Università degli Studi di Cagliari
Corsi di Studio in Ingegneria Chimica, Elettrica e Ambientale
CORSI DI MACCHINE E SISTEMI ENERGETICI
E DI TERMODINAMICA E MACCHINE
A.A. 2015/2016 --- Prova Intermedia N. 1 – Termodinamica Applicata
Tempo a disposizione 2 ore
Nome e Cognome ________________________________
Matricola ______________________________________
Corso di Studio __________________________________
Le soluzioni si riferiscono a C = 0
Problema N. 1 (Punti 5/30)
Una tubazione avente lunghezza di 2 km e diametro interno di 100 mm opera con una portata di acqua
(Cp=4,187 kJ/kg K) pari a (400 + 10·C) litri/min. Nella sezione di ingresso la pressione è di 6 bar e la
temperatura è di 140 °C. La tubazione si sviluppa completamente in piano. Valutare la portata massica e
la velocità dell’acqua. Valutare inoltre la pressione e la temperatura dell’acqua nella sezione d’uscita nel
caso in cui la potenza dissipata per attrito per unità di lunghezza di tubazione sia pari a 0,8 W/m e la
potenza termica dispersa verso l’esterno per cattivo isolamento sia pari a 100 W/m.
Portata massica
Velocità dell’acqua
6,67 [kg/s]
0,85 [m/s]
Pressione finale
dissipata
3,60
[bar]
Temperatura finale
dissipata
132,8
[°C]
Problema N. 2 (Punti 5/30)
Uno scambiatore di calore riscalda una portata d'acqua (Cp= 4,187 kJ/kg K) pari a (60 + C) kg/s da 20°C a
80°C attraverso il raffreddamento di una portata pari a 80 kg/s di gas combusti (Cp=1,2 kJ/kg K) che
entrano nello scambiatore di calore a 400 °C ed escono a 210 °C. Calcolare la potenza termica ceduta dai
gas combusti e quella acquisita dall’acqua, nonché la potenza termica persa per scambio termico verso
l'esterno.
Potenza termica gas combusti
Potenza termica acqua
Potenza persa
18240 [kW]
15073 [kW]
3167 [kW]
Problema N. 3 (Punti 5/30)
Una caldaia consuma (70 + C) t/h di carbone (potere calorifico pari a 25 MJ/kg) e produce una portata di
vapore pari a 215 kg/s. L'entalpia dell'acqua all'ingresso della caldaia è pari a 450 kJ/kg mentre l'entalpia
del vapore all'uscita della caldaia è pari a 2550 kJ/kg. Valutare il rendimento della caldaia, la potenza utile
prodotta e la potenza termica complessivamente persa dalla caldaia.
A.A. 2015-2016
Rendimento caldaia
Potenza utile
Potenza persa
92,88 [%]
415,5 [MW]
34,61 [MW]
Prova di Verifica N. 1
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Problema N. 4 (Punti 5/30)
Un ciclo termodinamico è costituito dalla successione delle seguenti 4 trasformazioni: compressione
adiabatica 1-2, riscaldamento senza scambio di lavoro 2-3, espansione adiabatica 3-4 e raffreddamento
senza scambio di lavoro 4-1. La compressione 1-2 richiede una potenza di 100 MW mentre l’espansione 34 produce una potenza di (200 + 5·C) MW. Valutare la potenza utile prodotta dal ciclo e la potenza
termica scambiata nelle trasformazioni di riscaldamento 2-3 e di raffreddamento 4-1, nel caso in cui il
rendimento del ciclo sia pari al 40%. Valutare inoltre il rendimento del corrispondente ciclo di Carnot
sapendo che le temperature estreme attraverso le quali opera il ciclo sono T3=600 °C e T1=40 °C.
Potenza utile
Potenza riscaldamento
100 [MW]
250 [MW]
Potenza raffreddamento Rendimento ciclo Carnot
-150 [MW]
64,14 [%]
Problema N. 5 (Punti 5/30)
Un reattore chimico è realizzato in lamiera d’acciaio avente spessore di 20 mm e presenta una superficie
esterna di (200 + 10·C) m2. Calcolare la resistenza termica equivalente e la potenza termica dispersa
verso l’esterno nel caso in cui la temperatura interna sia di 250 °C e quella esterna sia di 15 °C. Si assuma
una conducibilità termica dell’acciaio di 25 W/mK, un coefficiente di scambio termico convettivo per il
lato interno pari a 20 W/m2K e pari a 50 W/m2K per il lato esterno. Calcolare inoltre le temperature
superficiali della lamiera sia sul lato interno che su quello esterno.
Potenza termica
Resistenza equivalente
Temp. lato interno
Temp. lato esterno
663,8 [kW]
0,000354 [°C/W]
84,0 [°C]
81,4 [°C]
Problema N. 6 (Punti 5/30)
Una massa pari a (10 + C) kg di un gas perfetto avente calore specifico e pressione costante pari a 1,10
kJ/kgK e calore specifico a volume costante pari a 0,815 kJ/kgK si trova alle condizioni iniziali di p1=2 bar
e T1=25 °C. Il gas subisce una trasformazione a volume costante che ne incrementa la temperatura fino
al valore T2=200 °C. Valutare il lavoro e il calore scambiato e la variazione di energia interna nel caso in
cui la trasformazione avvenga in un sistema chiuso. Valutare il lavoro e il calore scambiato e la variazione
di entalpia nel caso in cui la stessa trasformazione avvenga in un sistema aperto.
Lavoro
Sistema Chiuso
Calore
ΔU
0 [kJ]
1426,3 [kJ]
1426,3 [kJ]
A.A. 2015-2016
Lavoro
Sistema Aperto
Calore
ΔH
-498,8 [kJ]
1426,2 [kJ]
1925,0 [kJ]
Prova di Verifica N. 1
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