crtteristiche tubo: d i = 38,1 mm d e = 48,3 mm L = 100 m = 54 W/mK Clore specifico cqu 95 C: w = 4205 J/kg K re ri Dti di progetto: v = 0,25 m/s; T w,0 = 95 C. TL T (T T )e 0 2πrH L Gγ 2 π r HL G γ 2 π 0,0216 9, , , ,17 0,1171 T 10-0, e , ,6 85,6 C w, L Tempertur troppo bss!

18 Rffreddmento di un fluido in un tubzione: Esempio Tubo di cciio lmbito esternmente d ri 10 C. Crtteristiche tubo: d i = 38,1 mm d e = 48,3 mm L = 100 m = 54 W/mK re ri Dti di progetto: v = 0,25 m/s; T w,0 = 95 C. TL T (T T )e 0 2πrH L Gγ COIBENTIAMO LA TUBAZIONE CON 1 CM DI LANA DI ROCCIA ( = 0,058 W/mK) Rggio medio r Trsmittnz H H 19,05 34,15 r 26,6mm 0,0266 m 2 1 k w s λ cc 1 s λ is 1 k 1 W ,0051 0, m K , prim 9,44 W/m 2 K

19 Rffreddmento di un fluido in un tubzione: Esempio Tubo di cciio lmbito esternmente d ri 10 C. Crtteristiche tubo: d i = 38,1 mm d e = 48,3 mm L = 100 m = 54 W/mK re ri Dti di progetto: v = 0,25 m/s; T w,0 = 95 C. TL T (T T )e 0 2πrH L Gγ 2 π r HL G γ 2 π 0,0266 3, , , ,17 0,053 T 10-0, e , ,6 90,6 C w, L

20 Rffreddmento di un fluido in un tubzione: Esempio Tubo di cciio lmbito esternmente d ri 10 C. Crtteristiche tubo: d i = 38,1 mm d e = 48,3 mm L = 100 m = 54 W/mK re ri Dti di progetto: v = 0,25 m/s; T w,0 = 95 C. TL T (T T )e 0 2πrH L Gγ tubo nudo tubo isolto 1 cm

21 Appliczioni: Ingegneri Industrile Riscldmento e rffreddmento di un corpo

22 Riscldmento e rffreddmento di un corpo

23 Riscldmento e rffreddmento di un corpo Lo studio rigoroso del rffreddmento o riscldmento di un corpo non è in generle possibile, per le seguenti rgioni: ) è impossibile conoscere con esttezz l condizione limite rigurdnte il fluido che scmbi clore con il corpo in esme; b) è impossibile conoscere con esttezz l condizione limite rigurdnte l distribuzione delle temperture dei corpi che scmbino clore per rdizione con il corpo in esme; c) il corpo di solito è dotto di un form non elementre; d) il corpo di solito non è né omogeneo né isotropo. Il problem si semplific se simo in condizioni di convezione forzt (tempertur più uniforme e scmbio termico per convezione prevlente) Necessità di clcoli complessi

24 Riscldmento e rffreddmento di un corpo Si introducono le seguenti ipotesi: ) Corpo omogeneo e isotropo; Verifict per molti mterili inorgnici (metlli, mterili d costruzione, etc) b) L tempertur del corpo è funzione solo del tempo (è uniforme l suo interno); Impossibile (il corpo st scmbindo clore) m pprossimt se l resistenz termic intern del mterile è molto piccol rispetto quell di confine tr corpo e fluido c) Le condizioni i limiti sono uniformi e costnti nel tempo. Verifict se simo in condizioni di convezione forzt

25 Riscldmento e rffreddmento di un corpo Supponimo che l tempertur inizile T 0 del corpo si mggiore dell tempertur dell mbiente T. Nell intervllo infinitesimo di tempo d vviene lo scmbio termico: dq ka T T dτ dq T = quntità di clore trsmess dl corpo ll mbiente durnte l intervllo d (W); k = fttore d dduzione (W/m 2 K); A = re dell superficie estern del corpo (m 2 ); T T = tempertur del corpo ll'istnte (K); T = tempertur dell mbiente in cui il corpo è immerso (K).

26 Riscldmento e rffreddmento di un corpo In conseguenz del clore ceduto, il corpo si è rffreddto. L quntità di clore dq R corrispondente d un vrizione di tempertur dt del corpo è fornit dll legge fondmentle dell clorimetri: dq R = - m dt = clore specifico del corpo (J/kgK); m = mss del corpo (kg).

27 Riscldmento e rffreddmento di un corpo dq R e dq T sono uguli: il clore ceduto dl corpo è proprio quello trsmesso ll mbiente dq T ka T T dqr - m dt dτ dq R = dq T = dq ka(t- T)d -m dt integrndo tr =0 e il generico istnte e considerndo k e indipendenti dll tempertur T T T T ) e ( 0 ka m

28 Riscldmento e rffreddmento di un corpo Durnte il rffreddmento, se il corpo si trov nello stto inizile in fse liquid e se l tempertur T è minore dell tempertur di solidificzione del corpo ll pressione considert T s, d un certo istnte inizi l solidificzione, durnte l qule il clore Q s scmbito con l esterno è pri : Q s m r T s r(t s ) = clore di solidificzione ll tempertur T s (J/kg). L equzione di scmbio termico, essendo T= costnte durnte l solidificzione, può scriversi : k = fttore d dduzione durnte l solidificzione (W/m 2 K); Q s k' A T s T τ s = tempo necessrio per l s solidificzione (s). τ s mr Ts k'a(t s T )

29 Riscldmento e rffreddmento di un corpo Andmento nel tempo dell tempertur di un corpo che si rffredd T T=T o rffreddmento del liquido solidificzione T=T s T=T rffreddmento del solido s T 0 = tempertur inizile del corpo; T = tempertur mbiente; T s = tempertur di solidificzione; s = tempo necessrio per l solidificzione.

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