Universidad de Jaén

Fundamentos Térmicos y Termodinámicos. Equipos y generadores térmicos. Motores térmicos. Calor y frío industrial.

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.

  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.  

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.1.1.7.- 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: Centrales térmicas .- 6.1.- Clasificación de las centrales según los ciclos térmicos empleados. 6.2.- Disposición de los elementos de una central de vapor. 6.3.- Calentadores cerrados y Calentadores abiertos o de mezcla. 6.4.- Eyectores. 6.5.- Ciclo de Carnot para vapor. 6.6.- Análisis energético del ciclo ideal. 6.7.- Mejora del rendimiento del ciclo de Rankine. 6.8.- Aumento de la temperatura media de absorción de calor. 6.9.- Disminución de la temperatura media de cesión de calor. 6.10.- Ciclo de Rankine con recalentamiento intermedio. 6.11.- Ciclo ideal de Rankine con regeneración.  6.12.- Ciclo irreversible de Ranking.            

  Tema 7: Refrigeración .- 7.1.- Definición. 7.2.- Máquina frigorífica y bomba de calor. 7.3.-Coeficientes de eficiencia. 7.4.- Ciclo de Carnot invertido. 7.5.- Ciclos en máquinas frigoríficas de vapor. 7.6.- Mejoras del rendimiento: Subenfriamiento mediante agua de refrigeración. Subenfriamiento mediante intercambiador de calor. 7.7.- Pérdidas de exergía en la instalación frigorífica. 7.8.- Propiedades de los refrigerantes. 7.9.- Ciclos de compresión en varias etapas: Método de cascada sin intercambio másico. Método de cascada con intercambio másico. Método de multicompresión con refrigeración intermedia. 7.10.- Sistemas de refrigeración sin compresor: Refrigeración por eyección de vapor de agua. Refrigeración por absorción. 7.11.- Ciclos Criogénicos: Ciclo Linde de refrigeración. Ciclo Linde para licuefacción de aire. Licuefacción con obtención de trabajo (ciclo Claude)

  Tema 8: Motores de combustión interna alternativos .- 8.1.- Conceptos generales. 8.2.- Motores de combustión interna alternativos. 8.3.- Ciclo operativo del motor de 4 tiempos. 8.4.- Ciclo operativo del motor de 2 tiempos. 8.5.- Diagrama teórico de un motor de 4 tiempos. 8.6.- Diagrama real de un motor de 4 tiempos. 8.7.- Ciclos teóricos. 8.8.- Ciclo ideal OTTO. 8.9.- Ciclo ideal DIESEL. 8.10.- Ciclo ideal MIXTO o de SABATHE. 8.11.- Ciclo de aire. 8.12.- Ciclo de aire-combustible. 8.13.- Potencia indicada. 8.14.- Presión media indicada. 8.15.- Potencia efectiva. 8.16.- Rendimientos. 8.17.- Consumo específico de combustible. 8.18.- Curvas características: a plena carga y a cargas parciales.        

  Tema 9: Turbinas de gas. - 9.1.- Centrales térmicas con turbinas de gas. 9.2.- Descripción de los motores de turbinas de gas: de ciclo abierto simple; de ciclo cerrado. 9.3.-  Ciclo Brayton ideal de aire. 9.4.- Ciclo Brayton real de aire. 9.5.- Ciclo Brayton regenerativo. 9.6.- Motores de turbina de gas con recalentamiento. 9.7.- Motores de turbina de gas con refrigeración. 9.8.- Motores de TG con refrigeración, recalentamiento y regeneración. 9.9.- Otros ciclos en los motores de turbinas de gas. 9.10.- Ciclo mixto turbinas de gas-turbinas de vapor. 9.11.- Ciclo Ericsson. 9.12.- Ciclo Stirling.

  Tema 10: Transmisión de calor .- 10.1.- Introducción. 10.2.- Conducción. 10.3.- Convección. 10.4.- Radiación. 10.5.- Requerimientos de conservación de la energía. 10.6.- Análisis de problemas de transferencia de calor.

  Tema 11: Conducción .- 11.1.- Introducción. 11.2.- El modelo para la conducción. 11.3.- Conducción unidimensional de estado estable: pared plana, pared cilíndrica y pared esférica.  11.4.- Conducción con generación de energía térmica. 11.5.- Transferencia de calor en superficies extendidas. 11.6.- Eficiencia global de las superficies.

  Tema 12: Convección .- 12.1.- Transferencia de calor por convección. 12.2.- Capas límite de convección. 12.3.- Flujo laminar y turbulento. 12.4.- Ecuaciones para la transferencia por convección. 12.5.- Aproximaciones y condiciones especiales. 12.6.- Similitud de capas límite: ecuaciones de transferencia por convección normalizadas. 12.7.- Significado físico de los parámetros adimensionales. 12.8.- Analogías en la capa límite. 12.9.- Efectos de la turbulencia.

  Tema 13: Correlaciones empíricas para Convección .- 13.1.- Introducción. 13.2.- Ecuaciones Diferenciales de la convección: Convección forzada; Convección libre y Transmisión de calor en los cambios de estado. 13.3.- Correlaciones empíricas en convección. 13.3.1.- Flujo externo, convección forzada, sin cambio de fase. 13.3.2.- Flujo interno, convección forzada, sin cambio de fase. 13.3.3.- Convección libre, sin cambio de estado. 13.3.3.1.- Circulación alrededor de placas y tubos verticales (flujo externo). 13.3.3.2.- Circulación alrededor de placas horizontales e inclinadas (flujo externo). 13.3.3.3.- Circulación alrededor de cilindros horizontales (flujo externo).  13.3.3.4.- Convección natural entre cilindros concéntricos. 13.3.3.5.- Condensación laminar.

  Tema 14: Intercambiadores de calor.- 14.1.- Introducción. 14.2.- Tipos de intercambiadores de calor. 14.3.- Coeficiente global de transferencia de calor. 14.4.- Análisis del intercambiador de calor: Uso de la diferencia de temperatura media logarítmica (DTML). 14.5.- Análisis del intercambiador de calor: Método de la eficiencia NUT.- 14.6.- Metodología del cálculo de un intercambiador de calor. 14.7.- Intercambiadores de calor compactos.

• Obtener la calificación de APTO, realizando las prácticas de laboratorio y presentando las memorias correspondientes
• Superar el examen teórico de la signatura
• Superar el examen práctico de la asignatura

Debido a que la asignatura carece de docencia presencial, la evaluación será mediante un examen final escrito de los contenidos de la asignatura.

 La parte de prácticas de Laboratorio, para aquellos alumnos que no la hubiesen superado, en su día, consisitirá en un examen escrito relacionado con las mismas y que el alumno deberá superar una vez que haya aprobado el examen final de teoría y problemas. 

La evaluación se realizará por medio de un examen escrito 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.

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 cuanto a las prácticas de laboratorio, aquellos alumnos que no las tuviesen superadas de cursos anteriores, realizarán un examen de las mismas, siendo necesario obtener la calificación de APTO.

El examen de prácticas se realizará una vez que el alumno haya superado el examen teórico.