Computer Engineering - Fisica Tecnica

Full exam

Facoltà di Ingegneria di Milano-Leonardo Fisica Tecnica a.a. 2017-18, docente A. Salioni 25 giugno 2018 – a.a. 2017-2018 Cognome e nome ________________________________________Matr.____________ Indicazioni per lo svolgimento della prova: -Il tempo a disposizione è di 2 ore. È possibile ritirarsi in qualsiasi momento ad esclusione degli ultimi 10 minuti della prova; -Al termine della prova, o in caso di ritiro, l’allievo è tenuto a consegnare il testo dell’esame e i fogli con la soluzione degli esercizi. Qualora fosse presente solo il risultato numerico sul presente foglio e non lo svolgimento dell’esercizio, questo sarà ritenuto non svolto; -Durante la prova possono essere consultati appunti e testi (l’utilizzo di tablet o computer non è consentito); -Tutte le trasformazioni oggetto degli esercizi devono essere disegnate e devono esserlo in un opportuno piano termodinamico, i risultati devono essere espressi in unità del Sistema Internazionale. -Lo svolgimento dei problemi dovrà essere riportato su fogli allegati e la soluzione dovrà essere riportata sul foglio con il testo. Il punteggio viene assegnato in parti uguali allo svolgimento formale e numerico degli esercizi. Verrà considerato anche l’ordine nella stesura dell’elaborato. Pertanto, LO SVOLGIMENTO DEGLI ESERCIZI DEVE ESSERE CHIARO E ORDINATO E I PASSAGGI DEVONO ESSERE CIRCOSTANZIATI. Problema 1 (13 punti). Si prevede di recuperare il calore ceduto dal mantello di una futura centrale a fusione nucleare, e di impiegare quel calore in un comune ciclo Joule-Brayton ad elio. Uno schema semplificato di tale impianto è riportato in figura, la quale rappresenta un ciclo rigenerativo con compressione interrefrigerata. LPHPT1RIG8 7 234 56 L NL H PL LPQ C Q ICQ HC ICHpuntoT [°C]P [bar] 13813 211322.3 33822.3 411338 552238 692638 752213 811313 Considerando le temperature e pressioni dei punti del ciclo indicate in tabella, assumendo le cadute di pressione nelle tubazioni e nei componenti come trascurabili, e ipotizzando una rigenerazione ideale, si richiede di: -Rappresentare il ciclo termodinamico nel diagramma T-s, nel caso di trasformazioni di compressione ed espansione ideali e reali -Calcolare il lavoro specifico netto del ciclo: = ______________________ -Calcolare il calore per unità di massa fluente smaltito dall’interrefrigeratore (IC) =__________________ -Calcolare il calore per unità di massa fluente rigenerato (RIG): = ________ Facoltà di Ingegneria di Milano-Leonardo Fisica Tecnica a.a. 2017-18, docente A. Salioni 25 giugno 2018 – a.a. 2017-2018 -Calcolare il calore per unità di massa fluente da smaltire nell’ambiente (C) = ____________________________ -Calcolare il rendimento del ciclo senza rigenerazione = _________________ -Calcolare il rendimento del ciclo con rigenerazione = __________________ -Dopo aver verificato se compressori (LP, HP) e turbina (T) compiono o meno trasformazioni reversibili, calcolare il rendimento isoentropico della turbina -=__________________ Esercizio 2. (10 punti) Il cilindro di un ciclomotore, costruito in lega di alluminio (di conducibilità termica 237 W/mK), ha un’altezza pari a 100 mm, un alesaggio (diametro interno) di 46 mm ed uno spessore di 3 mm. In condizioni tipiche di funzionamento la temperatura del gas contenuto all’interno del cilindro raggiunge valori di circa 1200 °C. Il coefficiente di scambio termico convettivo interno è uguale a 30 W/m2 K, mentre quello esterno vale 40 W/(m2 K). Il cilindro è esposto all’aria ambiente avente una temperatura di 25 °C ed è dotato di alette anulari per aumentare lo scambio termico verso l’esterno. Le alette migliorano le prestazioni del cilindro facendolo comportare come se la superficie esterna fosse 3,712 volte maggiore. Si richiede di: -Schematizzare il sistema, e fornire una rappresentazione qualitativa del profilo di temperatura -Calcolare la temperatura raggiunta sulla superficie interna del cilindro = __________________ -Calcolare la temperatura che raggiungerebbe la superficie interna del cilindro nel caso questo fosse sprovvisto di superficie alettata= ______________ Esercizio 3. (7 punti) Un cilindro posizionato verticalmente, chiuso in basso da una parete fissa e in alto da un pistone mobile, contiene 1 g di elio (R* = 2077.04 J/kg-K; gamma = 1.665), inizialmente a 310 K. Il pistone ha massa di 10 kg, diametro di 20 cm e spessore di 5 cm, mentre la sua capacità termica può ritenersi trascurabile. La pressione esterna dell'atmosfera sul pistone è 101325 Pa. Il fondo del cilindro è posto in contatto con una sorgente termica a 1000 K fino a quando il volume del gas cresce del 10%, e il pistone e la superficie laterale del cilindro rimangono adiabatici per tutta la durata del processo, che può ritenersi isobaro. Si richiede di calcolare: -La quantità di calore e di lavoro assorbiti o ceduti dalla massa di elio durante la trasformazione = ___________________________ Facoltà di Ingegneria di Milano-Leonardo Fisica Tecnica a.a. 2017-18, docente A. Salioni 25 giugno 2018 – a.a. 2017-2018 -L’entropia prodotta per irreversibilità dal sistema complessivo (elio + sorgente) = ____________________________ 113° C 38°C13 bar 22,3 bar