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Plan Anual de Actividades Académicas

a completar por el Director de Cátedra

Departamento:

Ingeniería Eléctrica

Asignatura: Máquinas Térmicas Hidráulicas y Fluidos

Titular: ………………………………………………………………………………………………………

Asociado: Ing Mario Ricardo ALONSO

Adjunto:

JTP: Ing Fabián Carmelo CARBONE

Auxiliares: …………………………………………………………………………………………………..

Planificación de la asignatura

Fundamentación de la materia dentro del plan de estudios.

El ingeniero eléctrico de la UTN debe ser capaz de cumplir funciones (entre otras) en los campos de: Ingeniería y proyecto; Planificación, dirección, construcción y montaje; Puesta en marcha, operación, modificación, transformación e inspección, ensayos y mediciones; etc.; por lo que el conocimiento de las instalaciones térmicas e hidráulicas son de vital importancia para que pueda cumplir con las incumbencias de la especialidad. La asignatura Máquinas Térmicas Hidráulicas y de Fluidos corresponde al 4

to Año de la

especialidad ingeniería Eléctrica y forma parte del área Complementarias. Básicamente está constituida por dos tecnologías aplicadas como lo son Máquinas Térmicas y Máquinas Hidráulicas y una tecnología básica como lo es Mecánica de los fluidos. Dentro de este contexto la orientación del área Complementarias debe basarse en facilitar todas las herramientas básicas que sirvan para la formación de la especialidad que el perfil del ingeniero eléctrico de la UTN se propone. De esta manera, los objetivos generales que se proponen con la asignatura son: - Integrar los conocimientos que se van incorporando con la práctica profesional, es decir

integrar el saber con el hacer. - Relacionar los conceptos y procedimientos a partir de situaciones problemáticas incluidas

en la actividad profesional - Asignar un significado concreto a los conceptos que se desarrollan en el programa.

Propósitos u objetivos de la materia.

. En los fundamentos, la asignatura mantiene el objetivo de inducir a la interpretación y el conocimiento de los diferentes tópicos técnicos que la componen, como sentido armónico con fundamentación teórica y variada aplicación practica. El desarrollo y comprensión de la materia resulta con el dominio por parte del estudiante de los conceptos de que trata la termodinámica, termoquímica, mecánica de los fluidos y la física en general El desarrollo de las diferentes argumentaciones teóricas que tratan los diferentes temas del programa aportan a delinear las condiciones en el desarrollo de los sucesivos temas. Durante el desarrollo de los temas, la cátedra prevé dar la argumentación para la exposición y comprensión de los restantes tópicos. Es propósito proporcionar los conocimientos para la formación que posibilite interpretar los procesos de conversión energética en el área de las máquinas térmicas e hidráulicas con enfoque realista y aplicado.

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Otro de los aspectos a internalizar es que los cursantes efectúen actividad mediante el desarrollo de trabajos en grupo e inducirlos a la búsqueda bibliográfica en forma continua y permanente como hábito de formación. Es propósito de la cátedra aportar conocimientos formativos y proporcionar información actualizada en el área de la energía térmica e hidráulica que les permita a los estudiantes comprender los procesos e inducir a la búsqueda bibliográfica continua para lograr dominio en los criterios especializados de complejidad creciente. En síntesis se procura:

áfica.

contribuyan a una mejor calidad de vida preservando el medio ambiente

Contenidos.

El programa sintético de la materia está conformado de la siguiente manera:

Generador de vapor

Turbinas de vapor

Turbinas de gas

Motores de combustión interna alternativos

Turbinas hidráulicas

Bombas hidráulicas

Compresores y sopladores El contenido de cada Unidad Temática es el siguiente: Unidad 1: Ciclos de vapor Introducción: Sistemas, transformaciones. Primer y Segundo principio de la termodinámica, definiciones, parámetros, diagramas utilizados (p-v, T-S, i-S), tablas de vapor. Ciclos de vapor, Ciclo de Carnot, definición de temperatura media termodinámica, ciclo de Hirn, ciclo con recalentamiento intermedio. Rendimiento térmico total de la instalación, Consumo específico de calor de la Instalación, Consumo específico de vapor, Consumo específico de calor de la Planta. Ciclos regenerativos, Cogeneración, Ciclos combinados. Conclusiones Trabajo Práctico N° 1 (Teórico): Estudio de los ciclos de vapor. Trabajo Práctico N° 1 (Laboratorio) Instalación térmica de generación de energía eléctrica. Unidad 2: Combustibles-Combustión Clasificación de los combustibles. Descripción y características de los combustibles utilizados en la Rep. Argentina. Fósiles: Carbón, Fuel-oil, Diesel oil, Gas oil, Gas natural. Renovables: Bagazo, cáscaras, leñas, etc. Combustión estática. Estequiometría. Tipos de combustión. Exceso de aire. Ecuaciones de la combustión. Triángulo de Ostwald. Equipos para medir gases de combustión. Introducción a la combustión dinámica. Trabajo Práctico N° 2 (Teoría) Trazado del triángulo de Ostwald para un Fuel-oil. Unidad 3: Transmisión del Calor Formas. Régimen estacionario. Conductibilidad térmica. Ley de Fourier. Ecuación fundamental en el interior de un cuerpo conductor de calor. Ecuación de Laplace. Analogía con la ley de Ohm. Conducción térmica en pared cilíndrica. Convección. Coeficiente de transmisión combinado. Intercambio de calor en el curso de cambios de estado. Valores de coeficientes. Transmisión total a través de pared cilíndrica en dos fluidos de distinta temperatura. Ejemplos prácticos. Radiación. Cuerpos negros. Leyes de la energía radiante. Ley de Planck. Ley de Wien. Ley de Stefan—Boltzmann. Intercambio de calor radiante en hornos. Abacos para la determinación de la cantidad de calor transmitida por radiación. Unidad 4: Tratamiento de aguas El agua y sus características. Grado de dureza. Los problemas del agua: incrustación arrastre y corrosión. Ataque por hidrógeno. Sílice. Dispositivos correctivos. Sección Pre operacional: Clarificación, Filtrado, Ablandamiento, Desmineralizado. Sección Operacional: Desgacificación, Control de ph, Purga continua, control operacional del ciclo. Valores recomendados. Conservación y lavado ácido de calderas.

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Unidad 5: Generación de vapor Introducción, evolución histórica del generador de vapor. Definición de parámetros: Superficie de calefacción, vaporización específica, presión y temperatura nominal y máxima de trabajo, presión de sellado o de timbre. Presión y temperatura de diseño, producción de vapor máxima instantánea, nominal y mínima, carga térmica. Unidad 6: Generadores de vapor Clasificación de generadores de vapor. Calderas humotubulares, descripción de los distintos tipos. Calderas acuotubulares. Tipos de circulación agua-vapor. Calderas fabricadas en taller, calderas radiantes de circulación natural, radiantes de circulación asistida, calderas de recuperación, calderas de paso forzado. Descripción y campo de aplicación. Paredes de hogar, Domo, Economizador, Sobrecalentadores y recalentadores. Quemadores. Circulación aire-gases. Tiro, ventiladores Calentadores de aire. Control de la temperatura de vapor, descripción de los distintos métodos. Determinación del rendimiento y balance térmico en un generador de vapor. Trabajo Práctico N° 3 (Teoría): Diseño de un calentador de aire. Unidad 7: Turbinas de vapor Clasificación de las turbinas de vapor. Derrame adiabático, toberas y difusores. Ecuación del intercambio de energía, Euler. Tipos de turbinas de vapor de acuerdo al principio de accionamiento. Acción y reacción. Turbinas de acción: Laval, Curtis, Ratteau. Triángulos de velocidades. Turbinas de reacción: Grado de reacción, triángulo de velocidades. Turbina Parsons. Características constructivas de las turbinas de vapor. Sistemas de regulación. Introducción al Mercado Eléctrico Mayorista (M.E.M.) Tipos de regulación de frecuencia. Unidad 8: Condensadores y precalentadores de agua Función del condensador. Características.Tipos. Condensadores de superficie, descripción, detalles constructivos. Diseño: Ecuaciones de intercambio de calor, coeficientes, diagrama temperatura-superficie. Eyectores y bombas de vacío. Instalación de agua de refrigeración. Bombas de circulación, filtros rotativos, torres de enfriamiento. Precalentadores de superficie, funcionamiento, materiales y detalles constructivos. Trabajo Práctico N° 4 (Teoría): Diseño de un condensador de vapor. Unidad 9: Turbinas de Gas Descripción de la turbina de gas. Ciclo Brayton ideal. Distintos tipos, simple y doble eje. Combustión en la turbina de gas. Factores que afectan el rendimiento de la turbina de gas. Su aplicación en los ciclos combinados. Componentes básicos, Compresor, combustores, elementos constitutivos de la turbina. Trabajo Práctico N° 2 (Laboratorio): Rendimiento de la Cámara de Combustión – Elementos constitutivos de calderas, turbinas de vapor y turbinas de gas. Unidad 10: Motores de combustión interna Ciclo de aire, ciclo límite. Ciclo indicado. Comparación. Trabajo, rendimientos. Combustión en motores encendido por chispa en 2 y 4 tiempos. Ciclo Otto. Diagrama circular. Combustión en motores encendidos por compresión. Ciclo Diesel. Detonancia y variables del motor. Carburación. Distintos tipos de carburadores. Bombas inyectoras. Sistemas de inyección. Características constructivas. Trabajo Práctico N° 3 (Laboratorio): Elementos constitutivos y curvas características de los motores de combustión interna. Unidad 11: Mecánica de los fluidos Introdución. Propiedades de los fluidos. Hidrostática: Ecuación fundamental. Ecuación fundamental de la continuidad de Bernoulli. Impulso y cantidad de movimiento. Aplicaciones. Cañerías y válvulas. Cálculo de pérdida de carga. Unidad 12: Centrales hidroeléctricas Saltos naturales: potencial hidroeléctrico. Explotación de los saltos naturales: caudal instalado. Tipos y Clasificación de las centrales según: Tipo de embalse, potencia, altura del salto, economía de la explotación, lugar de la instalación. Unidad 13: Turbinas hidráulicas Definición. Elementos constitutivos. Clasificación. Número específico de revoluciones. Turbinas de acción: Turbinas Pelton, descripción, componentes, triángulo de velocidades. Turbinas de reacción: Francis, Kaplan y Deriaz, descripción, componentes, triángulo de velocidades. Unidad 14: Bombas y Compresores

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Definición y clasificación de bombas. Tipos constructivos. Componentes. Rodete, carcasa, difusor. Instalación de una bomba. Altura útil o efectiva. Potencia. Rendimiento. Cavitación. Golpe de ariete. Curvas características. Compresores: Clasif, tipos y características. Componentes. Potencia. Rendimiento. Regulación. Unidad 15: Centrales Nucleares Introducción. Energía por medio de la fisión Combustible: aprovechamiento del Uranio. Reacción en cadena. Técnica del reactor. Elementos componentes del reactor. Métodos de conversión de energía nuclear. Centrales termonucleares. Principios generales. Clasificación de los reactores. Tipos de reactores para la generación de potencia. Desarrollo y aspectos económicos de la energía nuclear.

Metodología de Enseñanza. Se emplea el régimen coloquial entre docentes y alumnos poniendo énfasis en una formación metodológica, con el fin de brindar el conocimiento tecnológico formativo básico para que el alumno pueda asimilar con rapidez los conceptos de conversión de energía y equipos asociados a esos procesos que nos presenta la ingeniería actual y aquella en vías de desarrollo. El conocimiento informativo y especializado es transmitido a nivel complementario con el objetivo de ejemplificar la aplicación deseada. Las exposiciones se realizan según el tema: con láminas, proyección de transparencias, proyección de soportes magnéticos (power point) y/ó con fibra sobre el pizarrón. El desarrollo de los trabajos prácticos en clase y laboratorio se hace formando grupos no mayores de ocho alumnos con responsabilidad de realizar cada trabajo práctico por dos estudiantes integrantes del grupo. Independientemente del tema a tratar en cada caso, se destinará aproximadamente un

20% del tiempo de cada clase para el seguimiento, apoyo y control de los Trabajos Prácticos de aplicación.

Los trabajos prácticos de laboratorio tienen como finalidad consolidar con equipamiento

didáctico y real, los conocimientos brindados en teoría. Se efectúan visitas guiadas a instalaciones térmicas, donde el alumno tiene oportunidad de afianzar los conceptos recibidos con la realidad técnica. Como estrategia global para el desarrollo de los temas que componen el programa analítico, se propone un esquema global que contenga básicamente una intensa interacción docente alumno. Esta premisa debe contemplar espacio para la exposición docente, espacio para la búsqueda de información y elaboración por parte de los alumnos (a través de los trabajos de aplicación) y, finalmente, espacio para la discusión y obtención de conclusiones que constituirán los ejes troncales del resultado de aprendizaje sobre cada tema.

Se propone la ejecución de Trabajos Prácticos de aplicación sobre cada unidad temática

central componente del programa que se elaborarán grupalmente y cuya finalidad principal será inducir al alumnado a integrar conocimientos adquiridos con la búsqueda de información e investigación, de modo tal que el resultado final de la actividad sea similar a lo que necesariamente tenemos que ejecutar en la vida profesional.

Metodología de Evaluación.

A los efectos de la evaluación del proceso de enseñanza – aprendizaje experimentado por el alumno, se tiene como juicio los siguientes elementos: 1. Los trabajos prácticos a desarrollar en el curso teórico con las evaluaciones correspondientes 2. Los trabajos prácticos desarrollados en Laboratorio con las evaluaciones correspondientes 3. Los dos parciales uno en cada cuatrimestre, de los cuales se deberá responder el 80% de las preguntas. Para poder presentarse a esta evaluación el alumno deberá haber aprobado el 80% de los Trabajos Prácticos, tanto de teoría como de laboratorio. Con la aprobación del proceso se dará por alcanzado el cursado de la asignatura al alumno. (Firma de T.P.)

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La aprobación de la asignatura por el alumno se substancia mediante el examen final, consistente primero, en una evaluación escrita de por lo menos tres puntos de distintos tópicos vistos en el año, para luego en caso de realizar satisfactoriamente esta evaluación (definitoria en caso de no alcanzar la aprobación), se realiza un interrogatorio oral de por lo menos otros tres temas de distintos tópicos vistos en el año.

Recursos didácticos a utilizar como apoyo a la enseñanza. Para la exposición con fibra en pizarrón la infraestructura se considera suficiente. En el Anexo Campus (lugar donde se dicta la materia) se cuenta con un aula muy bien equipada con proyectores de filminas y cañón para exposición con software. Los laboratorios son espaciados, pero de ninguna manera soportan a todo el curso por ensayo, por lo que se los divide en tandas para la realización de los mismos. El material didáctico con el que se cuenta es abundante, tanto en láminas como en piezas reales aportadas por las distintas empresas que abarcan los distintos rubros de la materia.

Articulación horizontal y vertical con otras materias La asignatura Máquinas Térmicas e Hidráulicas y Fluidos es de formación profesional, el dictado de la misma corresponde al 4° nivel de la carrera de Ingeniería Eléctrica y está inserta en el área Complementarias. El nexo o articulación entre la asignatura con el área, debe fijarse en conceptualizar la utilización que tienen los distintos equipamientos en el ámbito de la actividad de la generación de energía eléctrica, poniendo especial énfasis en el uso racional de la energía en todos los procesos de transformación. Una idea básica que debe desarrollarse durante las clases, es el desafío que imponen los tiempos actuales en lo referente a la preservación del medio ambiente y su relación con las actividades industriales. Por orientación a fin y articulación de contenidos la asignatura requiere de una directa interrelación de continuidad (como ya se expresó) con la asignatura Termodinámica, correspondiente al 3º nivel, y de soporte a las asignaturas del 5° nivel Generación, Transmisión y Distribución de la energía eléctrica y a su vez de orientación con Instrumentación y Fuentes No Convencionales de Energía del mismo nivel. En el campo de las ciencias básicas el soporte lo brindan Física I y II, Química general y Análisis matemático, no sólo por los conocimientos específicos en sí sino por las características de formación que hacen al razonamiento, deducción e introducción a los procesos de complejidad creciente. Se observa la necesidad de administrar una mayor interrelación con ejercitaciones prácticas utilizando ejemplos de aplicación extraidos del campo de la ingeniería y posibilitar la asistencia de medios computacionales a determinaciones y cálculos de mayor complejidad.

Cronograma estimado de clases. Para la programación de distribución de temas y asignación de tiempos en función del

programa analítico especificado, se partirá de una base supuesta de 32 clases en todo el ciclo lectivo proponiéndose el siguiente esquema:

- 2 clases: Parciales del Cuatrimestre - 1 clases: Recuperación de Parciales. - 1 clase: Revisión General. De las 28 clases restantes se realizará la siguiente diagramación: Unidad Clases 1- Temario / Ciclos de vapor 1,5 (T.P.1: Ciclos, T.P. Lab: Ensayo de Pta Térmica 1,5 Problemas / Evaluaciones) 2- Combustibles y Combustión 2,5

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Trabajos Prácticos/Problemas 0,5 (T.P. 2: Diagrama de combustión, T.P. Lab: Cámara de combustión, Problemas / Evaluaciones) 3- Transmisión del Calor 1 4- Tratamiento de agua 1,5 5- Generación de vapor 0,5 6- Generadores de vapor 2,5 Trabajos Prácticos/Problemas 1 (T.P. 3: Diseño del C. de aire, T.P 4: Rend gen de vapor Problemas / Evaluaciones) 7- Turbinas de Vapor 3 8- Condensadores y Precal. de agua 1 Trabajos Prácticos/Problemas 1 (T.P. 5: Diseño de un condensador, Problemas / Evaluaciones) 9- Turbinas de Gas 1 10- Motores de combustión interna 2 T.P Lab Elem const del motor 1 Relev de curvas caract 11- Mecánica de los fluidos 2 Trabajos Prácticos/Problemas 1 (TP Lab: Pérd de caga) 12-Centrales hidroeléctricas 0,5 13- Turbinas hidráulicas 1 14- Bombas y compresores 1 15- Centrales nucleares 1 (Visitas a plantas industriales y térmicas)

Bibliografía La bibliografía disponible para abarcar este contenido es muy amplia, por lo que se destacará solo una parte considerada relevante. Unidad 1:“Termodinámica Técnica” Moran Shapiro, “Termodinámica” C.A. García, “Ciclos de vapor” Apunte CEIT Unidad 2: “La Combustión, Teoría y aplicación” G. Salvi, “El cálculo de la combustión” R. Orel, “Combustión y Generación de vapor” Torreguitar - Weiss

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Unidad 3: “Procesos de transferencia de calor” D. Kern, “Transmisión del calor” Bados – Rossignoli Unidad 4: “Tratado de aguas” Degremont, “Tratamiento de Aguas” Apunte CEIT, “Impianti chimici” ENEL. Unidades 5y 6: ”Combustion Fossil Power systems” Combustion Engineering Inc, “Steam, its generation and use” Babcock & Wilcox, “Calderas, tipos, características y funciones ” C. Shields, “Generadores de vapor” Apunte CEIT, “Combustión y Generación de vapor” Torreguitar – Weiss Unidad 7: “Turbinas de vapor” E. Church, “Turbinas de vapor” L. Luccini, “Turbomáquinas” C. Mataix, “Turbinas de vapor” Apunte CEIT Unidad 8: “Condensadores y Precalentadores de agua” Apunte CEIT, Apparecchiature ausiliarie e componenti” ENEL, “Centrales de vapor” G. Gaffert Unidad 9: “Turbinas de gas” Tratado General Electric, “Turbinas de gas” Tratado Siemens, “Turbomáquinas” C. Matatix Unidad 10: “Teoría de los motores térmicos” Martinez de Vedia – Martinez, “Motores de combustión interna” Apunte Máquinas térmicas II CEIT. Unidades 11, 12 y 13: “Mecánica de los fluidos” Streeter, “Flow of Fluid” Crane, “Mecánica de los fluidos y máquinas hidráulicas” C. Mataix, “Centrales hidroeléctricas” G. Zoppetti, “Hydraulic Turbines” Miroslav Nechleba. Unidad 14: “Bombas su selección y aplicación” Tyler – Hicks, “Bombas rotativas“ R. Focke, “Bombas centrífugas” Apuntes CSB, Mecánica de los fluidos y máquinas hidráulicas” C. Mataix. “Ventiladores y turbocompresores” J. Masana Unidad 15: “Las Centrales nucleares” P. Chambadal, “Nociones sobre energía nuclear” Tratado C.N.E.A., “Combustión y Generación de vapor” Torreguitar – Weiss.