UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA PLAN GLOBAL OPERACIONES INDUSTRIALES II

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1 UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA PLAN GLOBAL OPERACIONES INDUSTRIALES II I. DATOS DE IDENTIFICACIÓN Nombre de la materia: Operaciones industriales II Código: Grupo: 1 Carga horaria: 6 teóricas Materias con las que se relaciona: Ecuaciones Diferenciales, Operaciones industriales I y III. Docente: Dr. Gonzalo Alfaro Denus Lic. Cs.Qcas., Esp. I&D., Sc. M., Ph.D., PosD. A.A. Teléfono: Correo Electrónico: gonialfaro@yahoo.com II. JUSTIFICACIÓN En las industrias de procesos físicos, químicos y biológicos, existen muchas similitudes en la forma en que las materias primas son modificadas o procesadas para obtener materiales que son denominados productos finales. Tales procesos aparentemente distintos se clasifican en una serie de etapas individuales llamadas operaciones industriales o unitarias. En tales operaciones industriales, sin embargo, existen tres fenómenos fundamentales que son la transferencia de cantidad de movimiento, la transferencia de calor y la transferencia de masa. Por ello, el estudio de los fenómenos de transporte es importante en las ciencias aplicadas e ingeniería. Se trata del estudio de modelos matemáticos sobre fenómenos físicos, químicos y biológicos que se dan lugar en la naturaleza y que son de interés en las operaciones industriales o unitarias. Los resultados de balances microscópicos, macroscópicos y de diseño por similitud son ecuaciones diferenciales que se conocen como ecuaciones de diseño o de variación. En este curso se estudia el desarrollo de ecuaciones de diseño desde el punto de vista microscópico y macroscópico en el fenómeno de transporte denominado transferencia de calor. Tales ecuaciones deben resolverse para las diferentes situaciones reales intentando simplificar al máximo, y aplicando a la conducción y convección. Por ello el curso comprende una parte teórica y una parte de ejercicios prácticos. En la asignatura de operaciones industriales II, se estudian las ecuaciones de variación de los fenómenos ligados a la transferencia de calor, mientras que en operaciones industriales I y III, se encara el estudio de la transferencia de cantidad de movimiento y de masa (difusión), respectivamente. 1

2 III. OBJETIVOS Al finalizar el semestre el estudiante debe ser capaz de: Describir el fenómeno de transferencia de energía (calor) en los medios considerados continuos. Describir y realizar cálculos en conducción, convección y radiación. Obtener ecuaciones denominadas de diseño a base de modelos matemáticos desde el punto de balances microscópicos y sobre hechos y sucesos físicos, en el afán de estudiar la naturaleza en su constitución, manifestaciones y consecuencias. Aplicar tales ecuaciones de diseño a situaciones reales de interés y problemas en ingeniería industrial y en las que se registra transferencia de energía. En tales casos es preciso un conocimiento matemático más allá de las ecuaciones diferenciales ordinarias. Contar con una introducción mínima a equipos y aplicaciones en el ámbito de la transferencia de calor. Ilustra y realizar experiencia sobre deshidratado de papaliza y otros. IV. SELECCIÓN Y ORGANIZACIÓN DE CONTENIDOS UNIDAD 0. BASES Y RECOMENDACIONES Plan. Horario. Programa. Bibliografía. Evaluación. Metodología. Cronograma. Recomendaciones. Temas a retomar. CACAPI UNIDAD 1. CONCEPTOS BÁSICOS Y LEYES DE TRANSFERENCIA DE CALOR Al finalizar la unidad, el estudiante será capaz: Definir los tres modos de transferencia de calor: conducción, convención (natural, forzada, con cambio de fase: ebullición y condensación) y radiación Realizar cálculos básicos de propiedades, coeficientes de transferencia de calor y flujos de calor y resistencias térmicas. Desarrollar las ecuaciones de variación térmica a partir de los balances microscópicos de energía térmica desde el punto de vista de Euler y Lagrange 2

3 Contenido 1.1 Energía de un sistema abierto. 1.2 Los tres modos de transferencia de calor Conducción a) Definición b) Mecanismo c) Ley de Fourier (1822) d) El coeficiente de la conductividad térmica (k) e) Resistencia térmica y conductancia térmica f) Relación entre conductividades térmica y eléctrica Convección a) Definición b) Mecanismo c) Ley fundamental de la convección (Ley de enfriamiento de Newton) d) Coeficientes de transferencia de calor (h) Calculo de coeficientes de transferencia de calor Convección natural Volúmenes (esferas, cilindros, etc) Paredes Superficies calentadas por la parte superior Superficies calentadas por la parte inferior Superficies en contacto con aire Cavidades Convección forzada Objetos sumergidos Tubos Flujo interno - Régimen laminar - Régimen turbulento Flujo externo - Paralelo al tubo - Normal al tubo - Normal a un haz de tubos Ebullición y condensación Radiación a) Definición de energía radiante b) Mecanismo c) Emisión. Ley de Stephan y Boltzmann (1874) d) Cuerpo negro, cuerpo gris y cuerpo real e) Absorción, reflexión y transmisión f) Transferencia neta de energía radiante 1.3 Combinación de los tres modos de transferencia de calor 1.4 Balance microscópico de energía térmica 1.5 Balance macroscópico de energía 3

4 UNIDAD 2. CONDUCCION Aplicar las ecuaciones de variación térmica a ejemplos clásicos Realizar cálculos sobre distribución de temperatura e historia térmica en diferentes casos de flujo calórico, estado estacionario, flujo unidireccional: paredes simples y compuestas, superficies extendidas. Realizar cálculos sobre distribución de temperatura e historia térmica en diferentes casos de flujo calórico estado no estacionario y multimencional Contenido 2.1. Aplicación del balance microscópico de energía térmica en conducción Conducción estacionaria unidireccional a) Lámina plana infinita b) Láminas planas de caras paralelas en serie c) Pared cilíndrica, conducción radial. d) Paredes cilíndricas en serie. Radio crítico. e) Placa plana con generación uniforme de calor (manantial eléctrico) f) Superficies extendidas. Aletas de enfriamiento Conducción estacionaria en varias direcciones a) Método analítico (bidireccional) b) Métodos numéricos (Método de diferencias finitas) c) Teoría de la capa límite Conducción no estacionaria a) Parámetros concentrados b) Medio semi-infinito c) Efecto de extremos. Placa plana y otras geometrías d) Conducción no estacionaria en varias direcciones 4

5 UNIDAD 3 CONVECCION Observar las limitaciones en la aplicación de las ecuaciones de variación térmica a convección. Aplicación de balances macroscópicos a los casos de conductos y sólidos deshidratados. Contenido 3.1 Aplicación del balance microscópico de energía térmica a la convección 3.2 Aplicación del balance macroscópico de energía a la convección Conductos Sólidos deshidratados UNIDAD 4. INTERCAMBIADORES DE CALOR Y OTROS EQUIPOS Describir los diferentes tipos de intercambiadores de calor Realizar cálculos sobre áreas de diseño de intercambiadores de calor de doble tubo y de paso múltiple Describir el método de la efectividad de intercambiadores de calor Describir en forma reducida otros equipos de intercambio de calor. Contenido 4.1 Intercambiadores de calor Tipos de intercambiadores El coeficiente global de transferencia de calor 4.2 Método de la diferencia media logarítmica de la temperatura Intercambiador de doble tubo Intercambiadores de paso múltiple 4.3 Método de la efectividad de los intercambiadores de calor (método NUT) 4.4 Condensadores, evaporadores y otros. UNIDAD 5. PRACTICA EXPERIMENTAL Al finalizar la unidad, el estudiante será capaz de tomar contacto con experiencias en una planta piloto en el campo de fluidos y calor. 5

6 V. METODOLOGIAS Exposición mediante pizarra y marcadores a color e, intermitentemente, con diálogo participativo del alumno hacia el buen entendimiento de conceptos. El enfoque principal es animar al estudiante en la habilidad a diseñar sistemas prácticos y eficientes y provocando interés a través de preguntas. Después de exposiciones teóricas se resuelven ejercicios y problemas para reconocimiento de planteamiento lógico de la solución de problemas, y de ser posible y adicionalmente, un auxiliar ad honorem colabora en la resolución de otros ejercicios y problemas complementarios. Adicionalmente se ofrece una práctica voluntaria en secado en uno de los centros de investigación de la facultad, si se logra la autorización. El desarrollo de las clases teóricas y de ejercicios se realizan de acuerdo a un plan de clases que es disponible para todos los estudiantes. En cada unidad de importancia existe una guía de ejercicios con preguntas y problemas que los estudiantes deben resolver en un cuaderno de ejercicios y tal guía es disponible para todos los estudiantes. VI. CRONOGRAMA O DURACIÓN EN PERIODOS ACADÉMICOS POR UNIDAD UNIDAD DURACIÓN (HORAS ACADÉMICAS) DURACIÓN EN SEMANA INTRODUCCION 12 2 CONCEPTOS BASICOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 18 3 CONDUCCION 36 6 CONVECCION 36 6 Practica experimental 6 1 Práctica de determinación de viscosidad 6 6 6

7 VII. CRITERIOS DE EVALUACIÓN De acuerdo a la reglamentación vigente en la Facultad de Ciencias y Tecnología, la evaluación es sumativa y se realiza siguiendo el sistema regular de exámenes de la carrera de Ingeniería Industrial. PRIMER PARCIAL - Unidades 1 y 2. Prueba teórica escrita presencial, 50% Prueba problemas escrita presencial, 50% Si el alumno cumplió lo descrito, el resultado del examen Primer Parcial debe estar entre 1 y 100. TOTAL PRIMER PARCIAL SOBRE 100 % SEGUNDO PARCIAL - Unidad 3 y 4. Prueba teórica escrita presencial, 50% Prueba problemas escrita presencial, 50% La nota del segundo parcial, con las mismas consideraciones del primer parcial. TOTAL SEGUNDO PARCIAL SOBRE 100 % PROMEDIO DE LOS PARCIALES: Se promedian los dos parciales; Este promedio se redondea al entero correspondiente. Conforme a la normativa señalada, los estudiantes que obtiene un promedio mayor o igual al 51%, tomando las notas del primer y segundo parcial, aprueban la materia y aquellos que teniendo un promedio menor a 51% podrá dar un examen final, que será escrito. EXAMEN FINAL: Esta nota tiene una ponderación de 100 puntos y no necesita de un promedio de parciales; es decir que todo estudiante está habilitado para dar el examen final sobre 100 puntos. SEGUNDA INSTANCIA SI EL VALOR DEL PROMEDIO FINAL ES MAYOR O IGUAL A 26 el estudiante estará habilitado para dar el examen de segunda instancia, caso contrario la segunda instancia será bloqueada. NOTA FINAL: Si el alumno aprobó en el promedio de parciales, la nota final es ese promedio. Si el alumno dio el examen final, la nota final es la mayor de las notas entre este examen final y el promedio de parciales. Si el alumno dio el examen de segunda instancia, la nota final es esta nota, anulando todas las anteriores. 7

8 VIII. BIBLIOGRAFÍA Incropera F. P., De Witt D. P. Fundamentals of heat and mass transfer. John Wileys & Sons Sigalés B. Transferencia de calor tecnica. Reverte S.A Geankoplis Christie. Fenómenos de transporte y operaciones unitarias. Prentice Hall International Inc Holman J.P. Heat transfer. McGraw-Hill Inc Manrique J.A. Transferencia de Calor. Harla Kern D.Q. Procesos de transferencia de Calor. CECSA Pitts D. R., Sismo L. E. Teoría y problemas de transferencia de calor. McGraw Hill Bird R. B., Stewart W.E. and Light foot E. N. Fenómenos de transporte Reverte Guzmán A. Solucionario fenómenos de transporte, Comercial Librería SAN MARCOS LPG oo0oo