Trasmissione del calore nei processi dell'industria alimentare

Docenti: 
Crediti: 
6
Anno accademico di offerta: 
2021/2022
Responsabile della didattica: 
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA TECNICA INDUSTRIALE (ING-IND/10)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Anno di corso: 
1

Obiettivi formativi

- Conoscenze e capacità di comprendere: Mediante le lezioni frontali svolte durante il corso, lo studente acquisirà padronanza dei principi di base dell’energetica applicata ai processi di trasformazione dei prodotti alimentari. Dovrà quindi possedere conoscenze relative ai fenomeni di trasmissione del calore con riferimento alla conduzione e convezione anche in presenza di fluidi a reologia complessa.

- Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
Lo studente dovrà acquisire conoscenze relativamente ai fenomeni di trasporto riferiti ai processi dell’industria alimentare e dovrà acquisire gli strumenti di base a supporto della progettazione degli apparati di scambio termico.

- Autonomia di giudizio:
Lo studente dovrà possedere gli strumenti per valutare con senso critico i processi energetici che intervengono nell’industria alimentare.

- Capacità comunicative:
Tramite le lezioni frontali e il confronto con il docente, lo studente dovrà acquisire il lessico specifico inerente i processi energetici. Lo studente dovrà possedere l’abilità di presentare in maniera chiara la procedura adottata nella valutazione dei processi energetici che intervengono nell’industria alimentare.

- Capacità di apprendimento:
Lo studente che abbia frequentato il corso sarà in grado di approfondire le proprie conoscenze in materia di energetica dei processi alimentari attraverso anche la consultazione autonoma di testi specialistici, riviste scientifiche o divulgative, anche al di fuori degli argomenti trattati strettamente a lezione, al fine di affrontare efficacemente l’inserimento nel mondo del lavoro o intraprendere percorsi di formazione successivi.

Prerequisiti

Per seguire il corso con profitto è necessaria la conoscenza dei concetti di base della Fisica Tecnica.

Contenuti dell'insegnamento

Il corso si propone di fornire allo studente le conoscenze di base, ma con significativi riferimenti alle applicazioni, nell’ambito dei processi di trattamento termico che intervengono nella trasformazione dei prodotti alimentari. Durante il corso si alternano lezioni frontali e attività di esercitazione. La parte teorica tratta i seguenti argomenti: richiami di trasmissione del calore e dell’analisi dimensionale della equazione di bilancio dell’energia. Conduzione del calore in regime stazionario e non stazionario. Trasporto di materia. Convezione. Analogia tra trasporto di energia, materia e quantità di moto. Tecniche di incremento dello scambio termico. Scambiatori di calore. Reologia e fluidi non-Newtoniani. L’attività di esercitazione è parte integrante del corso ed è dedicata ad esercitazioni intese come momento di verifica e chiarimento delle nozioni teoriche acquisite nelle ore di lezione.

Programma esteso

Richiami di trasmissione del calore.
Equazione di bilancio dell’energia e sua adimensionalizzazione. Raggruppamenti adimensionali e teorema di Buckingham.
Conduzione del calore in regime stazionario e non stazionario. Adimensionalizzazione dell'equazione di Fourier e delle relative condizioni al contorno: numero di Fourier, numero di Biot; casi limite per Biot grande e piccolo; caso di Biot qualunque. Modello del Solido semi-infinito.
Convezione:
Generalità sullo scambio termico per convezione. Convezione forzata. Flusso esterno. Flusso interno. Regione di ingresso e moto laminare completamente sviluppato. Il bilancio dell'energia per le condizioni al contorno di flusso uniforme alla parete e di temperatura di parete uniforme. Correlazioni di convezione per il moto laminare nei condotti. Moto turbolento completamente sviluppato. Correlazioni.
Trasporto di materia:
Legge di Fick. Coefficiente di diffusione di materia. Analogia tra trasporto di energia, materia e quantità di moto.
Incremento dello scambio termico.
Le tecniche di incremento dello scambio termico. Tecniche passive ed attive. Vantaggi dell'incremento
dello scambio termico. Superfici alettate. Tubi con alettatura longitudinale ed elicoidale. Inserimento di elementi all'interno di condotti per flussi monofase.
Scambiatori di calore:
Generalità e classificazione. Coefficiente globale di scambio termico. Effetto dello sporcamento della superficie. Differenza di temperatura medio logaritmica: scambiatori a correnti parallele e non
parallele. Metodo dell'efficienza e del numero di unità di trasporto.
Reologia:
Classificazione dei fluidi: puramente viscosi, viscoelastici e dipendenti dal tempo. Modelli reologici. Fludi non Newtoniani: modello di Bingham e a legge di potenza. Determinazione dei parametri reologici
mediante reometro a tubo capillare e reometro rotazionale. Fluidi verificanti la legge di potenza in moto entro condotti. Profilo di velocità e fattore di attrito nella regione di completo sviluppo in regime laminare. Numero di Reynolds generalizzato. Regime turbolento. Relazione di Dodge e Metzner. Scambio termico convettivo in regime laminare e turbolento per fluidi a legge di potenza.

Bibliografia

Le slides proiettate durante il corso in formato PDF e tutto il materiale impiegato durante le lezioni e le esercitazioni sono resi disponili agli studenti e condivisi sulla piattaforma Elly. In aggiunta al materiale condiviso, lo studente può approfondire personalmente alcuni argomenti affrontati durante il corso facendo riferimento ai seguenti testi:
- F. P. Incoprera, D P De Witt: " Fundamentals of Heat and Mass Transfer ", John Wiley & Sons, New York.
- S. Yannotis: Solving Problems in Food Engineering - Springer

Metodi didattici

Il corso ha un peso di 6 CFU, che corrispondono a 42 ore di lezione. Le attività didattiche saranno svolte tramite lezioni frontali in aula in cui verranno anche proposte esercitazioni.
Gli appunti delle lezioni e le tracce delle esercitazioni proposte verranno caricate sulla piattaforma Elly.
Per scaricare il materiale è necessaria l’iscrizione al corso on line sulla stessa piattaforma didattica.
A complemento dei metodi didattici finora esposti, se le condizioni lo consentono, vengono organizzati dei seminari tenuti da responsabili della ricerca e sviluppo di aziende che illustrano applicazioni concrete e casi studio nel campo dei processi energetici dell’industria alimentare.

Modalità verifica apprendimento

La verifica dell’apprendimento è basata su una prova scritta in cui vengono proposte 10 domande suddivise tra esercizi e domande teoriche. L'esito della prova scritta viene comunicato nell’arco di pochi giorni successivi alla prova, tramite pubblicazione su Esse3; il voto finale si compone dei singoli punteggi ottenuti nelle singole domande (3 punti per domanda).
La lode viene assegnata del caso del raggiungimento del massimo punteggio su ogni domanda. Si ricorda che l'iscrizione on line all'appello è OBBLIGATORIA.