Procesos termodinámicos

PROGRAMA DE ESTUDIOS: PROCESOS TERMODINÁMICOS
PROTOCOLO
Fechas
Mes/año
Clave
12/2006
Nivel
Licenciatura
Aprobación
Ciclo
Aplicación
Colegio
Elaboración
Plan de estudios del que forma parte:
Semestre
1-CT-SE-17
X
8vo
Maestría
Doctorado
Integración
Básico
Superior
H. y C.S.
C. y T.
X
X
C. y H.
Ingeniería en Sistemas Energéticos
Propósito(s) general(es): Que el estudiante conozca la clasificación de los ciclos de potencia con vapor, las plantas
de potencia, los ciclos combinados, los ciclos de refrigeración, conceptos básicos de exergía y el análisis Exergético
de procesos simples a fin de que determine la importancia que tienen los Procesos Termodinámicos en la Ingeniería.
Carácter
Modalidad
Horas de estudio semestral (16 semanas)
Taller
Con
Teóricas
72 Autónomas Teóricas
Docente
Prácticas
48
Prácticas
Carga horaria semanal:
Carga horaria
7.5
semestral:
Seminario
Indispensable X
Optativa *
Curso
X Curso-taller
Laboratorio
X Clínica
Asignaturas Previas
72
48
120
Asignaturas Posteriores:
Máquinas térmicas.
Según la Opción terminal.
Conocimientos: Principios de Termodinámica, Leyes de la termodinámica, balances de materia,
Requerimientos matemáticas aplicadas a la ingeniería, programación y conceptos básicos de Máquinas Térmicas.
para cursar la Habilidades: Capacidad de abstracción para interpretar los ciclos de potencia de vapor, observación,
asignatura
inferencia sobre los parámetros que afectan a las Plantas de potencia, manejo de hojas de cálculo
electrónicas y manejo básico de PC.
Perfil deseable
del profesor:
Que tenga una Licenciatura o Posgrado en alguna área relacionada con la ingeniería, química o
física, tales como: Químico, Físico o Ingeniero en Energía de preferencia con experiencia docente.
Academia responsable del programa:
Programa de Energía
Diseñador (es):
M. en I. Fernando Gabriel Arroyo Cabañas, Dr. Álvaro
Eduardo Lentz Herrera, Dr. Gerardo Canizal Jiménez y M.
en I. Carlos Chávez Baeza.
*Aquellas en las que se ofrece la posibilidad de cursar una de las asignaturas, para cubrir un requisito INDISPENSABLE
será considerada INDISPENSABLE.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Procesos termodinámicos
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PROGRAMA DE ESTUDIOS
PROCESOS TERMODINÁMICOS
INTRODUCCIÓN
Existen distintos tipos de procesos termodinámicos, es decir, procesos en los cuales se modifican las
variables termodinámicas de un sistema. Si el proceso es tal que no se permite el intercambio de
calor (energía) con el medio circundante, se denomina adiabático. Para que ocurra un proceso
adiabático es necesario que el sistema se encuentre perfectamente aislado térmicamente, o que el
proceso ocurra rápidamente de manera que no haya tiempo para que ocurra un intercambio de calor
con el medio. Existe otro tipo de procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Los
mismos se denominan procesos isotérmicos, para que este tipo de procesos ocurra es necesario
hacerlo muy lentamente, para que el sistema tenga tiempo de entrar en equilibrio térmico con el
medio. Cuando el proceso es uno intermedio entre un proceso adiabático y uno isotérmico, se
denomina proceso politrópico. Además, también existen procesos isocóricos, es decir, aquellos
procesos en donde no varía el volumen, e isobáricos, en los cuales permanece constante la presión.
El curso aborda la clasificación de los ciclos de potencia con vapor, las plantas de potencia, los ciclos
combinados, los ciclos de refrigeración, conceptos básicos de Dincer y el análisis Exergético de
procesos simples, junto con la interpretación y elaboración de esquema y curvas de rendimientos
energéticos y ejemplos cotidianos aplicados a la ingeniería. La asignatura de Procesos
termodinámicos es fundamental para quienes desean formarse como ingenieros en sistemas
energéticos, ya que permite construir habilidades básicas para las asignaturas subsecuentes de la
carrera.
PROPÓSITOS GENERALES
Que el estudiante conozca la clasificación de los ciclos de potencia con vapor, las plantas de
potencia, los ciclos combinados, los ciclos de refrigeración, conceptos básicos de exergía y el
análisis exergético de procesos simples a fin de que determine la importancia que tienen los
Procesos Termodinámicos en la Ingeniería.
PLANEACIÓN ESPECÍFICA
UNIDAD 1. CICLOS DE POTENCIA CON VAPOR
Propósitos específicos
Que el estudiante describa el ciclo de Carnot y el Rankine ideal para obtener los rendimientos
térmicos reales de los procesos termodinámicos, que realice el análisis de la segunda ley de la
termodinámica aplicada en los ciclos de generación de energía.
Temas y subtemas
1.1. Ciclo de Carnot con vapor.
1.2. Ciclo Rankine ideal.
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2
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
Rendimiento térmico.
Ciclo Rankine con recalentamiento intermedio.
Ciclo Rankine regenerativo.
Análisis de la segunda Ley en ciclos de potencia con vapor.
UNIDAD 2. PLANTAS DE POTENCIA CON CICLOS DE VAPOR
Propósitos específicos
Que el estudiante identifique las partes fundamentales de una planta de potencia, realizará los
balances correspondientes de energía con el propósito de estimar los rendimientos y eficiencias para
la generación de energía empleado vapor como fluido de trabajo.
Temas y subtemas
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
Partes fundamentales y descripción general.
Balances de energía en la planta.
Diagramas T vs S y P vs h.
Rendimientos y eficiencias.
UNIDAD 3. CICLOS DE REFRIGERACIÓN
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca el ciclo inverso de Carnot, el ciclo ideal de refrigeración en varias etapas y
en cascada, analizará la segunda ley de la termodinámica aplicada en los ciclos de refrigeración y
aprenda los diferentes sistemas de refrigeración que existen, así como los diferentes fluidos
refrigerantes que hay en la actualidad.
Temas y subtemas
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
Ciclo inverso de Carnot.
Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor en varias etapas y en cascada.
Licuefacción de gases.
Bombas de calor.
Análisis de segunda Ley en ciclos de refrigeración.
Ciclos de refrigeración con gases.
Sistemas de refrigeración por absorción.
Otros sistemas de refrigeración.
UNIDAD 4. CICLOS COMBINADOS
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca el concepto de cogeneración junto con la relación que existe entre la
energía eléctrica y la térmica, comprenda los ciclos combinados y sus aplicaciones en los diferentes
procesos termodinámicos involucrados en la generación de energía eléctrica.
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Temas y subtemas
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
Cogeneración: concepto y rendimientos utilizados.
Relación entre energía eléctrica y térmica.
Rangos de aplicación.
Ciclos combinados.
UNIDAD 5. CONCEPTOS BÁSICOS DE EXERGÍA
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca el concepto, la definición y la relación de la exergía en los procesos
termodinámicos.
Temas y subtemas
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
El concepto de exergía.
Exergía Física.
Exergía Química.
Exergía en sistemas cerrados.
UNIDAD 6. ANÁLISIS EXERGÉTICO DE PROCESOS SIMPLES
Propósitos específicos
Que el estudiante analice los procesos de expansión, compresión, transferencia de calor, mezclado y
de combustión a un nivel de exergía, para conocer a detalle cada proceso en donde se encuentra
involucrado el concepto de exergía.
Temas y subtemas
6.1.
6.2.
6.3.
6.4.
6.5.
6.6.
Proceso de expansión.
Proceso de compresión.
Proceso de transferencia de calor.
Procesos de mezclado y separación.
Procesos químicos.
Procesos de combustión.
METODOLOGÍA PARA EL CURSO
La parte inicial de cada una de las unidades del curso será expositiva para establecer las
generalidades del mismo y brindarles un marco teórico del tema, posteriormente se afianzarán los
conocimientos vistos en cada unidad mediante el desarrollo de ejemplos prácticos en clase.
Los estudiantes deberán realizar investigación bibliográfica de cada uno de los temas vistos; se les
proporcionará material adicional en forma de tareas y ejercicios, para que desarrollen sus
habilidades en el área de los Procesos Termodinámicos; y se les ofrecerán asesorías, cuya finalidad
será brindarles apoyo para la elaboración de proyectos, donde pondrán en práctica los
conocimientos adquiridos en esta asignatura.
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EVALUACIONES
EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA
Los estudiantes de la asignatura deberán tener conocimientos de Máquinas Térmicas,
Termodinámica Avanzada y Balances de Materia y Energía, así como el manejo de hojas de cálculo
electrónicas, y conocimientos de matemáticas aplicadas a la ingeniería. Se sugiere que sea una
evaluación teórica en donde se plantee la resolución de problemas relacionados con el temario antes
descrito, así como la definición de las nociones básicas empleadas en Termodinámica y Procesos
Termodinámicos.
EVALUACIÓN FORMATIVA
Se sugiere que sea una evaluación teórica y un proyecto final, la evaluación contemplará la
resolución de problemas relacionados con el temario antes descrito, se le pedirá al estudiante que
defina de forma concreta algunos conceptos básicos de las máquinas térmicas, y la segunda donde
demuestre las habilidades adquiridas en el curso y solucionar un problema practico de un proceso
real en donde se encuentren involucradas los conceptos básicos descritos en el curso.
EVALUACIÓN PARA CERTIFICACIÓN
Los estudiantes deberán mostrar los siguientes conocimientos: Saber la clasificación y los diferentes
Procesos Termodinámicos (PT), ser capaz de interpretar y construir diagramas del comportamiento
térmico en PT y dar soluciones a problemas relacionados con la operación de Plantas generadoras
de energía y los PT involucrados.
Como indicadores para la Evaluación para Certificación se considerarán los siguientes: habilidad y
capacidad de abstracción para interpretar diagramas termodinámicos y la resolución de problemas
relacionados el tema de PT y la generación de energía.
Para la realización de esta Evaluación se recomienda que se lleve a cabo una evaluación; donde se
definan los conceptos vistos en la Unidad 1 y 5; y se resuelvan problemas de los temas vistos en las
Unidades, 2, 3, 4 y 6; mientras que la segunda evaluación se le pedirá al estudiante que resuelva un
problema práctico en donde se encuentren involucrados Procesos Termodinámicos y la generación
de energía.
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA





Wark, K y Richards, D. Termodinámica, 6ta ed. McGraw Hill, 2001.
Van Wylen, G. Borgnakke, C and Sonntag, R. Fundamentals of Thermodynamics, 5th ed.
John Wiley & sons, Inc. 1998.
T. J. Kotas. The exergy method of thermal plant analysis. Butterworths. 1985.
Bejan, A. Advanced Engineering Thermodynamics, 3rd Ed. Wiley, 2006.
Bejan, A. Thermodynamic Optimization of Complex Energy Systems (Nato Science
Partnership, 3). Springer, 1999.
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5

Ibrahim Dincer and Marc Rosen. EXERGY: Energy, Environment and Sustainable
Development. Elsevier Science, 2007.
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA





M.J. Moran y H.N. Shapiro. Fundamentos de Termodinámica Técnica (Vol I y II). Reverté,
1995.
F.F. Huang. Ingeniería Termodinámica. CECSA, 1981.
J. Agüera. Termodinámica lógica y motores térmicos: Problemas resueltos. Ciencia, 1993.
V.M. Faires, C.M. Simmang y A.V. Brewer. Problemas de termodinámica, 6ª ed. Limusa,
Mexico, 1992.
J.L. Gómez, M. Monleón y A. Ribes. Termodinámica: Análisis Exergético. Reverté, 1990.
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