Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprendere:Mediante le lezioni frontali svolte durante il corso, lo studente acquisirà padronanza dei principi teorici fondamentali della termo fluidodinamica. Dovrà quindi possedere
conoscenze di avanzate e applicative relative ai fenomeni di trasmissione del calore con riferimento alla conduzione, convezione anche in presenza di cambiamento di fase e anche in presenza di fluidi a reologia complessa.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione:Lo studente dovrà acquisire conoscenze di tipo applicativo relativamente in particolare al moto dei fluidi, al trasporto di materia e calore in ambito ingegneristico e dovrà acquisire gli strumenti di base per affrontare con autonomia e senso critico le scelte progettuali finalizzate al dimensionamento degli apparati di scambio termico.Autonomia di giudizio: Lo studente dovrà possedere gli strumenti per valutare in maniera critica
le scelte progettuali nel dimensionamento degli apparati di scambio termico.Capacità comunicative:Tramite le lezioni frontali e il confronto con il docente, lo studente dovrà acquisire il lessico specifico inerente la Termofluidodinamica. Lo studente dovrà possedere l’abilità di presentare in maniera chiara la
procedura adottata nel dimensionamento degli apparati di scambio termico anche mediante l' utilizzo di strumenti di calcolo avanzato.
Capacità di apprendimento
Lo studente che abbia frequentato il corso sarà in grado di approfondire le proprie conoscenze in materia di moto dei fluidi e trasmissione del calore attraverso la consultazione autonoma di testi specialistici, riviste scientifiche o divulgative, anche al di fuori degli argomenti trattati strettamente a lezione, al fine di affrontare efficacemente l’inserimento nel mondo del lavoro o intraprendere percorsi di formazione successivi.
Prerequisiti
Per seguire il corso con profitto è necessaria la conoscenza dei concetti di base della Fisica Tecnica.
Contenuti dell'insegnamento
Il corso si propone di fornire allo studente le conoscenze avanzate, applicative e di progettazione nell’ambito della Termofluidodinamica e più in generale dei processi e apparati di scambio termico. Durante il corso si alternano lezioni frontali e attività di esercitazione. 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 e fluidi non-Newtoniani. 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.
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
Le slide proiettate durante il corso in formato PDF e tutto il materiale impiegato durante le lezioni e le esercitazioni (compresa la videoregistrazione delle lezioni stesse) sono resi disponili agli studenti e condivisi sulla piattaforma Elly. In aggiunta al materiale condiviso, lo studente può approfondire personalmente alcuni argomenti affrontati durante il corso facendo riferimento ai seguenti testi:
F. P. INCOPRERA, D P DE WITT: " Fundamentals of Heat and Mass Transfer ", John Wiley & Sons, New York.
A. BEJAN: “Heat Transfer”, John Wiley and Sons, Inc.
R.K. SHAH, A.L. LONDON, “Laminar flow forced convection in ducts”, Academic Press, 1978.
Metodi didattici
Il corso ha un peso di 9 CFU, che corrispondono a 72 ore di lezione. Le attività didattiche saranno condotte privilegiando lezioni frontali in aula (48 ore) accoppiate a esercitazioni in laboratorio di informatica (24 ore).
La parte teorica del corso viene illustrata mediante lezioni frontali. La parte dedicata all’attività di esercitazione prevede anche un'attività svolta autonomamente dagli studenti seguita da un’elaborazione e discussione dei risultati.
Gli appunti delle lezioni e le tracce delle esercitazioni proposte verranno caricate sulla piattaforma Elly.
Per scaricare il materiale è necessaria l’iscrizione al corso on line sulla stessa piattaforma didattica.
A complemento dei metodi didattici finora esposti, se le condizioni lo consentono, vengono organizzati dei seminari tenuti da responsabili della ricerca e sviluppo di aziende che illustrano applicazioni concrete della termo fluidodinamica a casi di studio reali nel campo del dimensionamento degli apparati di scambio termico.
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell’apprendimento è basata su una prova orale preceduta da un test scritto in cui viene richiesta la risoluzione di uno o più esercizi. La corretta risoluzione di almeno il 50% degli esercizi proposti nel test cosituisce vincolo di ammissione al colloquio, in cui vengono verificate la corretta e completa risposta a domande teoriche e la proprietà di esposizione.
Nel test è possibile consultare i testi di riferimento, tabelle termodinamiche e appunti delle lezioni.
L'esito della prova scritta viene comunicato nell’arco di pochi giorni successivi alla prova, tramite pubblicazione su Esse3; il voto finale, che tiene conto del voto della prova scritta (max 10 punti) e della prova orale (max 20 punti) viene comunicato immediatamente al termine della prova orale prima della sua eventuale registrazione.
La lode viene assegnata del caso del raggiungimento del massimo punteggio su ogni item (test scritto e prova orale) a cui si aggiunge la padronanza del lessico disciplinare.
Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello è OBBLIGATORIA nel caso del test scritto; per la prova orale vengono proposte diverse date a seconda delle richieste degli studenti.
Durante il corso, vengono somministrate prove parziali, formative, utili per monitorare il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento in itinere e fornire feedback agli studenti, prima dell’appello ufficiale. Le date delle prove parziali saranno comunicate dalla docente durante le lezioni.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
