Lo scambio termico

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

5. aperto chiuso materia isolato energia energia materia energia Scambi del sistema Universo Sistema

6. Bilanci di massa PortataEN – PortataUS = 0 serbatoio • Un serbatoio può costituire un sistema apertose 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 regimestazionario; Fin = Fus • Ma quando il livello interno cambia le due portate non si equivalgono Fin Fus 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 unavasca 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. Calce 100 kg/h Acqua 0,4 m3/h Impostare la soluzione Soluzione kg/h ? 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. 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. lavoro Eentrante Euscente calore 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 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