Didattica - Università degli Studi di Padova

Syllabus

Prerequisiti:	-
Conoscenze e abilita' da acquisire:	Acquisire le conoscenze fondamentali della termodinamica classica e le capacità di analisi di macchine e sistemi. Conoscere i principi di funzionamento dei principali cicli termodinamici presenti nell’industria di processo. Possedere le nozioni teoriche e metodologiche necessarie per lo studio dei processi di scambio termico e per l’analisi dei flussi di energia ed exergia all’interno di un generico processo per una razionale gestione energetica.
Modalita' di esame:	Prova scritta (soluzione di problemi numerici e domande aperte o a risposta multipla). La prova d'esame è costituita da due o più esercizi numerici eventualmente integrati da quesiti di teoria. Gli esercizi numerici riguardano: problemi di termodinamica applicata (valutazione e dimensionamento di apparati e componenti di cicli diretti a vapore e/o a gas e di cicli inversi a vapore); problemi di psicrometria e trattamento dell’aria umida; problemi di trasmissione del calore sia in condizioni specifiche (conduzione, convezione, irraggiamento), sia nel caso di scambio globale o integrato, con analisi e dimensionamento di scambiatori di calore e valutazione dell’efficienza di scambio termico. Il voto finale è una media dei voti presi negli esercizi e nei quesiti. Il voto minimo di ciascuna parte deve essere almeno 16, ma la media dei due voti deve necessariamente essere almeno 18.
Criteri di valutazione:	La valutazione della preparazione dello studente si baserà sui seguenti punti: 1) comprensione degli argomenti svolti e completezza delle conoscenze acquisite; 2) proprietà della terminologia tecnica e delle convenzioni di espressione dei parametri descrittori dei fenomeni termodinamici, di trasmissione del calore e di controllo psicrometrico; 3) capacità di descrizione analitica dei fenomeni termodinamici e di trasmissione del calore; 4) capacità di applicazione in modo autonomo e consapevole degli strumenti di analisi e progetto per la risoluzione di problemi e casi studio inerenti i diversi campi della fisica tecnica (valutazione del rendimento di macchine operanti secondo cicli diretti o inversi, valutazione dell’efficienza di scambio termico, calcolo dello scambio termico, dimensionamento delle superfici e dei sistemi di scambio termico, valutazione e dimensionamento di sistemi di controllo psicometrico degli ambienti).
Contenuti:	PROGRAMMA ASPETTI GENERALI Sistemi di unità di misura: unità fondamentali e derivate, sistema Internazionale SI, sistema Tecnico, sistema Anglosassone. Principali fattori di conversione. TERMODINAMICA Primo principio della termodinamica: primo principio per sistemi chiusi e per sistemi aperti. Esempi di lavoro per trasformazioni reversibili. Esempi di applicazione del primo principio. Secondo principio della termodinamica: enunciato di Kelvin e di Clausius. Macchina termica. Rendimento termico. Ciclo di Carnot, teorema di Carnot. Uguaglianza di Clausius e disuguaglianza di Clausius. Entropia. Gas ideali: equazione di stato. Esperienza di Joule Thompson. Calore specifico del gas ideale. Trasformazioni dei gas ideali: processo isobaro, isocoro, isotermo, adiabatico reversibile. Teoria cinetica dei gas ideali. Entropia del gas ideale. Esempi numerici. Sostanze pure: diagrammi di stato. Superfici p-v-T per le sostanze pure. Diagrammi T-v, p-v, p-T. Vapori saturi, titolo del vapore. Vapore surriscaldato e liquido sottoraffreddato. Diagramma di Mollier h-s. Diagramma T-s. Diagramma p-h. Cicli diretti a vapore: ciclo di Rankine a vapore saturo. Ciclo di Rankine a risurriscaldamento di vapore. Ciclo di Hirn. Cicli rigenerativi. La cogenerazione con impianti a vapore. Esempi numerici. Cicli diretti a gas: ciclo Otto. Ciclo Diesel. Ciclo Brayton-Joule. Applicazione del ciclo Brayton-Joule in impianti di produzione elettrica. Esempi numerici. Cicli inversi a vapore: ciclo frigorifero e pompa di calore. Ciclo frigorifero a doppia compressione. Ciclo frigorifero a doppia compressione e doppia laminazione. Ciclo frigorifero a doppia compressione e raffreddamento intermedio per miscelazione. Cenni alle macchine ad assorbimento. Esempi numerici. Teoria dell'aria umida e sue trasformazioni TRASMISSIONE DEL CALORE Conduzione in regime stazionario: il postulato di Fourier, la conduttività termica delle sostanze. Equazione generale della conduzione. Integrazione dell’equazione generale della conduzione per una lastra piana con o senza generazione interna di calore e per lastre piane in serie e in parallelo. Integrazione dell’equazione generale della conduzione per uno o più strati cilindrici senza generazione interna di calore. Esempi numerici. Conduzione in regime non stazionario: Variazioni periodiche di temperatura. Convezione: convezione forzata e naturale. Deflusso laminare e deflusso turbolento. Numero di Reynolds, numero di Prandtl e numero di Nusselt. Formule pratiche per la convezione forzata. Numero di Grashof e numero di Rayleigh. Formule pratiche per la convezione naturale. Esempi numerici. Trasmissione globale del calore: coefficiente di scambio termico globale. Scambiatori di calore: tipologie. Profilo delle temperature. Differenza di temperatura media logaritmica e temperatura media efficace. Dimensionamento di uno scambiatore di calore. Efficienza. Cenni al metodo ε-NTU. Esempi numerici. Irraggiamento: spettro della radiazione elettromagnetica. La radiazione termica: definizioni. Coefficienti di assorbimento, riflessione e trasparenza. Superfici grigie. Il corpo nero e le sue leggi. Radiazione per superfici non nere, emissività. Leggi di Kirchoff. Scambio termico mutuo radiante. Fattori di forma. Radiazione tra superfici nere. Radiazione tra superfici non nere. Radiazione tra superfici piane parallele e superfici cilindriche coassiali. Esempi numerici. LABORATORIO Sono previste attività di sintesi sulle applicazioni dei cicli diretti ed inversi. Il programma prevede alcune attività dimostrative, numeriche e sperimentali, relative alla trasmissione del calore ed alla valutazione delle condizioni di comfort negli edifici.
Attivita' di apprendimento previste e metodologie di insegnamento:	Didattica frontale, esercitazioni in aula, presentazione di metodi analisi e tecniche di soluzione.
Eventuali indicazioni sui materiali di studio:	Ad integrazione dei testi di riferimento verranno forniti, nel corso delle lezioni, elementi e materiali integrativi quali schemi, diagrammi, riferimenti a documentazione consultabile in rete.
Testi di riferimento:	Cavallini A., Mattarolo L., Termodinamica Applicata. Padova: CLEUP, 1992. Bonacina C., Cavallini A., Mattarolo L., Trasmissione del Calore. Padova: CLEUP, 1992. Cengel Y.A., Termodinamica e trasmissione del calore. Milano: McGraw-Hill, 2013. IV ed.