120906_FT2a

Fisica Tecnica 2 - Prima Parte
Prova di esame del 12.09.2006
Termodinamica
Domande teoriche:
1. Definire la temperatura empirica, la temperatura termodinamica e la scala di
temperatura. Inoltre, descrivere il termometro a gas a volume costante ed illustrarne
il funzionamento.
2. Descrivere un impianto motore a vapore che opera secondo un ciclo Hirn con
spillamento e cogenerazione. Disegnare lo schema meccanico dell’impianto ed il ciclo
termodinamico sui piani T-s, h-s e p-v e ricavarne il rendimento termodinamico in
funzione delle entalpie dei vari stati termodinamici.
Esercizi numerici:
3. Si consideri un ciclo diesel ideale con le seguenti caratteristiche:
- il motore ha una cilindrata pari a 2200cc;
- il rapporto di compressione volumetrico è pari a 12;
- all’inizio della compressione isoentropica il gas ha una pressione pari a 1 bar e una
temperatura pari a 50°C;
- la temperatura alla fine della combustione è pari a 1400°C;
Determinare:
- gli stati termodinamici del ciclo;
- il calore prodotto durante la combustione;
- il lavoro netto prodotto dal ciclo in kJ;
- il rendimento del ciclo;
- la pressione media effettiva.
4. Un impianto di condizionamento estivo ad aria deve mantenere un locale alla
temperatura di 22°C e 40% di umidità relativa quando l’ambiente esterno si trova a
32°C e 80% di umidità relativa.
Sapendo che:
- il carico termico da smaltire è pari a 2kW;
- il carico di vapore da smaltire è pari a 0.5 kg/h;
- il salto termico tra l’aria immessa e quella del locale non deve essere superiore
a 7°C;
determinare:
-la portata di aria da immettere nel locale;
- le condizioni dell’aria di immissione (T e );
-la potenza che deve fornire la batteria di raffreddamento;
- la potenza che deve fornire la batteria di post-riscaldamento.
Tracciare le trasformazioni subite dalla miscela di aria sul diagramma
psicrometrico allegato.
T
3
4
2
1
s 3.
Stato 1
V1
 12
V2
V
 V2  1
12
V
1 
2200cc

V1  V2  2200cc  V1  1  2200cc  V1  1    2200cc  V1 
 2400cc
12
12
0.92


V
2400
V2  1 
 200cc
15
12
p1  1 bar
T1  323 K
Stato 2
La trasformazione 1-2 è un’adiabatica reversibile
K 1
v 
1.4 1
T2  T1   1 
 323 K  12 
 872.72 K
v
 2
p2  m 
RT2 p1V1 RT2 105  12  872.72



 32.42bar
V2
R  T1 V2
323
Stato 3
T3  1673 K
La trasformazione 2-3 è un’isobara
Q23  m  cp  T3  T2  
p V 7
105  2400  106 7
1 1
 R   T3  T2  
  1673  872.72   2081.22J
R  T1 2
323
2
p3  p2  32.42bar
V3  m 
RT3 p1 V1 RT3 105  2400  106  1673



 383.43cc
p3
R  T1 p3
323  32.42  105
Stato 4
La trasformazione 3-4 è un’adiabatica reversibile
V4=V1=2400cc
V 
T4  T3   3 
 V4 
K 1
1.4 1
 383.43 
 1673K  
 803.32K 

 2400 
Il lavoro netto prodotto dal ciclo è:
Ln 

Q  m  q
23
q
  m  cp  T3  T2   cv  T4  T1   R VT1  cp  T3  T2   cv  T4  T1 
p
41
105 Pa  2400  106 m3
323K
Ln
1188.99J

 0.57  57%
Qass 2081.22 J
calcolo della pressione media effettiva
pme 
1
5
7

   1673  872.72  K    803.32  323 K   1188.99 J
2
2

Calcolo del rendimento del ciclo

1
Ln
1188.99J

 5.40bar
V1  V2 2200  106 m3
Fisica Tecnica 2 – Seconda Parte
Prova di esame del 12.09.06
Fluidodinamica e termocinetica
Domande teoriche:
5. Si consideri una piastra rettangolare sottile di dimensioni b x L senza sorgenti di
calore e con le superfici superiore ed inferiore isolate. Tre lati della piastra si
trovano a temperatura costante (T=0); la temperatura del quarto lato (di dimensione
L) ha un andamento sinusoidale del tipo T  Tm  sin  x / L . Ricavare l’andamento della
temperatura T(x,y) nella piastra.
6. Ricavare l’equazione di Hugoniot e discutere i risultati.
Esercizi numerici:
7. Uno scambiatore di calore controcorrente viene usato per refrigerare l’olio di
lubrificazione di una turbina a gas. Il fluido refrigerante usato è acqua che attraversa
il tubo interno, l’olio passa nel cilindro esterno. Sapendo che:
- l’acqua fluisce in un tubo di acciaio del diametro esterno di De=26.3 mm e spessore
1.65 mm alla velocità di 0.5 m/s;
- l’acqua entra nello scambiatore a 30°C;
- l’olio entra nello scambiatore a 95°C con una portata di 0.10 kg/s;
- il coefficiente di scambio termico convettivo lato olio è 30 W/m2K;
- lo scambio termico convettivo lato acqua è regolato dalla seguente correlazione
empirica NuDi  0.023  Re0.8 Pr0.33 ;
determinare la lunghezza dello scambiatore affinché la temperatura di uscita dell’olio
non sia superiore a 60°C.
(cp olio=2100 J/kgK; kacc=50 W/mK)
8. La conduttività termica di una parete, delle dimensioni di 5x3 m2, è variabile con la
temperatura ed è data dalla seguente relazione: k(T)  0.80  0.0002  T con T in °C.
Se lo spessore della parete è 35 cm e le temperature esterna ed interna della parete
sono rispettivamente 25°C e 2°C determinare la potenza termica trasmessa
attraverso la parete in kW e la distribuzione della temperatura all’interno della
parete.
Tabella delle proprietà termofisiche dell’acqua