UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Escuela Académico Profesional de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Departamento de Energía y Producción S Í L A B O INGENIERIA TERMODINAMICA II I. DATOS GENERALES : 1.1 Facultad : Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 1.2 Escuela Académico Profesional : Ingeniería Mecánica y Eléctrica 1.3 Departamento Académico : Energía y Producción 1.4 Nombre del Curso : INGENIERIA TERMODINAMICA II 1.4.1 Código : 0J105A 1.4.2 Tipo : Obligatorio 1.4.3 Nivel : Pre-grado 1.4 Semestre Académico : 2011 II 1.5 Ciclo : Quinto (ME-1) 1.6 Créditos : 04 1.7 Duración del Curso : 17 Semanas 1.8 Horas Semanales : 05(Teoría: 03; Practica: 02) 1.9 Pre-Requisitos : 0J104E (Ingeniería Termodinámica I) 1J1023 (Física II) 1.10 Profesor(es) Responsable(s) : Ing José Carlos Rodríguez Chacón Profesor. Asociado D.E. 1.11 Horario (Ver Hoja de cronograma desarrollado) II. SUMILLA: La presente asignatura proporcionará a los estudiantes de Ingeniería Mecánica y Eléctrica los conocimientos aptitudes y destrezas necesarias para el manejo de la energía en sus diversas manifestaciones, además podrá conocer las aplicaciones que se le da a la energía térmica. Al finalizar el dictado de la asignatura, los alumnos; aplicando las leyes de la termodinámica, utilizando tablas y diagramas de propiedades termodinámicas y con la ayuda de software de aplicación; resolverán problemas relacionados: Con procesos de combustión. Procesos de compresión de gases. Análisis de ciclos. Ciclo Clausius- Rankine. Ciclo de joule Brayton. Ciclos teóricos de motores de combustión interna. Ciclos teóricos de plantas de refrigeración y termo bombas. Procesos de acondicionamiento de aire.
III. OBJETIVOS : OBJETIVOS GENERALES: 1. Definir los conceptos de energía, sus leyes fundamentales, las propiedades termodinámicas 2. Analizar procesos y ciclos termodinámicos de potencia y refrigeración, efectuar balances de energía para desarrollar sistemas de optimización orientados al ahorro de energía. OBJETIVOS ESPECIFICOS: 1.- Analizar los procesos de combustión de tipo teórico y real que se realizan en las diversas maquinarias y equipos del sector ingenieril, de tal manera que se pueda medir la eficiencia de estos. 2.- Realizar el balance térmico de un proceso de compresión irreal y real a su vez poder comparar el trabajo y la potencia obtenido en un compresor de una etapa y uno de múltiples etapas. 3.- Proyectar sistemas que realicen las conversiones entre los distintos tipos de energía, como es el caso de los ciclos Clausius-Rankine y el ciclo Joule Brayton. Aprovechando la influencia del sobrecalentamiento, de la presión de vapor, el recalentamiento y la descarga, su influencia en la eficiencia y la potencia de la planta. 4.- Efectuar el balance térmico de una planta a gas con regenerador y múltiples etapas, determinando su eficiencia y potencia al eje. 5.- Reconocer los motores de combustión interna de encendido por chispa y encendido por compresión. Describirán correctamente el funcionamiento teórico de un motor de dos y cuatro tiempos, determinando su potencia al freno y su eficiencia térmica. 6.- Definir los conceptos de los sistemas de refrigeración y bomba de calor. Además podrá clasificar los ciclos de refrigeración por compresión de vapor y realizará el balance de una planta de refrigeración. 7.- Entender principios de conservación de la masa y la energía para el análisis de los sistemas compuestos por mezclas de aire seco y vapor de agua. Realizar balance de energía de un proceso de acondicionamiento de aire para un ambiente de confort.
CRONOGRAMA: (También, ver Hoja de cronograma desarrollado) SEMANA FECHA CONTENIDO Introducción, definición de términos relacionados con el 01 contenido del curso 02 03 04 05 06 Procesos de Combustión, se imparte los fundamentos teóricos y se resuelve problemas con aplicaciones reales. Ecuación de combustión ideal, con exceso de aire. Combustión real, con deficiencia de aire, con exceso de aire. Análisis de los procesos de combustión, energía química, calor de reacción, calor de reacción estándar calor de combustión, poder calorífico( a volumen cte y a presión cte). Entalpía de (formación y de combustión). Energía interna de comb. Entalpía de formación. Temperatura de la llama adiabática. (Primera Práctica) Proceso de compresión de gases (politrópico, isoentrópíco, isotérmico) determinando calor y potencia. Compresión por etapas. Compresores reciprocantes. Proceso de compresión de gases (Segunda Práctica) Ciclo Clausius-Rankine. Parámetros característicos( presión de vapor, de descarga, temperatura de vapor, eficiencia). Influencia del sobrecalentamiento, de la presión de vapor, de descarga. Ciclo Clausius-Rankine. Influencia del recalentamiento, presión intermedia. Ciclo de las plantas con turbinas de vapor. Eficiencia 07 de expansión adiabática, de caldera, mecánica; perdidas, ciclo regenerativo.(tercera practica). 08 PRIMER EXAMEN PARCIAL Ciclo Joule Brayton. Procesos de funcionamiento. Análisis energético (compresor, calentador, turbina y enfriador). 09 Eficiencia. Relación de trabajos. Ciclo abierto en turbinas a gas. Ciclo regenerativo, con recalentamiento intermedio. Eficiencia del compresor, de la turbina. Ciclo simple real. 10 Efectividad del regenerador. Turbina a gas de dos ejes. (cuarta Practica) Ciclos teóricos de motores de combustión interna. Otto, realización en un motor reciprocante. Ciclo Otto como ciclo 11 abierto. Descripción del funcionamiento de un motor de 4 tiempos, relación de compresión. Aire admitido y procesado. Ciclo Diesel., descripción de los procesos. Motor reciprocante. Eficiencia en función de las características geométricas del motor( 12 relación de compresión, de corte, de expansión ).motor de 2 tiempos. Ciclo dual. Diagrama indicado, presión media indicada, potencia indicada.(quinta Práctica) Ciclo de Refrigeración. Refrigeración y bombas de calor, ciclo de Carnot, Clasificación de los ciclos: compresión de vapor, por 13 absorción, por compresión de gas, Refrig. al vació, Refrig.. Termoeléctrica, Criogénica. Descripción de cada uno de los procesos mencionados en 14 refrigeración.
15 16 Proceso de acondicionamiento de aire. Mezcla de gases, ley de gibas-dalton. Ley de Amagat-Leduc, mezclas gas vapor, humedades :relativa, especifica Proceso de acondicionamiento y refrigeración de aire (Sexta Práctica) 17 EXAMEN FINAL 18 SUSTITUTORIOS 19 APLAZADOS V. METODOLOGIA Para el cumplimiento de los objetivos en el desarrollo de curso, se tiene la siguiente metodología y técnicas. Tres horas de clases teóricas basándose en las exposiciones realizadas por el docente con intervenciones del estudiante. Dos horas de clases prácticas en la que se resolverán problemas y ejercicios concernientes al tema. VI. MATERIAL DE ENSEÑANZA Para el desarrollo de la asignatura se cuenta con los recursos humanos, docentes y alumnos. Material didáctico: Para el docente: Textos de consulta, información vía Internet, revistas y otros. Para el estudiante: Texto básico de consulta de termodinámica según la bibliografía para el tema tratado, información vía Internet, revistas otros como software de aplicación etc. VII. SISTEMA DE EVALUACIÓN 7.1. De las notas: 7.1.1. Durante el desarrollo del curso se evaluarán 06 Prácticas calificadas en el salón de clase.(evaluaciones fuera del horario establecido). 7.1.2. El promedio de evaluación permanente estará dado por el promedio de sus exposiciones e intervenciones en forma permanente y continua, verificando que el estudiante haya logrado los objetivos del tema. 7.1.3. El promedio de los dos parciales. 7.2. Condiciones de aprobación: 7.2.1. El alumno debe obtener 11 ó más puntos como promedio final durante el semestre académico 7.2.2. El tipo de evaluación para este curso es el tipo A. Promedio Final = 3 (Prom. Parcial)+ 2 (Prom. Pract.) + (Eval. Perm.) 6 7.2.3. La asistencia es obligatoria. 7.2.4. El 30% de inasistencias del total de clases programadas en el curso inhabilitan al alumno para todos sus efectos.
CONTENIDO DEL CURSO Y DESARROLLO DEL SILABO POR SEMANAS: PRIMERA SEMANA: Introducción: definición de términos relacionados con el contenido del curso SEGUNDA SEMANA: COMBUSTION Procesos de Combustión, se imparte los fundamentos teóricos y se resuelve problemas con aplicaciones reales. Ecuación de combustión ideal, con exceso de aire. Combustión real, con deficiencia de aire, con exceso de aire. TERCERA SEMANA: COMBUSTIÓN Análisis de los procesos de combustión, energía química, calor de reacción, calor de reacción estándar calor de combustión, poder calorífico(a volumen cte y a presión cte). Entalpía de (formación y de combustión). Energía interna de combustión. Entalpía de formación. Temperatura de la llama adiabática. Ejercicios sobre la combustión de un hidrocarburo determinado el porcentaje de los componentes de los productos de la combustión, determinando el exceso de aire y la relación de aire combustible. (Primera Práctica) CUARTA SEMANA: PROCESO DE COMPRESIÓN DE GASES Proceso de compresión de gases, Proceso de compresión politrópico, Proceso isoentrópíco, Proceso isotérmico, Eficiencia adiabática, Eficiencia isotérmica, Compresión por etapas, Compresión en dos etapas, Compresión en múltiples etapas. Ejercicios para realizar el balance térmico de un proceso de compresión irreal y real, y comprar el trabajo obtenido entre un compresor de una etapa y una de múltiples etapas. QUINTA SEMANA: PROCESO DE COMPRESIÓN DE GASES Compresores reciprocantes, Compresor ideal sin volumen muerto, Compresor ideal con volumen muerto, Eficiencia volumétrica convencional, Trabajo y potencia en un compresor son volumen muerto, Potencia indicada, Potencia al eje, Eficiencia mecánica Problemas para determinar la potencia al eje de un compresor, considerando la eficiencia de compresión adiabática, la eficiencia volumétrica convencional y la eficiencia mecánica. (Segunda Práctica Calificada) SEXTA SEMANA: CICLO CLAUSIUS RANKINE Ciclo Clausius-Rankine. Parámetros característicos (presión de vapor, de descarga, temperatura de vapor, eficiencia). Influencia del sobrecalentamiento, de la presión de vapor, de descarga. SETIMA SEMANA Ciclo Clausius-Rankine. Influencia del recalentamiento, presión intermedia. Ciclo de las plantas con turbinas de vapor. Eficiencia de expansión adiabática, de caldera, mecánica; perdidas, ciclo regenerativo. Balance térmico de una planta térmica a vapor con recalentamiento, variando a presión de vapor y la presión de descarga, su influencia en la eficiencia y la potencia de la planta. (Tercera práctica). OCTAVA SEMANA
PRIMER EXAMEN PARCIAL NOVENA SEMANA Ciclo Joule Brayton. Procesos de funcionamiento. Análisis energético compresor, calentador, turbina y enfriador). Eficiencia. Relación de trabajos. Ciclo abierto en turbinas a gas. Ciclo regenerativo, con recalentamiento intermedio. Relación de presiones para el trabajo máximo Ciclo abierto en turbinas a gas Balance de energía de una planta térmica a gas cerrado, determinando su eficiencia y su potencia. DECIMA SEMANA Eficiencia del compresor, de la turbina. Ciclo simple real. Efectividad del regenerador. Turbina a gas de dos ejes. Balance térmico de una planta térmica a gas con regenerador y múltiples etapas, determinando su eficiencia y potencia al eje. (Cuarta Práctica) ONCEAVA SEMANA: Ciclos teóricos de motores de combustión interna. Ciclo Otto y su realización en un motor reciprocante. El ciclo Otto como ciclo abierto. Descripción del funcionamiento teórico de un motor de explosión de cuatro tiempos. Relación de compresión. Aire admitido, aire procesado. Potencia al freno. Potencia medía indicada. Eficiencia mecánica. Balance de energía de un ciclo Otto abierto de cuatro tiempos, determinando su potencia al freno y su eficiencia térmica. DOCEAVA SEMANA: Ciclo Diesel en un motor reciprocante. Eficiencia en función de las características geométricas del motor alternativo. Comparación de eficiencia de los ciclos Otto y Diesel. Ciclo Diesel como ciclo abierto. Descripción del motor diesel teórico de dos tiempos. Diagrama indicado. Eficiencia mecánica. Potencia al freno. Balance de energía de un motor diesel de cuatro tiempos, determinando su potencia indicada y su eficiencia térmica. (Quinta Práctica) TRECEAVA SEMANA: Ciclo de refrigeración de Carnot. Observaciones acerca de los ciclos de refrigeración Clasificación de los ciclos de refrigeración. Ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Ciclo ideal. Ciclo práctico. Diagrama p-h- y ciclo de refrigeración. Variantes del ciclo de refrigeración por compresión de vapor. Calculo de la capacidad de refrigeración en una planta de refrigeración que trabaja con Freón 12 y la potencia entregada al compresor. CATORCEAVA SEMANA: Ciclos de refrigeración por intercambiador regenerativo. Compresión en múltiples etapa con enfriamiento tipo Flash.. Compresión en múltiples etapas con enfriador cerrado Ciclos de refrigeración en cascada. Ciclos de refrigeración por absorción. Ciclos de refrigeración por compresión de gases. Balance de energía de una planta de refrigeración que conserva alimentos para transportar a lugares cálidos. QUINCEAVA SEMANA:
PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Mezcla de gases. Mezcla de gas-vapor. Humedad relativa, humedad específica Temperatura de punto de rocío. Temperatura de saturación adiabática. Temperatura de bulbo húmedo. Carta psicométrica. Ejercicio para determinar la humedad relativa de un ambiente acondicionado y graficar en la carta psicométrica los procesos que se realizan. DIECISEISAVA SEMANA: Procesos elementales de acondicionamiento de aire. Calentamiento o enfriamiento sensible. Enfriamiento por humidificación. Deshumidificación por enfriamiento. Mezcla adiabática de dos corrientes. Enfriamiento, deshumidificación y calentamiento. Calentamiento, humidificación y calentamiento. Balance de energía de un proceso de acondicionamiento de aire para un ambiente de confort, determinando el calor a entregar o extraer, según el caso y la capacidad de enfriamiento o calentamiento. DIECISIETEAVA SEMANA: EVALUACIÓN PARCIAL BIBLIOGRAFÍA Fundamentos de Termodinámica VAN WYLEN & SONNTAG; Editorial LIMUSA; 1984. Termodinámica ; FAIRES V. M Editorial UTEHA; 1988. Termodinámica ; HOLMAN J.P Editorial MacGRAW HILL; 1980 Fundamentals of Engineering Thermodynamics ; MORAN Mi SHAPIRO H.N., Editorial REVERTE; 1995. Termodinamica ; KENNETH WARK; Editorial MacGRAW HILL; 1984. Manual de Climatización Transformación Psicrométríca ; PINAZO OJER J.M., Editorial REPROVAL; 1990. Cálculo en Instalaciones Frigoríficas ; PINAZO OJER J. M.; Editorial REPROVAL; 1992. Termodinamic Análisis of combustión engines, CAMPBELL A.; Editorial J. WILLEY; 1980. Refrigeración y Aire Acondicionado ; STOECKER; Editorial MacGRAW HILL; 1962. Termodinámica Clásica RUSSELL y ADEBIYI; Editorial ADDISON- WESLEY IBEROAMERICANA. Termodinámica, G. BOXER; Editorial ADDISON WESLEY IBEROAMERICANA. Ingeniería Termodinámica JONES DUGAN; Editorial PHH PRENTICE may. Termodinámica ; MANRIQUE- CARDENAS; Editorial HARLA. Termodinámica Aplicada ; POSTIGO CRUZ; Editado UNI. Termodinámica Básica para Ingenieros ; NAKAMURA Editado UNI. Ica, Setiembre del 2011 ------------------------------------------------- ING. JOSÉ CARLOS RODRÍGUEZ CHACÓN PROFESOR DEL CURSO