Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprendere: Alla fine del percorso dell’insegnamento lo studente dovrà conoscere i principi fondamentali della termofluididinamica.
Competenze:
Lo studente dovrà acquisire conoscenze di tipo applicativo relativamente al tema della trasmissione del calore e, più in generale, relativamente ai fenomeni di trasporto che intervengono nei processi ingegneristici con particolare attenzione alle problematiche del settore alimentare.
Autonomia di giudizio:
Lo studente dovrà possedere gli strumenti per affrontare scelte progettuali nel campo del dimensionamento degli apparati di scambio termico.
Capacità comunicative:
Lo studente dovrà possedere l’abilità di presentare in maniera chiara la procedura adottata nella progettazione degli apparati di scambio termico.
Prerequisiti
Per seguire il corso con profitto è necessaria la conoscenza dei concetti di base della Fisica Tecnica.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso è suddiviso in due parti: una teorica e una di attività di esercitazioni. La parte teorica tratta i seguenti argomenti: Conduzione del calore in regime stazionario e non stazionario. Convezione. Trasporto di materia. Analogia tra trasporto di energia, materia e quantità di moto. Scambio termico in ebollizione e condensazione. Incremento dello scambio termico. Scambiatori di calore. Reologia. Termofluidodinamica computazionale.
L’attività di esercitazione è parte integrante del corso ed è dedicata ad esercitazioni numeriche intese come momento di verifica e chiarimento delle nozioni teoriche acquisite nelle ore di lezione. Parte della attività di esercitazione viene svolta in laboratorio di informatica ed è dedicata all’analisi numerica applicata ai
problemi di scambio termico e di moto dei fluidi. Al fine di far acquisire conoscenze metodologiche e applicative, questa parte del corso si avvale di esercitazioni pratiche in cui viene utilizzato l’ambiente di programmazione Matlab e Comsol Multyiphysics.
Programma esteso
Conduzione.
Conduzione del calore in regime stazionario in sistemi monodimensionali.
Superfici alettate. Conduzione del calore in sistemi bidimensionali.
Formulazione alle differenze finite dell’equazione di Fourier. Conduzione
del calore in regime non stazionario. Adimensionalizzazione dell'equazione di Fourier e delle relative condizioni al contorno: numero di Fourier, numero di Biot; casi limite per Biot grande e piccolo; caso di
Biot qualunque: lastra piana infinita, cilindro infinito, sfera; solidi di dimensioni finite: parallelepipedo e cilindro. Modello del Solido semi-infinito.
Convezione.
Generalità sullo scambio termico per convezione. Le equazioni di strato limite. Convezione forzata. Flusso esterno. Lastra piana con deflusso parallelo. Deflusso trasversale su superfici cilindriche e sferiche. Deflusso trasversale su banchi di tubi. Flusso interno. Regione di ingresso e moto laminare completamente sviluppato. Il bilancio dell'energia per le condizioni al contorno di flusso uniforme alla parete e di temperatura di parete uniforme. Correlazioni di convezione per il moto laminare nei condotti. Moto turbolento completamente sviluppato. Correlazioni. Condotti a sezione non circolare. Convezione naturale. Caratteristiche fenomenologiche. Equazioni fondamentali e raggruppamenti adimensionali. Convezione naturale su lastra piana verticale. Lastra piana orizzontale. Effetti dell'inclinazione. Cilindri e sfere. Convezione naturale in spazi confinati. Cavità rettangolari e anulari. La convezione mista.
Trasporto di materia.
Legge di Fick. Coefficiente di diffusione di materia. Equazione di conservazione per una singola specie chimica in miscele binarie. Forma adimensionale dell'equazione. Il numero di Schmidt.
Numero di Sherwood. Strato limite di concentrazione.
Analogia tra trasporto di energia, materia e quantità di moto.
Analogia di Reynolds. Analogia di Chilton Colburn. Simultaneo trasporto di materia ed energia. Raffreddamento evaporartivo. Processo di saturazione adiabatica. Teoria dello psicrometro.
Scambio termico in ebollizione e condensazione.
Raggruppamenti adimensionali nell'ebollizione e nella condensazione. Regimi di ebollizione: ebollizione di massa, ebollizione in convezione forzata, ebollizione sottoraffreddata e satura. Modalità di ebollizione di massa: in convezione naturale, nucleata, regime di transizione, a film. Correlazione di Rhosenow. Flusso critico. Flusso minimo. Ebollizione in convezione forzata. Condensazione superficiale. Condensazione a film e condensazione a gocce. Condensazione a film laminare su lastra piana verticale, soluzione di Nusselt, numero di Reynolds per la condensazione a film: regime di transizione, regime turbolento numero di Nusselt modificato. Condensazione a film su sistemi radiali. Condensazione a gocce.
Incremento dello scambio termico.
Le tecniche di incremento dello scambio termico. Tecniche passive ed attive. Vantaggi dell'incremento
dello scambio termico. Superfici alettate. Tubi con alettatura longitudinale ed elicoidale. Inserimento di elementi all'interno di condotti per flussi monofase. Tubi ad alettatura interna.
Scambiatori di calore.
Generalità e classificazione. Coefficiente globale di scambio termico. Effetto dello sporcamento della superficie. Differenza di temperatura medio logaritmica: scambiatori a correnti parallele e non
parallele. Metodo dell'efficienza e del numero di unità di trasporto. Scambiatori compatti.
Reologia.
Classificazione dei fluidi: puramente viscosi, viscoelastici e dipendenti dal tempo. Modelli reologici. Fludi non Newtoniani: modello di Bingham e a legge di potenza. Determinazione dei parametri reologici
mediante reometro a tubo capillare e reometro rotazionale. Fluidi verificanti la legge di potenza in moto entro condotti. Profilo di velocità e fattore di attrito nella regione di completo sviluppo in regime laminare. Numero di Reynolds generalizzato. Regime turbolento. Relazione di Dodge e Metzner. Scambio termico convettivo in regime laminare e turbolento per fluidi a legge di potenza.
Bibliografia
F. P. INCOPRERA, D P DE WITT: " Fundamentals of Heat and Mass Transfer
", John Wiley & Sons, New York. Ulteriore materiale didattico a disposizione sul portale “Campus net di Ateneo”.
Metodi didattici
La parte teorica del corso verrà illustrata mediante lezioni frontali. La parte dedicata all’attività di esercitazione prevede anche un'attività svolta autonomamente dagli studenti in laboratorio di informatica, seguita da un’elaborazione e discussione dei risultati
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell’apprendimento è basata su una prova scritta/pratica svolta in laboratorio di informatica, seguita da una prova orale. La verifica è così pesata: 50% prova scritta (corretta risoluzione di un esercizio); 50% verifica orale (corretta e completa risposta alle domande teoriche e proprietà di esposizione).
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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