Enginyeria Tèrmica i de Fluids

ENGINYERIA INDUSTRIAL
ENGINYERIA
TÈRMICA I DE
FLUIDS
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25026 Enginyeria Tèrmica i de Fluids. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 28/05/08
1
Crèdits: 6 ( 3T + 1,5 pràctiques + 1.5 Laboratori)
Crèdits ECTS: 4,8
Tipus: Troncal
Coordinadors: Manel Quera (MMT) / Salvador de las Heras (MF)
Altres Professors: Òscar Ribé, Albert Puig (MMT) / Hipòlit Moreno, Xavier Gámez-Montero (MF)
Departament: Màquines i Motors Tèrmics / Mecànica de Fluids
Presentació
Coneixements previs
Mecànica de fluids. Termodinàmica. Transferència de calor
Camps professionals
Enginyeria tèrmica: Principis i tecnologia bàsica de motors tèrmics i sistemes de producció de fred.
Enginyeria de fluids: Disseny d’equips i instal·lacions hidràuliques i de ventilació. Manteniment.
Relació amb altres assignatures
Assignatura pretecnològica d’enllaç entre assignatures científiques prèvies (mecànica de fluids,
termodinàmica, transferència de calor) i assignatures tecnològiques d’especialització posteriors dins
del camp de l’enginyeria tèrmica (motors tèrmics alternatius, combustió i turbomàquines, refrigeració i
condicionament d’aire) i del camp de l’enginyeria de fluids (màquines hidràuliques)
Objectius generals
Estudi dels principis operatius, tecnologia bàsica i aplicacions de les màquines tèrmiques i de les
màquines hidràuliques. Aquests equips permeten obtenir energia mecànica, a partir del contingut
energètic d’un fluid (màquines generadores d’energia mecànica) o cedir energia mecànica a un fluid
per tal d’incrementar el seu nivell energètic (màquines consumidores d’energia mecànica).
Les màquines tèrmiques se centren en els fluids compressibles (usualment gasos) i les màquines
hidràuliques en els fluids incompressibles (líquids) o que es comporten pràcticament com a
incompressibles (gasos sotmesos a poca variació de pressió).
L’assignatura està estructurada en dos blocs o mòduls docents diferenciats : màquines tèrmiques (3
cr) i màquines hidràuliques (3 cr).
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25026 Enginyeria Tèrmica i de Fluids. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 28/05/08
2
Temari
Mòdul 1: Màquines hidràuliques
1. Conceptes i classificació general.`
2. Turbomàquines: bombes i ventiladors. Corbes característiques.
Selecció. Àmbits d'aplicació.
3. Teories uni i bidimensional. Triangles de Euler. Grau de reacció.
4. Instal·lacions amb turbomàquines. Punt de funcionament.
5. Teoria de models. Grups adimensionals i semblança.
6. Sistemes de regulació. Vàlvules de control. Selecció. Tipologia.
7. Funcionament inestable. Cop d'ariet. Estimació del temps d’aturada. Cavitació.
8. Soroll en Turbomàquines.
9. Bombes i compressors volumètrics. Àmbits d’aplicació.
Corbes i gràfics característiques. Dimensionament i selecció.
10. Laboratori
Mòdul 2 : Màquines tèrmiques
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Introducció a les màquines tèrmiques
Bescanviadors de calor
Combustibles i combustió
Motors alternatius de combustió interna
Màquines frigorífiques
Turbines de vapor
Turbines de gas
Laboratori
30 hores
(1 hores)
(3 hores)
(1 hores)
(2 hores)
(2 hores)
(4 hores)
(3 hores)
(1 hores)
(6 hores)
(7 hores)
30 hores
(4 hores)
(2 hores)
(4 hores)
(4 hores)
(5 hores)
(3 hores)
(2 hores)
(6 hores)
Objectius específics dels mòduls
„
Mòdul 1 : Màquines hidràuliques
Donar als alumnes els coneixements bàsics sobre:
-
„
el funcionament de les turbomàquines més usuals, com bombes i ventiladors, i també de les
màquines volumètriques, la seva selecció i el seu àmbit d'aplicació.
els criteris per al disseny d'una instal·lació..
els sistemes de control i regulació d’instal·lacions amb turbomàquines.
els problemes més freqüents que esdevenen de l’explotació normal d’una instal·lació:
cavitació, cop d’ariet o soroll.
Mòdul 2 : Màquines tèrmiques
Estudi dels dos tipus principals de màquines tèrmiques :
-
Màquines tèrmiques motores o directes (motor tèrmic): Generadores d’energia mecànica, a
partir d’energia tèrmica (calor)
Màquines tèrmiques generadores o inverses : Consumidores d’energia mecànica.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25026 Enginyeria Tèrmica i de Fluids. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 28/05/08
3
En el cas dels motors tèrmics, es pretén donar una visió global dels diferents tipus de màquines
existents, incidint posteriorment, i amb més profunditat, en els equips de major importància històrica o
actual : màquina de vapor, motors alternatius de combustió interna (Otto, Diesel), cicles de turbines
de vapor i cicles de turbines de gas.
Per aquests equips de major importància, s’incidirà especialment en característiques constructives i
operatives, aplicacions i predicció de prestacions i rendiment.
En el cas de les màquines tèrmiques inverses, es tracten fonamentalment les màquines frigorífiques
o de generació de fred, com a una de les aplicacions més destacables per a aquests tipus de
màquines.
En el tractament dels diferents temes, s’incidirà en l’avaluació de l’impacte ambiental de les màquines
tèrmiques.
„
Objectius de l’alumne
„
Mòdul 1 : Màquines hidràuliques
L’alumne ha de conèixer els tipus de màquines estudiades, el seu funcionament, els criteris
bàsics de selecció emprats a l’enginyeria i el seu àmbit d'aplicació. També ha de dominar la
interrelació de la màquina amb el sistema en el que es connecta i com actuar per modificar el
punt de funcionament. Finalment, ha de ser conscient dels problemes més freqüents que
esdevenen de l’explotació normal d’una instal·lació i com evitar-los.
„
Mòdul 2 : Màquines tèrmiques
L’alumne ha de conèixer els principis operatius, tecnologia bàsica i evolució històrica dels
principals tipus de motors tèrmics i equips de generació de fred. Ha de saber realitzar balanços i
determinar el rendiment i prestacions dels equips estudiats. Així mateix ha de saber delimitar els
tipus d’aplicacions i limitacions d’utilització de cada equip, incidint especialment en l’impacte
mediambiental que la seva explotació pot suposar.
Metodologia de treball
El treball serà presencial, tant pel que fa al seguiment de l’assignatura a les classes de teoria com a
les pràctiques de laboratori. L’assignatura està estructurada en dos blocs temàtics diferenciats, amb
programes de contingut, pràctiques i avaluacions específics per a cada bloc : màquines hidràuliques
(3 cr) i màquines tèrmiques (3 cr).
En les classes de teoria s’hi inclouen petites aplicacions en format de problemes. Las pràctiques són
un pilar fonamental per l’assignatura pel que es farà un control de assistència. Al final del curs s’ha de
presentar una memòria de les practiques realitzades que serà una eina de avaluació.
Sessions teoria, problemes
„
Màquines hidràuliques : 1 Sessió presencial Teoria+Problemes / setmana de 2 Hores
„ Màquines tèrmiques : 1 Sessió presencial Teoria+Problemes / setmana de 2 Hores
Pràctiques, laboratoris
„
Mòdul 1: Màquines hidràuliques
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25026 Enginyeria Tèrmica i de Fluids. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 28/05/08
4
Activitats previstes : 5 pràctiques de laboratori i una sessió de simulació amb ordinador.
Les pràctiques es realitzen en el Laboratori de Mecànica de Fluids (Edifici TR4/Planta 0)
„
„
„
„
„
„
„
Pràctica 1: Determinació de les corbes característiques d’una bomba centrífuga..
Pràctica 2: Determinació de les corbes característiques d’un ventilador. Validació de les lleis
de semblança..
Pràctica 3: Identificació de les característiques de flux d’una vàlvula motoritzada. Corbes
inherent i instal·lada i coeficient de cabal.
Pràctica 4: Estudi del cop d’ariet i de les oscil·lacions en massa en una instal·lació real amb
xemeneia d’equilibri. L’equip està monitoritzat per ordinador amb un sistema de tractament i
visualització de dades.
Pràctica 5. Treball amb sistemes pneumàtics convencionals.
Pràctica 6. Estudi d’una sala de compressors: components, funcionament i límits funcionals.
Mòdul 2 : Màquines tèrmiques
Activitats previstes : 3 pràctiques de laboratori i una sessió de vídeo.
Les pràctiques es realitzen en el Laboratori de Motors Tèrmics i Automòbils (Edifici TR4/Planta 1)
„
„
„
„
Pràctica 1: Característiques constructives i d’operació dels bescanviadors de calor
Pràctica 2: Característiques constructives i d’operació del motor Otto 4 temps i del motor
Diesel 4 temps
Pràctica 3: Característiques constructives i d’operació del motor Otto 2 temps i del motor
rotatiu Wankel
Sessió de vídeo : Tecnologia de motors tèrmics
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Mòdul
Mòdul 1: Màquines hidràuliques
Mòdul 2: Màquines tèrmiques
TOTAL ASSIGNATURA
Temps de
Classe
30
30
60
Temps
d’estudi
30
30
60
Temps
total
60
60
120
Importància i dificultat dels mòduls
Els mòduls són independents i complementaris entre sí, però amb una estructura docent similar. Es
planteja la introducció teòrica necessària complementada amb el treball de laboratori. Ambdós mòduls
presenten el mateix nivell d’importància i dificultat.
Bibliografia bàsica Mòdul 1 (Màquines hidràuliques)
Stepanoff Centrifugal and axial flow pumps , John Wiley and Sons
Balje Turbomachines. A guide to design, selection and theory , MIT Press , 1984.
Wallis Axial Flow Fans and Ducts , John Wiley and Sons , 1983.
Turton Rotodynamic Pump Design , Cambridge University Press , 1994.
Hutchinson ISA Handbook of Control Valves , ISA , 1976.
ENGINYERIA INDUSTRIAL
25026 Enginyeria Tèrmica i de Fluids. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
Modificada en CAA de data 28/05/08
5
Bibliografia complementaria Mòdul 1 (Màquines hidràuliques)
De las Heras, S. Màquines hidràuliques. Reprografia ETSEIAT.
Lamit, G. Piping Systems. Drafting and Design , Prentice Hall
Osborne Fans , Pergamon Press ISBN 0 08 021725 7 , 1977.
Sulzer Centrifugal Pump Handbook , Elseiver Applied Science- ISBN 1 85166 442 4 , 1989.
Whitfield, B. Design of Radial Turbomachines , Longman Scientific and Technical , 1990.
Stepanoff Turboblowers , Ed. John Wiley and Sons
Wilson The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas turbines , Ed. MIT Press , 1984.
Bibliografia bàsica Mòdul 2 (Màquines tèrmiques)
Carreras, R., Quera, M., Ribé, O. Màquines Tèrmiques. Reprografia ETSEIT.
Kays, W.M., London, A.L. Compact heat exchangers. McGraw-Hill (1984)
Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines. MacMillan.(1985).
Pita, E.G., Principios y sistemas de refrigeración. Limusa (1991)
Polo Encinas, M., Turbomáquinas de fluido compressible. Limusa (1984)
Bibliografia complementaria Mòdul 2 (Màquines tèrmiques)
Heywood, J.B., Internal Combustion Engines Fundamentals. McGraw-Hill (1988).
Bathie, W.W., Fundamentals of Gas Turbines. John Wiley&Sons (1996).
Sauer, H.J., Howell, R.H., Heat Pump Systems. Krieger Publishing Company (1991)
Avaluació
El sistema d’avaluació segueix la fórmula que s’indica, què és mitja ponderada de les qualificacions
obtingudes per l’alumne en cadascun dels mòduls de l’assignatura, incloses les pràctiques de
laboratori.
Nf = (1/2)(0,4*N11m+0,4*N12m+0,2*N1p)+ (1/2) (0,4*N21m+0,4*N22m+0,2*N2p)
Nf : Nota final
N11m : Nota 1er examen 1r mòdul
N21m : Nota 1er examen 2on mòdul
N12m : Nota 2on examen 1r mòdul
N22m : Nota 2on examen 2on mòdul
N1p : Nota pràctiques 1er mòdul
N2p : Nota pràctiques 2on mòdul