Ingeniería Térmica II Plan 2002 Clase Troncal Curso académico 2011/12 Departamento Sistemas Oceánicos y Navales Créditos totales 6 Curso Tercero Créditos teóricos 3 Ciclo Primer Ciclo Créditos prácticos 3 Tipo Semestral (Primer semestre) Profesorado Teresa J. Leo Mena [30%][Coordinadora] José Luis Morán González [60%] Mª Carmen Rodríguez Hidalgo [10%] Asignaturas previas Química Física Matemáticas Ecuaciones diferenciales Ingeniería Térmica I Objetivos Aplicar los Principios de la Termodinámica a los sistemas habitualmente manejados en Ingeniería: mezclas no reactivas, aire húmedo, mezclas reactivas, ciclos de refrigeración. Efectuar balances de masa y energía, estudios de irreversibilidad y de exergía. Calcular los coeficientes de convección para los principales procesos de transferencia de calor. Efectuar balances de masa y energía en intercambiadores tubulares y placas. Dimensionar intercambiadores tubulares. Método de evaluación de asignatura a asignatura consta de dos partes: Termodinámica y Transferencia de Calor con un peso aproximado de 65 y 35 % respectivamente. 1) Evaluación por curso de la asignatura: Para aprobar por curso el alumno deberá presentarse a todas las pruebas abajo detalladas y no obtener cero en ninguna de ellas. La nota final se obtendrá realizando una media ponderada según el porcentaje aproximado reflejado a continuación: Prueba Calificación Mecanizada 1 Termodinámica 10% Prueba Calificación Mecanizada 2 Termodinámica 10% Problema 1 Calificación Manual o Mecanizada Termodinámica 15% Problema 2 Calificación Manual o Mecanizada Transferencia de Calor 15% Prueba Calificación Mecanizada 3 Termodinámica 10% Problema 3 Termodinámica 20% Problema 4 Transferencia de Calor 20%
Se aprobará por curso con una nota final no inferior a 5 puntos sobre 10. Para hacer media, la nota mínima en cada una de las partes de la asignatura no deberá ser inferior a 2. Se podrá también liberar por curso una de las dos partes de la asignatura. Para ello la nota correspondiente a la parte liberada deberá ser igual o superior a 5 con respecto a su peso relativo. Esto es aplicable a la convocatoria ordinaria. 2) Convocatoria ordinaria: Para la convocatoria ordinaria se realizará un examen, consistente en 3 problemas (2 de Termodinámica y 1 de Transferencia de Calor) de 1 hora aproximadamente cada uno, calificados independientemente sobre 10. Quedarán exentos del examen los alumnos que aprueben mediante evaluación por curso. Para compensar no podrá obtenerse un cero en ninguna de las partes. Se aprobará con una media ponderada igual o superior a 5. En el caso de haber liberado una de las dos partes de la asignatura, se podrá elegir entre realizar solo las pruebas correspondientes a la parte no liberada o la totalidad de las pruebas. En este último caso se conservará la mejor de las dos notas de la parte correspondiente. 3) Convocatorias extraordinarias: Para las convocatorias extraordinarias se realizará un examen, consistente en 3 problemas (2 de Termodinámica y 1 de Transferencia de Calor) de 1 hora aproximadamente cada uno, calificados independientemente sobre 10. Para compensar no podrá obtenerse un cero en ninguna de las partes. Se aprobará con una media ponderada no menor de 5. 4) Cuestionarios de autoevaluación (Moodle) Periódicamente se propondrán cuestionarios de autoevaluación en la plataforma virtual de enseñanza. Permitirán al alumno comprobar la asimilación de conocimientos y preparar las pruebas correspondientes a la evaluación por curso. Su realización con aprovechamiento puede aumentar la nota final, hasta en 1 punto, de aquellos alumnos que hayan aprobado siempre que hayan realizado el 80% o más de dichos cuestionarios. Método de evaluación de prácticas Las prácticas de laboratorio tienen carácter voluntario. Se propondrán varias prácticas de laboratorio, cuya evaluación individualizada podrá aumentar, hasta 2 puntos más, la nota de los alumnos aprobados en la convocatoria ordinaria (por evaluación por curso o por examen final) y en las convocatorias extraordinarias del curso académico en que se realizaron. En total, se ofrecen al alumno 45 horas de clase: 40 en aula y 5 en laboratorio. Actividades exteriores
Programa Termodinámica 1. Termodinámica de las mezclas no reactivas 1.1. Expresión de la composición. 1.2. Modelo de mezcla ideal. Propiedades termodinámicas de una mezcla ideal 1.3. Entropía de mezclado. 1.4. Mezclas de gases ideales 1.4.1. Relaciones pvt para mezclas de gases ideales. Masa molar aparente. Constante de los gases aparente. 1.4.2. Variación de las propiedades termodinámicas de una mezcla de gases ideales de composición constante: energía interna, entalpía y entropía. 1.4.3. Procesos de mezclado de gases ideales. 1.4.4. Trabajo mínimo de separación de una mezcla de gases 1.4.5. Exergía de una mezcla de gases ideales cuyos componentes se encuentran en el ambiente 2. Mezclas con componentes no condensables. El aire húmedo 2.1 Introducción 2.2 Humedad y humedad relativa. Medida 2.3 Temperatura de rocío 2.4 Propiedades termodinámicas del aire húmedo 2.4.1 Densidad del aire húmedo 2.4.2 Entalpía, energía interna, entropía y exergía del aire húmedo. Estados de referencia 2.4.3 Temperatura de saturación adiabática, de bulbo seco y de bulbo húmedo 2.4.4 Diagrama psicrométrico 2.5 Procesos de acondicionamiento de aire 2.5.1 Procesos de humidificación 2.5.2 Enfriamiento evaporativo 2.5.3 Procesos de secado 2.5.4 Procesos de acondicionamiento de aire en locales 2.6 Torres de refrigeración 3. Mezclas reactivas 3.1. Introducción. Objetivo final del estudio del tema 3.2. Equilibrio de las reacciones químicas 3.2.1. Avance de reacción, potencial de reacción y afinidad. Espontaneidad 3.2.2. Condición de equilibrio de mezclas reactivas 3.2.3. Constante de equilibrio. Mezcla de gases ideales 3.2.4. Influencia de la temperatura en la constante de equilibrio. Ecuación de van t Hoff 3.3. Procesos de combustión. 3.3.1. Estequiometría de la combustión: aire teórico. 3.3.2. Procesos reales de combustión 3.3.3. Entalpía de formación. Estados de referencia 3.3.4. Balance de energía aplicado a mezclas reactivas. Sistemas abiertos en régimen estacionario 3.3.5. Entalpía de reacción y poderes caloríficos 3.3.6. Temperatura de combustión adiabática 3.3.7. Balance de energía aplicado a sistemas cerrados 3.3.8. Entropía absoluta. Tercer Principio de la Termodinámica 3.3.9. El Segundo Principio de la Termodinámica aplicado a mezclas reactivas 3.4. Determinación de la composición en el equilibrio químico. Mezcla de gases ideales. Reacciones simultáneas. Cálculo de la variación de la energía de Gibbs de una reacción. 3.5. Análisis exergético de mezclas reactivas 3.5.1. Exergía de un combustible 3.5.2. Eficiencia exergética de la combustión. 4. Ciclos de potencia de turbina de vapor. Ciclo Rankine 4.1. Introducción 4.1.1. Ciclo Rankine. Esquema de la instalación. 4.1.2. Ciclo Rankine ideal. Balance de energía, rendimiento. 4.1.3. Influencia de la presión de la caldera y del condensador en el ciclo
Rankine. 4.1.4. Ciclo Rankine real. Irreversibilidades. 4.2. Modificaciones del ciclo 4.2.1. Ciclo con sobrecalentamiento y recalentamiento. 4.2.2. Ciclo con regeneración. 4.2.3. Calentadores abiertos. Calentadores cerrados. Calentadores múltiples. 4.2.4. Cogeneración. 4.2.5. Análisis exergético. 5. Motores de combustión interna 5.1. Introducción 5.1.1. Aspectos generales. 5.1.2. Hipótesis simplificadoras en los ciclos estándar de aire. 5.1.3. Ciclo estándar de Otto. Efecto de la rp en el t. 5.1.4. Ciclo estándar de Diesel. Ciclo Dual. 5.1.5. Ciclos de Ericcson y Stirling. 6. Ciclos de potencia de gas. Ciclo Brayton de aire estándar 6.1. Ciclo Brayton 6.1.1. Conceptos generales. 6.1.2. Fluido de trabajo. Utilización. 6.1.3. Ciclo Brayton de aire estándar. Calor y trabajo. 6.1.4. Influencia de la relación de compresión en el rendimiento. 6.1.5. Ciclo Brayton real. 6.2. Modificaciones del ciclo 6.2.1. Ciclo regenerativo de la turbina de gas. 6.2.2. Procesos de compresión multietapa con refrigeración intermedia. 6.2.3. Procesos de recalentamiento. 6.2.4. Ciclo de turbina de gas con refrigeración intermedia y recalentamiento. 6.3. Análisis exergético. 6.4. Ciclo combinado. 7. Ciclos de refrigeración y bombas de calor 7.1 Introducción 7.2 El ciclo de Carnot inverso. Máquinas frigoríficas y bombas de calor. COP. 7.3 Refrigeración por compresión de vapor. Instalación. 7.3.1 Calor y trabajo. 7.3.2 Irreversibilidades. COP de un ciclo real. 7.3.3 Propiedades de los refrigerantes. 7.4 Modificaciones de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor 7.4.1 Cascada. 7.4.2 Multietapa. 7.4.3 Sistema con un compresor y dos niveles de refrigeración. 7.5 Refrigeración con gas. Ciclo Brayton inverso. 7.6 Refrigeración por absorción. 7.7 Análisis exergético. Transferencia de Calor 1. Fundamentos de la convección 1.1. Ley de Newton de enfriamiento. 1.2. Clasificación de los fluidos 1.3. Capa límite de la velocidad. 1.4. Capa límite térmica 1.5. Análisis dimensional 1.5.1. Parámetros adimensionales de la convección natural 1.5.2. Parámetros adimensionales de la convección forzada en fluido por tubo. 1.5.3. Parámetros adimensionales de la convección con cambio de fase. 1.5.4. Número de Nusselt 1.5.5. Número de Prandtl 1.5.6. Número de Reynolds. 1.6. Ecuaciones diferenciales de la convección. 2. Convección externa forzada 2.5 Resistencia al movimiento 2.6 Flujo paralelo sobre placas planas 2.6.1 Coeficiente de transferencia de calor. Placa plana con temperatura uniforme. 2.6.2 Coeficiente de transferencia de calor. Placa plana con tramo inicial no calentado. 2.6.3 Coeficiente de transferencia de calor. Placa plana con flujo uniforme de calor. 2.7 Flujo a través de cilindros y esferas. Estimación del número de Nusselt por medio de aproximaciones de Churchill y Bernstein, Whitaker y Zukauskus y Jacob. 2.8 Flujo a través de bancos de tubos. 3. Convección interna forzada 3.1. Velocidad y temperatura medias por el interior de los tubos. Diámetro hidráulico y Reynolds crítico. 3.2. La región de entrada.
3.3. Análisis térmico. 3.3.1. Flujo constante de calor en la superficie. 3.3.2. Temperatura superficial constante. 3.4. Flujo laminar en tubos. 3.5. Flujo turbulento en tubos. 3.5.1. Aproximaciones de Dittus Boelter y Gnielinski. 3.5.2. Rugosidad superficial. 4. Convección natural 4.1. Número de Grashof 4.2. Determinación del número de Nusselt. 4.2.1. Placa vertical o cilindro vertical. 4.2.2. Placa horizontal. 4.2.3. Cilindro horizontal. 4.2.4. Esfera. 4.3. Enfriamiento por convección natura de aletas verticales 4.3.1. Temperatura superficial constante. 4.3.2. Flujo de calor constante. 5. Convección en ebullición y condensación 5.1. Curva de ebullición. 5.2. Ebullición nucleada en estanque. 5.3. Ebullición en película en estanque. 5.4. Ebullición en flujo. 5.5. Condensación 5.6. Condensación en película 5.6.1. Placas verticales. 5.6.2. Tubos verticales. 5.6.3. Tubos horizontales y esferas. 5.6.4. Bancos de tubos horizontales. 5.6.5. Condensación dentro de tubos horizontales. 6. Intercambiadores de calor 6.1. Tipos de intercambiadores. 6.2. Coeficiente global de transferencia. Factor de incrustación. 6.3. Método de la diferencia media logarítmica de temperaturas. 6.4. Método de la efectividad (NTU) Bibliografía y material didáctico 1. Wark K., "Thermodynamics", McGraw Hill, 1999. Versión española Edit. McGraw Hill, 2001. 2. Çengel Y.A, "Heat transfer. A practical approach", McGraw Hill, 2003. Versión española Edit. McGraw Hill, 2004. 3. Martínez I., "Termodinámica básica y aplicada", Ed. Dossat, 1992. 4. Çengel Y.A and Boles M. A. "Termodinámica", McGraw Hill, 2008. Versión española, McGraw Hill, 2009.
5. Moran M.J., Fundamentos de Termodinámica Técnica, 2ª ed esp, (traducción 4a ed. inglesa), Reverté, Barcelona, 2004. 6. Çengel Y.A. Transferencia de calor y masa. Un enfoque práctico, McGraw Hill, 2007. Versión española, Edit. McGraw Hill, 2007. Apuntes (Teoría) disponibles en la plataforma virtual de enseñanza. Apuntes (Problemas resueltos) disponibles en la plataforma virtual de enseñanza. En la red: http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/index.html http://web.mit.edu/ocwweb/web/home/home/index.htm http://www.keveney.com/engines.html http://termograf.unizar.es