Lo scambio termico Processi e Tecnologie

Presentazione sul tema: "Lo scambio termico Processi e Tecnologie"— Transcript della presentazione:

1 Lo scambio termico Processi e Tecnologie
Classi Quarte Tecnico Chimico Biologico IPSS “Galilei” - Oristano Anno Scolastico 11/12 Professor Luciano Canu

2 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

3 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

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

5 Scambi del sistema aperto chiuso isolato Universo materia energia

6 Bilanci di massa Fin = Fus
PortataEN – PortataUS = 0 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; Fin = Fus Ma quando il livello interno cambia le due portate non si equivalgono Fin  Fus serbatoio Fus Fin

7 Regime dinamico In regime dinamico: Portataen - Portataus = 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? V = Vf - Vi t = tf - ti

8 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) PEN – PUS = (20 – 15)L/min = 5 L/min Accumulo = 5 L/min = DV/Dt Dt = DV/Accumulo Dt = 200 L / 5 (L/min) = 40 min

9 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 R. 251,32 min 4m DV 4m 2m

10 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 m3/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. 500 kg/h; 20%) miscelatore

11 Impostare la soluzione
Calce 100 kg/h Soluzione kg/h ? m3/h ? Acqua 0,4 m3/h Concentrazione in peso? C%(m/m) = msoluto/msoluzione

12 Bilancio con reazioni Bisogna tenere conto anche delle specie che scompaiono (reagenti) e che si formano (prodotti) PortataEN – PortataUS + 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

13 Een/t - Eus/t = Accumulo di energia
Bilanci di energia L’equazione generica per un bilancio energetico: Een/t - Eus/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

14 Lo schema dei flussi energetici
Possiamo riscrivere i termini che contribuiscono all’Accumulo di energia nell’unità di tempo nel sistema: Eentrante - Euscente + Cscambiato - Leffettuato Il lavoro (L) effettuato dal sistema è considerato positivo Il calore (C) assorbito dal sistema è considerato positivo lavoro calore Eentrante Euscente accumulo

15 Il calore specifico (Cp)
E’ essenziale: nel bilancio energetico nello scambio termico DEFINIZIONE: CP = Calore/(MassaAumento di Temperatura) è il calore necessario ad innalzare di un °C un kg di una determinata sostanza

16 Applicazioni del Cp 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.

17 Alcune semplificazioni
Il Calore specifico può essere riferito a processi in cui il calore viene scambiato a pressione costante (Cp) o a volume costante (Cv); Cp e Cv 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 Cp possono essere considerati costanti.

18 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 = ?

19 Riprendiamo i bilanci energetici
Il bilancio di energia nella sua forma più semplice, in regime stazionario, sarà: Eentrante - Euscente + Cscambiato - Leffettuato = Accumulo In casi di solo scambio di calore in regime stazionario, sarà: Cten - Ctus + Calore scambiato = 0 Ct = contenuto termico

20 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

21 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).

22 Esercizio (schede fisica 2°p pg 61)
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)

23 Applicazioni dei trasferimenti di calore
Bilanci d’energia Due liquidi di massa M1 e M2 Si trovano alle temperature T1 e T2 Vengono miscelati e raggiungono la temperatura Te In assenza di dispersioni all’esterno Hi = Hf Energia (M1 + M2)i = Energia (M1 + M2)f allora M1 Cp1 (T1 - Tf)= M2 Cp2 (Tf - T2)

24 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)

25 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)

26 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): è il calore scambiato a pressione costante (quasi tutte le reazioni chimiche avvengono a P = cost.

27 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)

28 Norme UNICHIM: serbatoi

29 Uso dei DIAGRAMMI (calore specifico dei liquidi)

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