Guía docente de la asignatura. Transmisión del Calor

Transcripción

1 Guía docente de la asignatura Transmisión del Calor Titulación: Grado en Ingeniería Química Curso

2 Guía Docente 1. Datos de la asignatura Nombre Transmisión del Calor Materia Ingeniería Energética (Energy Engineering) Módulo Materias comunes Código Titulación Grado en Ingeniería Química Plan de estudios 2009 Centro Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Tipo Obligatoria Periodo lectivo Cuatrimestral Curso 3º Idioma Castellano ECTS 4,5 Horas / ECTS 30 Carga total de trabajo (horas) 135 Horario clases teoría Aula Horario clases prácticas Lugar 2. Datos del profesorado Profesor responsable Departamento Área de conocimiento Ubicación del despacho Correo electrónico Joaquín Zueco Jordán Ingeniería Térmica y de Fluidos Máquinas y Motores Térmicos 2ª Planta Hospital de Marina Teléfono Fax URL / WEB Horario de atención / Tutorías Ubicación durante las tutorías joaquin.zueco@upct.es Aula Virtual UPCT Martes de 9:00 a 12:00 Miércoles de 11:00 a 14:00 Ubicación indicada (martes), dirección ETSII (miércoles)

3 3. Descripción de la asignatura 3.1. Presentación La asignatura de Transmisión del Calor pertenece a la materia de Ingeniería Energética. Después de cursar esta asignatura los alumnos de la Titulación de Graduado en Ingeniería Química deberán alcanzar un conocimiento de los conceptos elementales de la física del calor. Deberán ser capaces de aplicar los conocimientos básicos de la profesión relacionados con el análisis de sistemas térmicos y energéticos, desde el punto de vista del calor, siendo una de las bases para el desarrollo de otras competencias dentro del campo del la ingeniería térmica en la industria. Se fomentará principalmente el desarrollo de habilidades y competencias genéricas como el aprendizaje autónomo, el trabajo en equipo y la resolución de problemas Ubicación en el plan de estudios La asignatura Transmisión del Calor se estudia en tercer curso en el primer cuatrimestre. Es de carácter básico, en donde se estudian los conceptos necesarios para abordar futuras asignaturas de carácter avanzado en el campo de la Ingeniería Química Descripción de la asignatura. Adecuación al perfil profesional En la práctica totalidad de los procesos industriales se produce una transferencia de calor, por ello el conocimiento de las leyes que rigen las diferentes formas de producirse ésta es vital en ingeniería. El calor se transfiere básicamente por tres procesos distintos; conducción, convección y radiación. En la naturaleza, todos los mecanismos de transmisión intervienen simultáneamente con distintos grados de importancia. Desde luego, diseñando los experimentos adecuadamente, es posible lograr que sólo uno de ellos sea el dominante. El conocimiento de estas leyes y de los conocimientos asociados es básico en ingeniería térmica, por ejemplo, para el diseño de un sistema aleteado en un sistema de refrigeración, o para la optimización o diseño de un intercambiador de calor a emplear en cualquier instalación química, refinería de petróleo, ect. El estudio de la radiación térmica es necesario para el análisis de sistemas de generadores térmicos mediante energía solar, o también para el análisis de generadores de vapor, bien sea para la determinación de su eficiencia energética o simplemente para conocer las características asociadas a los diferentes modos de transferencia de calor que en él tienen lugar. Por otra parte, el conocimiento de los procesos de transferencia de calor en procesos con cambio de fase (condensación y evaporación) es de vital importancia para el perfecto diseño térmico de estos elementos. Además de los métodos analíticos y de los métodos gráficos iterativos que pueden ser usados y que fueron ideados para resolver los problemas de conducción de calor, hoy día sólo se resuelven los problemas de transmisión de calor por cálculo numérico con ayuda de ordenador, utilizándose la teoría para comprobar los órdenes de magnitud y resolver algún problema modélico por desarrollos en serie u otros métodos que también requieren en último término el cálculo numérico por ordenador. Por esta razón se considera esta asignatura totalmente necesaria para una formación integral del estudiante del GIQI actual, ya que con el estudio de la Transmisión del Calor se dan los pasos previos para el posterior desarrollo de la Ingeniería Térmica (sistemas de refrigeración, acondicionamiento de aire, además de las energías renovables; materias que podrá elegir el alumno como asignaturas optativas); siendo incluso conveniente para el estudio de la asignatura de Ingeniería de Fluidos impartida el mismo curso académico,

4 pero en el 2º cuatrimestre Relación con otras asignaturas. Prerrequisitos y recomendaciones Es recomendable y necesario cursar previamente otras materias y asignaturas de diferentes cursos, entre ellas las relacionadas con las materias básicas como las Matemáticas y la Física. La asignatura de Transmisión del Calor puede ser complementaria con otras de materias comunes como; Termodinámica Aplicada, así como la asignatura Ingeniería de Fluidos Medidas especiales previstas Se estudiará la posibilidad de adaptar medidas especiales para aquellos alumnos que tienen que simultanear los estudios con el trabajo, por ejemplo, mediante la programación de tutorías de grupo y/o entrega de actividades a través del Aula Virtual. 4. Competencias 4.1. Competencias específicas de la asignatura Conocimientos de transmisión de calor. Principios básicos y su aplicación a la resolución de problemas de ingeniería. Conocimientos aplicados de ingeniería térmica Competencias genéricas / transversales COMPETENCIAS INSTRUMENTALES X T1.1 Capacidad de análisis y síntesis X T1.2 Capacidad de organización y planificación X T1.3 Comunicación oral y escrita en lengua propia T1.4 Comprensión oral y escrita de una lengua extranjera X T1.5 Habilidades básicas computacionales T1.6 Capacidad de gestión de la información X T1.7 Resolución de problemas T1.8 Toma de decisiones COMPETENCIAS PERSONALES X T2.1 Capacidad crítica y autocrítica X T2.2 Trabajo en equipo X T2.3 Habilidades en las relaciones interpersonales T2.4 Habilidades de trabajo en un equipo interdisciplinar T2.5 Habilidades para comunicarse con expertos en otros campos T2.6 Reconocimiento de la diversidad y la multiculturalidad T2.7 Sensibilidad hacia temas medioambientales X T2.8 Compromiso ético COMPETENCIAS SISTÉMICAS X T3.1 Capacidad para aplicar los conocimientos a la práctica X T3.2 Capacidad de aprender

5 X T3.3 Adaptación a nuevas situaciones X T3.4 Capacidad de generar nuevas ideas (creatividad) T3.5 Liderazgo T3.6 Conocimiento de otras culturas y costumbres T3.7 Habilidad de realizar trabajo autónomo T3.8 Iniciativa y espíritu emprendedor X T3.9 Preocupación por la calidad X T3.10 Motivación de logro 4.3. Competencias específicas del Título COMPETENCIAS ESPECÍFICAS DISCIPLINARES E1.1 Conocimiento en las materias básicas matemáticas, física, química, organización de empresas, expresión gráfica e informática, que capaciten al alumno para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías X E1.2 Conocimientos en materias tecnológicas para la realización de mediciones, cálculos, valoraciones, tasaciones, peritaciones, estudios, informes, planes de labores y otros trabajos análogos E1.3 Conocimiento, comprensión y capacidad para aplicar la legislación necesaria en el ejercicio de la profesión de Ingeniero Técnico Industrial COMPETENCIAS PROFESIONALES E1.1 Capacidad para la redacción, firma y desarrollo de proyectos en el ámbito de la Ingeniería industrial que tengan por objeto, en el área de la Ingeniería Química, la construcción, reforma, reparación, conservación, demolición, fabricación, instalación, montaje o explotación de: estructuras, equipos mecánicos, instalaciones energéticas, instalaciones eléctricas y electrónicas, instalaciones y plantas industriales y procesos de fabricación y automatización en función de la ley de atribuciones profesionales E1.2 Capacidad para el manejo de especificaciones, reglamentos y normas de obligado cumplimiento E1.3 Capacidad de analizar y valorar el impacto social y medioambiental de las soluciones técnicas E2.4 Capacidad de dirección, organización y planificación en el ámbito de la empresa, y otras instituciones y organizaciones OTRAS COMPETENCIAS E3.1 Experiencia laboral mediante convenios Universidad Empresa E3.2 Experiencia internacional a través de programas de movilidad 4.4. Objetivos del aprendizaje Al finalizar la asignatura el alumno deberá ser capaz de:

6 1. Conocer, entender y saber calcular los intercambios de calor con conducción, aislamiento térmico, superficies aleteadas, en diferentes superficies en situación estacionaria y no estacionaria. 2. Aprender, definir, entender, y saber calcular acerca de los fenómenos convectivos que se producen entre un fluido y el sólido con el que interacciona. 3. Aprender, definir, entender, utilizar y saber calcular acerca de los fenómenos radiativos. 4. Aprender, definir, entender, utilizar y saber calcular acerca de los intercambiadores de calor como aplicación práctica de las unidades didácticas anteriores. Las actividades de enseñanza/aprendizaje diseñadas permitirán al alumno desarrollar su capacidad de: trabajo en equipo, expresión escrita y comunicación oral mediante la redacción de un informe técnico y su exposición oral. 5. Contenidos 5.1. Contenidos según el plan de estudios Conocimientos de transmisión de calor. Principios básicos y su aplicación a la resolución de problemas de ingeniería. Conocimientos aplicados de ingeniería térmica. Mecanismos básicos de la transmisión de calor. Problemas típicos de transmisión de calor en la industria. Conducción de calor. Cálculo de aislamiento térmico. Estudio de superficies adicionales. Convección. Teoría de la capa límite. Flujo interno y externo. Determinación de coeficientes convectivos de transmisión de calor. Transmisión de calor bifásica. Intercambiadores de calor. Radiación térmica. Intercambio de energía radiante Programa de teoría UD 1. Introducción a la transmisión de calor Tema 1. Conceptos básicos de la transmisión de calor UD 2. Transmisión de calor por conducción Tema 2. Fundamentos de transmisión de calor por conducción Tema 3. Conducción unidimensional en régimen permanente Tema 4. Conducción unidimensional en régimen transitorio Tema 5. Superficies extendidas. Aletas UD 3. Transmisión de calor por convección Tema 6. Fundamentos de transmisión de calor por convección Tema 7. Convección forzada. Flujo externo e interno Tema 8. Convección libre Tema 9. Ebullición y condensación UD 4. Transmisión de calor por radiación Tema 10. Fundamentos de la transmisión de calor por radiación Tema 11. Intercambio de radiación entre superficies UD 5. Conducción y convección combinadas Tema 12. Intercambiadores de calor

7 5.3. Programa de prácticas Sesiones en el laboratorio: Se desarrollan diferentes sesiones de prácticas de laboratorio con el objeto de que los alumnos estudien algunos de los conceptos introducidos en las sesiones teóricas. Las prácticas de laboratorio a desarrollar serán: Práctica 1. Medidas termométricas mediante termopares, termómetros y resistencias de platino Práctica 2. Determinación de la conductividad térmica en materiales sólidos Práctica 3. Determinación del calor específico en materiales sólidos Sesiones en el Aula de Informática: Se desarrollarán tres sesiones de prácticas en el aula de informática con el objeto de que los alumnos resuelvan problemas de transferencia de calor mediante programas informáticos a la vez que desarrollan sus habilidades computacionales. Las prácticas de Aula de Informática serán: Práctica I1. Empleo del software EES para la resolución de problemas de transmisión del calor Práctica I2. Aplicación de la analogía eléctrica para la solución numérica de problemas de conducción Práctica I3. Resolución de problemas numéricos mediante métodos clásicos empleando algoritmos en C++ y/o Matlab Práctica I4. Análisis de intercambiadores de calor del tipo carcasa tubos mediante el software Intercam 5.4. Objetivos de aprendizaje detallados por Unidades Didácticas (opcional) Los contenidos de la asignatura se han agrupado en siete Unidades Didácticas (UD). UD 1. Introducción a la transmisión de calor Fundamentos básicos de la transmisión de calor. Mecanismos de transmisión de calor: Conducción, convección y radiación. Metodología de resolución de problemas. UD 2. Transmisión de calor por conducción Transmisión de calor por conducción en estado estacionario. Ley de Fourier: Conductividad térmica. Conducción de calor a través de sólidos: placas planas, cilindros y esferas. Superficies extendidas: aletas. Conducción unidireccional con generación uniforme de energía. Conducción en dos y tres direcciones.

8 Transmisión de calor por conducción en estado no estacionario. Sistemas con resistencia interna despreciable. Sistemas con diferentes geometrías. Métodos gráficos. Métodos numéricos. UD 3. Transmisión de calor por convección Análisis de la transferencia de calor por convección. Ecuaciones básicas para la transmisión de calor en fluidos. Números adimensionales. Capa límite hidrodinámica y térmica. Convección forzada y natural. Perfil de temperatura en flujo laminar y turbulento. Coeficientes individuales de transmisión de calor. Coeficiente global de transmisión de calor. Convección forzada. Coeficiente de convección en régimen laminar. Flujo sobre placas planas. Flujo laminar real. Coeficiente de convección en régimen turbulento y mixto. Flujo transversal a un cilindro aislado. Coeficiente de convección en el régimen de transición. Flujo interno en una tubería horizontal. Régimen laminar y turbulento. Correlaciones. Convección natural. Perfil de velocidad y de temperatura en convección natural. Cálculo del coeficiente de convección natural. Correlaciones en flujo externo e interno. Convección mixta. Transmisión de calor con cambio de fase. Coeficientes de transmisión de calor con cambio de fase. Ebullición de líquidos sobre superficies. Ebullición en tubos. Condensación laminar sobre superficies verticales y horizontales. Condensación sobre haces de tubos. Condensación con formación de gotas. UD 4. Transmisión de calor por radiación Naturaleza de la radiación térmica. Interacción de la radiación con la materia: absorción, reflexión y transmisión. Emisión de la radiación. Ley de Stefan Boltzmann. Ley de Planck. Emisividad. Intercambio de calor entre superficies negras. Factores de visión. Superficies grises y refractarias. Radiación de gases. UD 5. Conducción y convección combinadas Intercambiadores de calor. Disposición del flujo en cambiadores de calor. Intercambiadores de calor de tubos concéntricos: ecuación básica de diseño. Factores de ensuciamiento. Cambiadores multitubulares. Paso múltiple y deflectores. intercambiadores de calor de placas y tubos aleteados. Eficacia de un intercambiador de calor Programa resumido en inglés (opcional) 6. Metodología docente 6.1. Actividades formativas de E/A Actividad Trabajo del profesor Trabajo del estudiante ECTS Clase expositiva utilizando técnicas de Presencial: Toma de apuntes y aprendizaje cooperativo informal de corta revisión con el compañero. Clase de teoría duración. Resolución de dudas planteadas por los Planteamiento de dudas 0,8 estudiantes. individualmente o por parejas.

9 Clase de problemas. Resolución de problemas tipo y casos prácticos Clase de Prácticas. Sesiones de laboratorio y aula de informática Seminarios de problemas y otras actividades de aprendizaje cooperativo Realización de exámenes oficiales Se tratarán los temas de mayor complejidad y los aspectos más relevantes. Se resolverán problemas tipo y se analizarán casos prácticos. Se enfatizará el trabajo en plantear métodos de resolución y no en los resultados. Se plantearán problemas y/o casos prácticos similares para que los alumnos lo vayan resolviendo individualmente o por parejas, siendo guiados paso a paso por el profesor. Las sesiones prácticas de laboratorio son fundamentales para acercar el entorno de trabajo industrial al docente y permiten enlazar contenidos teóricos y prácticos de forma directa. Mediante las sesiones de aula de informática se pretende que los alumnos adquieran habilidades básicas computacionales y manejen programas y herramientas de cálculo y simulación profesionales. Se realizarán varios seminarios de problemas a lo largo del curso. Los alumnos trabajan en grupo para resolver un conjunto de problemas. Resolver dudas y aclarar conceptos Se realizarán dos pruebas escritas de tipo individual. Estas pruebas permiten comprobar el grado de consecución de las competencias específicas. No presencial: Estudio de la materia. Presencial: Participación activa. Resolución de ejercicios. Planteamiento de dudas No presencial: Estudio de la materia. Resolución de ejercicios propuestos por el profesor. Presencial: Manejo de instrumentación. Desarrollo de competencias en expresión oral y escrita con la presentación de informes de prácticas por los alumnos con apoyo del profesor No presencial: Elaboración de los informes de prácticas en grupo y siguiendo criterios de calidad establecidos Presencial: Resolución de los problemas. Explicación del método de resolución a los compañeros. Discusión de dudas y puesta en común del trabajo realizado. Presencial: Asistencia a la prueba escrita y realización de ésta 0,8 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,2 Tutorías individuales y de grupo Realización de trabajos de investigación en grupo y presentación oral Las tutorías serán individuales o de grupo con objeto de realizar un seguimiento individualizado y/o grupal del aprendizaje. Revisión de exámenes por grupos y motivación por el aprendizaje Se realizarán diferentes trabajos de investigación en equipo durante el curso. Los alumnos deberán realizar un informe técnico en base a criterios de calidad establecidos y hacer una presentación visual de los resultados más significativos. Presencial: Planteamiento de dudas en horario de tutorías. Presencial: Planteamiento del trabajo y tutorías de control y orientación por grupos. Exposición oral No presencial: Búsqueda y síntesis de información. Trabajo en grupo. Elaboración del informe técnico y preparación de la presentación del trabajo 0,1 0,4 0,5 4,5 7. Evaluación 7.1. Técnicas de evaluación Instrumentos Realización / criterios Ponderación Competencias genéricas (4.2) evaluadas Objetivos de aprendizaje (4.4) evaluados

10 Prueba escrita individual (70 %) Seminarios de problemas Cuestiones teóricas y/o teóricoprácticas: Cuestiones tipo test y/o cuestiones teóricas simples o acompañadas de una aplicación numérica de corta extensión. Se evalúan principalmente los conocimientos teóricos. Problemas: Entre 1 y 3 problemas de media o larga extensión. Se evalúa principalmente la capacidad de aplicar conocimientos a la práctica y la capacidad de análisis Se realizarán tres sesiones de seminario de problemas. Los alumnos trabajando en equipo y de forma presencial resuelven y discuten una serie de problemas planteados en exámenes de convocatorias pasadas recientes. Se evalúa la resolución, el procedimiento y el trabajo en equipo. 30 % del examen 70 % del examen 15 % T3.2, T1.1, T1.3, T3.3, T2.7 1,2, 3, 4, 5 T1.1, T3.1, T3.3 1, 2, 3, 4, 5 T1.1, T1.6, T2.2,T2.3, T3.1, T3.3 1, 2, 3, 4, 5 Informes de Laboratorio (1) Evaluación formativa Otras actividades de AC Exposiciones orales Trabajo de investigación en equipo (2) Se evalúan las ejecuciones y el trabajo en equipo, así como las destrezas y habilidades para el manejo de instalaciones, equipos y programas informáticos. 15 % Realización de actividades y pruebas de corta duración realizadas en clase (individualmente o por parejas). Laboratorio: Se realizarán exposiciones orales al inicio de las sesiones prácticas de laboratorio sobre el trabajo a realizar y los objetivos. Informes trabajos de investigación: Se realizará una presentación visual de los trabajos de investigación desarrollados Se propondrá un trabajo de investigación para realizar en equipo. Se deberá redactar un informe técnico y presentar los aspectos más relevantes del trabajo mediante una presentación visual T1.3, T1.4, T2.2, T2.3, T2.7, T3.3 1, 2, 3, 4, 6 T2.8, T3.2 1, 2, 3, 4, 5 No interviene T1.3 4, 5 No interviene T1.2, T1.3, T1.5, T2.2, T2.1, T2.3, T3.4, T3.9, T3.3 2, 4, 5 (1) Deberán cumplir con las rúbricas/criterios de calidad previamente establecidos (2) La extensión y estructura de los informes, así como los criterios de calidad serán establecidos previamente 7.2. Mecanismos de control y seguimiento El seguimiento del aprendizaje se realizará mediante las siguientes actividades:

11 Cuestiones planteadas en clase y actividades de AC informal por parejas en clase de teoría y problemas Supervisión durante las sesiones de trabajo en equipo presencial de seminarios de problemas y revisión de los problemas propuestos para ser realizados individualmente o en equipo (no presencial Elaboración de listas de ejecución durante las sesiones de prácticas de laboratorio Tutorías

12 8. Temporalización. Distribución de créditos ECTS Convencionales No convencionales PRESENCIALES Clases teoría Clases problemas Laboratorio Aula informática Total Presencial Convencional Trabajo cooperativo Tutorías Seminarios Visitas Evaluación formativa Evaluación Exposición de trabajos Total Presencial No Convencional Estudio Trabajos / informes individuales Trabajos / informes en grupo Total No Presencial ENTREGABLES Semana Temas o actividades (visita, examen parcial, etc.) 1 T T T T T P1 6 Seminario T T P2 9 T T Seminario T TI 13 T T Seminario P3 Periodo de exámenes Otros TOTAL HORAS TOTAL HORAS

13 9. Recursos y bibliografía 9.1. Bibliografía básica Y. A. Çengel, Transferencia de Calor y de Masa. 3ª edición. Mc Graw Hill. México, Bibliografía complementaria Incropera F., De Witt D.P., Fundamentos de Transferencia de Calor. 4ª Ed., Ed. Prentice Hall, México, 1999 A. J. Chapman, Transmisión del calor. Bellisco. Madrid, 1990 C. N. Madrid García, Problemas de Transmisión del calor. Horacio Escarabajal. Cartagena, 2004 Corberán J.M., Royo, R., Problemas escogidos de Transmisión de Calor. UPV. Servicio de publicaciones, 1999 Pinazo J.M., Problemas de Transmisión de Calor, UPV. Servicio de publicaciones, Valencia, Recursos en red y otros recursos Programa informático: Engineering Equation Solver (EES) Programas informáticos: Pspice, Matlab e Intercam