Asignatura: Máquinas Térmicas

Curso: 6° año Mecánica

Profesor: Roberto Ariel Lauritto

Presentación de la asignatura: El montaje , operación y mantenimiento de máquinas térmicas implica conocer todos los elementos comúnmente utilizados en instalaciones de generación, conducción y transformación de energía térmica; identificar los principios de termodinámica y mecánica de fluidos a aplicar en cada sección o elementos de las instalaciones; comprender el modo o lógica de funcionamiento de cada uno de los componentes de las instalaciones termomecánicas; reconocer la normativa de seguridad referida a la operación y mantenimiento de los elementos de generación, transporte y transformación/utilización de energía térmica; definir los principales puntos de inspección de las maquinas e instalaciones para verificar el correcto funcionamiento de las mismas; identificar los parámetros funcionales, y los valores de los mismos, que indican el estado de falla; y definir los ensayos y pruebas específicas a realizar sobre elementos e instalaciones de acuerdo con las memorias y fichas técnicas de las mismas.

Programa de Máquinas Térmicas

Unidad I

Poder calorífico. Calor y temperatura. Calor y trabajo. Equivalencias. Primer principio de la termodinámica. Conceptos de entalpía, exergía, entropía y energía interna. Segundo principio de la termodinámica. Transmisión del calor. Diagramas de estado p-v y T-s. Propiedades térmicas de los fluidos usados como combustibles y como transmisores. Entalpía, entropía y exergía. Coeficientes de conducción térmica de los materiales comúnmente usados en instalaciones termomecánicas: tipos de coeficientes y ecuaciones de cálculo.

Unidad II

Energía en las diferentes fases o estados de los fluidos. Efecto de la velocidad y la presión en los conductos de transmisión. Calculo de conductos: nociones básicas y software específico. Ciclos termodinámicos ideales y reales: Carnot, Rankine, Otto, Diesel, Instalaciones de calefacción y acondicionamiento de aire: principios de termodinámica para la realización de balances térmicos; diagrama psicrométrico; carga térmica: radiación, conducción e infiltración para la calefacción y la refrigeración; criterios para la selección de equipos; métodos constructivos frecuentemente usados.

Unidad III

Fluidos refrigerantes: diagrama de Mollier; normativa de uso. Máquinas endotérmicas de dos y cuatro tiempos: Motores Otto. Motores diesel de baja velocidad. Sistemas de lubricación. Sistemas de refrigeración. Combustión: estequiometría. Equilibrio energético. Instalaciones de vapor: tipos de calderas y principios de funcionamiento. Dispositivos de tratamiento de agua de caldera; equipos recuperadores de condensado. Turbinas de vapor de baja potencia. Cogeneración y regeneración de energía. Turbinas de gas: principio de funcionamiento. Elementos auxiliares del circuito. Combustibles. Diagramas del ciclo: T-s, p-v. Intercambiadores de calor: de casco y tubo. Convectivos. De camisa. Materiales usados en su construcción. Normas de seguridad en la operación y el mantenimiento.

1) Copiar el programa en la carpeta

2) Leer el siguiente texto y realizar un breve resumen. Define poder poder calorífico, poder calorífico superior e inferior

Poder calorífico

Definición: Se define el Poder Calorífico de una sustancia o combustible como la cantidad de calor que se genera, por kilogramo o metro cúbico de esa sustancia, al oxidarse de forma completa.

La mayoría de los combustibles son compuestos de carbono e hidrógeno, que al arder se combinan con el oxígeno formando dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

Por ejemplo, en el caso del Metano (CH4) se tendría la siguiente reacción de oxidación para generar dióxido de carbono (CO2), agua (H2O), además del calor que se desprende:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + Calor

Las unidades más usuales para medir el poder calorífico, es decir, el calor generado en la reacción son:

kcal/kg  ;  kcal/m³  ;  BTU/lb  ;  BTU/pie³

El poder calorífico siempre se mide por unidad de masa o unidad de volumen de combustible que se ha oxidado (quemado).

El vapor de agua (H2O) que se genera en una reacción de oxidación (o combustión) es debida, bien por la combustión del hidrógeno presente en la composición del combustible, o bien, procedente de la misma humedad adherida al propio combustible.

Por otro lado, se denomina calor de cambio de estado a la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). El agua, en concreto, tiene un calor de vaporización y de fusión altos ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas de agua, es necesario suministrar mucha energía.

Pues bien, la presencia de agua en los gases resultantes de la combustión va a condicionar que se pueda definir dos tipos de Poder calorífico: Poder Calorífico Superior y Poder Calorífico Inferior.

• Poder Calorífico Superior: El poder calorífico superior (PCS) se define cuando todos los elementos que intervienen en la reacción de combustión (combustible y aire) son tomados a 0 ºC y los productos resultantes (gases de la combustión) son llevados también a 0 ºC. Por tanto, el vapor de agua que se genere se encontrará totalmente condensado, es decir, ha cambiado de fase. Por tanto, en este caso también habrá que contabilizar el calor desprendido en el cambio de fase de vapor de agua a agua líquida. El PCS también es llamado poder calórico neto.

Por tanto, al condensar el vapor de agua que se desprende durante la combustión se conseguirá un aporte adicional de calor debido al cambio de fase del agua, en concreto:

597 kcal/kg de vapor de agua condensado.

• Poder Calorífico Inferior: el poder calorífico inferior (PCI) se define suponiendo que el vapor de agua contenido en los gases resultante de la combustión no condensa, es decir, el agua resultante no cambia de fase y se desprende en forma de vapor. Por tanto, en este caso hay una parte del calor generado que se gasta para llevar a cabo la condensación del agua en forma de vapor.

Así, en esta ocasión, de la reacción de combustión sólo se obtendrá el calor de oxidación del combustible, sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua, ya que no se produce cambio de fase, sino que se expulsa en forma de vapor. Por ello se define en este caso el Poder Calorífico Inferior del Combustible.

Para aprovechar el PCS son necesarias calderas específicamente diseñadas para ello, que se denominan calderas de condensación. Una caldera que no sea de condensación, se debe calcular con el PCI.

La relación entre los poderes caloríficos superior e inferior viene dada por la siguiente expresión:

PCS = PCI + 597·G

donde,

PCS:  es el Poder Calorífico Superior ( kcal/kg de combustible)

PCI:  es el Poder Calorífico Inferior ( kcal/kg de combustible)

597:  es el calor de condensación del agua a 0 ºC ( kcal/kg de agua)

G:  es el porcentaje de peso del agua formada por la combustión del hidrógeno presente en la composición del combustible, o de la propia humedad del combustible ( kg de agua / kg de combustible).

Siendo   G = 9·H + H2O

donde,

9:  son los kilos de agua que se forman al oxidar un kilo de hidrógeno

H:  es el peso de hidrógeno contenido por kg de combustible

H2O:  es el peso de agua debido a la humedad presente en el combustible, por kg de combustible.