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Academic Year/course: 2021/22

436 - Bachelor's Degree in Industrial Engineering Technology

30012 - Technical Thermodynamics and Heat Transfer Basics


Syllabus Information

Academic Year:
2021/22
Subject:
30012 - Technical Thermodynamics and Heat Transfer Basics
Faculty / School:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Degree:
436 - Bachelor's Degree in Industrial Engineering Technology
ECTS:
6.0
Year:
2
Semester:
First semester
Subject Type:
Compulsory
Module:
---

1. General information

2. Learning goals

3. Assessment (1st and 2nd call)

4. Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1. Methodological overview

The methodology followed in this course is oriented towards achievement of the learning objectives. It is based on participation and the active role of the student favors the development of communication and decision-making skills. A wide range of teaching and learning tasks are implemented, such as lectures, guided assignments, laboratory sessions, autonomous work, and tutorials.

Students are expected to participate actively in the class throughout the semester.

Classroom materials will be available via Moodle. These include a repository of the lecture notes used in class, the course syllabus, as well as other course-specific learning materials.

Further information regarding the course will be provided on the first day of class.

4.2. Learning tasks

The course includes 6.0 ECTS organized according to:

- Lectures (1.8 ECTS): 45 hours.

- Laboratory sessions (0.6 ECTS): 15 hours.

- Guided assignments (1.6 ECTS): 40 hours.

- Autonomous work (1.6 ECTS): 40 hours.

- Tutorials (0.5 ECTS): 10 hours.

Notes:

Lectures: the professor will explain the theoretical contents of the course and solve illustrative applied problems. These problems and exercises can be found in the problem set provided at the beginning of the semester. Lectures run for 3 weekly hours. Although it is not a mandatory activity, regular attendance is highly recommended.

Laboratory sessions: sessions will take place every 2 weeks aprox. (5 sessions in total) and last 3 hours each. Students will work together in groups actively doing tasks such as practical demonstrations, measurements, calculations, and the use of graphical and analytical methods.

Guided assignments: students will complete assignments, problems and exercises related to concepts seen in laboratory sessions and lectures. They will be submitted at the beginning of every laboratory sessions to be discussed and analyzed. If assignments are submitted later, students will not be able to take the assessment test.

Autonomous work: students are expected to spend about 75 hours to study theory, solve problems, prepare lab sessions, and take exams.

Tutorials: the professor's office hours will be posted on Moodle and the degree website to assist students with questions and doubts. It is beneficial for the student to come with clear and specific questions.

4.3. Syllabus

The course will address the following topics:

Theory sessions

Topic 1. Introduction to Engineering Thermodynamics. Introductory concepts. Definitions. System and processes. (2 hours)

Topic 2. Empirical behavior of matter and calculation of thermodynamic properties. Phase change. Diagrams: T-v, P-v, P-T. Superheated steam. Two-phase mixtures. Subcooled liquid. Real gas. Ideal gas. (6 hours)

Topic 3. First Law of Thermodynamics. Mathematical formulations. Mass and energy balances for closed and open systems (control volume). Application to industrial processes and equipment. Transient analysis. (8 hours)

Topic 4. Second Law of Thermodynamics. Reversible and irreversible processes. Formulations of Second Law of Thermodynamics. Carnot Cycle. Entropy: definition and calculation. T-s and h-s diagrams. Entropy balance. Isentropic processes. Isentropic efficiency. Heat transfer and work in quasi-static (isentropic) processes. (8 hours)

Topic 5. Gas power cycles. Otto, Diesel and Dual cycles. Joule-Brayton cycle. Air standard analysis. Effect of pressure ratio and irreversibilities on energy efficiency. Regenerative gas turbine. Regenerative gas turbine with reheat and intercooling. (4 hours)

Topic 6. Vapor power cycles. Ideal Rankine cycle. Effect of the boiler and condenser pressures on energy efficiency. Comparison with Carnot cycle. Irreversibilities and losses. Superheating and reheating. Regenerative cycles. (4 hours)

Topic 7. Refrigeration cycles. Applications. Thermophysical properties of refrigerants. Vapor compression refrigeration cycle. Cascade and multi-stage refrigeration cycles. Heat pump. Irreversibilities. Gas refrigeration cycle. (4 hours)

Topic 8. Psychrometrics and psychrometric processes. Psychrometric principles. Mass and energy conservation in psychrometric processes. Psychrometric diagram. Psychrometric processes. (5 hours)

Topic 9. Fundamentals of Heat Transfer. Relationship of heat transfer with engineering thermodynamics. The relevance of heat transfer. Physical origins and rate equations: conduction, convection radiation. (4 hours)  

Laboratory sessions (tentative program)

Session 1. Thermodynamic properties of P-V-T substances

Session 2. Energy balances to different pieces of equipment

Session 3. Gas or Vapor power cycle

Session 4. Refrigeration cycle

Session 5. Psychrometric processes

4.4. Course planning and calendar

For further details concerning the timetable, classroom and further information regarding this course, please refer to the Escuela de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de Zaragoza (EINA), website, https://eina.unizar.es/.

4.5. Bibliography and recommended resources

Link:
http://biblos.unizar.es/br/br_citas.php?codigo=30012&year=2019


Curso Académico: 2021/22

436 - Graduado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

30012 - Termodinámica técnica y fundamentos de transmisión de calor


Información del Plan Docente

Año académico:
2021/22
Asignatura:
30012 - Termodinámica técnica y fundamentos de transmisión de calor
Centro académico:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Titulación:
436 - Graduado en Ingeniería de Tecnologías Industriales
Créditos:
6.0
Curso:
2
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Obligatoria
Materia:
---

1. Información Básica

1.1. Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

La asignatura se ha planteado para que, una vez superada la evaluación, el alumno sea capaz de:

1. Calcular las propiedades de un sistema termodinámico formado por una sustancia pura simple mediante modelos sencillos (Gas Ideal, sustancia incompresible) o mediante tablas;

2. Calcular las interacciones de un sistema durante un proceso dado, mediante ecuaciones de proceso y ecuaciones de balance;

3. Analizar las prestaciones de instalaciones energéticas basadas en ciclos termodinámicos: ciclos de potencia y de refrigeración, de compresión de vapor y turbina de gas;

4. Conocer las principales mejoras de funcionamiento y rendimiento de los ciclos analizados y comprender la base física que las sustenta para poder extrapolar a situaciones similares;

5. Identificar y aplicar las leyes básicas que rigen los tres mecanismos de transferencia de calor en situaciones sencillas;

6. Manejar con soltura una herramienta informática para la simulación básica de sistemas térmicos y para la representación gráfica de los procesos que tienen lugar.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con algunos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, ODS, de la Agenda 2030 (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) y determinadas metas concretas, de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura proporciona capacitación y competencia al estudiante para contribuir en cierta medida a su logro:

  • ODS 7. Energía asequible y no contaminante.
    • Meta 7.2. De aquí a 2030, aumentar considerablemente la proporción de energía renovable en el conjunto de fuentes energéticas.
    • Meta 7.3. De aquí a 2030, duplicar la tasa mundial de mejora de la eficiencia energética.
  • ODS 8. Trabajo decente y crecimiento económico.
    • Meta 8.4. Mejorar progresivamente, de aquí a 2030, la producción y el consumo eficientes de los recursos mundiales y procurar desvincular el crecimiento económico de la degradación del medio ambiente, conforme al Marco Decenal de Programas sobre modalidades de Consumo y Producción Sostenibles, empezando por los países desarrollados.
  • ODS 9. Industria, innovación e infraestructuras.
    • Meta 9.4. De aquí a 2030, modernizar la infraestructura y reconvertir las industrias para que sean sostenibles, utilizando los recursos con mayor eficacia y promoviendo la adopción de tecnologías y procesos industriales limpios y ambientalmente racionales, y logrando que todos los países tomen medidas de acuerdo con sus capacidades respectivas. 
  • ODS 11. Ciudades y comunidades sostenibles.
    • Meta 11.6. De aquí a 2030, reducir el impacto ambiental negativo per capita de las ciudades, incluso prestando especial atención a la calidad del aire y la gestión de los desechos municipales y de otro tipo.
  • ODS 12. Producción y consumo responsable.
    • Meta 12.2. De aquí a 2030, lograr la gestión sostenible y el uso eficiente de los recursos naturales.

1.2. Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

La asignatura abre el bloque formativo que podríamos denominar energético, tanto en cuanto proporciona los principios básicos para comprender las transformaciones energéticas y permite el diseño de instalaciones térmicas para la generación, transferencia y uso de la energía.

Sirve de introducción para que el alumno aprenda el lenguaje y los conceptos básicos para comprender cualquier texto especializado o los manuales de los equipos más habituales en las instalaciones energéticas, tales como compresores, turbinas, bombas, intercambiadores de calor, etc.

Con esta materia, el alumno se familiariza con la metodología termodinámica para abordar, simplificar, modelar y simular instalaciones energéticas importantes tanto a nivel económico como social: centrales térmicas, turbinas de gas, sistemas de refrigeración y aire acondicionado, etc. También aprende los aspectos básicos de los tres mecanismos de transferencia de calor, conducción, convección y radiación.

La asignatura resulta esencial para cursar las asignaturas posteriores de Ingeniería Térmica (obligatoria), Máquinas e Instalaciones de Fluidos (obligatoria) y del Módulo de Energía (optativas).

1.3. Recomendaciones para cursar la asignatura

Se considera recomendable que el estudiante haya estudiado la parte correspondiente a Termodinámica y Transferencia de Calor en la asignatura de Física I.

Resultará imprescindible la soltura con ciertos conceptos matemáticos, tales como derivadas e integrales básicas, funciones logarítmicas y exponenciales, representaciones gráficas, etc. También la resolución de ecuaciones diferenciales sencillas tendrá cierta importancia para la parte de Transferencia de Calor. Todo ello se aprende en la materia de Matemáticas correspondiente a Formación Básica.

Se recomienda al alumno la asistencia activa a las clases de teoría y problemas, así como un estudio continuado de los contenidos de la asignatura, la preparación de los problemas prácticos que puedan ser resueltos en sesiones posteriores, el estudio de los guiones y la elaboración continua de los resultados de las prácticas.

El trabajo continuado es fundamental para superar con el máximo aprovechamiento esta asignatura, ya que cada parte se estudia gradualmente. Por ello, cuando surjan dudas, es importante resolverlas cuanto antes para garantizar el progreso correcto en esta materia.

Para ayudarle a resolver sus dudas, el estudiante cuenta con la asesoría del profesor, tanto durante las clases como en las horas de tutoría destinadas a tal fin.

2. Competencias y resultados de aprendizaje

2.1. Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

Competencias genéricas:

1. Capacidad para resolver problemas y tomar decisiones con iniciativa, creatividad y razonamiento crítico.

2. Capacidad para usar las técnicas, habilidades y herramientas de la Ingeniería Industrial necesarias para la práctica de la misma.

3. Capacidad para aprender de forma continuada y desarrollar estrategias de aprendizaje autónomo.

Competencias específicas:

4. Conocimientos de termodinámica aplicada y transmisión de calor. Principios básicos y su aplicación a la resolución de problemas de Ingeniería.

2.2. Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados...

Conoce las propiedades termofísicas de interés industrial y tiene capacidad para utilizar y seleccionar procedimientos y herramientas adecuadas para su cálculo.

Conoce y aplica las leyes de la termodinámica al análisis energético de equipos y procesos básicos en ingeniería.

Conoce los criterios básicos para el análisis de ciclos termodinámicos.

Conoce y aplica los mecanismos básicos de transferencia de calor al análisis de equipos térmicos.

Resuelve razonadamente problemas básicos de termodinámica técnica y transferencia de calor aplicados a la ingeniería.

2.3. Importancia de los resultados de aprendizaje

El análisis y la optimización de instalaciones energéticas es de vital importancia para el Graduado en Ingeniería de Tecnologías Industriales, ya que son tecnologías que permiten el actual desarrollo social, tecnológico y económico.

De acuerdo con las competencias profesionales de esta titulación, el futuro graduado deberá abordar proyectos para mejorar el rendimiento de una instalación determinada, obtener el mismo resultado mediante un sistema o equipo diferente, utilizar un fenómeno particular con un fin determinado o inventar nuevas aplicaciones del mismo.

La asignatura de Termodinámica Técnica y Fundamentos de Transmisión de Calor dota al estudiante de las herramientas básicas para abordar estas tareas con éxito, junto con asignaturas posteriores que profundizan en ciertos aspectos y presentan técnicas y métodos de análisis más avanzados.

3. Evaluación

3.1. Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluación

Prácticas de laboratorio. Duración estimada por sesión 2-4 h. El estudiante se familiariza con los sistemas térmicos experimentales y con la toma y el análisis de datos experimentales. Aplica los procedimientos propios de la materia y entrega un informe de resultados.

Prácticas con herramientas informáticas. Duración estimada por sesión 2-4 h. El estudiante aprende a resolver problemas propios de la Ingeniería Termodinámica mediante herramientas informáticas. Resuelve problemas y cuestiones y entrega un informe de resultados.

Trabajos Tutorados. Duración total estimada en función de la disponibilidad de profesorado 20 h. El estudiante con la guía del profesor resuelve problemas de cierta complejidad y entrega informe de resultados.

Exámenes. Duración: hasta 4 h. Constará de cuestiones de tipo teórico-práctico y problemas similares a los resueltos en clase o a los planteados en las actividades prácticas.

Criterios de valoración y niveles de exigencia

En todas las actividades de evaluación se valorarán los siguientes aspectos y cualidades en el grado indicado en cada caso:

  • Realización propia de las tareas (fundamental): si se detectaran plagios o copia fraudulenta de los trabajos, la nota correspondiente sería cero.
  • Correcto planteamiento del procedimiento de resolución de las cuestiones y problemas planteados (fundamental).
  • Exactitud del resultado obtenido.
  • Existencia o no de cuestiones en blanco: se valorará negativamente no responder a ciertas preguntas planteadas.
  • Corrección y claridad en la comunicación escrita (fundamental): correcta ortografía, letra clara, correcta expresión, estructura de contenidos coherente.
  • Análisis crítico de los resultados (importante): coherencia, relación con otros aspectos de la asignatura, posibilidades de mejora, etc.

Adicionalmente, para las actividades prácticas y trabajos tutorados se valorará también:

  • Entrega en el plazo estipulado (fundamental): no se admitirán informes fuera de la fecha límite, salvo causa justificada debidamente.
  • Entrega en el formato y procedimiento indicado por el profesor.

Procedimientos de evaluación

Procedimientos de evaluación

1ª Convocatoria:

Evaluación continua:

La nota final se calculará mediante la ponderación de las notas de cada una de las partes, de acuerdo con los siguientes pesos:

70 % exámenes a lo largo del curso, en los que el alumno debe contestar cuestiones de tipo teórico-práctico y problemas similares a los resueltos en clase o a los planteados en las actividades prácticas (nota mínima de 4 puntos sobre 10 en cada uno de los exámenes para promediar entre sí y con la nota de las actividades prácticas)

30 % actividades prácticas de laboratorio, simulación y trabajo tutorado (realización, entrega por parte del alumnos del informe correspondiente a cada actividad y evaluación objetiva; nota mínima de 5 puntos sobre 10 para seguir la evaluación continua)

Evaluación global:

Realización de un examen final global que abarca todos los contenidos y actividades de toda la asignatura, de acuerdo con la convocatoria oficial establecida en el período de exámenes fijado por el centro.

2ª Convocatoria: el procedimiento seguido en este caso es idéntico al de la primera convocatoria.

4. Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1. Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

1. Clases magistrales, impartidas al grupo completo, en las que el profesor explicará los principios básicos de la asignatura y resolverá algunos problemas representativos de la aplicación de la asignatura a casos realistas del futuro ejercicio profesional. Se buscará la participación de los alumnos en esta actividad. Paralelamente el alumno debe realizar trabajo personal de estudio para un mejor aprovechamiento de las clases.  

2. Prácticas de simulación con ordenador y de laboratorio que se distribuyen a lo largo del cuatrimestre y cuya valoración formará parte de la calificación final de la asignatura. Se formarán grupos de dos o tres alumnos, con ello se fomenta el aprendizaje y el trabajo en grupo. 

3. Trabajos tutorados en grupos pequeños (parejas idealmente) o individuales: los estudiantes analizan y resuelven problemas de la asignatura. Se potencia el aprendizaje autónomo y el trabajo en grupo.

4. Planteamiento de ejercicios, cuestiones y problemas adicionales a los resueltos en clase. Con ello se fomenta el trabajo autónomo, estudiando la materia y aplicándola a la resolución de los ejercicios planteados. Esta actividad dirigida, pero de ejecución autónoma, es fundamental en el proceso de aprendizaje del alumno y para la superación de las actividades de evaluación.

5. Tutorías académicas: el profesor pondrá a disposición del estudiante ciertos procedimientos para el planteamiento y la resolución de dudas. Se recomienda altamente el uso de estas tutorías para asegurar el adecuado progreso en el aprendizaje.

4.2. Actividades de aprendizaje

Las actividades y contenidos concretos que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos se describen en el apartado Programa

4.3. Programa

Programa teórico

Tema 1: Introducción a la Termodinámica Técnica. Conceptos y Definiciones. Sistemas y procesos.

Tema 2: Comportamiento empírico de la materia. Cambios de fase. Diagramas T-v, P-v, P-T. Vapor sobrecalentado. Mezclas bifásicas. Líquido subenfriado. Gases reales. Gases ideales.

Tema 3: Primer Principio. Formulaciones matemáticas. Balances de energía y materia para sistemas abiertos y cerrados. Aplicación a equipos de interés industrial. Llenado y vaciado de depósitos.

Tema 4: Segundo Principio. Procesos reversibles e irreversibles. Formulaciones. Ciclo de Carnot. Definición y cálculo de la entropía. Diagramas T-s y h-s. Balance de entropía. Procesos isoentrópicos. Rendimiento isoentrópico de equipos. Calor y trabajo para procesos cuasiestáticos (politrópicos).

Tema 5: Ciclos de Potencia de Gas. Ciclos Otto, Diesel y Dual. Ciclo de Joule-Brayton. Análisis de aire-estándar. Efecto de la relación de presiones y de las irreversibilidades. Regeneración, recalentamiento y refrigeración intermedia.

Tema 6: Ciclos de Potencia de Vapor. Ciclo de Rankine ideal. Efecto de la presión en la caldera y en el condensador. Temperatura termodinámica media. Comparación con el ciclo de Carnot. Irreversibilidades y pérdidas. Sobrecalentamiento y recalentamiento. Ciclos regenerativos.

Tema 7: Ciclos de refrigeración.  Aplicaciones. Propiedades termofísicas de las sustancias refrigerantes. Ciclos de compresión de vapor. Compresión en cascada y multietapa. Bomba de calor. Irreversibilidades. Ciclo frigorífico real. Ciclo de compresión de gas.

Tema 8: Psicrometría y procesos psicrométricos. Principios básicos. Conservación de la masa y de la energía en procesos psicrométricos. Diagrama psicrométrico. Procesos psicrométricos.

Tema 9: Fundamentos de Transferencia de Calor. Relación con la Termodinámica Técnica. Leyes básicas: conducción, convección, radiación.

 Programa de actividades prácticas (inicialmente previsto)

  1. Propiedades termodinámicas de sustancias
  2. Balances de energía a equipos y sistemas productores de energía
  3. Ciclo de potencia de gas o de vapor
  4. Ciclo de refrigeración
  5. Procesos psicrométricos

4.4. Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones y presentación de trabajos

La carga de trabajo de cada alumno prevista en el cuatrimestre, para superar la asignatura, de acuerdo con las actividades planteadas se estima que se reparte del siguiente modo:

  1. clases magistrales (45 h)
  2. prácticas laboratorio (15 h)
  3. Guiones de prácticas, problemas adicionales, trabajo tutorado (40 h)
  4. Exámenes, evaluación y estudio personal (50 h)

La planificación y calendario de las actividades programadas a lo largo del cuatrimestre será presentada por el profesor al comienzo del curso académico.

Para cada curso, las fechas de inicio y finalización de la asignatura y las horas concretas de impartición para cada grupo se podrán encontrar en la página web del Grado.

Desde el inicio del cuatrimestre los alumnos dispondrán del calendario detallado de actividades que será proporcionado por el profesor correspondiente.

El examen global se realizará, en principio, en la fecha fijada por el centro.