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• Andrea Acuña

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Mecánica

SÍLABO CURSO: TERMODINÁMICA II I.

INFORMACIÓN GENERAL CÓDIGO : MN 116 Termodinámica II CICLO :6 CRÉDITOS :3 HORAS POR SEMANA : 4 (2 Teoría – 2 Práctica) PRERREQUISITOS : Termodinámica I CONDICIÓN : Obligatorio ÁREA ACADÉMICA : Ciencias de Ingeniería PROFESOR : Ing. Godofredo Valdivia, Fausto E-MAIL : [email protected]

II.

SUMILLA DEL CURSO El curso prepara al estudiante en la aplicación de los conceptos de combustión, procesos de compresión de gases y vapores, termodinámica de la compresión mecánica de vapores, introducción al estudio de los ciclos termodinámicos, ciclo Clausius-Rankine, ciclo Joule-Brayton, ciclo teórico de los motores de combustión interna, ciclo de refrigeración y cogeneración.

III.

COMPETENCIAS El estudiante: 1. Aplica los principios de la termodinámica al análisis de ciclos propios de los sistemas energéticos. 2. Determina la eficiencia de las plantas y plantea las mejoras para elevar la eficiencia y el ahorro de combustible.

IV.

UNIDADES DE APRENDIZAJE 1. INTRODUCCIÓN / 4 HORAS Combustión. / Mecanismo de combustión: combustión y comburente. Combustibles: carbón mineral, petróleo, gas natural, alcoholes, gabazo, leña, carbón de leña. / Análisis de combustibles. Procesos de combustión. / Ecuación de reacción: reactivos y productos. / Combustión ideal. / Av. Túpac Amaru Nº 210,– Lima 25, Perú Telefax 482-3643 / Central UNI 481-1070 (513)

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Combustión completa y combustión incompleta. / Aire estequiométrico. / Mezcla estequiométrica. / Relación aire-combustible. / Combustión ideal con oxígeno. / Combustión con aire. / Aire atmosférico: composición. / Combustión ideal con aire. / Combustión ideal con exceso de aire. / Combustión real. / Combustión con deficiencia de aire. / Combustión real con exceso de aire. 2. ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN / 4 HORAS Analizador de gases de productos de la combustión. / Procedimiento para el ensayo. /Análisis de productos secos. / Cálculos basados en el análisis de los productos. / Otros analizadores. / Análisis de los procesos de combustión. / Energía química. / Calor de reacción. / Calor de reacción estándar. / Calor de combustión. / Poder calorífico. / Entalpía de reacción. / Entalpía de combustión. / Energía interna de combustión. / Entalpía de formación. / Cálculo de entalpías. / Cálculo de la energía interna. / Cálculo de calor transferido. / Temperatura de llama adiabática. / La segunda ley y los procesos de combustión. 3. PROCESOS DE COMPRESIÓN DE GASES Y VAPORES / 4 HORAS Introducción. / Proceso politrópico: análisis de la politrópica. / Procesos de compresión politrópica. / Procesos de compresión isoentrópicos. / Eficiencia adiabática. / Procesos de comprensión isotérmicos. / Eficiencia isotérmica. / Compresión de múltiples etapas. / Refrigeración intermedia. / Condición de trabajo mínimo: presión optima de compresión. / Eficiencia energética del proceso. 4. COMPRESORES / 4 HORAS Introducción. / Compresores: nociones básicas. / Compresores de desplazamiento positivo: tipo de compresores. / Análisis isoentrópico y politrópico en compresores. / La estación de compresores. / Funcionamiento económico de la estación. / Compresores reciprocantes. / Principio de funcionamiento. / Compresor ideal sin volumen muerto. / Compresor ideal con volumen muerto. / Eficiencia volumétrica convencional. / Eficiencia volumétrica real. / Trabajo y potencia en un compresor con volumen muerto. / Potencia indicada. / Potencia al eje. / Eficiencia mecánica. / Definiciones: diagrama de un compresor. / Índice de compresión. / Presión media indicada. / Compresores monofásicos. Compresores bifásicos: simple efecto y doble efecto. / Indicadores de desempeño. 5. COMPRESORES CENTRÍFUGOS Y AXIALES / 4 HORAS Principio de funcionamiento. / Etapas del compresor. / Potencia y eficiencia del compresor. / Compresores monofásicos y compresores bifásicos. / Av. Túpac Amaru Nº 210,– Lima 25, Perú Telefax 482-3643 / Central UNI 481-1070 (513)

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Indicadores de desempeño. / Compresores rotativos. / Principio de funcionamiento. / Tipos de compresores. / Potencia y eficiencia del compresor. / Economizadores. / Indicadores de desempeño. 6. TERMODINÁMICA DE LA COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPORES / 4 HORAS Introducción. / Principios básicos de turbocompresión y motocompresión. / Evaporación simple y evaporación en múltiple efecto: características generales. / Descripción de los equipos. / Compresores e intercambiadores de calor convencionales. / Intercambiadores de calor especiales: de tubos térmicos, lamina, placas térmicas, sistemas Bi-Transfer. / Eficiencia energética y coeficiente de sustitución. / Aplicaciones básicas: destilación, evaporación, secado, uso racional de la energía. / Indicadores de desempeño. 7. CICLO CLAUSIUS - RANKINE / 6 HORAS Introducción. / El ciclo Clausius-Rankine. / Parámetros característicos. / Procesos. / Eficiencia térmica. / Mejoramiento de la eficiencia: influencia del sobre calentamiento, influencia de la presión de vapor, influencia de la presión de descarga, influencia de recalentamiento. / Análisis energético. / Modelado de plantas de potencia a vapor. / El ciclo de las plantas con turbinas a vapor. / Componentes principales: generador de vapor, turbina, condensador, bomba. / El ciclo real: perdidas internas y pérdidas externas al ciclo. / Eficiencia del caldero. / Eficiencia de turbina. / El ciclo regenerativo ideal. / El ciclo regenerativo con extracciones de vapor. / Calentadores de agua de alimentación. / Temperatura máxima del agua de alimentación. / Optimización del número de extracciones. 8. PLANTA DE CALDEROS / 4 HORAS Principio de funcionamiento. / Descripción de los sistemas. / Balance térmico. / Indicadores de desempeño. / Planta térmica de vapor. / Principio de funcionamiento. / Descripción de los sistemas. / El Caldero como proceso controlado. / La turbina de vapor. / Factor de recalentamiento y curva de condición de la turbina. / El condensador control de la planta. / Balance térmico. / Indicadores de desempeño. / El ciclo binario. / Principio de funcionamiento. / Descripción de los sistemas. / Eficiencia térmica. / Balance térmico. 9. CICLO JOULE-BRAYTON / 6 HORAS Av. Túpac Amaru Nº 210,– Lima 25, Perú Telefax 482-3643 / Central UNI 481-1070 (513)

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Introducción. / El ciclo Joule-Brayton. / Parámetros característicos. / Procesos. / Eficiencia térmica. / Mejoramiento de la eficiencia: comprensión por etapas, regeneración, recalentamiento intermedio. / Relación de trabajos: trabajo específico neto. / Modelado de plantas de potencia a gas. / El ciclo de las plantas con turbinas a gas. / Componentes principales: compresores, calentador, turbina, enfriador. / Análisis energético. / Relación de presiones para el trabajo neto máximo. / El ciclo abierto en turbinas de gas. / Ciclo regenerativo ideal / Ciclo con recalentamiento y regeneración. 10. CICLO BRAYTON REAL / 4 HORAS Perdidas internas y perdidas externas al ciclo. / Eficiencia del compresor. / Eficiencia de la turbina. / Ciclo simple real: efectividad del regenerador. / El ciclo con compresión y expansión en múltiples etapas. / Turbina a gas de dos ejes. / Turbina a gas de uso aeronáutico: procesos en el difusor y la tobera. / Turbohélice. / Turbojet. / Balance térmico. / Indicadores de desempeño. / Ciclo combinado. / Principio de funcionamiento. / Descripción de los sistemas. / Eficiencia térmica. / Balance térmico. 11. CICLOS TEÓRICOS DE LOS MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA / 4 HORAS Ciclo Otto. / Procesos. / Ciclo Otto y la máquina reciprocante. / Parámetros característicos. / Análisis energéticos. / Eficiencia. / Perdidas externas. / Balance térmico. / Indicadores de desempeño. / El motor de cuatro tiempos. / Componentes. / Ciclo Diesel. / Procesos. / El ciclo Diesel y la máquina reciprocante. / Parámetros característicos. / Análisis emergentico. / Eficiencia. / Perdidas externas. / Balance. / Comparación entre el ciclo Otto y el ciclo Diesel. / El ciclo Dual. / Otras definiciones para el análisis de los ciclos Otto y Diesel. /Combustibles para MCI. 12. CICLOS DE REFRIGERACIÓN / 4 HORAS Introducción / clasificación de los ciclos de refrigeración / El ciclo de refrigeración por compresión mecánica de vapor / Ciclo ideal y ciclo real / diagrama p-h / Mejoras de la perfomance en el ciclo: Subenfriamiento y sobrecalentamiento con intercambiadores de calor / Compresión en múltiples etapas con enfriador tipo ¨Flash¨ / Compresión en múltiples etapas con varios evaporadores / Refrigeración en cascada. Av. Túpac Amaru Nº 210,– Lima 25, Perú Telefax 482-3643 / Central UNI 481-1070 (513)

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13. COGENERACIÓN / 4 HORAS Sistema convencional y sistema de cogeneración. / Cogeneración con: turbina a vapor con contrapresión pura, turbina a vapor contrapresión con extracción, turbina de vapor de condensación con extracción. / Ciclo combinado: turbina de gas y turbina a vapor. / Cogeneración con grupo electrógeno. / Cogeneración y refrigeración por comprensión mecánica de vapor y por absorción.

V.

METODOLOGÍA El curso se desarrollará en sesiones de teoría y prácticas. En las sesiones de teoría, el docente presenta conceptos, teoremas y aplicaciones. En las sesiones prácticas, se resuelve diversos problemas y se analiza su solución. En todas las sesiones se promueve la participación activa del alumno.

VI.

FÓRMULA DE EVALUACIÓN Sistema de Evaluación “F”. Cálculo del Promedio Final: PF = (1 EP+2 EF+1 PP)/4 EP: Exámen Parcial, EF: Exámen Final, PL: Promedio de Práctica Calificada.

VII.

BIBLIOGRAFÍA 1. VAN WYLEN–SONNTAG–BORGNAKKE. Fundamentals of classical Thermodynamics SIXTH EDITION. EDITORIAL Wiley. 1993. 2. BORGNAKKE-SONNTAG, University of Michigan, Fundamentals of Thermodynamics, 8/edition 2013 EDITORIAL Wiley. 3. CENGEL-BOLES, Termodinámica, Séptima Edición, Editorial Mc Graw Hill, 2012 4. MORAN-SHAPIRO, Fundamentals of Engineering-thermodynamics-5th edition-2006 EDITORIAL Wiley 5. WARK-RICHARDS, Termodinámica. 6th Edición. Editorial Mc Graw Hill. 6. POTTER-SCOTT. Termodinámica. Thomson Editores S.A. 2006. 7. BURGHARDT. Ingeniería Termodinámica. 2th edición. Ed. Harla. Inc. 1984. 8. RUSSEL – ADEBIYI. Termodinámica clásica. 1th edición. Ed. Addison Wesley Iboamericana. 1993. Av. Túpac Amaru Nº 210,– Lima 25, Perú Telefax 482-3643 / Central UNI 481-1070 (513)