problema 1

MODULO
H
PROBLEMA 1
Indicare quattro requisiti fondamentali che un fluido frigorigeno deve possedere:
1)
2)
3)
4)
Soluzione
Deve possedere un elevato calore latente, cioè, deve evaporare asportando molto calore dall’ambiente
che deve essere raffreddato; deve essere denso per non essere costretti ad adottare compressori di grandi dimensioni; deve solidificare a temperature basse per non ghiacciare internamente all’impianto; non
deve essere pericoloso, quindi né tossico né corrosivo e non deve creare danni all’ambiente.
Termodinamica e sue applicazioni
MODULO H
MODULO
H
PROBLEMA 2
I clorofluorocarburi sono fluidi impiegati nelle macchine
comunemente
noti con il nome commerciale di
; con l’emendamento di Copenhagen fu deciso di cessarne la
, in quanto tali fluidi sono ritenuti altamente responsabili del
Soluzione
I clorofluorocarburi costituiscono una famiglia di fluidi frigorigeni, quindi sono usati nelle macchine
frigorifere; sono noti con la sigla “CFC” e con il nome commerciale di freon. Con l’emendamento di
Copenhagen del 14.06.1994 fu sancita la cessazione della produzione, poiché i freon furono ritenuti
dannosi per l’ambiente e contribuivano all’allargamento del buco di ozono.
Termodinamica e sue applicazioni
MODULO H
MODULO
H
PROBLEMA 3
La massa di un gas vale m = 1,6 kg, il volume del suo contenitore vale 1,36 m3. Calcolare il volume
massico v del gas.
v=
Soluzione
Per calcolare il volume massico è sufficiente applicare la sua definizione; si esegue il rapporto tra il
volume V e la massa m in esso contenuta, come si evince dalla [1.1]:
v=
Termodinamica e sue applicazioni
V 1, 36
m3
=
= 0, 85
m 1, 6
kg
MODULO H
MODULO
H
PROBLEMA 4
In un ciclo di Carnot viene introdotto il calore Q1 alla temperatura T1 = 820 K e viene sottratto il calore Q0 alla temperatura T0 = 310 K. Calcolare il rendimento η del ciclo.
Soluzione
Il rendimento dei cicli termodinamici è espresso dalla [1.11]. Nel caso particolare del ciclo di Carnot,
il rapporto fra i calori Q0 e Q1 che compare nella [1.11] può essere sostituito dal rapporto fra la temperatura inferiore (di scarico) T0 e quella superiore (di introduzione del calore) T1. Conviene pertanto calcolare il rendimento del ciclo di Carnot in funzione del rapporto fra le due temperature:
η =1 −
T0
310
=1−
= 0, 622 = 62, 2 %
T1
820
Dalla formula si deduce che il rendimento aumenta al crescere della temperatura superiore oppure al diR minuire
di quella inferiore. Conseguentemente, nei motori termici conviene realizzare la combustione alla
più alta temperatura possibile e scaricare i gas residui alla più bassa temperatura per sfruttare al massimo il
calore prodotto internamente.
Termodinamica e sue applicazioni
MODULO H
MODULO
H
PROBLEMA 5
Dare la definizione di motore endotermico.
Soluzione
Il motore endotermico, o a calore interno, impiega un unico fluido operativo come generatore del calore (solitamente per combustione) e come veicolo che trasmette l’energia posseduta all’organo mobile
(stantuffo o palettaggio).
motori endotermici il fluido operativo è formato dai gas caldi che prendono parte alla combustione e
R Nei
che compiono l’espansione trasferendo l’energia da essi posseduta al pistone.
Termodinamica e sue applicazioni
MODULO H
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H
PROBLEMA 6
Le autovetture Toyota Aygo, Citroën C1 e Peugeot 107 sono commercializzate con il motore a benzina
tipo 384-F fornito da Toyota. Si tratta di un motore da un litro di cilindrata a tre cilindri con alesaggio A = 71 mm, corsa C = 84 mm e con rapporto di compressione ρ = 10,5. Calcolare la cilindrata unitaria Vu, la cilindrata totale Vcil e il volume della camera di scoppio Vcc, esprimendoli in cm3.
Soluzione
Per il calcolo dei tre volumi richiesti si applicano le rispettive formule descritte nell’Unità didattica H2.
Si calcola inizialmente la cilindrata unitaria Vu mediante la [2.2], tenendo presente che 1 centimetro
cubo equivale a 1000 millimetri cubi:
Vu =
π 2
π
A C = 712 × 84 = 332 572 mm 3 = 332, 572 cm 3
4
4
R La cilindrata unitaria è anche detta "cilindrata spazzata" perché descritta dal pistone durante la sua corsa.
Per il calcolo della cilindrata totale Vcil basta moltiplicare la cilindrata unitaria per il numero dei cilindri:
Vcil = 3 Vu = 997, 7 cm 3
Calcolo del volume della camera di scoppio Vcc mediante la [2.3]:
Vcc =
Termodinamica e sue applicazioni
Vu 332, 572
=
= 35 cm 3
ρ − 1 10, 5 − 1
MODULO H
MODULO
H
PROBLEMA 7
Il motore Diesel ferroviario Breda 12 YJCL ha otto cilindri a V con una cilindrata totale di 78,80 l.
Esso eroga la potenza massima alla frequenza di rotazione di 1500 giri/min. Calcolare il consumo
di aria in kg/s, assumendo la massa volumica dell’aria pari a 1,17 kg/m3 e trascurando il rendimento
volumetrico ponendolo unitario. Calcolare inoltre la portata di combustibile in kg/h assumendo per la
dosatura il valore α = 25.
Soluzione
Essendo il motore a quattro tempi, si ricorre alla [2.4] che fornisce la portata d’aria entrante:
Ga = Vcil
n
kg
1500
ρ ηv = 78, 80 ×10−3
1,17 × 1 = 1,15
2 × 60
s
120
La [2.5] esprime la dosatura, ovvero il rapporto tra portata di aria Ga e portata di combustibile Gc.
Ponendo quest’ultima in evidenza a primo membro e ricordandosi di moltiplicare il risultato per
3600, dato che un’ora è pari a 3600 s, si ottiene il consumo orario:
Gc =
Ga
α
=
1,15
kg
3600 = 166
25
h
noti come il valore della dosatura sia ampiamente superiore al valore stechiometrico, pari a 14,7; ciò è
R Sitipico
dei motori a ciclo Diesel e Sabathé, operanti in condizioni di eccesso d’aria.
Termodinamica e sue applicazioni
MODULO H
MODULO
H
PROBLEMA 8
Il motore Diesel ferroviario FIAT A 2112 SSF ha la potenza massima pari a 1560 kW al regime di rotazione di 1500 giri/min. Calcolare la coppia motrice.
Soluzione
Nota la frequenza di rotazione, si calcola la velocità angolare:
ω=
2 π n 2 π 1500
rad
=
= 157,1
60
60
s
Impiegando la [2.16] presentata nell’’Unità didattica C2 nella quale si pone a primo membro la coppia
motrice (o momento motore) M, si trova:
M=
P 1560 × 103
=
= 993 N m
ω
157,1
momento motore M così trovato è la coppia motrice erogata dal motore in corrispondenza del regime di
R Ilpotenza
massima, in condizioni di piena alimentazione. Questa non è la coppia massima che, in generale,
si trova a un regime inferiore.
Termodinamica e sue applicazioni
MODULO H