Máquinas hidráulicas. Calor y frío industrial. Equipos y generadores térmicos. Motores térmicos.

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1 ASIGNATURA: Ingeniería Térmica y de Fluidos Código: Titulación: Ingeniero Industrial Curso: 4, 1C Profesor(es) responsable(s): - Ingeniería Térmica: José Hernández Grau, Juan Pedro Luna Abad - Ingeniería de Fluidos: Blas Zamora Parra, Joaquín Fernández Perles Departamento: Ingeniería Térmica y de Fluidos Tipo (T/Ob/Op): T Créditos (T+P): 4,5+3 Descriptores de la asignatura según el Plan de Estudios: Máquinas hidráulicas. Calor y frío industrial. Equipos y generadores térmicos. Motores térmicos. Objetivos de la asignatura: Capacitar al alumno para acometer el estudio y análisis de los sistemas térmicos e hidráulicos que se van a encontrar en la práctica del ejercicio profesional. Introducir al alumno en el diseño de los sistemas de generación térmica y frigorífica, y de potencia, así como de las máquinas hidráulicas. Mostrar las herramientas actuales de caracterización experimental de los procesos que tienen lugar en los equipos e instalaciones asociadas a la ingeniería térmica y de fluidos Materias relacionadas con esta asignatura: - Mecánica de fluidos - Termodinámica, Transmisión de calor e Introducción a la Ingeniería Térmica Programa de la asignatura A. Programa de Teoría: BLOQUE DE INGENIERÍA TÉRMICA CAPÍTULO 1. COMBUSTIÓN Y GENERADORES TÉRMICOS Lección 1. Estequiometría y aspectos energéticos de la combustión. Combustibles y aire de combustión Estequiometría de los procesos de combustión Reacciones de los productos de combustión Procesos de combustión de referencia Aire

2 y gases en combustión de combustibles sólidos y líquidos Aire y gases en combustión de combustibles gaseosos Calculo de emisiones de gases contaminantes Balances de energía para sistemas con procesos de combustión Poder calorífico del combustible Entalpía de los gases de combustión Energía en los gases de combustión debida al contenido de inquemados Control de la combustión Calor liberado por la condensación del vapor de agua de los humos Temperatura adiabática de llama teórica Post-combustión. Lección 2. Tecnología de la combustión: hogares y quemadores. Clasificación de los procesos de combustión Combustión premezcla Estabilidad de las llamas Combustión por difusión Clasificación de hogares Temperaturas en el hogar Clasificación de quemadores. Lección 3. Generadores Térmicos: Calderas de Vapor. Fluidos de transporte del calor Generadores térmicos Transformaciones del agua en un generador de vapor Clasificación de los generadores de vapor Calderas de recuperación de calor Tratamiento del agua de alimentación de calderas Rendimiento de calderas de vapor que queman combustibles. CAPÍTULO 2. MAQUINAS TÉRMICAS Lección 4. Fundamentos sobre el balance de energía y exergía en máquinas térmicas Consideraciones a la identificación de los flujos de energía y exergía Expresión general y diagramas energéticos y exergéticos Valoración de los flujos de energía y exergía en un motor Coeficientes de prestaciones Diagramas energéticos y exergéticos. Lección 5. Balances de energía y exergía en motores térmicos Balance de energía y exergía en sistemas con turbina de vapor (TV) Balance de energía y exergía en turbinas de gas de ciclo abierto (TG) Balance de energía y exergía en ciclos combinados TG-TV - Balance termodinámico en motores de combustión interna alternativos (MCIA). CAPÍTULO 3. PRODUCCIÓN DE FRÍO Lección 6. Compresión mecánica simple y múltiple de vapor. Máquina frigorífica de absorción. Ciclos reales de compresión mecánica simple (CMS) CMS en régimen inundado CMS con subenfriamiento del líquido Justificación, utilización y clasificación de sistemas de compresión múltiple Compresión múltiple directa: desrecalentamiento entre etapas, expansión escalonada, sistemas combinados de desrecalentamiento y expansión múltiple Elección de la presión intermedia Sistemas de compresión mecánica múltiple indirecta (sistemas en cascada) Doble evaporación Balance de energía y exergía en sistemas de producción de frío. Ciclo y COP de la máquina de absorción. Lección 7. Fluidos frigorígenos y elementos constitutivos de los sistemas de compresión de vapor. Propiedades del refrigerante ideal Clasificación, denominación y problemática medioambiental de refrigerantes Clasificación de evaporadores Tipos de unidades condensadoras Tipos de compresores según el mecanismo empleado para producir el

3 incremento de presión Clasificación según el acoplamiento motor-compresor Válvula termostática de igualación externa de presiones Válvulas de flotador (de baja presión y de alta presión). CAPÍTULO 4. ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE HÚMEDO Lección 8. Procesos psicrométricos en unidades de tratamiento de aire húmedo. Elementos para el análisis de los procesos psicrométricos Mezcla adiabática de dos corrientes de aire Flujo de aire húmedo sobre una superficie a distinta temperatura: temperatura de la batería superior a la temperatura seca del aire, temperatura de batería inferior a la temperatura seca del aire pero superior a la de rocío y temperatura de la batería inferior a la temperatura seca del aire e inferior a la temperatura de rocío Flujo de aire sobre una cortina de agua o en humectador Inyección de vapor Flujo de aire húmedo sobre un absorbente líquido Torres de enfriamiento. Lección 9. Tecnología del tratamiento del aire húmedo. Acondicionamiento del aire ambiente de un recinto Condiciones del aire en el local Condiciones exteriores Cargas térmicas: transferencia de calor a través de los cerramiento de los edificios, ganancia de calor y carga térmica, estimación de la ganancia de calor a través de los cerramientos, cargas térmicas Caudal de aire exterior Determinación de las condiciones de impulsión Unidad de tratamiento de aire: climatizadores, unidades compactas de climatización, filtros de aire y baterías de enfriamiento y calentamiento Procesos óptimos desde el punto de vista energético Sistemas de aire acondicionado.

4 BLOQUE DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS Lección 1. Introducción y generalidades sobre las máquinas hidráulicas Introducción Clasificación de las máquinas de fluidos Elementos característicos de una turbomáquina Clasificación y tipos de turbomáquinas Energía hidráulica. Lección 2. Balance energético de una máquina hidráulica. Bombeo y turbinación Introducción Ecuación de conservación de la energía Ecuación de conservación de la energía interna Ecuación de conservación de la energía mecánica Balance de energía mecánica y rendimientos en bombas Balance de energía mecánica y rendimientos en turbinas Instalaciones de bombeo y turbinación. Lección 3. Análisis dimensional y semejanza física en turbomáquinas Introducción Variables de funcionamiento en una turbomáquina Reducción del número de parámetros adimensionales. Efecto de la viscosidad Curvas características en bombas hidráulicas Curvas características en turbinas hidráulicas Coeficientes adimensionales. Velocidad específica y potencia específica Diámetro específico. Diagrama de Cordier. CAPÍTULO II. TEORÍA IDEAL DE TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS Lección 4. Teoría general de turbomáquinas hidráulicas Introducción Sistemas de referencia Triángulos de velocidades Volumen de control. Ecuación de conservación de la masa Ecuación de conservación del momento cinético. Teorema de Euler Discusión de la Ecuación de Euler Ecuación de Bernoulli en el movimiento relativo Grado de reacción. Lección 5. Teoría ideal unidimensional de turbomáquinas hidráulicas Hipótesis y objetivos de la teoría ideal unidimensional Ecuación de continuidad. Distribución de velocidad meridiana Ecuación de Euler. Distribución de velocidad acimutal Teoría ideal unidimensional para turbomáquinas axiales Aplicación al estudio del comportamiento de una bomba centrífuga. Lección 6.Teoría ideal bidimensional de turbomáquinas radiales Introducción. Influencia del número de álabes Flujo a través del canal de paso en un rodete centrífugo Desviación angular del flujo en un rodete centrífugo Correcciones de la teoría unidimensional. Stodola, Pfleiderer y Eck. Lección 7. Teoría ideal bidimensional de turbomáquinas axiales Hipótesis de la teoría bidimensional de turbomáquinas axiales Flujo ideal en una cascada de álabes fija Flujo a través de una cascada de álabes móvil Conjunto rotor-estátor. Grado de reacción Equilibrio radial en una turbomáquina axial. Ecuación del álabe. CAPÍTULO III. PÉRDIDAS Y FENÓMENOS DE CAVITACIÓN EN TURBOMÁQUINAS Lección 8. Flujo real en turbomáquinas hidráulicas Introducción Los efectos viscosos en las turbomáquinas Capas límite y flujos secundarios en turbomáquinas radiales Capas límite y flujos secundarios en turbomáquinas axiales. Lección 9. Pérdidas y curvas características de bombas y turbinas de reacción Introducción Pérdidas por fricción en el disco y por fugas en una bomba centrífuga Pérdidas, rendimientos y curvas características en una bomba centrífuga Curvas de rendimiento en una bomba centrífuga Curvas características de bombas axiales y de

5 flujo mixto Curvas características de las turbinas de reacción en función del caudal Curvas características de las turbinas de reacción en función del régimen de giro Flujo real en una cascada de álabes. Lección 10. Fenómenos de cavitación en turbomáquinas Fundamentos y efectos de la cavitación Altura neta de aspiración y NPSH Condiciones de cavitación en una turbomáquina hidráulica Semejanza física y cavitación. Parámetro de Thoma Velocidad específica de aspiración Cavitación en turbinas. CAPÍTULO IV. CÁLCULO DE TURBOMÁQUINAS Y DE SUS INSTALACIONES. OTRAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS Lección 11. Elementos para el cálculo de bombas e instalaciones de bombeo Introducción Instalación de bombeo. Punto de funcionamiento Regulación del punto de funcionamiento Acoplamiento de bombas en serie y en paralelo Aspectos del diseño de las bombas centrífugas Elementos complementarios de las bombas centrífugas. Lección 12. Elementos para el cálculo e instalación de turbinas hidráulicas. Turbinas de acción Introducción Selección e instalación de turbinas hidráulicas Efecto del distribuidor de álabes orientables Aspectos del diseño de las turbinas Francis Aspectos del diseño de las turbinas Kaplan Turbinas de acción o Pelton Regulación y curvas características de las turbinas Pelton. Lección 13. Centrales hidroeléctricas (I). Instalaciones hidráulicas Introducción Clasificación y descripción general de centrales, presas y embalses Instalaciones hidráulicas de alimentación de las turbinas Tuberías forzadas Golpe de ariete Chimeneas de equilibrio. Lección 14. Centrales hidroeléctricas (II). Tipos de centrales y regulación Centrales reversibles. Máquinas reversibles Centrales de acumulación por bombeo. Centrales maremotrices Aprovechamiento hidráulico y regulación de un río Producción y consumo de energía eléctrica Automatización de las centrales hidroeléctricas. Lección 15. Máquinas de fluidos de compresibilidad despreciable Ventiladores. Ideas generales y clasificación Parámetros significativos de los ventiladores en función del salto de presión Rotores y curvas características de ventiladores Aplicación de los ventiladores. Tiro natural o autotiro Aeroturbinas. Conceptos generales Aeroturbinas de eje horizontal Lección 16. Máquinas de desplazamiento positivo y transmisiones hidráulicas Máquinas de desplazamiento positivo. Tipos y clasificación Bombas hidráulicas alternativas y rotativas. Curvas características Motores hidráulicos de desplazamiento positivo. Curvas características Transmisiones hidráulicas y acoplamientos hidráulicos Convertidor de par. Curvas características Bombas de desplazamiento positivo en sistemas oleohidráulicos.

6 B. Programa de Prácticas (resumido): Denominación de la práctica INGENIERÍA TÉRMICA Duración (h) Tipo de práctica (Aula, laboratorio, informática) Ubicación física (sede Dpto., aula informática,...) Sistemas electrónicos de medida de 2 hora temperatura, presión y caudal Análisis de la combustión y balance energético en una caldera Ensayo de prestaciones en banco de un motor de combustión interna alternativo Eficiencia del ciclo y compresor en una máquina frigorífica Procesos psicrométricos y potencias de las baterías de una unidad de tratamiento de aire Denominación de la práctica MÁQUINAS HIDRÁULICAS Duración (h) Tipo de práctica (Aula, laboratorio, informática) Ubicación física (sede Dpto., aula informática,...) Bombas centrífugas. Curvas características Curvas características de turbinas de reacción (Francis) y de acción (Pelton). Acoplamiento de bombas en serie y en paralelo. Ensayo de cavitación 1/2 hora Sesión audiovisual-centrales hidroeléctricas Aula Prediseño de una bomba centrífuga. 1,5 horas Visita a la Central Hidroeléctrica del Talave (optativa) Viaje de prácticas Albacete C. Bibliografía básica: BLOQUE DE INGENIERÍA TÉRMICA 1. Miranda Barreras, A. C., y Oliver Pujol, R., La combustión, CEAC, Molina Igartua, L. A., y Alonso Girón, J., Calderas de vapor en la industria (Tomo II), Ente Vasco de la Energía, Muñoz Torralbo, M., Valdés Del Fresno, M., y Muñoz Domínguez., M., Turbomáquinas térmicas. Fundamentos del diseño termodinámico, Universidad Politécnica de Madrid, Carreras Planells, R., Comas Amengual, A., y Calvo Larruy, A., Motores de Combustión Interna. Fundamentos, Edicions UPC, Kuehn Thomas H., Ramsey James W. y Threlkeld James L., Thermal Environmental Engineering, Prentice Hall, ASHRAE, ASHRAE Handbook - HVAC Fundamentals, Gómez Ribelles, José Luis, Moleón Pradas, M, Termodinámica Técnica, Ed. UPV, Muñoz Torralbo, Manuel, Payri Gonzalez, Francisco, Máquinas térmicas (Tomo I) ETSII, UNED, Torrella Alcaraz, Enrique, La producción de frío, Ed. UPV, Mataix, C, Turbomáquinas Térmicas, Ed. Dossat, 1988 BLOQUE DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS 7. Crespo, A., Mecánica de fluidos, Thompson, Hernández Krahe, J.M., Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas, UNED, 1976.

7 9. Mataix, C., Turbomáquinas Hidráulicas, I.C.A.I., Madrid, Polo Encinas, M., Turbomáquinas Hidráulicas, Limusa, Viedma, A., y Zamora, B., Teoría y problemas de Máquinas Hidráulicas, 3ª ed., Horacio Escarabajal, Zoppetti, G., Centrales Hidroeléctricas: su estudio, montaje y ensayo, Gustavo Gili, D. Evaluación del alumno: La nota final del examen de teoría y prácticas de aula es la media ponderada de la nota de teoría (40 %) y la de problemas (60 %). La nota mínima de cualquiera de estas dos partes debe ser de 3 puntos sobre 10 para conseguir el aprobado. Además, para aprobar la asignatura es necesario aprobar el examen de prácticas del Bloque de Ingeniería Térmica y tener entregado y aceptado el boletín de prácticas del Bloque de Máquinas Hidráulicas. La nota final del Bloque de Ingeniería Térmica será la media ponderada de la nota final del examen de teoría y problemas (80 %), y del examen de prácticas (20 %). La nota final del Bloque de Máquinas Hidráulicas será la media ponderada de la nota final del examen de teoría y problemas (85 %), y de la nota del boletín de prácticas (15 %). De forma optativa, los trabajos de seguimiento de la asignatura pueden valorarse hasta con un 10 % de la nota final, pasando a representar el examen un 75 %. La nota final de la asignatura será la media ponderada de los Bloques de Ingeniería Térmica (60 %) y de Máquinas Hidráulicas (40 %), siendo necesario superar ambas partes por separado para obtener el aprobado final. E. Observaciones: Recomendaciones al alumno: adquirir los textos-guía de teoría y prácticas de Ingeniería Térmica y Máquinas Hidráulicas. El programa y otros contenidos de la asignatura están disponibles en el Aula Virtual.