1

INGENIERA QUMICA

PROGRAMA DE ASIGNATURA

ACTIVIDAD CURRICULAR Tecnologa de la Energa Trmica Cdigo 95-1133 Ao Acadmico 2011 rea: Ingeniera Qumica Bloque: Tecnologas Aplicadas Nivel: 4 Tipo: Obligatoria Modalidad: Cuatrimestral Carga Horaria total: Hs Reloj: 96 Hs. Ctedra: 128 Carga horaria semanal: Hs Reloj: 6 Hs. Ctedra: 8 Composicin del equipo docente Profesores Titulares: Videla, Antonio Profesores Asociados: Profesores Adjuntos: Pandolfi, Juan Martn Auxiliares JTP: Auxiliares ATP 1: Manfredi, Mariano Auxiliares ATP 2: Gonzlez Hughetti, Julin FUNDAMENTACIN La asignatura tecnologa de la energa aplica los fundamentos de transferencia de energa al diseo de equipos de intercambio de calor, con y sin cambio de fase. Induce a la valoracin de la necesidad de utilizar nuevas fuentes de energa trmica y nuevos procesos de optimizacin energtica para aumentar la eficiencia y minimizar el impacto ambiental. OBJETIVOS - Conocer, comprender, especificar y/o calcular equipos y sistemas de generacin transferencia de calor en el campo de la ingeniera qumica. - Minimizar las prdidas energticas en las corrientes de proceso y servicios auxiliares, en los procesos de transporte y almacenamiento de productos en las plantas de procesos qumicos. -Comprender los principios del uso racional de la energa y aplicarlos en el diseo de equipos de transferencia o generacin de calor. CONTENIDOS a) Contenidos mnimos - Transferencia de energa trmica, incluyendo radiacin, en el campo de la Ingeniera Qumica.

2

- Intercambiadores - Condensadores - Evaporadores - Calderas y hornos - Sistema de refrigeracin - Optimizacin de Sistemas - Fuentes alternativas de energa b) Contenidos analticos Unidad Temtica 1: BALANCE DE ENERGA. COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA. FOULING Coeficiente pelicular convectivo, coeficiente global de transferencia de calor limpio, resistencia controlante. Coeficiente pelicular local, medio aritmtico y medio logartmico. Resistencia de ensuciamiento y coeficiente global de diseo. Temperatura de pared. Fuerza impulsora trmica local. Unidad Temtica 2: CONDUCCIN Y AISLACIN Sistemas aislantes. Necesidad y criterios de seleccin de materiales.. Propiedades bsicas de mate-riales. Conductividad aparente. Diseo bsico de aislaciones en sistemas fro y caliente y clculo de prdidas (incluidas prdidas por radiacin). Eficiencia de un aislamiento y criterios de seleccin de espesores. Espesor econmico. Referencia normas ASTM C 680. Proteccin de aislaciones y criterios de seguridad y ambientales: referencias. Unidad Temtica 3: CONVECCIN. FUERZA IMPULSORA. INTERCAMBIADORES DOBLE TUBO. TEMPERATURA CALRICA Intercambiadores de doble tubo. Ecuacin de Fourier. Fuerza impulsora media logartmica: definicin y aplicacin a diseo, limitaciones. Temperatura calrica. Correlaciones por conveccin forzada para flujo en tubos y nulos. Ensuciamiento. Conveccin mixta. Adimensionales caractersticos y sentido fsico. Cada de presin en intercambiadores doble tubo. Intercambiadores de doble tubo aletado. Unidad Temtica 4: INTERCAMBIADORES DE CASCO Y TUBOS Intercambiadores de casco y tubos. Tipos y caractersticas. Normas TEMA: nomenclatura, clasificacin tipo de C y T. Alcances de la norma. Criterios de seleccin bsicos. Aplicacin de Ecuacin de Fourier modificada para su diseo (fluidos puros y pseudo- puros). Alcances y limitaciones del mtodo global, factor de correccin de temperatura Ft y delta t verdadero. Correlaciones de Kern, alcances y limitaciones. Variables de diseo en casco y tubos y anlisis de performance. Mtodo Bell-Delaware: mejoras en el diseo y nuevas variables. Mtodo NTU: principios y aplicaciones para dimensionamiento y simulacin o performance de distintos tipos de equipos de intercambio de calor. Alcances y limitaciones. Unidad Temtica 5: SISTEMAS NO ESTACIONARIOS. OTROS INTERCAMBIADORES DE PLACAS Aplicaciones no estacionarias (sistema batch: tanques agitados con camisa y con serpentn). Correlaciones bsicas para clculo de coeficientes peliculares y prdidas de potencia. Intercambiadores de placas: descripcin y aplicaciones. Ventajas y desventajas comparativas con respecto a los intercambiadores de casco y tubos. Unidad Temtica 6: REFRIGERACIN Refrigeracin por compresin: Seleccin del refrigerante y ciclo versus temperatura requerida y disponibilidad del medio de condensacin. COP y otros parmetros de evaluacin de performance de ciclos. Ahorro de costos y variables incidentes en los mismos: referencias. Aspectos de seguridad y ambientales de refrigerantes (Ref. ASRHAE y otras).

3

Unidad Temtica 7: CONDENSACIN- CONDENSADORES Clasificacin: tipos, usos, ventajas y desventajas. Rgimen de pelcula laminar: Ec. de Nusselt. Condensacin vertical versus horizontal. Temperatura de pared. Condensacin dentro carcasa y dentro de tubos. Re en condensacin. Rgimen de condensacin en geometra vertical y horizontal. Rgimen turbulento: referencias. Diseo de condensadores tipo C y T (fluidos puros y pseudo puros). Diseo de desobrecalentadores y sub-enfriadores: diferencia de temperatura media balanceada, hiptesis, alcances y limitaciones del mtodo. Anlisis de performance de condensadores (NTU o por verificacin). Unidad Temtica 8: EBULLICIN REBOILERS Y VAPORIZADORES Clasificacin de intercambiadores con vaporizacin: tipos y aplicaciones. Ebullicin en masa: mecanismo de ebullicin nucleada. Correlaciones, variables, delta T exceso y flujo crtico. Temperatura de pared. Diseo de marmitas. Anlisis de performance (NTU y por clculo). Diseo de termosifones: referencias y variables de diseo, anlisis de un caso. Reboilers de circulacin forzada: referencias y variables de diseo. Comparacin entre los mismos. Unidad Temtica 9: AEROENFRIADORES Y AEROCONDENSADORES Superficies extendidas: aeroenfriadores y aerocondensadores. Tipos y aplicaciones. Componentes. Correlaciones bsicas para coeficientes peliculares en superficies extendidas y factores de friccin en las mismas. Eficiencia de superficie aletada. Variables de diseo: criterio de seleccin del nmero de filas. Anlisis de performance (NTU o clculo de coeficientes). Ventiladores, nmero y potencia requerida. Unidad Temtica 10: TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIN Y RADIACIN/CONVECCIN. HORNOS. Radiacin slido- gas. Gases de combustin (sin partculas). Propiedades radiantes: emisividad y absortividad. Intercambio de energa por radiacin: calor transferido local por radiacin en banco de tubos lisos. Hornos de procesos: tipos caja o cilndricos. Referencias de tasas de transferencia tipo y eficiencias. Mtodo de Lobo Evans: verificacin de transferencia de energa trmica en la cmara radiante. Calderas: distintos tipos. Unidad Temtica 11: ENERGAS ALTERNATIVAS Fuentes renovables de energa trmica: Energa solar y geotrmica. Colectores solares: propiedades y tipos de aplicaciones con referencias de eficiencias. Fluidos de trabajo: referencias. Energa geotrmica: fuentes trmicas potenciales y su calidad energtica en Argentina DISTRIBUCIN DE CARGA HORARIA ENTRE ACTIVIDADES TERICAS Y PRCTICAS Tipo de actividad

Carga horaria total en hs. reloj

Carga horaria total en hs. ctedra

Terica 29 39 Formacin Prctica 67 89 Formacin experimental 2 3 Resolucin de problemas 31 41 Proyectos y diseo 34 45 Prctica supervisada 0 0

4

ESTRATEGIAS METODOLGICAS a) Modalidades de enseanza empleadas segn tipo de actividad (terica-prctica) Clases tericas: Se usa la tcnica de exposicin verbal, con soporte en transparencias y power point y uso continuo de las guas de TP. Se hace uso de la tcnica inductiva-deductiva. Se fomenta la participacin del alumno para trabajar en los temas vinculados a la materia, y la articulacin efectiva entre teora y prctica es una constante en la concepcin de la currcula y su transmisin. Resolucin de problemas La principal actividad planteada en la metodologa de enseanza es resolver problemas de verificacin y diseo de equipos, o situaciones ms simples segn las unidades temticas. Segn la complejidad de los ejercicios, se pueden resolver los mismos en grupos de alumnos teniendo en cuenta distintas variables o alternativas. Las guas de TP permiten la resolucin de problemas con dificultad creciente. Proyecto y Diseo: Realizacin de un TP en forma grupal: El trabajo tiene su Reglamento de 'funcionamiento y ejecucin. (Informe, planilla seguimiento, etc.). Se aplican cuatro/cinco unidades temticas integradas, (Refrigeracin, Condensacin, Ebullicin, Superficies Extendidas (opcional), Aislaciones y Pautas URE), para la resolucin de un Circuito de Refrigeracin por compresin de vapor para servicios especficos. Metodologa: se realiza con un mximo de 4/5 alumnos por grupo. Etapas de resolucin y entregas: Son 3 (tres) etapas, con evaluacin en cada una y un final grupal con evaluacin individual. Etapa 1: Seleccin del servicio y ciclo, Etapa 2: Diseo del Enfriador, Etapa 3: Diseo del condensador, y su aislacin u otro si corresponde. Cada etapa es evaluada en forma individual y se tiene en cuenta en la evaluacin final del trabajo, los antecedentes, la calidad del trabajo, y el anlisis preliminar de performance y alcance de aplicacin de los diseos realizados. Parte de este trabajo se realiza utilizando software especfico disponible en el Laboratorio de Simulacin de Procesos Qumicos. Formacin Experimental: Prctica de Planta Piloto: - Estudio de calentamiento enfriamiento en tanque agitado con serpentn en estado no estacionario (escala Planta Piloto). b) Recursos didcticos para el desarrollo de las distintas actividades (guas, esquemas, lecturas previas, computadoras, software, otros) - Pizarrn - Filminas - Can - Gua de Trabajos Prcticos (*) - Gua de Trabajo Prctico Integrador (*) - Soporte Terico-Prctico (*) - Presentaciones de las clases tericas (*) (*) El material se encuentra disponible a travs del sitio de Internet de la Ctedra.

5

EVALUACIN Modalidad (tipo, cantidad, instrumentos) Se requiere para firmar TP la aprobacin de 2 (dos) parciales y del Trabajo Prctico Integral (TPI) en forma individual y presentar el informe de Planta Piloto. Cada parcial tiene dos instancias de recuperacin. Para la aprobacin de la materia se requiere de la aprobacin de un examen final. El mtodo de evaluacin se informa en la presentacin de la asignatura. La accesibilidad a los resultados de las evaluaciones, como complemento del proceso de enseanza aprendizaje esta garantizado por las Resoluciones N 2352/03 y 1862/02 del Consejo Directivo de la FRBA Requisitos de regularidad Aprobar las instancias de exmenes parciales, los trabajos prcticos de laboratorio y contar con el porcentaje de asistencia requerido por la reglamentacin vigente Requisitos de aprobacin Aprobar el examen final. ARTICULACIN HORIZONTAL Y VERTICAL CON OTRAS MATERIAS Tecnologa de la Energa Trmica integra el rea de Ciencias Tecnolgicas Aplicadas dentro del cuarto nivel, de acuerdo al Manual de Acreditacin para Carreras de Ingeniera (CONFEDI). La asignatura articular en su desarrollo los contenidos afines con las siguientes materias del rea: Fenmenos de Transporte Suministra los conocimientos bsicos para el desarrollo de las tcnicas de clculo para la verificacin y diseos de equipos de transferencia de calor. Integracin IV Sus contenidos incluyen la Simulacin de Procesos, con lo cual se propone realizar trabajos en conjunto de simulacin donde intervengan procesos energticos que involucren a la asignatura a lo largo de su desarrollo. Operaciones Unitarias I Sus contenidos incluyen todo lo referente al flujo de fluidos. Se propone incluir en los trabajos de simulacin conceptos y equipos referidos al flujo de fluidos. Adems incluye tanques agitados. Operaciones Unitarias II Sus contenidos incluyen todo lo referente a la transferencia de masa. La destilacin es el proceso por excelencia donde confluyen la transferencia de masa y la transferencia de energa trmica. Ingeniera de las Reacciones Qumicas Sus contenidos incluyen a los reactores no-isotrmicos agitados. Este punto confluye con los sistemas batch (tanques agitados). Integradora V Al integrar a todas las asignaturas de las Ciencias Tecnolgicas Aplicadas, la asignatura Tecnologa de la Energa Trmica es un pilar fundamental. El equipo docente participa de reuniones interctedras convocadas por Departamento, a fin de generar acuerdos temticos y de metodologas que faciliten la articulacin horizontal y vertical entre las distintas asignaturas

6

CRONOGRAMA ESTIMADO DE CLASES Unidad Temtica Duracin en hs ctedra

1 14 2 5 3 7 4 18 5 18 6 16 7 21 8 11 9 7

10 9 11 2

BIBLIOGRAFA OBLIGATORIA - Cao, E. (2006). "Transferencia de calor en Ingeniera de Procesos". Nueva Librera - Kern, D. (2000). "Procesos de transferencia de Calor". CECSA - Coker, A. Kayode (2007). "Ludwig's Applied Process Design for Chemical y Petrochemical Vol. I". Elsevier - Ludwig, E . (2001)."Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plant" .Vol. I. Gulf Publishing Co - Ludwig, E . (1995)."Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plant" .Vol. I. Gulf Publishing Co - Ludwing, E. (1993)."Applied Process Desing for Chemical and Petrochemical Plant" .Vol. II. Gulf Publishing Co - Ludwing, E. (1993)."Applied Process Desing for Chemical and Petrochemical Plant". Vol. III. Gulf Publishing Co - Perry. (2001)."Manual del Ingenero Qumico" Volmenes I, II, III, IV. Mc Graw Hill - Hewitt, G. - Shires,G. Bott, R. (1994). "Process heat transfer". CRC Press - Holman J. (1998)."Transferencia de calor". Editorial Mc. Graw Hill - Isachenko, V. - Osipova , V. - Sukomel, A. (1979) "Trasmisin del calor". Marcombo S.A. - Douglas, J. (1988) "Conceptual Design of Chemical Process". Mc.Graw Hill BIBLIOGRAFA COMPLEMENTARIA - Normas TEMA, ASTM C 680, API 661 y otras. - Industrias Carrier, (1986)"Manual de aire acondicionado" Marcombo Editorial - Peters, M and Timmerhaus, K. (1979)"Diseo de Plantas y su evacuacin econmicas para Ingenieros Qumicos". McGraw Hill - Peters, M and Timmerhaus, K. (1985)"Diseo de Plantas y su evacuacin econmicas para Ingenieros Qumicos". McGraw Hill - Kays, W.M. and Crawford M.E. (1993)"Convective Heat and Mass Transfer". McGraw Hill - Collier J.G. and Thome J.R.) (1999)"Convective Boiling and Condensation" Ed. Oxford - Holman J. (1991)."Transferencia de calor". Editorial McGraw Hill - Holman J. (1990)."Heat Transfer". Editorial McGraw Hill - Perry. (2001)."Manual del Ingenero Qumico". McGraw Hill