Lo scambio termico - Istituto Tecnico Industriale Statale Othoca

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Lo scambio termico

Processi e Tecnologie

Classi Quarte Tecnico Chimico Biologico IPSS “Galilei” - Oristano Anno Scolastico 11/12 Professor Luciano Canu 1

Equazioni

  Il perito chimico deve saper impostare e risolvere problemi di natura chimica e tecnica Oltre alle normali equazioni termodinamiche possono essere utilizzate anche le  Equazioni di bilancio  Equazioni di trasferimento 2

Equazioni di bilancio

   Si basano sui principi di

conservazione della massa

conservazione dell’energia

servono per determinare…   portate composizioni  Temperature …delle correnti che entrano in gioco in un determinato sistema 3

Sistema

Sistema

Universo   Un sistema è una porzione di universo…   Delimitata Messa sotto osservazione, studiata, controllata Per esempio può essere:      Reattore Serbatoio Condotta Scambiatore Evaporatore 4

5

Scambi del sistema

Sistema Universo

aperto chiuso isolato

F in

Portata EN

Bilanci di massa

– Portata US = 0 serbatoio

 F us  

Un serbatoio può costituire un

sistema aperto

se scambia materia ed

energia con l’esterno, ad esempio un liquido tramite delle tubazioni Se il volume di liquido rimane

costante allora il sistema è in

regime stazionario

;

F in = F us Ma quando il livello interno cambia le due portate non si equivalgono F in  F us 6

Regime dinamico

 V = V f - V i  t = t f - t i    

In

regime dinamico

:

Portata en - Portata us = Accumulo Accumulo indica una variazione del volume di un liquido nell’unità di tempo (V/t): Accumulo =  V/  t Nel bilancio di massa possiamo sostituire la quantità di materia con il volume?

In quali casi? Perché?

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Esercizi

(pg 5 - n. 1 e 2)      In una vasca da bagno della capacità di 200 litri entra una portata di acqua di 20 litri/min. La vasca non è tappata e si avrà una portata in uscita di 15 litri/min. Quanto tempo impiegherà la vasca a riempirsi?

 (R. 40 min) P EN – P US = (20 – 15)L/min = 5 L/min Accumulo = 5 L/min =  V/  t  t =  V/Accumulo  t = 200 L / 5 (L/min) = 40 min 8

Esercizi

(pg 5 - n. 2)

 Un serbatoio cilindrico verticale con diametro di 4 m contiene del liquido fino a 2 m. Si immette una portata di 100 litri/min. mantenendo la valvola di uscita chiusa. Determinare quanto tempo occorrerà per raggiungere il livello di 4 metri 4m  R. 251,32 min  V 4m 2m 9

Bilanci di massa con più componenti

  Spesso si devono studiare sistemi complessi con più di un componente come soluzioni, miscele di liquidi e/o di gas, e sistemi in cui avvengono reazioni chimiche; Es. Un miscelatore di calce è alimentato con una portata di acqua industriale di 0,4 m 500 kg/h; 20%) 3 /h ed una di calce di 100 kg/h. Determinare la portata uscente e la concentrazione % in peso della calce supponendo il miscelatore in regime stazionario. (R. 10 miscelatore

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Impostare la soluzione

Calce 100 kg/h Acqua 0,4 m 3 /h Soluzione kg/h ?

m 3 /h ?

Concentrazione in peso?

C%(m/m) = m soluto /m soluzione

Bilancio con reazioni

      Bisogna tenere conto anche delle specie che scompaiono (reagenti) e che si formano (prodotti) Portata EN – Portata US + Generazione – Scomparsa = Accumulo Generazione è la quantità di una sostanza generata nell’unità di tempo Scomparsa è la quantità di una sostanza consumata nell’unità di tempo La relazione è valida se si esprimono le moli dei componenti;  Generazione e scomparsa sono nulli se il bilancio è espresso con le masse Bisogna conoscere la stechiometria della reazione 12

Bilanci di energia

  L’equazione generica per un bilancio energetico: E en /t - E us /t = Accumulo di energia Le forme di energia in gioco sono due:   energia associata alla massa: cinetica, potenziale, interna ecc.

energia scambiata con l’ambiente: calore, lavoro, radiazione elettromagnetica 13

lavoro accumulo calore

Lo schema dei flussi energetici

E entrante E uscente

 Possiamo riscrivere i termini che contribuiscono all’Accumulo di energia nell’unità di tempo nel sistema: E entrante - E uscente + C scambiato - L effettuato   Il lavoro (L) effettuato dal sistema è considerato positivo Il calore (C) assorbito dal sistema è considerato positivo 14

Il calore specifico (C

p

)

C p

Joule kg

K C p

kcal kg

 

C

15  E’ essenziale:  nel bilancio energetico  nello scambio termico 

DEFINIZIONE:

 C P = Calore/(Massa  Aumento di Temperatura) è il calore necessario ad innalzare di un °C un kg di una determinata sostanza

Q

m

C P

 

t

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Applicazioni del C

p  Esempio 1.5 pg 12  Determinare il calore necessario per riscaldare da 20 a 60 °C 20 kg di acqua.   Dati a disposizione: Massa = ? a T = ? Cp = 1 (kcal/ kg °C) NB: Il calore specifico dell'acqua liquida si può ritenere, con buona approssimazione, costante.

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Alcune semplificazioni

    Il Calore specifico può essere riferito a processi in cui il calore viene scambiato a pressione costante (C p ) o a volume costante (C v ); C p e C v sono circa uguali per liquidi e solidi e per questi motivi ci riferiremo sempre ai calori specifici a pressione costante; Il calore specifico dipende teoricamente sia dalla temperatura che dalla pressione, ma l'influenza di quest'ultima e trascurabile, soprattutto per liquidi e solidi.

Anche per piccole variazioni della temperatura i C p possono essere considerati costanti.

Esercizio 1.6 pg 13

   Una cella frigorifera di un centro commerciale per prodotti ortofrutticoli viene utilizzata per conservare mele a 4 °C. Determinare il calore da sottrarre ad un carico di 3 quintali di mele che viene introdotto nella cella alla temperatura di 20 °C. Il calore specifico delle mele e Cp = 1,3 kcal/kg °C. Dati a disposizione: Massa = 3 quintali = ? Differenza di temperatura ΔT = ? Cp = ?

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Riprendiamo i bilanci energetici

 Il bilancio di energia nella sua forma più semplice, in regime stazionario, sarà:  E entrante - E uscente + C scambiato - L effettuato = Accumulo In casi di solo scambio di calore in regime stazionario, sarà: Ct en - Ct us + Calore scambiato = 0 19 Ct = contenuto termico

Contenuto termico (H)

 Definizione: “è la quantità di calore necessaria per innalzare da 0°C fino alla temperatura T una certa massa di sostanza”;    Corrisponde all’entalpia (H); Varia con lo stato fisico della sostanza; Si misura in kcal o in Joule 20

Esercizio 1.7 e 1.8 a pg 14

  Calcolare il contenuto termico di 1 kg di acqua alla temperatura di 80°C.

Determinare il contenuto termico di 10 kg di benzene alla temperatura di 60°C (n. 23 nella tabella).

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Esercizio (schede fisica 2°p pg 61)

22   Sapendo che il calore specifico dell’acqua è pari ad 1 kcal/(kg°C), qual è l’aumento di temperatura di 20 litri d’acqua che si trovano a 20 °C e ai quali vengono fornite 100 kcal di calore?

R.(5 °C)

Applicazioni dei trasferimenti di calore

      Due liquidi di massa M 1 e M 2 Si trovano alle temperature T 1 e T 2 Bilanci d’energia Vengono miscelati e raggiungono la temperatura T e In assenza di dispersioni all’esterno H i Energia (M 1 + M 2 ) i = Energia (M 1 + M 2 ) f = H f allora M 1 C p1 (T 1 - T f )= M 2 C p2 (T f - T 2 ) 23

Esercizio n 1.10 pg 16

  In una vasca da bagno sono stati miscelati 50 litri di acqua a 60 °C e 30 litri di acqua a 18 °C Qual è la temperatura finale dell’acqua nella vasca?

 R.(44,25 °C) 24

Esercizio n 1.9 pg 15

    Il contenuto termico ad una certa temperatura deve tenere conto anche di eventuali passaggi di stato Determinare il contenuto termico di 1 kg di vapor d’acqua alla temperatura di 160°C ed alla pressione di 1 atmosfera Dato che da 0 a 160°C per l’acqua si ha un passaggio di stato (evaporazione), tre saranno i contributi al calcolo del contenuto termico    calore fornito per portare l’acqua da 0 a 100°C calore latente di evaporazione calore fornito per portare l’acqua da 100 a 160°C Usare la tabella A7  R(2795 kJ) 25

Glossario

    Flussi, indicati con la lettera F: in genere sono espressi come portate (volume/tempo); Portata: espressa come il rapporto tra volume uscente dalla sezione di una condotta per unità di tempo; Regime stazionario: in un serbatoio il flusso entrante e quello uscente si equivalgono; Regime dinamico: in un serbatoio il flusso entrante e quello uscente sono diversi; 

Entalpia (H):

costante (quasi tutte le reazioni chimiche avvengono a P = cost.

26 è il calore scambiato a pressione

Sistemi

    Aperti = scambiano materia ed energia con l’ambiente Chiusi = solo scambi energetici con l’ambiente Isolati = nessun tipo di scambio con l’ambiente Adiabatici = isolati termicamente (scambi di calore) 27

28

Norme UNICHIM: serbatoi

Uso dei DIAGRAMMI (calore specifico dei liquidi)

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Riepilogo

   Equazioni di bilancio Bilancio di massa o materia Bilancio energetico 30