Máquinas Motrices I 5405

Programa de:
Máquinas Motrices I
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL COMAHUE
Facultad de Ingeniería
Según Ordenanzas Nº:
Código:
00806/97
Como MATERIA OBLIGATORIA para las carreras de:
Ingeniería Mecánica
Año:
4to
2do C
5405
DEPARTAMENTO:
Mecánica Aplicada
ÁREA:
Termotecnia
ORIENTACIÓN:
Máquinas Térmicas
Según Ordenanzas Nº:
REGIMEN:
Como MATERIA OPTATIVA para las carreras de:
CARGA HORARIA SEMANAL:
Año:
Año:
VIGENCIA:
Cuatrimestral (16 semanas)
8
Hrs
2015
Fundamentación :
La generación de energía es una de las principales tareas que deben llevar adelante los
ingenieros. En particular, la energía mecánica producida a partir de reacciones de
combustión ha sido un pilar del desarrollo humano desde la revolución industrial hasta
nuestros días. No obstante el creciente interés perseguido en los últimos años en relación al
empleo de las denominadas energías renovables, las máquinas térmicas siguen ocupando
actualmente los primeros lugares en cuanto al uso para la generación de energía y
transporte. Por este motivo, es de suma importancia la comprensión de los principios de
funcionamiento de tales máquinas y de los procesos físicos y químicos que ocurren dentro
de ellas, a fin de alcanzar las capacidades necesarias para realizar su diseño, optimización
y/o selección.
Objetivos:
Esta materia tiene por finalidad el conocimiento de todos los procesos físico-químicos,
termodinámicos y fluidodinámicos que se producen en las máquinas de combustión externa
e interna. De esta forma el alumno puede adquirir un firme conocimiento de los procesos de
la combustión y otras transformaciones energéticas que le permita cuantificar los
parámetros fundamentales que controlan el funcionamiento de cada una de las máquinas, y
con ello poder realizar el cálculo mecánico de las mismas o su selección. Todo su
desarrollo está en relación directa con los aspectos de la producción de energía.
Contenidos Mínimos según Plan de Estudios:
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Máquinas térmicas y energía.
Ciclos de vapor. Centrales de vapor.
Combustibles y combustión.
Generadores de vapor.
Turbinas de vapor.
Condensadores.
Ciclos de motores de combustión interna.
Motores de encendido por chispa.
Admisión y escape. Sistemas de
distribución en motores de cuatro tiempos.
• Carburación e inyección. Sistema de
encendido. Lubricación. Refrigeración.
• Motores de encendido por compresión.
• Sistemas de inyección diesel.
• Motores sobrealimentados.
• Curvas características y performance.
• Turbocompresores.
• Turbinas de gas.
Asignatura: Máquinas Motrices I
Carrera : Ingeniería Mecánica
Pág. 1
ASIGNATURAS CORRELATIVAS PRECEDENTES
CURSADAS
Cod:
5407
APROBADAS
Mecánica de los Fluidos
Cod:
PROFESOR RESPONSABLE:
Cod:
5420
Cod:
5403
Estática y Resistencia de
Materiales
Termodinámica
PAd-1 Ezequiel López
INTEGRANTES DE LA CÁTEDRA
Cargo
Nombre
ASD-2
Pablo Álvarez
AY2-3
Carlos Wild Cañón
Programa Analítico:
Unidad 1: Motores de combustión interna: tipos y parámetros de operación.
Motores de combustión interna (MCI): clasificación, ciclos de trabajo, componentes,
características importantes. Operación de MCI encendidos por chispa, ejemplos. Operación
de MCI encendidos por compresión, ejemplos. Propiedades geométricas de los motores
alternativos. Torque y potencia al freno. Trabajo indicado por ciclo y presión media efectiva.
Rendimientos: mecánico, de conversión del combustible, volumétrico. Relación entre
parámetros de performance.
Unidad 2: Combustión y propiedades de los fluidos operantes.
Características generales de las llamas. Composición del aire y combustibles. Combustión
estequiométrica: de hidrocarburos, de alcoholes, del hidrógeno. Balance de energía.
Entalpías de formación. Poderes caloríficos. Procesos de combustión adiabática. Eficiencia
de la combustión en MCI. Rendimiento. Equilibrio químico. Cinética química: tasas de
reacción. Composición de la mezcla no quemada. Cartas termodinámicas: para gases sin
quemar y quemados. Rutinas computacionales para el cálculo de propiedades y
composición. Composición del gas de escape: concentración de especies, ineficiencia de la
combustión.
Unidad 3: Modelos ideales de ciclos de motores de combustión interna.
Introducción. Modelos ideales de procesos en MCI. Análisis del ciclo con un gas ideal con
propiedades constantes como fluido operante: ciclos de combustión a volumen constante, a
presión constante, de presión limitada y comparación de ciclos. Análisis de ciclos airecombustible. Comparación con ciclos reales de MCI.
Unidad 4: Procesos de intercambio de gases y dosificación del combustible en MCI
encendidos por chispa.
Procesos de admisión y escape en motores de cuatro tiempos. Rendimiento volumétrico:
efectos cuasi-estáticos y dinámicos. Flujo a través de válvulas. Geometría de las válvulas
de asiento. Coeficiente de descarga. Sistemas de distribución en motores 4T: componentes,
clasificación y tipos. Sistemas de distribución variable: por rotación relativa del árbol de
levas y por modificación de la alzada de válvula, ejemplos. Flujo másico de gas de escape y
variación de la temperatura en el puerto de escape. Flujo de aire en el múltiple de admisión.
Barrido en motores de dos tiempos: configuraciones para los distintos tipos de barrido,
parámetros y modelos. Sobrecarga y turbocarga: métodos de sobrecarga, relaciones
termodinámicas básicas. Compresores, turbinas y dispositivos de compresión por acción de
ondas. Requerimientos de mezcla en motores encendidos por chispa. Carburadores:
carburador elemental y dispositivos auxiliares. Sistemas de inyección de combustible.
Asignatura: Máquinas Motrices I
Carrera : Ingeniería Mecánica
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Sistemas con retroalimentación, sonda lambda.
Unidad 5: Motores de combustión interna encendidos por chispa.
Combustión en MCI encendidos por chispa, características esenciales. Análisis
termodinámico de la combustión en MCI encendidos por chispa. Modelos de combustión
con mezcla perfecta y sin mezcla. Estructura y velocidad de llama. Combustión anormal:
encendido superficial y detonación.
Unidad 6: Motores de combustión interna encendidos por compresión.
Combustión en MCI encendidos por compresión, características esenciales. Tipos de
sistemas de combustión diesel. Análisis de datos de presión en el cilindro: motores de
inyección directa e indirecta. Sistemas de inyección de combustible diesel. Generalidades
de sprays de combustible. Retardo al encendido.
Unidad 7: Refrigeración y lubricación.
Métodos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. Transferencia de
calor y balance energético. Carga térmica y temperaturas de los componentes de los MCI.
Fundamentos de la fricción: fricción lubricada, disipación turbulenta y fricción total. Métodos
de medición. Fricción en los componentes del motor. Lubricación: sistemas de lubricación y
requerimientos de los lubricantes.
Unidad 8: Características de operación de motores de combustión interna.
Potencias y presiones medias indicadas y al freno. Variables operativas que afectan la
performance y el rendimiento en MCI encendidos por chispa. Diseño de cámaras de
combustión para MCI encendidos por chispa. Variables operativas que afectan la
performance y el rendimiento en MCI encendidos por compresión. Eficiencia y performance
de MCI sobrecargados y turbocargados, ciclos de 2 y 4 tiempos, motores encendidos por
chispa y por compresión.
Unidad 9: Ciclos de vapor. Centrales a vapor.
Elementos componentes de una central de vapor. Ciclo de Rankine con recalentamiento.
Análisis termodinámico. Condiciones para el funcionamiento de la instalación.
Modificaciones del ciclo básico que aumentan el rendimiento termodinámico. Balance
energético. Consumos específicos de vapor, calor y combustible. Rendimiento térmico.
Unidad 10: Calderas, hogares y condensadores.
Principios básicos. Definición y clasificación de calderas: cilíndricas, pirotubulares,
acuotubulares y especiales. Circulación natural y forzada. Hogares: sistema de combustión,
parrillas, quemadores y revestimiento. Sistemas de optimización: economizadores,
precalentadores de aire y recalentadores. Tiro natural y forzado. Tratamiento del agua de
alimentación. Condensadores: principios básicos, descripción general, clasificación,
eyectocondensadores, parámetros básicos de proyecto.
Unidad 11: Turbinas a vapor: principios básicos.
Elementos comunes en las turbinas a vapor. Definiciones y clasificación. Toberas:
relaciones termodinámicas para gas perfecto. Forma de las toberas según número de
Mach. Flujo máximo descargado. Velocidad crítica. Relación crítica de presiones. Sección
mínima y garganta. Parámetros del flujo a lo largo de la tobera. Rendimiento.
Comportamiento de las toberas fuera de las condiciones de diseño. Características de las
toberas para turbinas a vapor: descripción. Tipos constructivos, justificación de sus
parámetros característicos: paso, altura, ancho, espesor, ángulo de inclinación, ángulo de
divergencia, curvatura máxima, etc.; y sus efectos sobre el rendimiento y el funcionamiento
de la turbina. Ensayos de toberas: procedimientos y resultados, coeficiente de tobera.
Representación de velocidades en las paletas de acción. Diagrama extendido, polar y
condensado. Fuerzas axiales y tangenciales sobre las ruedas. Potencia, trabajo y
rendimiento teórico del paleteado de acción.
Asignatura: Máquinas Motrices I
Carrera : Ingeniería Mecánica
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Unidad 12: Turbinas a vapor: escalonamientos de velocidad, de presión y de reacción.
Escalonamientos de velocidad. Diagrama de velocidades, ángulo teórico de las paletas.
Rendimiento y distribución del trabajo. Escalonamientos de presión: trabajo, arrastre,
recalentamiento y rendimiento. Características de las paletas de acción: trazado de las
paletas, dimensiones características: ángulos de entrada y salida, curvatura, ancho, alto,
paso, espesor y sus efectos sobre el rendimiento de la turbina. Efecto de la velocidad.
Turbina embalada. Coeficiente de paletas. Escalonamientos de reacción: grado de
reacción. Diagrama de velocidades. Trabajo del paleteado. Relación de velocidades.
Rendimiento. Forma de las paletas: ancho de paletas, altura, paso, parcializado.
Comparación entre turbinas de acción y de reacción.
Unidad 13: Turbinas a vapor: pérdidas, curva de condición y regulación.
Clasificación de las pérdidas. Fugas de vapor y sellos laberínticos. Rendimiento de etapa,
pérdida en el escape. Factor de recalentamiento. Curva de condición. Punto final de
expansión. Línea de Willians y consumo de vapor. Regulación por estrangulamiento y su
efecto sobre el rendimiento. Regulación actuando sobre las toberas. Empleo de etapas de
velocidad.
Unidad 14: Turbinas a gas y turbocompresores.
Antecedentes históricos sobre el desarrollo de las turbinas a gas. Descripción y elementos
componentes. Ciclo básico de las turbinas a gas (ciclo Brayton). Ciclo Brayton regenerativo.
Otros ciclos: con refrigeración intermedia, con recalentamiento intermedio y múltiple
combustión. Cámaras de combustión de las turbinas a gas. Aplicaciones aeronáuticas:
turborreactor, estatorreactor, turbofan y otros. Teoría de la propulsión a chorro.
Turbocompresores: rendimiento adiabático total, rendimiento de etapa y factor de
recalentamiento del turbocompresor. Turbocompresores centrífugos. Generalidades.
Incremento de presión de una célula de compresor. Turbocompresores axiales.
Generalidades. Incremento de presión de una célula de compresión. Refrigeración
intermedia. Curvas características. Fenómenos de bombeo.
Unidad 15: Máquinas térmicas y energía.
Clasificación y criterio de comparación. Campos de aplicación. Energía. Energías no
convencionales. Generación de energía y contaminación.
T.P. Nº 1:
T.P. Nº 2:
T.P. Nº 3:
T.P. Nº 4:
T.P. Nº 5:
T.P. Nº 6:
LISTADO DE TRABAJOS PRÁCTICOS
Diseño de motores y parámetros de
Refrigeración y lubricación en
T.P. Nº 7:
operación
motores de combustión interna
Termoquímica de las mezclas
Características operativas de
T.P. Nº 8:
combustible/aire y propiedades de
motores de combustión interna
los fluidos operantes
Ciclos ideales de motores de
T.P. Nº 9:
Centrales de vapor
combustión interna
Procesos de intercambio de gases
T.P. Nº 10: Toberas y turbinas de acción
y dosificación del combustible en
motores encendidos por chispa
Combustión en motores
T.P. Nº 11: Turbinas de reacción
encendidos por chispa
Combustión en motores
T.P. Nº 12: Turbinas a gas y turbocompresores
encendidos por compresión
LISTADO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO
P.L. Nº 1:
P.L. Nº 3:
P.L. Nº 2:
P.L. Nº 4:
Asignatura: Máquinas Motrices I
Carrera : Ingeniería Mecánica
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LISTADO DE VISITAS A OBRA/INDUSTRIAS/EMPRESAS ETC.
V.O. Nº 1:
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V.O. Nº 4:
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
1. Internal combustion engine fundamentals. Heywood, John B.; Ed. McGraw-Hill (1988);
ISBN 0-07-028637-X.
2. Internal combustion engines. Applied Thermosciences; 2nd ed. Ferguson, Colin R. and
Kirkpatrick, Allan T.; Ed. John Wiley & Sons (2001); ISBN 0-471-35617-4.
3. The intemal combustion engine in theory and practice; Volumes I and II. Taylor, Charles
F.; Ed. The M.I.T. Press (1985).
4. Turbinas de vapor. Church, Edwin; Ed. Alsina (1955).
5. Generación del vapor. Mesny, Marcelo; Ed. Marymar (1976).
6. Gas turbine theory; 4th ed. Cohen, H.; Rogers, G.F.C.; Saravanamuttoo, H.I.H.; Ed.
Longman Group Ltd. (1996).
BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA
1. Teoría de los motores térmicos. Martínez de Vedia, R.; Ed. Alsina (1977).
2. Procesos de los motores de combustión. Lichty, Lester; Ed. del Castillo (1970).
3. Motores endotérmicos. Giacosa, Dante; Ed. Científico-Médica (1964).
4. Centrales de vapor. Gaffert, Gustavo; Ed. Reverte (1979).
HORARIOS DE CLASE
TEÓRICAS/ PRÁCTICAS
TEÓRICAS/ PRÁCTICAS
DE CONSULTA
Miércoles de 17:00 a 21:00 hs
Jueves de 17:00 a 21:00 hs
Lunes de 10:30 a 11:30 hs
Martes de 18 a 19 hs
MODALIDADES DE APROBACIÓN DE LA ASIGNATURA
Alumnos Regulares:
• Exámenes parciales: para regularizar la asignatura el alumno deberá rendir dos
exámenes parciales en los cuales deberá obtener una calificación mínima de 60 (sesenta)
puntos sobre 100 (cien) en cada uno de ellos. No se admitirá más de un recuperatorio por
exámen parcial.
• Aprobación de exámen final: para aprobar la asignatura, el alumno deberá rendir un
exámen teórico sobre los temas que integran el programa actualizado de la asignatura. El
exámen final consistirá de una parte escrita y, aprobada la primera, una segunda parte
oral.
Alumnos Promocionales:
No se ofrece.
Alumnos Libres:
Aprobación de exámen teórico-práctico dividido en dos partes:
• Primera parte: resolución de ejercicios prácticos y/o conceptuales, con una
calificación mínima de 70/100 puntos para acceder a la segunda parte.
• Segunda parte: resolución de un exámen teórico similar en contenidos y con la
misma modalidad (escrito/oral) del exámen final para alumnos regulares.
Asignatura: Máquinas Motrices I
Carrera : Ingeniería Mecánica
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DISTRIBUCIÓN HORARIA (Estimativo)
Carga Horaria Semanal
Carga Horaria Total
5
80
Laboratorio
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Trabajo de Campo
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2
32
Teórica
Experimental
Resolución de problemas
Problemas Tipo
Problemas
Abiertos
Proyectos y diseño
1
16
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Sumatoria
8
128
CRONOGRAMA TENTATIVO
(Indique la programación estimada para Parciales, Recuperatorios, Visitas de Obra, etc)
MES
SEMANA 1
SEMANA 2
SEMANA 3
SEMANA 4
1
U1
U2
U3
U4
2
U4
U5
U6
Sem. Est.
3
U7–P1
U8–R1
U9
U 10 – U 11
4
U 12
U 13
U 14 – U 15
P2–R2
U (#): Unidad del programa analítico, P (#): Parcial, R (#): Recuperatorio
Asignatura: Máquinas Motrices I
Carrera : Ingeniería Mecánica
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