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FENÓMENOS DE T RANS PORT E

I ng. Qco. MARI O A. BARRERA – Profesor Adjunto

Avda 60 es q124 – T el / Fax (0221) 421 – 7578 / 482 -4855

CAR R E R A INGENIERIA QUIMICA

AS I GNAT U R A BIOTECNOLOGIA

DI S EÑO CURRI CULAR: 1995 ORDENANZ A C.S UP` . Nº 768 DEPART AMENT O I ngenier ía Química APROBACI ÓN C A RES Nº De la CURRI CULA ELECT I VA 2do. CUAT RI MES T RE NI VEL....tercero... T OT AL DE HORAS .....160..... . . . .. HORAS .S EMANALES ..10..(mínimo)

OB S E R VACI ONE S Area T ecnologías Aplicadas S e dicta anual, seis horas semanales

P R OGR AMA S I NT É T I CO Fluidos . T ranspor te de cantidad de movimiento, energía y mater ia. Balances microscópicos . Ecuaciones de var iación o cambio. T ranspor te en el límite de una fase. Coeficientes de transpor te. Anális is dimens ional. Cor relaciones .

OBJET I VOS DE LA AS I GNAT URA Comprender y aplicar los fenómenos de transpor te de cantidad de movimiento, energía y mater ia, es tudiados a nivel de elemento de volumen. Es tablecer las ecuaciones de var iación o cambio y sus formas adimens ionales . VI GENCI A 1997

E QU I P O DOCE NT E DI RECT OR DE CÁT EDRA I NG. MARI O ALBERT O BARRERA NÚMERO DE DI VI S I ONES 1 P R OF E S OR I NG. MARI O ALBERT O BARRERA JE F E DE T R AB AJOS P R ACT I COS I NG. MI GUEL PELLEJERO AYU DANT E D I P L OMADO I NG. OS CAR L. DANI LI N AYU DANT E AD H ONOR E M I NG. JAVI ER ALVES

AR T I CU L ACI ÓN CON OT R AS AS I GNAT U R AS Con ar reglo a reunión de Directores de Depar tamento de I ngenier ía Química celebrada el 7 de Junio de 2000 en Rectorado de Univer s idad T ecnológica Nacional AS I GNAT URAS O CONOCI MI ENT OS CON QUE S E VI NCULA I ntegración I I , T ermodinámica, Fis icoquímica, Operaciones Unitar ias I y I I , T ecnología de la energía térmica, I ngenier ía de las reacciones químicas . CORRELAT I VAS PARA CURS AR CURS ADAS ..I ntegración I I , Anális is matemático I I , F ís ica I I , T ermodinámica...... . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . .APROBADAS ....F ís ica I , Química General, Anális is matemático I , S is temas de representación,.... . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . CORRELAT I VAS PARA RENDI R EXAMEN FI NAL APROBADAS I ntegración I I , Anális is matemático I I , F ís ica I I , T ermodinámica...... . .. . . . . .. . . . . .. . . . . . .. . . . . .. . . .

P R OGR AMA ANAL Í T I CO B I B L I OGR AF Í A GE NE R AL

OBLI GAT ORI A Fenómenos de T ranspor te, B ird R,.B., S tewar t W.E. y Lightfoot E.N., Editor ial Rever té, 1976 Fundamentos de trans ferencia, calor y masa. Welty, J.R., Wicks , C.E y Wilson, R.E., Editor ial LYMUS A, 1978. COMPLEMENT ARI A Formas y F luidos , S hapiro, Eudeba, 1975 UNIDAD TEMÁTICA 1

CONT E NI DOS CONCE P T OS F U NDAME NT AL E S Y P R OP I E DADE S S is temas de unidades . Definición de fluido. Propiedades de los fluidos : pres ión, temperatura, dens idad, peso específico, viscos idad dinámica y cinemática, calor específico, energía interna, entalpía, módulo de elas ticidad volumétr ica y compres ibil idad, pres ión de vapor , tens ión super ficial. S imilitud, semejanza geométr ica, cinemática y dinámica. Números adimens ionales ; Euler , Froude, Reynolds , Weber . T eorema de Buckingham.

La unidad de tiempo as ignado es S EMANAS para todas las unidades temáticas TIEMPO ASIGNADO 1.5 OBJETIVOS DE LA UT Revisar definiciones y conceptos bás icos . I ntroducir al alumno en el anális is dimens ional. MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O UNIDAD TEMÁTICA 2

F L U I DOS NE W T ONI ANOS Y NO NE W T ONI ANOS Ley de Newton de la viscos idad. I nfluencia de la pres ión y la temperatura en la viscos idad. T eor ía de la viscos idad de los gases a baja dens idad. Ecuación de Hir schefelder . Viscos idad de líquidos . F luidos no-newtonianos ; modelos . Fluidos dependientes e independientes del tiempo, fluidos viscoelás ticos . T ipos de flujo; permanente y trans itor io, uniforme, laminar y turbulento, potencial

y en capa límite, compres ible e incompres ible, subsónico y supersónico, flujo externo e interno.

TIEMPO ASIGNADO 2

OBJETIVOS DE LA UT

Plantear y descr ibir la pr imera de las ecuaciones cons titutivas de los Fenómenos de T ranspor te (Ley de Newton de la viscos idad). I ntroducir al alumno en la aplicación y práctica de la reología.

MAT ERI ALES CURRI CULARES

UNIDAD TEMÁTICA 3

ANÁL I S I S E NVOL VE NT E S E N E S T ADO E S T ACI ONAR I O

Anális is de s is temas de flujo aplicando una envolvente para el balance de mater ia y de cantidad de movimiento. Aplicaciones en coordenadas rectangulares y cil índr icas . Ecuación de Hagen-Poiseuille. Flujo reptante alrededor de objetos sumergidos . TIEMPO ASIGNADO 0.5 OBJETIVOS DE LA UT Comprender , mediante la aplicación de balances de mater ia y de cantidad de movimiento, las pos ibil idades de diseño sencillas en s is temas cons tituidos por envolventes en es tado es tacionar io. MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O U NI DAD T E MÁT I CA 4 : E CU ACI ONE S D I F E R E NCI AL E S P AR A F L U JO DE F L U I DOS I S OT É R MI COS

Resumen de notación vector ial y tensor ial. Concepto de der ivada parcial, total y sus tancial, divergencia (s ignificado fís ico). Balance de continuidad (Ecuación de conservación de la mater ia). Balance microscópico de cantidad de movimiento. Aplicaciones de los balances de mater ia y cantidad de movimiento a s is temas de flujo

en es tado es tacionar io. Ecuación de energía mecánica. Adimens ionalización de las ecuaciones de cambio.

TIEMPO ASIGNADO 3 OBJETIVOS DE LA UT Desar rollar las ecuaciones diferenciales de cambio (Ecuaciones de balance microscópico de mater ia y balance microscópico de cantidad de movimiento) y aplicar las a problemas de diseño. Comprobar exper imentalmente la validez de es tas expres iones . MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

U NI DAD T E MÁT I CA 5 : R E S I S T E NCI A F L U I DA Y CAP A L Í MI T E Efecto de la viscos idad. Res is tencia fluida. Exper iencia de Reynolds . Paradoja de D’Alember t. Concepto de capa límite, res is tencia de super ficie. Capa límite laminar y turbulenta. Desar rollo de la capa límite en una placa plana y un conducto cil índr ico. Longitud de entrada, relación con el Reynolds . Desprendimiento de capa límite, res is tencia de forma. Per fi les romos y aerodinámicos .

TIEMPO ASIGNADO 3 OBJETIVOS DE LA UT I ntroducir al alumno al es tudio de las soluciones aprox imadas a la ecuación del balance microscópico de cantidad de movimiento. Comprender los problemas fluidodinámicos de ar ras tre y fr icción. MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

U NI DAD T E MÁT I CA 6 : F L U JO T U R B U L E NT O T urbulencia, caracter ís ticas . Magnitudes de tiempo ajus tado. Ajus te de tiempo para las ecuaciones de var iación. Es fuerzos cor tantes

turbulentos y viscos idad de remolino. Ecuaciones empír icas del per fi l de velocidad.

TIEMPO ASIGNADO 1 OBJETIVOS DE LA UT Desar rollar el alisado de las ecuaciones de cambio para el flujo turbulento. Ampliar el campo de utilización y aplicar es tas ecuaciones . MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

U NI DAD T E MÁT I CA 7 : T R ANS P OR T E DE I NT E R F AS E , B AL ANCE S MACR OS CÓP I COS I S OT É R MI COS Definición de factor de fricción. Relación entre el factor de fricción y el Reynolds. Métodos de estimación. Factor de fricción en tubos y esferas. Ley de Stokes. Aplicaciones a partículas no esféricas. Balance macroscópico de materia. Balance macroscópico de cantidad de movimiento. Ejemplo de aplicación al cálculo de fuerzas en las paredes. Balance macroscópico de energía mecánica. Expresión de los balances en estado estacionario. Estimación de las pérdidas por fricción. Introducción al cálculo de cañerías y accesorios.

TIEMPO ASIGNADO 5 OBJETIVOS DE LA UT Desar rollar y fundamentar la via de diseño de los balances macroscópicos de mater ia, de cantidad de movimiento y de energía mecánica. Aplicar es ta vía a diver sos s is temas ingenier i les . Comprobar exper imentalmente la validez de es tas ecuaciones de balance en s ituaciones fís icas en es tado es tacionar io y trans itor io. Fundamentar analíticamente las Operaciones Unitar ias de I ngenier ía Química con énfas is en fluidodinámica y transpor te de cantidad de movimiento. MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

U nidad T emát ica 8 : ME CANI S MOS DE L T R ANS P OR T E DE E NE R GÍ A. B AL ANCE S DE E NVOL T U R AS Conceptos de conducción, convección y radiación. Conducción del calor ; ley de Four ier . Conductividad calor ífica, concepto fís ico,

difus ividad térmica. I nfluencia de la pres ión y la temperatura. Conductividad de gases , l íquidos y sólidos ; métodos de determinación. Balances de energía calor ífica en envolturas s imples . Conducción con y s in generación interna. Flujo calor ífico, concepto. Conducción en paredes compues tas . Dis tr ibuciones de temperatura en sólidos . Conducción en sólidos en es tado no-es tacionar io, aplicaciones a geometr ías sencillas (unidimens ional). Concepto de coeficiente global de trans ferencia del calor .

TIEMPO ASIGNADO 1 OBJETIVOS DE LA UT Revisar los conceptos bás icos de los mecanismos de trans ferencia de energía. Plantear y descr ibir la segunda de las ecuaciones cons titutivas de los Fenómenos de T ranspor te ( Ley de Four ier de la conducción del calor .).Comprender , mediante la aplicación de balances de energía térmica, las pos ibilidades de diseño sencillas en s is temas cons tituidos por envolventes en es tado es tacionar io. MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

U nidad T emát ica 9 : E CU ACI ONE S D I F E R E NCI AL E S P AR A L A T R ANS F E R E NCI A DE CAL OR Condiciones límites . Ecuaciones de la energía en coordenadas rectangulares y cil índr icas . Dis tr ibuciones de temperatura. Formas especiales y s implificadas de las ecuaciones . La ecuación del movimiento para la convección for zada y para la convección libre en flujo no- isotérmico. Anális is dimens ional de las ecuaciones de var iación. Capa límite térmica, concepto, relaciones con la capa límite hidrodinámica. Analogías de Reynolds . Dis tr ibuciones de temperatura en flujo laminar y turbulento. Magnitudes de tiempo ajus tado. Aplicaciones del anális is adimens ional y las analogías en la resolución de problemas . Uso del teorema en s is temas de trans ferencia de calor .

TIEMPO ASIGNADO 3 OBJETIVOS DE LA UT Desar rollar las ecuaciones diferenciales de cambio (Ecuaciones de balance microscópico de mater ia y balance microscópico de cantidad de movimiento) y aplicar las a problemas de diseño.

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U nidad T emát ica 1 0 : T R ANS P OR T E DE I NT E R F AS E . B AL ANCE S MACR OS CÓP I COS NO-I S OT É R MI CO Diferencia media de temperatura ar itmética y logar ítmica. Coeficientes de transmis ión del calor , concepto. Convección libre y for zada; caracter ís ticas . Convección forzada; determinación del coeficiente de transmis ión de calor para flujo interno (tubos ) y alrededor de objetos sumergidos . Analogías entre la trans ferencia de energía y momento. Concepto de convección libre; determinación del coeficiente de transmis ión del calor . Condensación de vapores puros sobre placas ver ticales . Cor relación de Nus selt. Balance macroscópico de energía y de energía mecánica (no- isotérmico).

TIEMPO ASIGNADO 2 OBJETIVOS DE LA UT Desar rollar y fundamentar la via de diseño de los balances macroscópicos de energía térmica. Aplicar es ta vía a diver sos s is temas ingenier iles . Comprobar exper imentalmente la validez de es tas ecuaciones de balance en s ituaciones fís icas en es tado es tacionar io y trans itor io. Fundamentar analíticamente las Operaciones Unitar ias de I ngenier ía Química con énfas is en fluidodinámica y transpor te de energía térmica. MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

U nidad T emát ica 1 1 : F L U JO DE F L U I DOS COMP R E S I B L E S Velocidad del sonido. Número de Mach y regímenes de flujo compres ibles . Flujo isentrópico en conducciones de área var iable. Choque normal, flujo con fr icción en conducciones de sección cons tante.

TIEMPO ASIGNADO 1 I ntroducir al alumno en el conocimiento y aplicación del flujo de fluidos compres ibles . OBJETIVOS DE LA UT

MATERIALES CURRICULARES

U nidad T emát ica 1 2 : R ADI ACI ÓN T É R MI CA T ranspor te de energía por radiación. Ley de Kirchoff. Poder emis ivo de los cuerpos . Cuerpo negro. Emis ividad. Cuerpo gr is . Energía ir radiada por un cuerpo negro. Ley de desplazamiento de Wien. Ley de S tefan-Boltzmann. Radiación entre super ficies . Factores de vis ión. Radiación entre cuerpos no-negros que es tán a dis tinta temperatura. Factores globales de intercambio. Pantallas de radiación.

TIEMPO ASIGNADO 2 OBJETIVOS DE LA UT MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

U nidad T emát ica 1 3 : D I F U S I VI DAD Y ME CANI S MOS . B AL ANCE S E NVOL VE NT E S DE MAT E R I A Concentración, velocidad y dens idad de flujo de mater ia. Ley de Fick de la difus ión. Difus ividad. I nfluencia de la pres ión, temperatura y compos ición. Difus ividad de gases y líquidos . Difus ividad equimolar y no equimolar . Número de S chmidt. Balances de mater ia aplicados a una envoltura. Difus ión en una película gaseosa es tancada. Determinación de la difus ividad binar ia.


U nidad T emát ica 1 4 : E CU ACI ONE S D I F E R E NCI AL E S DE L A T R ANS F E R E NCI A DE MAS A La ecuación de continuidad en una mezcla binar ia. La ecuación de continuidad de A en diver sos s is temas coordenados . Las ecuaciones

de var iación para s is temas de var ios componentes . Condiciones límite. Formas especiales y s implificadas . Adimens ionalización de las ecuaciones de var iación.


U nidad T emát ica 1 5 : D I S T R I B U CI ONE S DE CONCE NT R ACI ÓN E N F L U JO T U R B U L E NT O Magnitudes de tiempo ajus tado. Ajus te de tiempo de la ecuación de continuidad de A. Dens idad de flujo turbulento de mater ia.

TIEMPO ASIGNADO 0.5 OBJETIVOS DE LA UT Desar rollar el alisado de las ecuaciones de cambio de trans ferencia de mater ia para el flujo turbulento. Ampliar el campo de util ización y aplicar es tas ecuaciones . MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

U nidad T emát ica 1 6 : T R ANS P OR T E DE I NT E R F AS E , B AL ANCE S MACR OS CÓP I COS MU L T I COMP ONE NT E S Equilibr io. Coeficientes individuales y totales de trans ferencia de masa. Cor relaciones de trans ferencia convectiva de masa. Balances macroscópicos de mater ia, cantidad de movimiento, energía y energía mecánica en s is temas de var ios componente. Analogías entre la trans ferencia de masa, energía y cantidad de movimiento. Balance en tor re de pared mojada. Número de unidades de trans ferencia.

TIEMPO ASIGNADO 2.5 OBJETIVOS DE LA UT

Desar rollar y fundamentar la via de diseño de los balances macroscópicos de cantidad de movimiento, energía térmica y mater ia. Aplicar es ta vía a diver sos s is temas ingenier iles . Fundamentar analíticamente las Operaciones Unitar ias de I ngenier ía Química con énfas is en fluidodinámica, y transpor te de energía térmica y mater ia. Comprender y vincular las analogías entre el transpor te de cantidad de movimiento, energía y de mater ia. MATERIALES CURRICULARES GUI A DE T RABAJOS PRACT I COS GUI A DE EXPERI ENCI AS DE LABORAT ORI O

P L ANI F I CACI ÓN DE CÁT E DR A

CR ONOGR AMA U NI DAD Y / O T E MA ACT I VI DADE S T I E MP O

(semanas) U.T. 1 CONTENIDOS CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y PROPIEDADES

Clase expositiva. Trabajos Prácticos

1,5

U.T. 2 FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS Clase expositiva. Trabajos Prácticos Experiencia de Laboratorio

2

U.T. 3 ANÁLISIS ENVOLVENTES EN ESTADO ESTACIONARIO


0.5

U.T. 4 ECUACIONES DIFERENCIALES PARA FLUJO DE FLUIDOS ISOTÉRMICOS

Clase expositiva. Trabajos Prácticos Experiencia de Laboratorio

3

U.T. 5 RESISTENCIA FLUIDA Y CAPA LÍMITE


3

U.T. 6 FLUJO TURBULENTO Clase expositiva. Trabajos Prácticos

1

U.T. 7 TRANSPORTE DE INTERFASE, BALANCES MACROSCÓPICOS ISOTÉRMICOS


5

U.T. 8 MECANISMOS DEL TRANSPORTE DE ENERGÍA. BALANCES DE ENVOLTURAS


1

U.T. 9 ECUACIONES DIFERENCIALES PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR


3

U.T. 10 TRANSPORTE DE INTERFASE. BALANCES MACROSCÓPICOS NO-ISOTÉRMICO


2

Trabajos Prácticos U.T. 11 FLUJO DE FLUIDOS COMPRESIBLES Clase expositiva 1 U.T. 12 RADIACIÓN TÉRMICA Clase expositiva.

Trabajos Prácticos 2

U.T. 13 DIFUSIVIDAD Y MECANISMOS. BALANCES ENVOLVENTES DE MATERIA


2

U.T. 14 ECUACIONES DIFERENCIALES DE LA TRANSFERENCIA DE MASA


2

U.T. 15 DISTRIBUCIONES DE CONCENTRACIÓN EN FLUJO TURBULENTO

Clase expositiva.

0.5

U.T. 16 TRANSPORTE DE INTERFASE, BALANCES MACROSCÓPICOS MULTICOMPONENTES


2.5

P L ANI F I CACI ÓN DE CÁT E DR A ME T ODOL OGÍ A DI DÁCT I CA

La metodología didáctica empleada por la cátedra se basa en la expos ición conceptual de los temas teór icos y su vinculación directa con los ejercicios prácticos de aplicación de los mismos . Las es trategias de enseñanza que comprenden la metodología empleada son: 1) Clas es T eór icas : S e realiza la expos ición del marco teór ico que sus tenta cada

tema 2) T r abaj os P r áct icos : Comprende la realización de dieciseis seminar ios de

ejercicios cada uno aplicados a los temas y contenidos de la as ignatura, con una activa par ticipación de los alumnos en la resolución de los mismos , fomentando adquir ir un cr iter io ingenier i l, espír itu cr ítico y capacidad de anális is en los temas tratados y resultados obtenidos

3) E xper iencias de L abor at or io: Como una ejemplificación de los temas claves de los contenidos de la as ignatura, se realizan nueve exper iencias de laborator io que demues tran la aplicación practica de los conceptos adquir idos .

4) Modalidad de agr upamient o: Para la par ticipación de los seminar ios de resolución de problemas y exper iencias de laborator io, se definen comis iones de no mas de cuatro alumnos para lograr una mejor comprens ión de los temas tratados y des tacar la par ticipación operativa individual de cada integrante.

5) Clas es de cons ult a: S e dispone de una clase semanal para realizar consultas sobre cualquier contenido, descr ipción o tarea practica que involucren los temas desar rollados .

Vis i t as : Anualmente se realiza un cronograma de actividades de vis itas a empresas relacionadas con los contenidos de la cátedra y de la car rera de I ngenier ía Química en sus diver sas ramas y especialidades como s iderurgia, tex ti l, petroquímica, autopar tis ta, inves tigación y desar rollo, etc

E VAL U ACI ÓN Las modalidades de evaluación implementadas en la cátedra comprenden: 1) E valuación inicial o diagnos t ica: Prueba de suficiencia practicada al inicio de

cada ciclo lectivo para evaluar los conocimientos que poseen los alumnos en las mater ias bás icas de la car rera como Fís ica y Matemáticas .

2) E valuaciones par ciales : Comprenden tres evaluaciones parciales sobre el contenido desar rollado en el ciclo lectivo mediante la realización de una prueba escr ita.

3) P r es ent ación de car pet a de t r abaj os pr áct icos : S e requiere la presentación de una carpeta de T rabajos Prácticos y Exper iencias de Laborator io con los respectivos informes elaborados por el alumno.

4) E ncues t a anual : S e realiza en el final de cada ciclo lectivo una encues ta a los alumnos para conocer la opinión sobre la actividad de la cátedra, temas desar rollados y el desempeño del cuerpo docente de la misma. No tiene crácter obligator io.

5) Apr obación : S e realiza mediante un examen final teór ico practico.

R E CU R S OS AU XI L I AR E S NE CE S AR I OS Para el desar rollo de sus actividades la cátedra utiliza los s iguientes recursos : 1) T iza y pizar rón 2) Proyector 3) T ransparencias especificas para cada tema 4) I lus traciones y gráficos 5) S oftware especifico

6) Elementos , aparatos y dispos itivos desar rollados íntegramente por el per sonal de la cátedra para la realización de las exper iencias de laborator io.

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