escuela politecnica superior de jaén

ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR DE JAÉN
Departamento de Ingeniería Mecánica y Minera
Ingeniero Industrial (plan 2003)
PROGRAMA DE LA ASIGNATURA: INGENIERÍA TÉRMICA
CARÁCTER :
TRONCAL
CURSO ACADÉMICO:
CRÉDITOS TEÓRICOS:
2007/08
ÁREA DE CONOCIMIENTO:
CICLO:
2º
4,5
CURSO:
CRÉDITOS PRÁCTICOS:
1º
CUATRIMESTRE:
1,5
2º
MÁQUINAS Y MOTORES TÉRMICOS
DESCRIPTORES SEGÚN B.O.E.
Fundamentos Térmicos y Termodinámicos. Equipos y generadores térmicos. Motores térmicos.
Calor y frío industrial.
OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA
La termodinámica es una ciencia fundamental que estudia la energía, y constituye, por tanto, una parte
importante del programa de la asignatura de Ingeniería Térmica. Por otro lado, la termotecnia es la
técnica del tratamiento del calor. Esta disciplina se ocupa de la generación del mismo, tratamiento y su
transporte. Por ello, es otro gran pilar de la asignatura que habrá que analizar junto a la termodinámica.
Este estudio será indispensable para que el alumno pueda afrontar con éxito la parte restante de la
asignatura dedicada al estudio de :
Flujo de fluidos a alta velocidad : Toberas y Difusores.
Intercambiadores de calor
Ciclos de potencia de vapor
Ciclos frigoríficos
Motores de combustión interna alternativos.
Ciclos de potencia de gas
El número de objetivos específicos de la disciplina que nos ocupa es muy elevado. Su inclusión y análisis
aquí resultaría extraordinariamente prolijo, por lo que nos limitaremos a enunciar aquellos de carácter
más general. Estos son:
a) Visión general y actualizada de la "Ingeniería Térmica" que permita:
-
Concebirla como una ciencia moderna en continuo progreso.
-
Situarla en el marco más general de las Ciencias de la Energía.
Adquirir los conocimientos esenciales que configuran la "Ingeniería Térmica": principios de
funcionamiento, características de los procesos que tienen lugar en los motores, en máquinas frigoríficas,
etc.
La comprensión de la estructura conceptual de la disciplina. El alumno debe ser capaz de
identificar los conceptos fundamentales y sus interrelaciones.
b)
El conocimiento de los recursos que la Ingeniería Térmica ofrece para la producción de riqueza y
su importancia científica, económica y social.
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c)
La percepción de problemas aún sin resolver o escasamente conocidos o resueltos, así como las
grandes líneas de desarrollo actuales y las previsiblemente futuras.
d)
Establecimiento de una actitud crítica, no dogmática, soporte de esquemas mentales flexibles y
capaces de asimilar futuros cambios y avances.
e)
El dominio del lenguaje específico de la disciplina, así como el conocimiento de las principales
fuentes de documentación.
Para conseguir los objetivos mencionados se ha desarrollado el temario que a continuación se indica, y
que se complementa con las prácticas de laboratorio a realizar por los alumnos.
CONTENIDOS
Tema 1: Repaso de Termodinámica.- 1.1.- Sistemas cerrados: primer y segundo principio. 1.1.1.Sistemas. Clasificación. Propiedades. Equilibrio térmico y mecánico. 1.1.2.- Estados de equilibrio.
Transformaciones y procesos. Clases de procesos. Tipos de irreversibilidades. 1.1.3.- Concepto de calor
y energía interna. Primer principio en sistemas cerrados. Trabajo. Entalpía. Concepto de trabajo útil y
efectivo. 1.1.4.- Concepto de máquina térmica y máquina frigorífica. Máquina de Carnot. 1.1.5.- Segundo
principio de la termodinámica. Flujo de entropía y entropía generada. Disponibilidad de un sistema
cerrado. 1.1.6.- Estudio de gases perfectos. Valoración de la energía interna, entalpía y entropía.1.17.Estudio de transformaciones en gases perfectos. 1.2.- Estudio de vapores. 1.2.1.- Cambios de fase en
sistemas de un componente. 1.2.2.- Vapor húmedo, vapor saturado y vapor seco o recalentado. 1.3.Diagramas T-s y h-s. Estudio de transformaciones. 1.3.1.- Ciclo de Carnot en diagrama T-s. 1.3.2.- Ciclo
de máximo rendimiento. 1.3.3.- Diagrama entrópico T-s y entálpico h-s para vapor de agua. 1.4.Sistemas abiertos: primer y segundo principio. 1.4.1.- Flujo permanente. Conservación de la masa.
Conservación de la energía. 1.4.2.- Trabajo reversible de un flujo permanente. Estudio de
transformaciones. 1.4.3.- Energía disponible de un flujo. 1.4.4.- Exergía. 1.4.5.- Velocidad del sonido en
un gas. Número de Mach. 1.4.6.- Flujo adiabático. Toberas y difusores.
Tema 2: Flujo transitorio.- 2.1.- Análisis de flujo transitorio: Conservación de la masa y la energía. 2.2.Segundo principio en sistemas de flujo transitorio. 2.2.1.- Procesos de flujo uniforme. 2.2.2.- Procesos
generales de flujo no permanente.
Tema 3: Relaciones Termodinámicas.- 3.1.- Introducción. 3.2.- Relaciones diferenciales parciales. 3.3.Las relaciones de Maxwell. 3.4.- Ecuación de Clapeyron. 3.5.- Relaciones generales para du, dh, ds, cv y
cp en regiones de una sola fase. 3.6.- El coeficiente de Joule-Thomson. 3.7.- Factor de compresibilidad.
3.8.- Variación de entalpía, energía interna y entropía de gases ideales. 3.9.- Otras ecuaciones de estado.
Tema 4: Mezclas de gases sin reacción y Psicrometría.- 4.1.- Mezcla de gases sin reacción. 4.2.Composición de una mezcla de gases: masa y fracción molar. 4.3.- Comportamiento p-v-T de mezclas de
gases: ideales y reales. 4.4.- Propiedades de mezcla de gases: ideales y reales 4.5.- Psicrometría.
Mezcla de gas-vapor. 4.6.- Aire seco y atmosférico. 4.7.- Humedad específica y relativa del aire. 4.8.Temperatura de punto de rocío. 4.9.- Saturación adiabática y temperatura de bulbo húmedo. 4.10.Diagrama psicrométrico. 4.11.- Análisis de procesos de acondicionamiento de aire.
Tema 5: Análisis exergético.- 5.1.- Introducción. 5.2.- Exergía. 5.3.- Balance de exergía para sistemas
cerrados. 5.4.- Exergía de flujo. 5.5.- Balance de exergía para volúmenes de control. 5.6.- Eficiencia
termodinámica.
Tema 6: Turbomáquinas térmicas.- 6.1.- Introducción. 6.2.- Dirección del flujo en el rodete de una
turbomáquina. 6.3.- Transformación de energía mecánica y de fluido en el rodete. 6.4.- Deducción de la
ecuación de Euler para las turbomáquinas motoras (TMM). 6.5.- Deducción de la ecuación de Euler para
las turbomáquinas generadoras (TMG). 6.6.- Grado de reacción de un escalonamiento de una
turbomáquina. 6.7.- Casos característicos de turbomáquinas.
Tema 7: Compresores volumétricos.- 7.1.- Introducción. 7.2.- Compresores alternativos. 7.3.Compresores rotativos.
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Tema 8: Centrales térmicas.- 8.1.- Clasificación de las centrales según los ciclos térmicos empleados.
8.2.- Disposición de los elementos de una central de vapor. 8.3.- Calentadores cerrados y Calentadores
abiertos o de mezcla. 8.4.- Eyectores. 8.5.- Ciclo de Carnot para vapor. 8.6.- Análisis energético del ciclo
ideal. 8.7.- Mejora del rendimiento del ciclo de Rankine. 8.8.- Aumento de la temperatura media de
absorción de calor. 8.9.- Disminución de la temperatura media de cesión de calor. 8.10.- Ciclo de Rankine
con recalentamiento intermedio. 8.11.- Ciclo ideal de Rankine con regeneración. 8.12.- Ciclo irreversible
de Ranking.
Tema 9: Refrigeración.- 9.1.- Definición. 9.2.- Máquina frigorífica y bomba de calor. 9.3.-Coeficientes de
eficiencia. 9.4.- Ciclo de Carnot invertido. 9.5.- Ciclos en máquinas frigoríficas de vapor. 9.6.- Mejoras del
rendimiento: Subenfriamiento mediante agua de refrigeración. Subenfriamiento mediante intercambiador
de calor. 9.7.- Pérdidas de exergía en la instalación frigorífica. 9.8.- Propiedades de los refrigerantes. 9.9.Ciclos de compresión en varias etapas: Método de cascada sin intercambio másico. Método de cascada
con intercambio másico. Método de multicompresión con refrigeración intermedia. 9.10.- Sistemas de
refrigeración sin compresor: Refrigeración por eyección de vapor de agua. Refrigeración por absorción.
9.11.- Ciclos Criogénicos: Ciclo Linde de refrigeración. Ciclo Linde para licuefacción de aire. Licuefacción
con obtención de trabajo (ciclo Claude)
Tema 10: Motores de combustión interna alternativos.- 10.1.- Conceptos generales. 10.2.- Motores de
combustión interna alternativos. 10.3.- Ciclo operativo del motor de 4 tiempos. 10.4.- Ciclo operativo del
motor de 2 tiempos. 10.5.- Diagrama teórico de un motor de 4 tiempos. 10.6.- Diagrama real de un motor
de 4 tiempos. 10.7.- Ciclos teóricos. 10.8.- Ciclo ideal OTTO. 10.9.- Ciclo ideal DIESEL. 10.10.- Ciclo ideal
MIXTO o de SABATHE. 10.11.- Ciclo de aire. 10.12.- Ciclo de aire-combustible. 10.13.- Potencia
indicada. 10.14.- Presión media indicada. 10.15.- Potencia efectiva. 10.16.- Rendimientos. 10.17.Consumo específico de combustible. 10.18.- Curvas características: a plena carga y a cargas parciales.
Tema 11: Turbinas de gas.- 11.1.- Centrales térmicas con turbinas de gas. 11.2.- Descripción de los
motores de turbinas de gas: de ciclo abierto simple; de ciclo cerrado. 11.3.- Ciclo Brayton ideal de aire.
11.4.- Ciclo Brayton real de aire. 11.5.- Ciclo Brayton regenerativo. 11.6.- Motores de turbina de gas con
recalentamiento. 11.7.- Motores de turbina de gas con refrigeración. 11.8.- Motores de TG con
refrigeración, recalentamiento y regeneración. 11.9.- Otros ciclos en los motores de turbinas de gas.
11.10.- Ciclo mixto turbinas de gas-turbinas de vapor. 11.11.- Ciclo Ericsson. 11.12.- Ciclo Stirling.
Tema 12: Transmisión de calor.- 12.1.- Introducción. 12.2.- Conducción. 12.3.- Convección. 12.4.Radiación. 12.5.- Requerimientos de conservación de la energía. 12.6.- Análisis de problemas de
transferencia de calor.
Tema 13: Conducción.- 13.1.- Introducción. 13.2.- El modelo para la conducción. 13.3.- Conducción
unidimensional de estado estable: pared plana, pared cilíndrica y pared esférica. 13.4.- Conducción con
generación de energía térmica. 13.5.- Transferencia de calor en superficies extendidas. 13.6.- Eficiencia
global de las superficies.
Tema 14: Convección.- 14.1.- Transferencia de calor por convección. 14.2.- Capas límite de convección.
14.3.- Flujo laminar y turbulento. 14.4.- Ecuaciones para la transferencia por convección. 14.5.Aproximaciones y condiciones especiales. 14.6.- Similitud de capas límite: ecuaciones de transferencia
por convección normalizadas. 14.7.- Significado físico de los parámetros adimensionales. 14.8.Analogías en la capa límite. 14.9.- Efectos de la turbulencia.
Tema 15: Correlaciones empíricas para Convección.- 15.1.- Introducción. 15.2.- Ecuaciones
Diferenciales de la convección: Convección forzada; Convección libre y Transmisión de calor en los
cambios de estado. 15.3.- Correlaciones empíricas en convección. 15.3.1.- Flujo externo, convección
forzada, sin cambio de fase. 15.3.2.- Flujo interno, convección forzada, sin cambio de fase. 15.3.3.Convección libre, sin cambio de estado. 15.3.3.1.- Circulación alrededor de placas y tubos verticales (flujo
externo). 15.3.3.2.- Circulación alrededor de placas horizontales e inclinadas (flujo externo). 15.3.3.3.Circulación alrededor de cilindros horizontales (flujo externo). 15.3.3.4.- Convección natural entre
cilindros concéntricos. 15.3.3.5.- Condensación laminar.
Tema 16: Intercambiadores de calor.- 16.1.- Introducción. 16.2.- Tipos de intercambiadores de calor.
16.3.- Coeficiente global de transferencia de calor. 16.4.- Análisis del intercambiador de calor: Uso de la
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diferencia de temperatura media logarítmica (DTML). 16.5.- Análisis del intercambiador de calor: Método
de la eficiencia NUT.- 16.6.- Metodología del cálculo de un intercambiador de calor. 16.7.Intercambiadores de calor compactos.
ACTIVIDADES EN QUE SE ORGANIZA
Clases teóricas.
Clases de problemas
Prácticas de laboratorio
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
MORAN y SHAPIRO. Fundamentos de Termodinámica Técnica. Reverté S.A. (ULTIMA EDICIÓN)
Frank P. Incropera, David P. de Witt. Fundamentos de Transferencia de calor. Prentice Hall (Última
Edición)
M ª Isabel Andrés Rodriguez-Pomata. Problemas resueltos de calory frío industrial. UNED.
Marta Muñoz Dominguez. Problemas resueltos de motores térmicos y Turbomáquinas Térmicas. UNED.
F.J. Rey Martínez ; E. Velasco Gómez "Bombas de calor y energías renovables en edificios" Thomson
ISBN 84-9732-395-5
ÇENGEL Y BOLES. Termodinámica. Mc Graw Hill . Ultima edición
CRUZ, F. MONTORO, V. y PALOMAR, J.M. Ingeniería Térmica. Servicio de Publicaciones de la
Universidad de Jaén
CRUZ, F. MONTORO, V. y PALOMAR, J.M. Problemas resueltos de Ingeniería Térmica. Servicio de
Publicaciones de la Universidad de Jaén.
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA
DE ANDRÉS, J.A. y otros: Calor y frio industrial. Servicio Publicaciones UNED
JONES y DUGAN . Ingeniería termodinámica. Prentice Hall
MUÑOZ Y PAYRI . Motores de combustión interna alternativos. E.T.S.I.I. Madrid
BROATCH, A., GALINDO, J., PAYRI, R.: Problemas de Ingeniería Térmica. U.P. Valencia.
VALDÉS, M. WOLFF, G. y CASANOVA, J. Problemas resueltos de máquinas y motores térmicos.
Servicio de Publicaciones de la E.T.S.I.I Madrid.
PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
La evaluación se realizará al final del cuatrimestre mediante un examen que constará de dos partes: una
teórica y/o cuestiones, cuyo valor será de 4 puntos y otra de problemas cuyo valor será de 6 puntos.
En cuanto a las prácticas de laboratorio, habrá que presentar las correspondientes memorias y
examinarse de las mismas; siendo necesario obtener la calificación de APTO.
CRITERIOS DE EVALUACIÓN
Para aprobar el examen de la asignatura será necesario superar el aprobado tanto en la parte teórica
como en la de problemas. Si esta condición se cumple, la nota final será la suma de ambas.
En la valoración global de la asignatura, la parte teórica (se entiende teoría y problemas) tendrá un peso o
puntuación máxima de 10 puntos sobre 10. Para aprobar la asignatura, es condición indispensable
conseguir, al menos, la calificación de APTO en prácticas.
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Como bloque independiente, las prácticas de laboratorio se puntúan sobre un máximo de 2,5 puntos. La
superación de este bloque supone conseguir 1,5 puntos, en cuyo caso se considerará al alumno APTO en
prácticas. En caso de no llegar a dicha puntuación, su calificación será NO APTO, por lo cual no podrá
aprobar la asignatura en su conjunto, independientemente de la calificación obtenida en la parte de teoría
de la asignatura.
El alumno aprueba o suspende la asignatura completa, incluyendo teoría, problemas y prácticas
de laboratorio.
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