ELEMENTI DI TERMODINAMICA E TRASMISSIONE DEL CALORE

Questo testo nasce con l’obiettivo di formare le basi fisico-matematiche della termodinamica e della trasmissione del calore avendo in mente come traguardo finale una delle loro principali applicazioni, la progettazione di impianti termotecnici.

Pertanto, la trattazione si sviluppa sul piano teorico nelle prime due parti, di termodinamica e trasmissione del calore, per poi dedicarsi, nella terza parte, ad argomenti introduttivi di carattere applicativo in ambito termotecnico. Vengono così definiti componenti e schemi elementari di impianti, in un contesto omogeneo e coerente a quello teorico.

In particolare, la prima parte espone la termodinamica in via deduttiva, mentre la parte di trasmissione del calore tende ad educare alla formalizzazione di problemi termici e ad affrontarne la soluzione, anche in via approssimata, con metodi diversi.

Con riferimento alla terza parte, il testo non vuole e non può essere un manuale, ma si propone di guidare per mano il futuro ingegnere verso un corretto approccio agli impianti in naturale applicazione delle nozioni teoriche apprese.

PREMESSA

PARTE 1
ELEMENTI DI TERMODINAMICA

TERMODINAMICA DEGLI STATI

L’ipotesi del continuo
Definizioni
Stato e trasformazioni
Energia interna
Entropia
Potenziali termodinamici
Relazioni tra proprietà di stato
Modello di gas perfetto
Modello di sostanza incomprimibile
Miscele liquido – vapore
Relazioni termodinamiche per i vapori saturi
Rappresentazione grafica degli stati di equilibrio
Procedure di calcolo delle proprietà

I SISTEMI CHIUSI

Equazione del bilancio
Bilancio della massa
Bilancio della quantità di moto
Bilancio dell’energia totale
Bilancio dell’entropia
Il termine di produzione entropica esterna

TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE

Trasformazioni reali
Trasformazioni quasistatiche
Il significato della generazione entropica interna
Trasformazioni internamente reversibili
Le trasformazioni irreversibili
Trasformazioni internamente reversibili per gas perfetti
Serbatoi di energia
Cicli termodinamici diretti
La qualità dell’energia
Ciclo di Carnot
Cicli termodinamici inversi
Equilibrio e stabilità

PSICROMETRIA

Miscele di gas e di un vapore condensabile
Aria umida
Grandezze di stato a seguito di trasformazioni
Misura dello stato termodinamico dell’aria umida
Diagrammi psicrometrici

SISTEMI APERTI

Oltre la termodinamica classica
Approccio a parametri concentrati
Approccio a parametri distribuiti
Bilancio di massa
Equazioni costitutive
Bilancio della quantità di moto
Bilancio dell’energia totale
Bilancio dell’entropia
Equazione dell’energia meccanica

PARTE 2
ELEMENTI DI TRASMISSIONE DEL CALORE

LA TRASMISSIONE DEL CALORE

I limiti della termodinamica classica
I modi di scambio termico
I problemi di scambio termico

CONDUZIONE STAZIONARIA 1D

La legge di Fourier
Il bilancio dell'energia
Condizioni ai limiti
Lastra piana
Lastra piana con generazione interna
Il processo di adimensionalizzazione
Geometria cilindrica

CONDUZIONE MULTIDIMENSIONALE

Lastra piana instazionaria
Corpo a parametri concentrati
Il corpo semi infinito
Parete di spessore finito
Problemi non omogenei
Condizioni al contorno dipendenti dal tempo
Problemi instazionari bi-tridimensionali
Metodo integrale

INTRODUZIONE ALLA CONVEZIONE

Definizioni e principi di base
Equazioni dei bilanci
Il numero di Nusselt
La semplificazione delle equazioni dei bilanci

LA CONVEZIONE ESTERNA

Analisi di scala
Metodo integrale
Soluzioni esatte

MOTO IN CONDOTTI

Le grandezze di riferimento nel moto confinato
Le regioni dinamiche
Le regioni termiche

CONVEZIONE NATURALE

Convezione naturale su lastra piana
Analisi di scala
Soluzione esatta
Alcune correlazioni per il moto turbolento

IRRAGGIAMENTO

Le caratteristiche della radiazione termica
Flussi radiativi
Corpo nero
Le superfici reali
Scambio termico tra superfici
Scambio termico in cavità

PARTE 3
PRIME APPLICAZIONI AGLI IMPIANTI TERMOTECNICI

SCAMBIATORI DI CALORE

Classificazione
Equazioni di base
Metodo della differenza di temperatura logaritmica
Metodo dell’efficienza

SUPERFICI ESTESE

Il bilancio di energia
Aletta di lunghezza infinita
Aletta di lunghezza finita
Caratterizzazione per geometrie diverse
Elementi progettuali

COMPONENTI DI IMPIANTO

Le macchine a fluido
Progetto e verifica
Condotti con moto incompressibile
Condotti con moto compressibile isotermo
Valvole
Vaso di espansione/valvola di sicurezza
Pompe
Compressori
Mescolatore adiabatico
Scambiatori di calore acqua-aria
Caldaia
Camino
Componenti per il trattamento dell’aria umida

SCHEMI ELEMENTARI DI IMPIANTO

Verifica di un circuito idraulico
Verifica mediante le resistenze idrauliche
Accoppiamento compressore - circuito
Progetto di un circuito idraulico
Le pressioni nel circuito
Controllo delle prestazioni di scambiatori acqua-aria
Caratteristica della regolazione
La regolazione degli impianti termici
Alcune realizzazioni pratiche di cicli diretti
Cenni sul ciclo frigorifero a compressione di vapore
Produzione di ACS ad accumulo

INTRO ALLA PROGETTAZIONE

Obiettivi di un impianto termotecnico
Classificazione
Gli impianti a collettore
Elementi progettuali per impianti di riscaldamento
Impianti di climatizzazione
APPENDICE

ELENCO DEI SIMBOLI E DELLE ABBREVIAZIONI