q-tecnologia de la energia termica

CÁTEDRA
Q-TECNOLOGIA DE LA ENERGIA TERMICA
RESPONSABLE DE LA CÁTEDRA
POLITO OSCAR ALBERTO
CARRERA
INGENIERÍA QUIMICA
CARACTERÍSTICAS DE LA ASIGNATURA
PLAN DE ESTUDIOS
2005
ORDENANZA CSU. Nº
1028
OBLIGATORIA
ELECTIVA
ANUAL
PRIMER CUATRIMESTRE
SEGUNDO CUATRIMESTRE
NIVEL / AÑO
IV
HORAS CÁTEDRA SEMANALES
4
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Conocer, comprender, especificar y/o calcular equipos y sistemas de generación y transferencia
de calor en el campo de la Ingeniería Química.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
UNIDAD TEMÁTICA 1: CONDUCCIÓN.
Aplicar criterios de selección de aislantes, en distintos equipos y accesorios. Determinación de su
espesor económico.UNIDAD TEMÁTICA 2: CONVECCIÓN. TRANSFERENCIA DE CALOR SIN CAMBIO DE FASE.
Comprender el mecanismo de convección térmica y de transferencia de calor sin cambio de
fase. Conocer, dimensionar, verificar y diseñar los distintos tipos de intercambiadores de calor.
UNIDAD TEMÁTICA 3: CONDENSADORES.
Aplicar los conocimientos teóricos para el diseño de los distintos tipos de condensadores, según
sea la condensación dentro o fuera de tubos, condensación de vapor de agua, de
multicomponentes miscibles e inmiscibles.UNIDAD TEMÁTICA 4: AEROENFRIADORES: ÁREA EXPANDIDA, EFICIENCIA DE ALETA,
FUNCIONAMIENTO.
Establecer las distintas variables necesarias para el cálculo de aeroenfriadores. Tipos y
aplicaciones.
UNIDAD TEMÁTICA 5: EVAPORADORES.
Estudiar, clasificar y diseñar los distintos tipos de evaporadores: termosifón, vaporizador tipo
marmita, rehervidotes tiro forzado.UNIDAD TEMÁTICA 6: COMBUSTIÓN.
Adquirir conocimientos de los aspectos físicos y químicos de la combustión. Calcular el
rendimiento térmico en forma analítica y gráfica. Clasificar tipos de quemadores.
UNIDAD TEMÁTICA 7: GENERADORES DE VAPOR.
Clasificar y describir los distintos tipos de calderas: humotubulares, acuotubulares de circulación
natural y forzada. Su aplicación en centrales de generación térmica y nucleares.UNIDAD TEMÁTICA 8: HORNOS DE PROCESO.
Comprender el mecanismo de radiación térmica. Conocer, clasificar, seleccionar y diseñar
hornos de proceso y equipos que mejoran su rendimiento.UNIDAD TEMÁTICA 9: SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN.
Seleccionar tanto el fluido refrigerante como el sistema de refrigeración adecuado. Comprender
las ventajas de un sistema frente a otro.
UNIDAD TEMÁTICA 10: USO RACIONAL DE LA ENERGÍA – FUENTES NO
CONVENCIONALES DE ENERGÍA.
Comprender la importancia del uso racional de la energía en la industria. Conocer las fuentes no
convencionales de energía y su aplicación.
CONTENIDOS
CONTENIDOS SINTÉTICOS
Transferencia de energía térmica, incluyendo radiación, en el campo de la Ing. Química.
Intercambiadores. Condensadores. Evaporadores. Calderas y Hornos. Sistemas
Refrigeración. Optimización de Sistemas. Fuentes alternativas de energía.
de
CONTENIDOS ANALÍTICOS
UNIDAD TEMÁTICA 1: CONDUCCIÓN.
Revisión del mecanismo. Aislaciones: tipos y materiales, espesor económico, radio crítico.
Funcionamiento de un aislante, criterios de selección. Aplicaciones a cañerías, recipientes y
tanques; hornos y calderas.UNIDAD TEMÁTICA 2: CONVECCIÓN. TRANSFERENCIA DE CALOR SIN CAMBIO DE FASE.
Correlaciones y aplicaciones tecnológicas simples: serpentines sumergidos, enfriadores, doble
tubo, recipientes encamisados, etc. Tipos de equipos: intercambiador casco y tubo, placas.
Diseño térmico e hidráulico. Métodos U – MLDT y NTU. Modelos de flujo. Flujo paralelo,
contracorriente, cruzado. Coeficientes individuales y globales de transferencia de calor.
Correlaciones. Coeficientes de obstrucción. Pérdida de carga de intercambiadores.
Dimensionado. Nociones sobre métodos rigurosos. Criterios para ubicación de fluidos.
Verificación de un equipo existente. Hojas de especificaciones. Referencias Norma TEMA.
Trenes de intercambio. Síntesis de redes, nociones.UNIDAD TEMÁTICA 3: CONDENSADORES.
Revisión de correlaciones según teoría de Nusselt. Correlación para condensación dentro y fuera
de tubos. Diseño térmico: vapor saturado, vapor sobresaturado, condensación con
subenfriamiento. Condensado de multicomponentes miscibles. Cálculo Curva de Condensación.
Referencias de condensador con inmiscibles y agua y no condensables. Condensadores de
vapor de agua: influencia del aire y del vacío en el condensador. Coeficientes totales según el
Heat Exchange Institute. Pérdidas de carga.UNIDAD TEMÁTICA 4: AEROENFRIADORES: ÁREA EXPANDIDA, EFICIENCIA DE ALETA,
FUNCIONAMIENTO.
Tipos y aplicaciones, tubos y cabezales. Consideraciones de proceso. Requerimientos de la
potencia de accionamiento de motores. Nomograma de corrección de la diferencia de
temperaturas para más de una hilera de tubos. Cálculo de la superficie de intercambio.
Aerocondensación de productos y vapor de agua.UNIDAD TEMÁTICA 5: EVAPORADORES.
Revisión de conceptos fundamentales. Efecto de la P y T y propiedades en coeficientes de
transferencia para ebullición. Correlaciones básicas. Clasificación de equipos. Evaporadores de
múltiple efecto. Vaporización dentro de tubos. Rehervidores. Tipos y clasificación. Alternativas de
alimentación. Metodología para el cálculo de la composición en cada caso. Termosifón horizontal
y vertical. Circulación natural y forzada. Vaporizador tipo marmita. Diseño hidráulico de
termosifones.UNIDAD TEMÁTICA 6: COMBUSTIÓN.
Generalidades. Combustión completa e incompleta. Combustión de hidrocarburos. Aspectos
físicos y químicos de la combustión. Estequiometría. Combustión con aire teórico y exceso de
aire. Temperatura adiabática de llama. Factor de exceso de aire. Pérdidas por calor sensible y
latente. Volumen de gases de combustión. Cálculo del rendimiento térmico. Método analítico y
gráfico. Quemadores; difusionales y de premezcla. Atomización por fluido auxiliar.UNIDAD TEMÁTICA 7: GENERADORES DE VAPOR.
Revisión conceptos fundamentales de ciclos. Clasificación y descripción de calderas. Calderas
humotubulares. Calderas de circulación natural. Calderas acuotubulares. De tubos rectos, de
tubos curvados. Calderas de circulación forzada. Centrales de generación térmicas y nucleares,
nociones.UNIDAD TEMÁTICA 8: HORNOS DE PROCESO.
Revisión de los conceptos fundamentales de radiación. Clasificación. Hornos cilíndricos
verticales, tipo caja, cabina, etc. Eficiencia térmica y de combustión. Criterios de selección de
hornos de proceso. Método de Lobo y Evans, zona radiante. Métodos globales. Número de
pasos. Tasa radiante. Temperatura de la pared de tubos. Diseño de la zona convectiva y
chimenea. Método de Monrad. Cálculo de coeficiente, número de hileras, etc. Cálculo de tiraje,
nociones. Uso de precalentadores de aire de combustión.UNIDAD TEMÁTICA 9: SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN.
Fluidos refrigerantes, selección. Sistema de refrigeración por absorción (NH3). Steam Jet.
Compresión mecánica. Selección de un sistema para un nivel de temperatura dado y carga
térmica. Funcionamiento. Capacidad. Ventajas de un sistema frente a otro.UNIDAD TEMÁTICA 10: USO RACIONAL DE LA ENERGÍA – FUENTES NO
CONVENCIONALES DE ENERGÍA.
Criterios de ahorro de energía en procesos. Aplicación sobre bomba de calor. Termocompresión.
Fuentes no convencionales de energía: comentarios sobre energía solar, eólica, geotérmica,
marina, termo-oceánica, etc. Principios fundamentales. Usos.
BIBLIOGRAFÍA
BIBLIOGRAFÍA OBLIGATORIA
TITULO
AUTORES
Procesos
de Kern, D.
Transferencia
de
Calor
Applied
Process Ludwing, E.
Design for Chemicals
and
Petrochemical
Plants Chapter "Heat
Transmission"
EDITORIAL
AÑO DE EDICION
EJEMPLARES
DISPONIBLES
CECSA
1998
7
Gulf
Publishing
Co.
1964
3
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA
TITULO
AUTORES
Compact
Heat
Exchangers
Standars
of
Tubular
Exchangers
Manufacturer
Association
Furnace
Operations
Manual
del
Ingeniero Químico
La Combustión
Handbook of Heat
Transfer
Simplified
air
cooler estimating
Kays & London
TEMA
Robert d. Reed
John H. Perry
G. Salvi
RohsenowHartnett
J.E.
Lerner.
Fluor
Corp.,
Houston Refrigeración
y Stoecker W.O.
acondicionamiento
de aire
Combustión
y Ing. Raúl F.
Generación
de Torreguitar/Ing.
Vapor
Alfredo Weiss
Steam
its Babcoc
&
Generation
and Wilcox
use
Transmisión
de Hernan
J.
Calor
y
sus Stoever
aplicaciones
Generalized
Norman
Method Predicts Wimpress, C.F.
Fired
Heaters Braun & Co
Performance
EDITORIAL
AÑO
EDICION
Gulf. Publishing 2007
Co.
TEMA
2007
DE EJEMPLARES
DISPONIBLES
-
Gulf Publishing 2007
Co.
Mc Graw Hill
1992
9
CECSA
Mc. Graw-Hill
2007
2007
-
Hidrocarbon
Processing
February 1972
1
Mac Graw Hill
1978
2
Prisma
2007
Publicaciones
SRL
Babcoc
&
Wilcox
-
Ediciones
Librería
del
Colegio
Chemical
May 22, 1978
Engineering
-
-
1
-
FORMACIÓN PRÁCTICA
FORMACIÓN EXPERIMENTAL: 6 hrs. -
RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS DE INGENIERÍA: 32 hrs.-
ACTIVIDADES DE PROYECTO Y DISEÑO: 22 hrs.-
ARTICULACIÓN CON OTRAS ASIGNATURAS
ASIGNATURAS CON QUE SE VINCULA: Termodinámica; Fenómenos de Transporte,
Fisicoquímica, Operaciones Unitarias II, Proyecto Final (Integración V).-
toma:
de las asignaturas de segundo nivel: ANÁLISIS MATEMÁTICO II conceptos de
Ecuaciones Diferenciales y de FÍSICA II Termología, Primer y Segundo Ppio de la
Termodinámica (integración vertical inferior).de las asignaturas de tercer nivel: TERMODINÁMICA conceptos de Balances
termodinámicos; Gases; Sustancias puras; Ecuaciones de estado; Equilibrio de
fases y Cálculo de propiedades, de FISICOQUÍMICA Sistemas multicomponentes y
equilibrio de fases, de FENÓMENOS DE TRANSPORTE Fluidos; Transporte de
energía; Balances microscópicos; Ecuaciones de variación o cambio; Coeficientes
de Transporte; Análisis dimensional; Correlaciones. (integración vertical inferior),
de la asignatura OPERACIONES UNITARIAS II de cuarto nivel, conceptos
correspondientes a Operaciones con transferencia de masa fluído- fluído, fluídosólido con transferencia de calor; Equipos y sistemas . (integración horizontal);
provee:
a la asignatura “Proyecto Final (Integración V) de quinto nivel, conceptos
correspondientes a balances de energía; dimensionamiento y distribución de
equipos; servicios auxiliares. (integración vertical superior).-
CORRELATIVAS PARA CURSAR
CURSADAS: Termodinámica, Fenómenos de transporte
APROBADAS: Análisis Matemático II, Física II
CORRELATIVAS PARA RENDIR EXAMEN FINAL
APROBADAS: Fenómenos de transporte.-
CARACTERÍSTICAS DE LA ACTIVIDAD CURRICULAR
DESCRIPCIÓN
Se realizan trabajos prácticos referidos a los distintos ítems enunciados previamente en
clases teóricas. Se busca la ejercitación y el interés del alumno en temas tan importantes
como la combustión y el intercambio térmico aplicado a la industria.Los recursos auxiliares necesarios son Marcadores y Pizarra; proyector de
transparencias; transparencias; computadoras; cañón de proyección; guías de
seminarios; folletería de productos; planos de equipos; fotos; videorreproductores;
videos; DVDs.Recientemente se han agregado dos prácticas de laboratorio: Intercambiadores de calor
de doble tubo, con dos distintos modos de operación: a) CONTRACORRIENTE Y b) COCORRIENTE.Nota: Estas dos prácticas se realizan en el LABORATORIO DE INGENIERÍA QUÍMICA, del
Depto de Ing. Química de la Facultad de Ingeniería de la U.N.L.P. en virtud de un convenio
de reciprocidad existente.MODALIDAD DE LA ENSEÑANZA
El desarrollo de la asignatura implica la realización de trabajos prácticos referidos a los
distintos temas enunciados previamente en las clases teóricas.Para la resolución de los mencionados prácticos, la cátedra cuenta con material de apoyo
tal como tablas, correlaciones y diseños y verificaciones ya resueltos que sirven de
modelo.- Además se emplean programas de simulación Pro II (SIMCI Provision) y Super
Pro Designer.
Para el dictado de las clases teóricas se emplean transparencias y también videos que
muestran el equipamiento industrial existente para las operaciones de transferencia
térmica.Además, en algunas oportunidades se invita a especialistas de firmas comerciales
proveedoras de estos equipos para exponer sobre el funcionamiento y la calidad de los
mismos.
En cuanto a las prácticas de laboratorio, la Cátedra se somete a la disponibilidad del
mismo con sus recursos asociados.-
EVALUACIÓN
Para la calificación de lo aprendido en los seminarios prácticos se implementan pruebas
parciales escritas, las que, cuando su resultado es dudoso o no conforma, se la
complementa con una evaluación oral. En lo demás, el régimen de recuperatorios es el
implementado por la Facultad.
Además existe la Evaluación Final, reglamentada por la Facultad, que permite conocer, en
ese momento, lo aprendido por el alumno de los contenidos de toda la materia.Proceso de Evaluación Continua:
En la Cátedra se implementa este proceso, el docente en lugar de estar sometido al
mecanismo de exponer solamente, o conducir trabajos prácticos; va a realizar la tarea de
"facilitador" del aprendizaje, como manera de apoyar al proceso.-
ESTRUCTURA DE LA CÁTEDRA
RESPONSABLE DE CÁTEDRA:
ESTRUCTURA DOCENTE
PROFESOR: POLITO Oscar Alberto
AUXILIAR: FULLONE Carlos Fernando
NÚMERO DE COMISIONES
NÚMERO DE ALUMNOS POR COMISIÓN:
PARA ACTIVIDADES TEÓRICAS : 3-4 alumnos.-
PARA ACTIVIDADES PRÁCTICAS
PROBLEMAS DE EJERCITACIÓN: Participa
todo el curso.PROBLEMAS DE INGENIERÍA: Participa todo el
curso.DE PROYECTO Y DISEÑO: Participa todo el
curso.LABORATORIO: 4-5 alumnos.-
CRONOGRAMA
UNIDAD TEMÁTICA
ACTIVIDADES
TIEMPO
Hasta la
semana:
U,T.1. INSCRIPCION
PROGRAMA MATERIA
Clase Expositiva Dialogada.-
U.T.1. Revisión tipos de Transferencia de
Calor. Conducción, Convección y Radiación.
Mecanismos.U.T.1. Aislación. Distintos tipos. Aplicación a
cañerías, recipientes y tanques.
Espesor económico, radio crítico. Ejemplo.U.T.2. Fundamentos de Intercambio de
Calor entre dos fluídos sin cambio de Fase.
Area de transferencia. Coeficientes. Fouling.-
Clase Expositiva Dialogada.-
U.T.2. M.L.T.D. Diferencia de temp.
media log.. Ejemplos en clase. Distintas
situacionesU.T.2. Intercambiador doble tubo.
Descripción. Cálculo coeficientes, pérdida
de carga.U.T.2. Ejemplo en clase.-
Clase Expositiva.-
U.T.2. Intercambiador Doble Tubo
LABORATORIO: Dos Prácticas: 1°) Fluídos
en contracorriente 2°) Fluídos en cocorriente.-
Trabajo Práctico de Laboratorio.-
U.T.2. Intercambiadores de Casco y Tubos.Descripción. TEMA “R”. Tabla comparativa
Distintos tipos. Planilla de Especificaciones.U.T.2. Criterios de Diseño térmico.
Parámetros básicos.U.T.2. Diagrama de Flujo para diseño y
verificación.U.T.2. Ejemplo práctico con Guía.Explicación Tablas y Correlaciones.U.T.2. Rating. N.T.U.. Aplicación en
ejemplo.U.T.2. Entrega ejercicio para realizar en
clase, con rating incluído.U.T.2. Método de BELL. Pérdida de carga
y coeficiente pelicular por Coraza.-
Clase Expositiva Dialogada con
entrega de planillas.-
U.T.2. INTERCAMBIADORES DE
PLACAS. Diseño. Descripción.
Ejemplo en clase.-
Clase Expositiva Dialogada con
maqueta de equipo.-
U.T.2. REPASO – CONSULTAS.-
CONSULTAS.--
1/2 semana
1,5
Clase Expositiva con presentación
de aislantes.-
2,5
Clase Expositiva.3
3,5
Clase Expositiva.4,5
Resolución de problemas.5,5
7
8
Clase Expositiva Dialogada.8,5
Clase Expositiva Dialogada.9
Resolución de problemas.10
Trabajo Práctico.10,5
Trabajo Práctico. Proyección video
con problemas de fouling.Clase Expositiva.-
11,5
12,5
13,5
14
PRIMER PARCIAL
Evaluaciones parciales.14,5
Recuperatorio (1er. Parcial).-
Evaluaciones parciales.-
U.T.3. CONDENSACION de Vapores
simples y mezclados. MLTD, UC, UD
balanceados.U.T.3. MLTD Balanceada.
Desobrecalentador-Condensador. Ejemplo
Práctico.U.T.3. MLTD Balanceada.Condensación de
Vapores mezclados. Ejemplo práctico.U.T.3. Entrega ejercicio para realizar en
clase. Simulación.U.T.4. Area Expandida. Eficiencia de Aleta.-
Clase Expositiva con proyección de
transparencias.-
15
16
Resolución de problemas.17
Trabajo Práctico.18,5
Trabajo Práctico.20,5
Clase Expositiva.21
U.T.4. AEROENFRIADORES /AEROCONDENSADORES.
Clase Expositiva con proyección
Descripción.
de transparencias.Cálculo Aeroenfriador. Ejemplo Práctico.Resolución de problemas.U.T.5. EVAPORACION. Reboilers.
Clase Expositiva.Circulación natural y forzada. Termosifón
horizontal vertical.U.T.5. Ejemplo Evaporación Reboiler
Resolución de problemas.Circulación Natural. Termosifón vertical.U.T.5. Termosifón horizontal. Entrega
ejercicio para realizar en clase.-
Trabajo Práctico.-
U.T.6. COMBUSTION. Mecanismo. Llama,
frente y temperatura adiabática. Tipos,
llama de premezcla y de difusión.Estequiometría. Control de la combustión.
Exceso de aire.-
Clase Expositiva con proyección
de transparencias.-
U.T.7. Generadores de Vapor.-
Clase Expositiva.-
U.T.8. Radiación. Hornos de Proceso.
Tipos. Verificación y Diseño.
Clase Expositiva con proyección
de transparencias.-
21,5
22
23
25
25,5
26
26,5
Método de Lobo y Evans.U.T.8. Horno tipo Caja – Zona convectiva
lisa / aleteada.U.T.8. Horno tipo cilíndrico –
Ejercicio en clase.REPASO - CONSULTAS.-
Clase Expositiva.-
SEGUNDO PARCIAL
Evaluaciones parciales.-
U.T.9. Sistemas de Refrigeración.-
Clase Expositiva Dialogada.-
U.T.10. Clases sobre Fuentes no
convencionales de energía.Semana de Recuperatorios
(1ro./2do. Parcial).-
Clase Expositiva con transparencias.-
28
Trabajo Práctico.29
CONSULTAS.29,5
30
31
32
Evaluaciones parciales.-