Obiettivi formativi
Conoscenze e capacità di comprendere: Alla fine del percorso dell’insegnamento lo studente dovrà conoscere i principi fondamentali della termofluididinamica con riferimento ai processi dell’industria alimentare.
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. Risoluzione di problemi inversi.
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.
Programma esteso
1. Introduzione
1.1. La conduzione
1.2. Convezione
1.3. Irraggiamento
2. Conduzione del calore - equazioni di base
2.1. Equazione di base
2.2. Condizioni al contorno e iniziali
2.2.1. Temperatura imposta
2.2.2. Flusso di calore imposto
2.2.3. Condizione al contorno di convezione
3. Conduzione termica unidimensionale, in regime stazionario
3.1. La lastra
3.2. Il cilindro
3.3. La sfera
3.4. Mezzo composito
3.4.1. Lastra composita
3.4.1.1. Disposizione in serie
3.4.1.2. Disposizione in parallelo
3.4.1.3. Disposizione in parallelo/serie
3.4.2.Cilindri coassiali e sfere compositi
3.5. Resistenza termica di contatto
3.6. Spessore critico dell'isolamento
3.7. Superfici alettate
3.7.1. Aletta lunga
3.7.2. Alette con perdita di calore trascurabile in punta
3.7.3. Alette con convezione in punta
3.7.4. Efficacia dell'aletta
3.7.5. Efficienza dell'aletta
3.7.6. Efficienza complessiva della superficie
4. Conduzione termica transitoria: analisi del sistema a capacità concentrata
4.1. Analisi del sistema lumped o metodo della capacità concentrata
4.2. Analisi a sistema a capacità concentrata per condizioni al contorno miste
5. Conduzione termica transitoria: soluzioni analitiche per problemi monodimensionali
5.1. Sistema di coordinate rettangolari
5.1.1. Mezzo finito
5.1.2. Mezzo semi-infinito
5.1.3. Soluzione del prodotto multidimensionale
5.1.4. Soluzioni grafiche non dimensionali
5.2. Sistemi di coordinate cilindriche e sferiche: soluzioni grafiche non dimensionali
5.2.1. Cilindro lungo
5.2.2. Sfera
5.2.3. Solido semi-infinito
6. Conduzione termica transitoria: metodi alle differenze finite
6.1. Schema completamente esplicito
6.2. Schema completamente implicito
6.3. Metodo Crank-Nicholson
6.4. Condizioni al contorno
6.4.1. Temperatura imposta
6.4.2. Flusso di calore imposto
6.4.3. Convezione
6.5. Condizioni iniziali
7. Trasferimento di massa per diffusione
7.1. Analogia tra trasferimento di calore e di massa
7.2. Diffusione di massa
7.3. Legge di Fick sulla diffusione: mezzo stazionario costituito da due specie
7.4. Legge di Fick generalizzata: mezzo non stazionario costituito da due specie
7.5. Condizioni al contorno
7.5.1. Concentrazione di specie specificata
7.5.2. Flusso di specie specificato
7.5.3. Interfacce solido-liquido
7.5.4. Interfacce gas-liquido-solido
7.5.5. Evaporazione e sublimazione
7.6. Diffusione del vapore attraverso un gas stazionario: Flusso di Stefan
7.7. Equazione costitutiva della diffusione di massa
8. Convezione - introduzione
8.1. Strati limite
8.1.1. Strato limite di velocità
8.1.2. Strato limite termico
8.1.3. Strato limite di concentrazione
8.2. Equazioni generali di conservazione e numeri adimensionali per flussi stazionari
8.3. Condizioni al contorno e altri numeri non dimensionali
8.3.1. Strato limite idrodinamico
8.3.2. Strato limite termico
8.3.3. Strato limite di concentrazione
8.4. Analogia tra i coefficienti di attrito, trasferimento di calore e trasferimento di massa
8.4.1. Analogia di Reynolds
8.4.2. Analogia Chilton-Colburn
8.5. Raffreddamento evaporativo
9. Convezione forzata esterna
9.1. Equazioni di convezione per una piastra piana - flusso laminare
9.1.1. Soluzione fluidodinamica
9.1.2. Soluzione del trasferimento di calore su una piastra isoterma
9.1.3. Soluzione di concentrazione su una piastra con concentrazione fissa
9.1.4. Parametri mediati
9.1.5. Metalli liquidi ed equazioni generali
9.2. Flusso turbolento su una lastra piana isoterma
9.3. Strato limite misto su una lastra piana isoterma
9.4. Lastra piana con flusso termico uniforme
9.5. Flusso su cilindri e sfere
9.5.1. Trasferimento di calore e massa per convezione
9.5.1.1. Correlazione di Hilpert
9.5.1.2. Correlazione di Zukauskas
9.5.1.3. Correlazione generale di Zukauskas
9.5.1.4. Correlazione di Churchill e Bernstein
9.6. Flussi attraverso un banco di tubi
9.6.1. Correlazione Grimison
9.6.2. Correlazione di Zukauskas
9.6.3. Trasferimento del calore
9.6.4. Caduta di pressione
10. Convezione forzata interna
10.1 Considerazioni idrodinamiche
10.1.1. Condizioni di flusso
10.1.2. Velocità media
10.1.3. Profilo di velocità nella regione di pieno sviluppo (laminare)
10.1.4. Perdita di carico nel flusso a regime (laminare)
10.2. Considerazioni termiche
10.2.1. Temperatura media
10.2.2. Condizioni di completosviluppo
10.3. Bilancio energetico
10.3.1. Flusso di calore superficiale costante
10.3.2. Temperatura superficiale costante
10.4. Flusso laminare in tubi circolari: analisi termica e correlazioni
10.4.1. Flusso completamente sviluppato (laminare)
10.4.1.1. Flusso di calore superficiale costante
10.4.1.2. Temperatura superficiale costante
10.4.2. Regione di ingresso (laminare)
10.5. Flusso turbolento in condotti circolari: correlazioni di convezione
10.5.1. Regione di completo sviluppo (turbolento)
10.5.1.1. Correlazione di Colburn
10.5.1.2. Correlazione Dittus-Boelter
10.5.1.3. Correlazione Sieder e Tate
10.5.1.4. Seconda correlazione di Petukhov
10.5.1.5. Metalli liquidi
10.5.2. Regione di ingresso
10.6. Tubi non circolari: correlazioni laminari e turbolente
10.6.1. Flusso turbolento
10.6.2. Flusso laminare
10.7. Flusso anulare
10.8. Miglioramento del trasferimento di calore
11. Scambiatori di calore
11.1. Tipi di scambiatori di calore
11.1.1. A doppio tubo o a tubo concentrico
11.1.2. Flusso incrociato
11.1.3. Mantello e tubo
11.1.4. Scambiatori di calore compatti
11.2.Il coefficiente globale di scambio termico
11.2.1. Fouling
11.3. Analisi degli scambiatori di calore: la temperatura medio-logaritmica
11.3.1. Scambiatore di calore a flusso parallelo
11.3.2. Scambiatore di calore in controcorrente
11.3.3. Flussi a cambiamento di fase
11.3.4. Scambiatori di calore a più passaggi e a flussi incrociati: fattori di correzione
11.4. Analisi degli scambiatori di calore - il metodo dell'efficienza-NTU
11.4.1. Definizioni
11.4.2. Relazioni efficienza-NTU
11.5. Considerazioni finali
Bibliografia
1. Ozisik, Heat Transfer: A Basic Approach, McGraw-Hill
2. Ozisik, Heat Conduction, John Wiley & Sons
3. Ozisik, Orlande, Colaço, Cotta, Finite Difference Methods in Heat Transfer, CRC Press
4. Incropera, Dewitt, Bergman, Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons
5. Cengel, Ghajar, Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, McGraw-Hill
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. Verranno utilizzati i software Matlab e Comsol Multiphysics
Modalità verifica apprendimento
La verifica dell’apprendimento è basata su una prova orale composta da un esercizio e due domande di teoria. La verifica è così pesata: 10 punti per risoluzione dell' esercizio; 10 punti per ogni corretta e completa risposta alle due domande teoriche.
Il voto viene comunicato immediatamente al termine della prova orale prima della sua eventuale registrazione.
La lode viene assegnata del caso del raggiungimento del massimo punteggio a cui si aggiunge la padronanza del lessico disciplinare.
Altre informazioni
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Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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