Course: Ampliación del material audiovisual del curso ADD en abierto de apoyo al estudio de la termodinámica y la ingeniería térmica. (2018)

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Información general del curso
Material audiovisual de apoyo al estudio de la termodinámica y la ingeniería térmica
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Tema 0. Video Tutorial de la aplicación Engineering Equation Solver (EES)
Resumen del contenido:
En este tema se presenta el funcionamiento y uso básico de la aplicación Engineering Equation Solver (EES) que resulta de gran ayuda para el cálculo de propiedades termodinámicas y representación gráfica de estados, procesos y ciclos termodinámicos.
El primer vídeo explica cómo iniciar la aplicación EES y cómo utilizar este programa para resolver sistemas de ecuaciones. Por medio de ejemplos prácticos, se plantea la forma de calcular propiedades termodinámicas de sustancias y de definir el sistema de unidades adecuadamente.
En el segundo vídeo se enseña a trabajar con tablas paramétricas y vectores.
En el tercer vídeo se explica cómo realizar diversos tipos de representaciones gráficas sencillas.
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Tema 1. Cálculo de propiedades de las sustancias puras
Resumen del contenido:
En este tema se enseña a calcular las propiedades de un sistema termodinámico formado por una sustancia pura simple mediante tablas y modelos sencillos.
El primer vídeo comienza presentando unas definiciones básicas y explicando las diferentes fases de una sustancia pura y sus características. Seguidamente se expone el comportamiento de las sustancias puras reales cuando se les suministra calor a presión constante a través de un diagrama de temperatura frente a calor absorbido.
En el segundo vídeo se explica la relación que existe entre las propiedades presión, temperatura y volumen específico para una sustancia pura. Se comienza con una breve introducción con algunos conceptos y definiciones, para seguir con la presentación de la superficie Presión-Volumen específico-Temperatura, y la explicación de sus proyecciones: el diagrama de fase, el diagrama P-v y el diagrama T-v. Para finalizar se hace un resumen de los contenidos tratados en el vídeo.
El objetivo del tercer vídeo es aprender a utilizar las tablas de sustancia real para el cálculo de propiedades termodinámicas. El vídeo recoge diversos ejemplos de cálculo para el caso del agua, si bien el procedimiento expuesto es válido para cualquier sustancia real.
En el cuarto vídeo se explica como calcular las propiedades termodinámicas de una sustancia real cuando se encuentra como líquido subenfriado. El vídeo recoge diversos ejemplos de cálculo utilizando tablas y modelos simplificados, como la aproximación a líquido saturado y el modelo de sustancia incompresible.
Finalmente el quinto y sexto vídeo se centran en el modelo de gas ideal, presentado la ecuación térmica de estado y explicando la validez del modelo para el cálculo de propiedades de una sustancia pura.
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Tema 2. Primer Principio de la Termodinámica
Resumen del contenido:
En este tema se presenta el primer principio de la termodinámica aplicado a sistemas cerrados y a sistemas abiertos.
El objetivo del primer y segundo vídeo es aprender a modelar matemáticamente y representar en diagramas P-v los denominados procesos politrópicos, comprendiendo su utilidad a la hora de calcular variables de proceso como el trabajo en sistemas abiertos o cerrados.
En el primer vídeo se define qué se entiende por procesos politrópicos presentando su expresión matemática general y las expresiones particulares para los procesos politrópicos más habituales. Seguidamente se deducen las expresiones que permiten calcular el trabajo termodinámico de compresión o expansión en sistemas cerrados y el trabajo técnico en sistemas abiertos para los procesos politrópicos más habituales.
En el segundo vídeo se plantean y resuelven dos ejemplos prácticos de aplicación de los procesos politrópicos, finalizando con un breve resumen.
En el tercer vídeo se presenta la ecuación de conservación de la energía en un sistema cerrado y se plantean dos sencillos ejemplos prácticos de uso del balance de energía en un sistema cerrado, finalizando con un breve resumen del tema.
En el cuarto vídeo se explican los conceptos de flujo másico y flujo volumétrico. Seguidamente se deduce la ecuación de conservación de la masa en un volumen de control y se plantean dos sencillos ejemplos prácticos de uso de esta ecuación, terminando con un resumen.
En el quinto vídeo se presenta el primer principio de la termodinámica aplicado a sistemas abiertos. En primer lugar se deduce la ecuación de conservación de la energía en un volumen de control. Seguidamente se plantea un sencillo ejemplo práctico de uso de esta ecuación, finalizando con un breve resumen.
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Tema 3. Segundo Principio de la Termodinámica - Ciclo de Carnot
Resumen del contenido:
En este tema se define el concepto de ciclo termodinámico, aprendiendo a realizar el balance de energía de un ciclo y a evaluar sus prestaciones, y se explica el funcionamiento del ciclo de Carnot y su importancia como ciclo hipotético e ideal con el máximo rendimiento teórico posible, que sirve de referencia para analizar el funcionamiento y desempeño de los ciclos termodinámicos reales.
En el primer vídeo se define en primer lugar el concepto de ciclo termodinámico y se presentan los tipos de ciclos más habituales. Seguidamente se aplica la ecuación de conservación de la energía en ciclos termodinámicos, como caso particular de aplicación de esta ecuación en un sistema cerrado. Finalmente se explica cómo evaluar las prestaciones de un ciclo en base al cálculo de su desempeño.
En el segundo vídeo se plantean 3 sencillos ejemplos prácticos de aplicación del balance de energía y cálculo del desempeño en ciclos termodinámicos, terminando el vídeo con un breve resumen.
En el tercer vídeo se define inicialmente el ciclo de Carnot y se presentan los estados y procesos que conforman el ciclo de Carnot de potencia y el ciclo de Carnot de refrigeración (también denominado ciclo de Carnot inverso). Seguidamente se presentan los dos corolarios de Carnot a partir de los que se plantean las expresiones para poder calcular el rendimiento máximo en ciclos de potencia y de refrigeración.
En el cuarto vídeo se resuelven 3 sencillos ejemplos prácticos de aplicación del cálculo del rendimiento máximo en ciclos reales, terminando el vídeo con un breve resumen.
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Tema 4. Ciclos de turbina de gas
Resumen del contenido:
En este tema se presentan los fundamentos básicos de los ciclos de potencia con turbina de gas, en los que el fluido de trabajo es aire.
En el primer vídeo se analiza el funcionamiento de las instalaciones de turbina de gas simples. Tras una breve introducción de los equipos que forman una turbina de gas, el vídeo docente plantea los balances energéticos y se definen sus principales parámetros de funcionamiento. Tras ello, se efectúa su análisis partiendo del ciclo Brayton simplificado hasta aproximarse a las transformaciones que ocurren realmente. Se presentan asimismo las mejoras que pueden obtenerse en el rendimiento y el trabajo neto mediante la modificación de dichos ciclos incorporando regeneradores o etapas intermedias de transferencia de calor tanto en las turbinas como en los compresores.
En el segundo y tercer vídeo se realiza un análisis de aire estándar frío en una turbina de gas regenerativa con refrigeración y recalentamiento intermedio. En el segundo vídeo se plantean las hipótesis y las ecuaciones aplicables y en el tercer vídeo se calculan las prestaciones y se representa el ciclo en el diagrama T-s.
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Tema 5. Ciclos de turbina de vapor
Resumen del contenido:
En este tema se presentan los fundamentos básicos de los ciclos de potencia con turbina de vapor, en los que el fluido de trabajo es el agua.
En el primer vídeo se recuerda el ciclo de Carnot de potencia, y se explican las modificaciones sobre este ciclo que dan lugar al ciclo Rankine ideal, planteando los balances de energía en cada equipo del ciclo y el cálculo de las principales prestaciones del ciclo.
En el segundo vídeo se exponen las principales irreversibilidades y pérdidas que se encuentran en el ciclo Rankine real, y se analizan posteriormente las variables que afectan al rendimiento del ciclo Rankine, presentando dos soluciones prácticas para la mejora del funcionamiento de los ciclos, como son el recalentamiento y/o la regeneración.
En el tercer vídeo se presenta el uso de las fracciones de flujo másico para aplicar el balance de masa de forma eficiente en instalaciones energéticas complejas. En primer lugar, se define el concepto de fracción de flujo másico justificando su utilidad para simplificar la resolución de balances de masa en ciclos termodinámicos complejos, que presenten diversas bifurcaciones, extracciones y mezclas de flujos másicos. Tras presentar su aplicación en una cámara flash y dos ejemplos adicionales, se finaliza con un breve resumen del tema.
En el cuarto y quinto vídeo se realiza un análisis de una turbina de vapor con sobrecalentamiento y recalentamiento intermedio. En el cuarto vídeo parte se plantean las hipótesis y las ecuaciones aplicables, y en el quinto vídeo se calculan las prestaciones y se representa el ciclo en el diagrama T-s.
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Tema 6. Ciclos de refrigeración
Resumen del contenido:
En este tema se presenta el funcionamiento de los ciclos termodinámicos de refrigeración.
En el primer vídeo se exponen los fundamentos básicos de los ciclos de refrigeración de vapor por compresión, en los que el fluido de trabajo es una sustancia refrigerante con baja temperatura de saturación. En primer lugar se recuerda el ciclo de Carnot inverso. A continuación se explican las modificaciones sobre este ciclo que dan lugar al ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor. Finalmente se exponen las principales irreversibilidades y pérdidas que se encuentran en un ciclo real de refrigeración por compresión de vapor.
En el segundo vídeo se plantea y se analiza el funcionamiento básico de un frigorífico doméstico. Se comienza mostrando un esquema con los componentes del ciclo de refrigeración que tiene lugar en el frigorífico y seguidamente se presentan los principales equipos y procesos del ciclo, incluyendo el compresor, el condensador, el tubo capilar, el intercambiador de calor regenerativo, el evaporador y el filtro deshidratador.
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Tema 7. Psicrometría
Resumen del contenido:
En este tema se presentan algunos aspectos básicos de psicrometría.
El objetivo del primer vídeo es aprender a utilizar el diagrama psicrométrico para la obtención de propiedades del aire húmedo. Para ello, se comienza con algunas definiciones necesarias para comprender los apartados siguientes. Seguidamente se presenta el diagrama psicrométrico y las isolíneas representadas en él. A continuación se plantean y se resuelven varios ejemplos de uso del diagrama y, finalmente, se hace un resumen de los contenidos tratados en este vídeo.
En el segundo vídeo se describe el funcionamiento de un enfriador evaporativo y se propone una práctica sobre el análisis del funcionamiento del mismo. En primer lugar, se presenta la instalación y la instrumentación a utilizar. Seguidamente, se explica cómo realizar la práctica. A continuación se presenta el cálculo de propiedades y la determinación de flujos másicos. Finalmente, se plantean los balances de materia y energía.
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Tema 8. Instalaciones de climatización
Resumen del contenido:
En este tema se presenta a modo de ejemplo el funcionamiento de una instalación de climatización de un edificio universitario. En concreto se trata del Edificio Betancourt ubicado en el Campus Río Ebro de la Universidad de Zaragoza.
Este primer vídeo puede servir para preparar una posterior visita con los estudiantes a la sala de máquinas de climatización del edificio Betancourt. Se expone la información mínima necesaria para que los estudiantes entiendan lo que van a ver y se intenta enlazar con los contenidos explicados previamente.
Los siguientes 10 vídeos (incluidos en una lista de reproducción) constituyen una guía para el mantenimiento de las instalaciones de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria.
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Tema 9. Termodinámica aplicada a máquinas y motores térmicos
Resumen del contenido:
En este tema se presentan algunos conceptos termodinámicos que resultan de gran interés especialmente para su aplicación en máquinas y motores térmicos.
En el primer vídeo se explica el significado y la utilidad del concepto de rozamiento en termodinámica, se demuestra su relación con la entropía generada tanto en sistemas abiertos como cerrados y se aplica a un caso real.
El segundo vídeo explica las diferencias que aparecen en las formulaciones de la termodinámica cuando se tratan aplicaciones en las que circulan gases a altas velocidades. El concepto central es de flujo incompresible de un gas.
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Tema 10. Transferencia de calor - Conducción transitoria
Resumen del contenido:
En este tema se presentan los fundamentos básicos para la solución de problemas de conducción transitoria en geometrías sencillas mediante la aplicación del método de los sistemas de capacidad (también llamado método de resistencia interna o resistencia de conducción despreciable), estableciendo asimismo un criterio cuantitativo que permita conocer de antemano la validez y aplicabilidad del método.
En el primer vídeo se introduce el problema de la conducción transitoria y sus posibles causas. Seguidamente se definen y presentan los sistemas de capacidad como un método para resolver este problema. A partir del planteamiento de un problema sencillo, se deducen las ecuaciones que permitirán calcular la evolución de la temperatura y el calor transferido en función del tiempo.
En el segundo vídeo se deduce un criterio para establecer la validez de este método y se resuelve un ejemplo práctico de aplicación, terminando con un breve resumen del tema.
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Tema 11. Transferencia de calor - Convección forzada con flujo externo
Resumen del contenido:
En este tema se explica cómo ajustar correlaciones de convección forzada con flujo externo para dos geometrías típicas como son un cilindro aislado y un banco de tubos en flujo cruzado, a partir de medidas experimentales. El vídeo docente comienza con una descripción de la instalación experimental y posteriormente describe el proceso de toma de datos y la obtención de resultados en cada una de las geometrías analizadas.
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Tema 12. Intercambiadores de calor
Resumen del contenido:
En este tema se presentan los fundamentos básicos para el análisis y diseño de intercambiadores de calor.
Los objetivos que se plantean en el primer video son: en primer lugar conocer los tipos básicos de intercambiadores de calor; en segundo lugar, saber realizar el balance de energía en los intercambiadores de calor. Esto permitirá conocer el calor intercambiado, alguna temperatura desconocida o evaluar el funcionamiento del equipo.
Los objetivos que se plantean en el segundo video son: saber resolver problemas de dimensionamiento y análisis de intercambiadores de calor. Esto permitirá diseñar y conocer el tamaño requerido de un equipo o bien conocer si su funcionamiento es el correcto en unas condiciones dadas.
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