Transcript Lo scambio termico - Istituto Tecnico Industriale Statale Othoca
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
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
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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
energia con l’esterno, ad esempio un liquido tramite delle tubazioni Se il volume di liquido rimane
costante allora il sistema è in
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
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
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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