Energy Engineering - Fisica Tecnica

Full exam

Tema esame luglio 2020 ESERCIZIO 1 All’interno di un cilindro chiuso da un pistone vi è del metano (sistema A) alla temperatura di 140°C e alla pressione di 2,5 bar, e che occupa un volume di 3dm 3; il pistone scorre senza attrito ed è caricato da un peso. Il cilindro è montato su un contenitore rigido di 12dm 3 di volume in cui vi è CO 2 (sistema C) alla temperatura di 25°C e alla pressione di 1,2 bar. Cilindro e contenitore sono inizialmente separati da uno strato isolante termico che però, a un certo istante, viene rimosso; i due sistemi (A e C) vengono in contatto termico tra loro per cui subiscono un processo. Ipotizzare che le dispersioni termiche verso l’ambiente siano tutte trascurabili. 1-Calcolare la temperatura del metano nello stato finale ( 3 pt) 2-Calcolare il volume del metano nello stato finale (1 pt) 3-Calcolare la pressione di CO 2 nello stato finale (1 pt) 4-Determinare il lavoro fatto dal metano (positivo uscente) (1 pt) 5-Determinare il calore scambiato dalla CH 4 (positivo entrante) (1 pt) 6-Il processo subito complessivamente dai due sistemi è: (1,5 pt) Scegliere una o più alternative a-indeterminabile sotto questo aspetto b-reversibile c-impossibile d-irreversibile e-possibile 7-Con riferimento al diagramma U -S, seleziona la o le ris poste corrette (1,5pt) Scegliere una o più alternative a- Lo stato iniziale e lo stato finale del metano si trovano sulla stessa curva di equilibrio b- b- Ω2������ > Ω1������ , rispetto a serbatoio con T R=20°C c- c- Lo stato iniziale e lo stato finale della CO 2 si trova no sulla stessa curva di equilibrio d- d- A3 con ������3������= ������1������ e �3������=�2������ stato di non equilibrio e- e- ������1������< ������2������ e �2������ < �1������ ESERCIZIO 2 Per desurriscaldare una corrente di vapore d’acqua, che scorre all’interno di un condotto alla temperatura T1=400°C e alla pressione p 1=70 bar (portata in massa m 1=1500kg/h), viene iniettata acqua alla temperatura T2=70°C e alla pressione p 2=70 bar, in modo da ottenere una corrente di vapore saturo secco alla pressione p3=69bar. Supporre di poter tr ascurare le dispersioni termiche. 8-Determinare l’entalpia specifica dell’acqua iniettata (2pt) 9-Ipotizzando ora che l’acqua iniettata abbia entalpia pari a 500kJ/kg, determinare la portata di acqua (3pt) 10 -Considerando ora che l’acqua iniettata abbia en tropia specifica pari a 1,53kJ/kg*K, calcolare l’entropia generata per irreversibilità (Attenzione risposta in J/kg*K o W/K) (3pt) 11 -Determinare l’energia disponibile specifica del vapore saturo in uscita (T 0=20°C) (Attenzione risposta in J/kg o J/kg*K o W/K) (2 pt) Veniva fornita questa tabella com pleta Veniva fornita questa tabella completa ESERCIZIO 3 La misura del coefficiente di scambio termico in convenzione forzata di un nuovo refrigerante viene effettuata in uno scambiatore di calore coassiale in cui il flusso in esame scorre nel condotto interno mentre dell’acqua scorre in equi corrente nell’anulo . I condotti sono entrambi lunghi 2,5m e hanno pareti di spessore trascurabile. Il tubo interno ha diametro d=9mm e quello esterno D=15mm. In una data condizione di prova, le temperature del refrigerante all’ingresso e all’uscita del condotto sono rispetti vamente T R,i = 3°C e T R,o = 5°C; mentre l’acqua entra a temperatura T w,i = 12°C ed esce a T w,O = 8°C e ha una velocità media pari a 1,5m/s. Si supponga di poter trascurare gli scambi termici con l’ambiente e che la potenza complessivamente scambiata tra acqua e re frigerante sia di 670W. Suggerimento: R tot= R int + R ext Proprietà termofisiche dell’acqua: calore specifico c p=4186 J/kg*K, viscosità μ=1,08*10 -3kg/m*s, conduttività termica k=0,6W/m*K, densità p=1000kg/m 3. Scegliere le correzioni di scambio termico appropriata tra le seguenti! Nu L = 0,664* �� ������1/2������������ 1/3 ������������ ������= (� 8)(�� ������− 1000 )������������ 1+ 12 ,7√� 8(������������ 23− 1) �= [1,82 ������������� �� ������− 1,64 ]−2 Nu D = C* �� ������������*Pr 1/3 Re C m 40-4000 0,683 0,4663 4000 -40000 0,193 0,6183 40000 - 0,027 0,805 12 - Calcolare la differenza di t emperatura media logaritmica, ΔTm,log (1pt ) 13 - Determinare il coefficiente di scambio termico convettivo lato acqua (4pt) 14 - Determinare il coefficiente di scambio termico convettivo lato refrigerante con tutti i dati preceden ti eccetto la differenza di temperatura media logaritmica che è pari a 6,5°C (3pt) ESERCIZIO 4 Si supponga di sezionare lo scambiatore tubo in tubo del problema precedente col piano π, ortogonale all’asse e posto alla generica distanza x dall’imbocco come mostrato in figura, e si faccia riferimento al caso trattato (l’acqua scorre nell’anulo e risca lda il refrigerante che scorre nel tubo; scambiatore termicamente isolato dall’ambiente; pareti di spessore nullo). Considerare l’andamento di temperatura in direzione radiale nel piano π e segnare le affermazioni vere. NB: �1− = superficie lato refriger ante �1+ = superficie lato acqua Scegli una o più alternative: (5pt) a- ������2������ ������������2 negativo in [0,�1−] e positivo in [�1+,�2] b- ������������ ������������ mai nullo c- ������������ ������������ nullo in �1− e �2 d- ������2������ ������������2 positivo in [0,�1−] e negativo in [�1+,�2] e- ������������ ������������ positivo in �1+ f- ������2������ ������������2 positivo in [0,�1−] e in [�1+,�2] g- ������2������ ������������2 negativo in [0,�1−] e [�1+,�2] h- ������������ ������������ nullo in 0 e �2 i- ������������ ������������ nullo in 0 e �1+