UNLP
Planilla de Actividades Curriculares
Código: M0642
Termotecnia IV
Última Actualización de la Asignatura: 02/03/2017

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CARRERAS PARA LAS QUE SE DICTA

Carrera Plan Carácter Cantidad de Semanas Año Semestre
03005 - Ingeniería Mecánica 2002 Optativa
Totales: 0
Clases:
Evaluaciones:
4to Desde el 8º  info
-

CORRELATIVIDADES
Ingeniería Mecánica - Plan 2002
PARA CURSAR PARA PROMOCIONAR
-
-

INFORMACIÓN GENERAL 

Área: Termica
Departamento: Mecanica

Ingeniería Mecánica - 2002 plegar-desplegar

Tipificación: Tecnologicas Aplicadas

CARGA HORARIA

HORAS CLASE
TOTALES: 80hs SEMANALES: 5 hs
TEORÍA
-
PRÁCTICA
-
TEORÍA
5 hs
PRÁCTICA
0 hs

FORMACIÓN PRÁCTICA
Formación Experimental
0 hs
Resol. de Problemas abiertos
0 hs
Proyecto y Diseño
0 hs
PPS
24 hs

TOTALES CON FORMACIÓN PRÁCTICA: 104 hs

HORAS DE ESTUDIO ADICIONALES A LAS DE CLASE (NO ESCOLARIZADAS)
TEORÍA

-

PRÁCTICA

-


PLANTEL DOCENTE

Profesor Titular - Ordinario, Dedicación Simple  
Dr/a.Mariani, Néstor Javier   mail nmariani@quimica.unlp.edu.ar

Jefe de Trabajos Prácticos - Interino, Dedicación Simple  
Ing.Beducci, Guillermo   mail gbeducci@fibertel.com.ar

Ayudante Diplomado - Interino, Dedicación Simple  
Ing.Beducci, Roberto   mail rbeducci@atisaeargentina.com.ar

OBJETIVOS

Integrar los conocimientos adquiridos en las Asignaturas obligatorias del Area: Termodinámica, Termotecnias I, II, y III en el análisis de sistemas térmicos complejos en forma exhaustiva, rigurosa y realística en cuanto a la consideración del uso racional de los recursos energéticos, el impacto ambiental, y las consideraciones económico financieras. Desarrollar la habilidad para la definición conceptual de la problemática a analizar, sus parámetros, variables independientes y performances expresadas en indicadores cualitativos, y su correlacion en un modelo computacional. Y su utilización para que el alumno desarrolle tareas de optimización de diseño u operación, predicción de comportamientos en condiciones diferentes de las nominales, o evaluación de alternativas de cambios de diseño del sistema, o de sus prácticas operativas.Crear el hábito de la observación crítica de las cosas hechas por el hombre hasta el momento, y la detección de las oportunidades de innovación que se abren a partir de una análisis riguroso sobre bases científicas.

PROGRAMA SINTÉTICO

En el contexto del Uso Racional de la Energía, las medidas del tipo "Housekeeping" basadas en el Primer Principio de la Termodinámica como las Auditorías Energéticas Convencionales son excluidas en esta Asignatura por estar incluidas en el estudio de Unidades y Sistemas Térmicos que se tratan en Termotecnia I, II, y III.Los resultados mas impactantes que se ha obtenido en la búsqueda de mejores soluciones derivan de la consideración del Segundo Principio, que según Bejan (1988) se han intensificado notablemente a partir de las crisis petroleras de los años 1973 y 1979.Los contenidos seleccionados para Termotecnia IV van en esta dirección, siendo necesarias las tareas de Investigación y Desarrollo que se realizan en la correspondiente UID, cuyos resultados se trasladan a la Docencia y Extensión.El Primer Módulo (Temático), Cogeneración es tratado en forma amplia, Sistemas con turbinas de vapor, turbinas de gas, calderas de recuperación, sistemas de cogeneración por bottoming, motores alternativos, y en forma prospectiva, cogeneración con celdas de combustible. El Segundo Módulo (Temático) se refiere a Ciclos Combinados, dedicados, o resultantes de una repotenciación (Repowering) de una instalación existente. Se comienza desde los ciclos combinados de primera generación hasta los actuales ciclos Brayton Ferranti de tres presiones y rendimientos netos del orden del 60%, de tecnología actual. La problemática de la repotenciación se considera de importancia por cuanto se trata de encontrar la mejor solución a un sistema de generación con un elevado nivel de obsolesencia que deber ser transformados en una unidad competitiva y confiable. Se trata de una tarea eminentemente creativa, por cuanto la calidad del ciclo que resulte de la repotenciación, depende fundamentalmente del ajuste de las características de lo que se propone hacer, a las necesidades del ciclo combinado, respetando las restricciones que imponen los equipos existentes que se desean conservar de la instalación existente.El Tercer Módulo (Temático), Cogeneración con Ciclo Combinado, consiste en la integración de los conocimientos adquiridos por los alumnos en los módulos anteriores.El uso de la computadora en esta Asignatura es de absoluta necesidad. No es posible resolver las problemáticas que se tratan sin ella Las Tecnologías referidas a los temas de esta Asignatura son dinámicos y fuertemente específicos: nuestros problemas sobre URE deben ser resultos por nuestros Ingenieros. Esto constituye una oportunidad para nuestros graduados para lo que tiene su razon de ser esta Asignatura. Pero también la responsabilidad para ellos de mantenerse actualizados y proceder profesionalmente con creatividad, y sin perder de vista los intereses de la Comunidad.

PROGRAMA ANALÍTICO 

Año: 2017, semestre: 1

Vigencia: 01/02/2002 - Actualidad

I.- USO RACIONAL DE LA ENERGIA EN LOS SISTEMAS TERMICOS COGENERACION.
I.1. Generalidades. Principios generales. Recursos primarios y formas secundarias de la energía. Procesos de conversión para la producción de electricidad y calor. Valoración de la electricidad y el calor en los sistemas monopropósitos. Consideraciones entálpicas y exergéticas. La problemática del uso racional de la energía en los procesos de conversión.
I.2. Cogeneración, conceptos generales. Visión del primero y segundo principio de la Termodinámica. Eficiencia marginal. Indicadores cualitativos. Rendimientos térmico, eléctrico, FERC y FI. Ahorro de recursos. Otros indicadores. Cogeneración por topping y bottoming, características, flexibilización.Turbogrupo de condensación con extracciones, Costos marginales de la energía y el vapor.
I.3. Cogeneración con turbinas de vapor. Módulo de predicción de las propiedades termodinámicas del agua en fase líquida y de vapor. Módulo computacional para el análisis de la expansión del vapor en turbinas de contrapresión y de condensación. Turbinas con extracciones controladas.

Modelización del diagrama de consumo de vapor. Costos marginales de la potencia generada y el vapor de extracción. Aplicación a la determinación de costos de la generación de frio con máquinas
frigoríficas de compresión y de absorción. Ejemplos de aplicación.
I.4. Modelización de sistemas industriales complejos de vapor. Fundamentos de los sistemas de multiples presiones. Definición de las presiones de alta, media y baja. Cargas calóricas, Subenfriamiento del condensado. Recuperación de vapor flash. Laminación y desobrecalentamiento. Generación de vapor con calor residual de procesos. Desgasificadores térmicos. Modelización de un sistema de dos y tres presiones, Aplicación del modelo para la optimización operativa del sistema. Costos marginales. Evaluación de las implicancias en costos operativos de innovaciones de diseño del sistema
I.5. Cogeneración por bottoming. Características de estos sistemas. Determinación del costo del calor residual para la viabilización de su recuperación. Criterios típicos aplicables a este tipo de problemas. Comparación entre cogeneración por bottoming, y aplicación de la recuperación entálpica para su aplicación en usos calóricos.
I.6. Turbinas de gas. Evolución de los parámetros y las prestaciones de las turbinas de gas desde las de primera generación hasta las actuales. Consumos específicos, caudal específico, temperatura de gases. Tendencias modernas. Costos de los turbogrupos de gas. Máquinas tipo heavy duty y aeroderivadas, aspectos comparativos. Variación de las performances por condiciones climáticas, pérdidas de carga en la aspiración y contrapresión de escape. Operación a cargas parciales. Equipos auxiliares de las instalaciones con turbinas de gas. Conducto de gases, by pass, diverters. Insonori-zación. Reducción de la emisión de NOx. Ciclo de Cheng o STIG, incrementos de la potencia y el rendimiento de la unidad. Microturbinas, perspectivas.
I.7. Calderas de recuperación. Tipos, clasificación. Generadores de vapor acuotubulares. Configura-ción. Paquetes de transferencia térmica. Parámetros de diseño, operación y performances. Análisis en modo diseño y simulación operativa. Diseño básico en base a balances entálpicos, mudularización
Módulos de propiedades termodinámicas de gases de combustión. Perfil de temperaturas. Principios básicos de la modelización del HRSG en modo simulación. Programa HRSGSN. Uso y limitaciones.
I.8. Análisis técnico de los sistemas de cogeneración con turbina de gas y caldera de recuperación de una y dos presiones. Modelización computacional de estos sistemas. Sistemas con TV's, y con TG's. Repotenciación de sistemas de vapor. Esquemas de mínima inversión y de mayor recuperación. Balances input - output, e indicadores cualitativos. Ahorro de recursos.
I.9. Estudios de prefactibilidad de sistemas de cogeneración en la industria y en otros sectores, inversión, financiamiento, costos, beneficios, etc. Indicadores económico financieros. Análisis de riesgos. Revisión de casos analizados. Valor presente neto de los "Lifetime costs".
I.10. Análisis técnico y económico financiero de los proyectos de cogeneración con motores alternativos. Diferentes esquemas. Motores a gas con encendido por chispa. Motores diesel. Recuperación del calor residual, diferentes esquemas. Prestaciones de estos sistemas.
I.11. Nuevas tecnologías. Celdas de combustible. Diferentes tipos. Hidrógeno y su obtención a partir de combustibles convencionales y fuentes alternativas. Cogeneración con celdas de combustible. Microgeneración y generación distribuida.
I.12. Desarrollo de los proyectos de cogeneración. Efectos de la integración, y la participación de terceros en proyectos de cogeneración. Leasing de equipos. Empresas de servicios energéticos
Cuestiones económicas, legales y regulatorias relevantes en los proyectos de cogeneración.

II. CICLOS COMBINADOS
II.1. Ciclos combinados. Conceptos, diferentes tipos y esquemas posibles. Ciclos combinados con turbina de gas, caldera de recuperación, y turbina de vapor. Características y prestaciones de estos sistemas. Ciclos Brayton - Rankine de una y dos presiones. Ciclo Brayton Ferranti de tres presiones. Modelización de estos sistemas. Análisis de la transferencia exergética en el HRSG. Incidencia de la temperatura, composición del gas de combustión, y la concepción del HRSG. Integración del sobrecalentador de AP y el recalentador de MP. Partición de los economizadores de AP y MP.
II.2. Repotenciación. Concepto. Tipos BFW preheating, boiler windbox, y por conversión a ciclo combinado. Repotenciación por por bottoming. Características y limitaciones. Selección de los parámetros del ciclo de bottoming. Pinch point. Rendimientos.
II.3. Repotenciación por topping. Características. Consideraciones sobre la conveniencia del precalentamiento. Rendimientos. Incidencia de la calidad del turbogrupo de gas. Análisis de Centrales existentes repotenciables. Repotenciación de ciclos de vapor subcrítico con recalentamiento. Otros casos de interes.
II.4. Repotenciación de sistema industriales tipo "Total Energy Systems" a ciclo combinado con cogeneración. Modelización de estos sistemas. Características y costos operativos. Evaluación de las opciones posibles, criterios generales.



BIBLIOGRAFÍA

Año: 2017, semestre: 1

Vigencia: 01/02/2002 - Actualidad



Bejan, A. "Advanced Engineering Thermodynamics". John Wiley and Sons. 1988.
Ganapathy, V. “Waste Heat Boiler Deskbook”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ., 1991
Mills, F.A., 1999. “Heat Transfer” 2nd Edition, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ., 1999
Bejan, A. Tsatsaronis, G. and Moran, M. Thermal Design and optimization. John Wily and Sons., 1996.

ACTIVIDADES PRÁCTICAS

4.1 ) Trabajos prácticos con computadora:Los alumnos deben presentar un informe sobre cada uno de estos trabajos en la forma que se detalla en el punto (6) el que es revisado por los docentes de la Cátedra. Algunos de estos informes deben ser defendidos por los integrantes autores, de la Comisión de Trabajo 4.1.1) Modelización de turbinas de condensación con extracciones controladas. Ecuaciones principales y establecimiento de los límites de validez. 4.1.2) Modelización de un sistema industrial complejo de energía total con dos niveles de presión. Aplicación a la determinación de los costos marginales de los vectores energéticos suministrados, y la detección de mejoras operativas y de diseño del sistema. 4.1.3) Trabajo Práctico sobre confeccion de programas de diseño básico de calderas de recuperación por composición de módulos. Programa de simulación operativa. 4.1 4) Modelización de un ciclo combinado de una presión por composición de módulos. Obtención de conclusiones. 4.1 5) Análisis de sistemas de cogeneración con turbina de gas y caldera de recuperación. Análisis técnico y económico. Confección del modelo y análisis de alternativas. 4.1.6) Evaluación técnica y económica de casos de cogeneración por bottoming. Análisis de las alternativas de interés. 4.1.7) Análisis técnico y económico de sistemas de cogeneración con motores alternativos 4.2) Visitas a Plantas. incluye la presentación de un informe oral por grupos sobre lo visto durante las visitas, y en especial las observaciones que los alumnos puedan formular 4.2.1) Visita a la Planta de Cogeneración con turbina de gas Sulzer tipo 7 de primera generación y caldera de recuperación Salcor Caren - Foster Wheeler, y sistema de vapor de tres presiones del Complejo Industrial Ensenada (CIE), de Repsol YPF (5 horas)4.2.2) Visita a la Planta de Cogeneración de CMS Energy, con turbina de gas GE tipo 9E y caldera de recuperación de 200 Ton/hora, en la Destilería de Repsol YPF, Ensenada. (5 horas)

METODOLOGÍA DE ENSEÑANZA

La naturaleza optativa del Curso hace que el número de alumnos que deciden cursarla sea reducido, (alrededor de 10 alumnos) pero realmente interesados en someterse a un árduo trabajo para lograr la mayor formación posible dentro de las limitaciones de la curricula, sobre los temas que abarca. Cada uno de los temas es comenzado con una introducción teórica, necesaria para abordar los aspectos metodológicos de la resolución de los problemas que se pueden plantear en torno al mismo. El aspecto teórico práctico tiene que ver con la definición conceptual de la problemática a resolver, y su adecuada modelización en un programa computacional en el que sea posible manipular todas las variables que incidan en las performances del sistema que se desea evaluar, o visualizar las consecuencias de tal proceder. Constituye la etapa previa a la acción.Se continua con la ejecución de los trabajos prácticos [ndicados en (4)]. Los mismos son realizados por los alumnos en grupos o comisiones de alrededor de 4 alumnos que se agrupan en lo posible por afinidades. Se considera que la discusión que puedan plantearse entre los integrantes de la comisión es beneficiosa y en consecuencia se trata de promoverla. Una parte importante del tiempo que lleva esta actividad transcurre fuera de la Institución; afortunadamente la mayoría de las comisiones logra disponer de una máquina (computadora) de uso familiar de uno de los integrantes, con lo que se ha venido solucionando la insuficiente cantidad de máquinas disponibles en el Departamento hasta el presente. La resolución de problemas o análisis de sistemas ha demostrado ser sumamente motivador para los alumnos, por ser relativamente sencilla la confeccion de modelos de sistemas complejos mediante la composición de módulos que ya se encuentran confeccionados y probados, siempre que se tengan en claro los aspectos conceptuales de lo que se tiene o desea tener.A efecto de proveer el nivel necesario de tutoría que requieren los alumnos, se convocan a alumnos que han terminado satisfactoriamente y aprobado la materia a colaborar en el Area como Ayudantes Alumnos ad honorem, complementando la tarea de los JTP en la asistencia cuasi personalizada de los alumnos. La mencionada asistencia no debe ser una simple explicación de qué hacer o como hacerlo, sino darles a los alumnos las pautas necesarias para orientar su pensamiento en la dirección en que puedan realizar las tareas intelectuales con las que solucionen sus problemas u obtengan las conclusiones de validez práctica que se desean buscar.Las reuniones entre los integrantes de las comisiones y uno de los docentes del Area son oportunidades valiosas de transferencia de conocimientos actitudinales, o sea la actitud del futuro profesional ante el problema que debe resolver, su creatividad, vocación por la innovación, optimización, y rigurosidad. O sea la razon de ser de la tarea del Ingeniero actual, que ha debido dejar atras los procedimientos incluidos en los "Manuales del Ingeniero" para enfrentar un mundo competitivo en el que se requiere crecientemente de buscar y aplicar nuevos conocimientos si se desea triunfar en el campo de las tareas creativas.Cada trabajo implica una cantidad de conclusiones de interés, que los alumnos deben descubrir e incluir en el Informe del Trabajo.. Se solicita que el mencionado informe no sea de carácter académico sino profesional, o sea "como si se estuviera confeccionando un informe sobre un trabajo que les ha sido solicitado por algún comitente a quien se le debe solucionar problemas concretos". Deben excluirse las interminables corridas de los programas, y limitarse a una explicación contextual de la problematica a resolver, los estudios realizados, los supuestos básicos o hipótesis simplificativas debidamente justificadas, y fundamentalmente las conclusiones y recomendaciones ilustrados por tablas de facil interpretación o gráficos según se consideren medios adecuados para la mejor comprensión de lo que se presenta.Se han programado dos visitas a Plantas de interes, por su cercanía. Esta actividad puede incrementarse, de ser posible..

SISTEMA DE EVALUACIÓN

La implementación de las evaluaciones se ajustará en un todo de acuerdo a la Ordenanza Nº 028/02.Se ha solicitado autorización para continuar con el régimen de evaluación que ha sido aplicado hasta el presente, y que consiste en lo siguiente:De los trabajos prácticos realizados por los alumnos según se describe en (4), todos ellos deben ser revisados y corregidos los errores que se hubieran cometido.Los trabajos indicados en (4.1.2), (4.1.4), (4.1.5), (4.1.6), y (4.1.7) deben ser adicionalmente aprobados. en un coloquio de defensa de cada uno de los mismos, en los que deben presentarse todos los integrantes de la comisión con el trabajo previamente revisado.La aprobación de todos los coloquios implica la aprobación de la Asignatura, siendo la calificación que les corresponde, el promedio de las calificaciones de cada uno de lo coloquios, el que puede ser aumentado o disminuido ligeramente (redondeos) en función del concepto que el alumnno haya merecido por su comportamiento en el curso. Si bien se lleva control de la asistencia, este control no se utiliza en el cálculo de la nota, sino en el concepto que se atribuye por este concepto. Dado el reducido número de alumnos, existe en la realidad una evaluación prácticamente continua, y el docente generalmente ya tiene una noción bastante exacta del desempeño del alumno antes de su presentación al coloquio. Esta práctica mejora el aprovechamiento del tiempo disponible durante el cuatrimestre por cuanto se reduce el tiempo de clases dedicado a las evaluaciones, y, adicionalmente, el dialogo alumno - docente en los coloquios constituye una sesión educativa mas para los alumnos.

MATERIAL DIDÁCTICO

Se ha solicitado autorización para continuar con el régimen de evaluación que ha sido aplicado hasta el presente, y que consiste en lo siguiente:De los trabajos prácticos realizados por los alumnos según se describe en (4), todos ellos deben ser revisados y corregidos los errores que se hubieran cometido.Los trabajos indicados en (4.1.2), (4.1.4), (4.1.5), (4.1.6), y (4.1.7) deben ser adicionalmente aprobados. en un coloquio de defensa de cada uno de los mismos, en los que deben presentarse todos los integrantes de la comisión con el trabajo previamente revisado.La aprobación de todos los coloquios implica la aprobación de la Asignatura, siendo la calificación que les corresponde, el promedio de las calificaciones de cada uno de lo coloquios, el que puede ser aumentado o disminuido ligeramente (redondeos) en función del concepto que el alumnno haya merecido por su comportamiento en el curso. Si bien se lleva control de la asistencia, este control no se utiliza en el cálculo de la nota, sino en el concepto que se atribuye por este concepto. Dado el reducido número de alumnos, existe en la realidad una evaluación prácticamente continua, y el docente generalmente ya tiene una noción bastante exacta del desempeño del alumno antes de su presentación al coloquio. Esta práctica mejora el aprovechamiento del tiempo disponible durante el cuatrimestre por cuanto se reduce el tiempo de clases dedicado a las evaluaciones, y, adicionalmente, el dialogo alumno - docente en los coloquios constituye una sesión educativa mas para los alumnos.De no aprobarse la solicitud de continuar la práctica de la evaluación de los alumnos descripta arriba, se deberá aplicar la metodología indicada en el documento: "Nueva Metodología de la Evaluación , aprobado por el HCA el 13 de Julio de 2001.

ACTIVIDAD LABORATORIO-CAMPO


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