Fenómenos del Transporte - Universidad Tecnológica Nacional

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL
FACULTAD REGIONAL CORDOBA
ASIGNATURA: FENOMENOS DE TRANSPORTE
ESPECIALIDAD: INGENIERIA QUIMICA
PLAN: 1995 ADECUADO (ORD.: 1028)
NIVEL: 3º
MODALIDAD: CUATRIMESTRAL
BLOQUE: TECNOLOGÍAS BASICAS
AREA: INGENIERÍA QUÍMICA
DICTADO: 2º CUATRIMESTRE
HORAS: 10 HS SEMANALES
CARGA HORARIA TOTAL: 160 HS
CICLO LECTIVO: 2011 EN ADELANTE
Correlativas para cursar: Regulares: Análisis Matemático II, Física II
Aprobadas: Álgebra y Geometría Analítica, Química General, Análisis
Matemático I y Física I
Correlativas para rendir: Aprobadas: Análisis Matemático II, Física II y Termodinámica
Regular: Fenómenos de Transporte
OBJETIVOS GENERALES DE LA ASIGNATURA:
Comprender y aplicar los fenómenos de transporte de cantidad de movimiento,
energía y materia, estudiados a nivel de elemento de volumen. Establecer las
ecuaciones de variación o cambio, y sus formas adimensionales.
CONTENIDOS:
Unidad 1: Conceptos fundamentales propiedades
Introducción al estudio e interpretación de los fenómenos de transporte.
Conceptualización de los mecanismos de transporte. Objetivos y contribución a la
formación del Ingeniero Químico. Interrelación con otras áreas de conocimiento.
Revisión integral de los Sistemas Dimensionales. Propiedades generales de fluidos.
Teoría y criterios de similitud. Semejanza geométrica. Revisión Integral de Sistemas
Dimensionales. Similitud, semejanza geométrica, cinemática y dinámica. Números
adimensionales; Euler, Froude, Reynolds, Weber. Teorema Pi de Buckingham.
Definición de Fluido. Propiedades de los fluidos; presión, temperatura, densidad,
peso específico, viscosidad dinámica y cinemática, calor específico, energía interna,
entalpía, módulo de elasticidad volumétrico y compresibilidad, presión de vapor,
tensión superficial.
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Unidad 2: Fluidos
Ley de Newton de la Viscosidad. Influencia de la presión y temperatura en la
viscosidad. Teoría de la viscosidad de los gases a baja densidad. Ecuaciones y
Modelo de predicción. Viscosidad de líquidos. Clasificación General de Fluidos.
Fluidos no newtonianos.
Fluidos dependientes e independientes del tiempo, fluidos viscoelásticos. Tipos de
flujo. Caracterización. Permanente y transitorio, uniforme, laminar y turbulento,
potencial y en capa límite, compresible e incompresible, subsónico y supersónico,
flujo externo e interno.
Unidad 3: Análisis envolventes en estado estacionario
Análisis Envolventes en Estado Estacionario. Análisis de Sistemas de flujo aplicando
una envolvente para el balance de materia y de cantidad de movimiento. Aplicaciones
en coordenadas rectangulares y cilíndricas. Flujo de una película descendente. Flujo
en tubo circular recto. Flujo de fluidos inmiscibles. Ecuación de Hagen-Poiseuille.
Flujo reptante alrededor de objetos sumergidos.
Unidad 4: Ecuaciones diferenciales para flujo de fluidos isotérmicos
Balance Microscópico aplicado a una unidad de volumen. Interpretación. Balance de
Materia. Balance de Cantidad de Movimiento. Ecuación de Movimiento. Aplicaciones
a Sistemas de Flujo en Estado Estacionario.
Unidad 5: Resistencia fluida capa límite
Resistencia Fluida, Capa Límite y Flujo Turbulento. Efecto de la Viscosidad.
Resistencia Fluida. Experiencia de Reynolds. Paradoja de D’Alembert. Concepto de
capa límite, resistencia de superficie. Capa límite laminar y turbulenta. Desarrollo de
la capa límite en una placa plana y un conducto cilíndrico. Longitud de entrada,
relación con Re. Desprendimiento de la capa límite, resistencia de forma. Perfiles.
Turbulencia, características. Magnitudes de tiempo ajustado. Esfuerzos cortantes
turbulentos y viscosidad de remolino. Ecuaciones empíricas del perfil de velocidad.
Unidad 6: Transporte de interfase, balances macroscópicos isotérmicos
Transporte de interfase. Balances Macroscópicos Isotérmicos. Definición de factor
fricción. Relación entre f y Re. Métodos de estimación. Factor de fricción en tubos y
en esferas. Consideraciones generales para la determinación del factor de fricción en
aplicaciones específicas. Ley de Stokes. Aplicaciones a partículas no esféricas.
Balance Macroscópico de Materia. Balance Macroscópico de Cantidad de
Movimiento. Ejemplo de Aplicación al cálculo de fuerzas en paredes. Expresión de los
balances en estado estacionario. Ecuación de Bernoulli. Análisis Energético de un
Sistema de Flujo de Fluidos. Estimación de las pérdidas por fricción. Introducción al
cálculo de Sistemas de tuberías simples y redes. Accesorios. Introducción al concepto
de fluidos compresibles y conducción de sección variable.
Unidad 7: Mecanismos del transporte de energía. Balances de envolturas
Mecanismos del transporte de energía. Balances de envolturas. Conceptos de
conducción, convección y radiación. Conducción del calor. Ley de Fourier.
Conductividad calorífica, concepto físico, difusividad térmica. Influencia de la presión
y temperatura. Conductividad en gases, líquidos y sólidos; métodos de determinación.
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Balances de energía calorífica en envolturas simples. Conducción con y sin
generación interna. Flujo calorífico, concepto. Conducción en paredes compuestas
planas y cilíndricas. Distribuciones de temperatura en sólidos. Conducción en sólidos
en estado no-estacionario, aplicaciones a geometría sencillas (unidimensional).
Concepto de coeficiente global de transmisión del calor. Conducción de calor en
aletas de enfriamiento.
Unidad 8: Ecuaciones diferenciales para la transferencia de calor
Introducción al estudio de la convección. Conceptos generales. Convección libre.
Convección Forzada. Capa límite térmica. Desarrollo de la capa limite térmica.
Relación capa limite térmica – hidrodinámica. Transporte de interfase en sistemas no
isotérmicos. Coeficiente de transmisión del calor. Definición. Análisis de la
transferencia de calor sobre un fluido y en un sistema de geometría sencilla. Calculo
del coeficiente de transmisión de calor a partir de datos experimentales.
Correlaciones adimensionales. Números de Nusselt y de Prandtl. Ecuación de Sieder
– Tate. Adaptación de Colburn. Analogía de Colburn. Definición de jh. Casos
particulares de convección forzada en objetos sumergidos, lechos de partículas,
cilindros horizontales. Condensación de vapor puro sobre superficies sólidas.
Unidad 9: Balances macroscópicos no isotérmicos
Balance macroscópico de energía. Interpretación general de las ecuaciones de
cambio aplicadas a la transferencia de energía calórica. Análisis en estado
estacionario. Aplicación para gases ideales y líquidos incompresibles. Aplicación de
los balances macroscópicos en intercambiadores de calor.
Principios básicos de intercambiadores. Diagramas de temperatura y característica de
flujo. Introducción al estudio de la radiación térmica. Generalidades. Leyes y
principios básicos. Influencia de la geometría y el estado de la superficie de los
cuerpos. Relación entre la conducción, la convección y la radiación.
Unidad 10: Difusividad mecanismos
Introducción al estudio del transporte de masa. Difusión. Balances envolventes de
materia. Ley de Fick. Difusividad. Influencia de la presión. Temperatura y
concentración. Análisis comparativo entre las leyes de Newton, Fourier y Fick.
BIBLIOGRAFÍA:
FOUST Alan, WENZEL Leonard. Operaciones Unitarias. Mexico. Mexico. Ed.
Compañía. 2003.
BIRD, STEWART, LIGHTFOOT. Fenómenos de transporte. Barcelona, España.
Lightfoot. Ed. Reverté. 2001.
MILLS Anthony. Transferencia de calor.España. Addison-Wesley Iberoamericana
IRWIN. 1994.
FOUST Alan, WENZEL Leonard. Operaciones Unitarias. Mexico. Ed. Compañía.
2004.
WELTY James, WICKS Charles. Fundamentos de Transferencia de Momento, Calor
y Masa. México. Ed. Limusa. 1993.
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DESARROLLO DE LA ASIGNATURA
La modalidad es la siguiente, primero se realiza un abordaje de cada tema desde el
teórico, y luego se los debate desde el práctico. En algunos casos, el tema se da en
simultaneo, es decir, teórico-práctico.
Se reciben visitas de profesionales del medio, que dan su punto de vista desde la
industria sobre algún tema en particular, y sobre el rol del ingeniero en general.
También se realizan visitas a fabricas del polo petroquímico de Río Tercero.
Se destinan aproximadamente 2 horas semanales a clases de consulta. Estas clases
de consulta se realizan en horarios a convenir con los alumnos.
Materiales didácticos empleados: Cañon y retroproyector, que se encuentran siempre
disponibles. Software: Mathcad
Distribución horaria
Unidad
1. Conceptos fundamentales y propiedades
2. Fluidos
3. Análisis envolventes en estado estacionario
4. Ecuaciones diferenciales para flujo de fluidos
isotérmicos
5. Resistencia fluida y capa límite
6. Transporte de interfase, balances macroscópicos
isotérmicos
Primer Parcial
7. Mecanismos del transporte de energía. Balances de
envolturas
8. Ecuaciones diferenciales para la transferencia de
calor
9. Balances macroscópicos no isotérmicos
10. Difusividad y mecanismos
Segundo Parcial
Recuperatorios
Clase Teórica
(horas)
10
8
4
4
Clase Práctica
(horas)
6
8
12
0
3
6
8
22
0
4
4
14
4
14
3
4
0
0
50
14
0
4
4
110
160
Evaluación
Condiciones de regularización: Aprobar los tres parciales con nota igual a 4 o
superior, mas todos los trabajos prácticos, mas asistencia por bedelía.
Condiciones de Promoción de la parte Práctica: Promedio igual a 7 o superior en los
tres parciales y nota no menor a 6 en cada uno de ello. Además de los trabajos
prácticos aprobados.
Condiciones de examen: Estar regular
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