Última actualización: 20/04/2017


Curso Académico: 2019/2020

Aero-termoquímica de Sistemas
(15061)
Titulación: Grado en Ingeniería de la Energía (280)


Coordinador/a: VERA COELLO, MARCOS

Departamento asignado a la asignatura: Departamento de Ingeniería Térmica y Fluidos

Tipo: Obligatoria
Créditos: 6.0 ECTS

Curso:
Cuatrimestre:




Materias que se recomienda haber superado
Cálculo I, II Física I, II Fundamentos Químicos de la Ingeniería Técnicas de expresión oral y escrita Programación Ingeniería Térmica Ingeniería Fluidomecánica
Competencias que adquiere el estudiante y resultados del aprendizaje.Más información en este enlace
El objetivo de este curso es proporcionar al alumno conocimientos básicos de la ciencia y la tecnología de los sistemas aerotermoquímicos Conocimientos adquiridos en este curso: - Ecuaciones de conservación de los sistemas reactivos. - Termoquímica. - Cinética de la combustión. - Conocimiento de las principales características de los sistemas reactivos homogéneos (condiciones críticas de ignición/extinción, explosiones térmicas y de radicales, etc.). - Conocimiento fenomenológico de los distintos tipos de llamas. - Balance másico y energético en calderas y generadores de vapor de recuperación de calor (HRSG) y análisis de rendimiento. - Generación de energía basada en la combustión de combustibles fósiles. - Consideraciones operacionales sobre el diseño de calderas y HRSG, efectos de calderas y HRSG en el rendimiento de planta. - Determinar la metodología adecuada para obtener las variables requeridas en un problema de ingeniería (cálculo, experimentos, etc.). - Presentar los resultados de una manera racional en términos de los parámetros relevantes. - Comprensión de la terminología básica para entender la documentación técnica y la literatura específica. Capacidades específicas: - Caracterización de la composición de una mezcla de gases ideales en términos de i) fracciones másicas, ii) fracciones molares y III) concentraciones molares. - Determinación de la composición de una mezcla reactiva en función del dosado o relación de equivalencia. - Determinación de la temperatura adiabática de llama de una mezcla reactiva mediante el uso de ecuaciones de conservación de los átomos y condiciones de equilibrio químico de los productos de la reacción. - Determinación de mecanismos de reacción reducidos mediante la aplicación sistemática de la aproximación de estado estacionario a un mecanismo detallado completo. - Determinación de las condiciones críticas de ignición y extinción para la combustión estacionaria en un reactor adiabático bien agitado. - Solución de problemas de convección que involucren sistemas sólido-vapor y sólido-líquido con cambio de fase. - Solución de problemas de transferencia de calor de radiación en presencia de medios participativos. - Diseño térmico de Coal Fired calderas. - Diseño térmico de HRSG. Capacidades generales: - Análisis basado en principios científicos. - Enfoque Multidisciplinar (utilización conocimiento de varias disciplinas: Termodinámica, Ingeniería Mecánica de Fluidos, Ingeniería Térmica, etc.). - Capacidad para localizar y entender la literatura básica sobre el tema. Actitudes: - Actitud analítica. - Actitud crítica. - Actitud cooperativa.
Descripción de contenidos: Programa
1. La ciencia de la aerotermoquímica. - Perspectiva historica. - La combustión como disciplina científica. - Retos actuales. 2. Mezclas multicomponente. - Composición * Fracciones másicas. * Fracciones molares. * Concentraciones. - Ecuaciones de estado para mezclas de gases ideales. * La ecuación térmica de estado. * La ecuación calórica de estado. 3. Termoquímica. - Mezcla estequiométrica. - Dosado, o relación de equivalencia. * Composición de la mezcla de productos en el caso de combustión completa. + Mezclas pobres. + Mezclas ricas. - Temperatura adiabática de llama. * Definición. * Calor de combustión. - Ejemplos de aplicación. * Combustión pobre de mezclas de hidrógeno y aire. * Combustión pobre de mezclas de metano y aire. - Combustión completa e incompleta. * Especies mayoritarias y minoritarias. - Equilibrio químico en sistemas reactivos. * La constante de equilibrio. * Disociación de las especies mayoritarias. * Efecto de la temperatura y de la presión. - Ejemplos de aplicación. * Disociación del aire. * Temperatura adiabática de llama y composición de la mezcla de productos en mezclas estequiométricas/ricas de hidrógeno/hidrocarburos y aire. 4. Cinética de la combustión. - Cinética química. * Tipos de reacciones elementales. * Mecanismos detallados y reducidos. * Modelos irreversibles de un paso. * El límite de alta energía de activación. - La hipótesis de estado estacionario. - Ejemplos: * Combustión de hidrógeno. * Combustión de hidrocarburos. * Análisis de Zel'dovich de la producción de NO. 5. Combustión en sistemas homogéneos. - Ecuaciones de conservación para sistemas reactivos. * Masa. * Cantidad de movimiento. * Especies. * Energía * El ritmo de liberación de calor. - Combustión estacionaria en un reactor adiabático con mezcla perfecta. * El número de Damköhler. * Ignición y extinción: La curva en S. - Diseño de reactores 6. Llamas. - Llamas premezcladas vs. no premezcladas. - Ejemplos: * La llama de bunsen. * Llamas de difusión tipo chorro. 7. Sistemas de generacion de potencia y generadores de vapor. - Ciencia y tecnología de la combustión. - Fossil Fuel-Fired Power Generation (combustión heterogenea del carbón). - Tecnologías de combustion tradicionales y avanzadas. * GICC. * Chemical looping. * Pilas de combustible. * Penalizacion energética en la captura de CO2. - Aspectos fundamentales de los nuevos procesos de producción de energía. - Aspectos mediambientales. * Captura de CO2. - Steam Generators en la reducción de CO2. 8. Calderas de generación de vapor y calderas recuperadoras (HRSG). - Tipos de calderas. * Calderas acuotubulares. * Calderas recuperadoras. * Calderas pirotubulares. - Eficiencia y desempeño de calderas de generación de vapor. - Corrosión de las superficies de intercambio de calor debido a la combustión heterogenea. - Aplicacion de calderas recuperadoras a ciclo combinado y cogeneración. - Composicion del los gases de combustion en el funcionamiento de calderas recuperadoras, balances de energía, control de emisiones y eficiencia en calderas HRSG. 9. Transferencia de calor en calderas de generación de vapor y calderas recuperadoras (HRSG). - Lado líquido. * Diagrama de fases y parametros adimensionales en ebullición y condensación. * Transferencia de calor en procesos de ebullición. * Régimenes de ebullición. * Ebullición en piscina. * Ebullición en flujo cruzado. * Transferencia de calor en plantas de generación de energía: Transferencia de calor en condensadores (sesión especial). * Caso de estudio: "Closed Feedwater heaters". - Lado gas. * Fundamentos. + Transferencia de calor lado gas. + Radiación no luminosa. + Coeficiente de extinción molar (camino óptico). + Absorbancia y emisividad. + Intercambio radiativo entre superficies en presencia de un medio participativo. * Transferencia de Calor por radiacion en hornos + Modelos de transferencia de calor en hornos Aproximación de superficie moteada + Superficies de transferencia de calor convectivas Superficies aleteadas y sin aletas. Transferencia de calor combinada radiación/convección en superficies convectivas. 10. Diseño térmico de calderas - Diseño térmico de calderas de carbón * Principios operacionales * Componentes principales * Consideraciones de diseño * El modelo de reactor bien agitado - Diseño de calderas recuperadoras * Consideraciones de diseño * Dimensionado * Caso de estudio
Actividades formativas, metodología a utilizar y régimen de tutorías
La metodología a utilizar incluye: 1. Sesiones magistrales: Los estudiantes dispondrán de apuntes y bibliografía recomendada. 2. Sesiones de resolución de problemas relacionados con la temática del curso. 3. Resolución de problemas orientados a la auto-evaluación del alumno. 4. Desarrollo y presentación interactiva de trabajos dirigidos, incluyendo tres sesiones de laboratorio de aplicación directa de la teoría. Además, en el programa se podrán incluir tutorías colectivas.
Sistema de evaluación
  • Peso porcentual del Examen Final 60
  • Peso porcentual del resto de la evaluación 40
Bibliografía básica
  • C. K. Law. Combustion Physics. Cambridge Univ. Press. 2006
  • F. P. Incropera. Introduction to heat transfer. John Wiley & Sons. 2006
  • G. F. Hewitt. Process heat transfer. CRC Press. 1994
  • I. Glassman. Combustion. Academic Press. 1985
  • K. K. Kuo. Principles of Combustion. John Wiley & Sons. 1986
  • K. Rayaprolu. Boilers for power and process. CRC. 2009
  • R. A. Strehlow. Combustion Fundamentals. McGraw-Hill. 1985
  • S. R. Turns. An Introduction to Combustion. Mc. Graw Hill. 1996
  • V. Ganapathy. Industrial boilers and heat recovery steam generators: design, applications, and calculations. CRC Press. 2002
Recursos electrónicosRecursos Electrónicos *
Bibliografía complementaria
  • F. A. Williams. Combustion Theory (2nd ed). Benjamin/Cummings. 1985
  • J. D. Buckmaster & G. S. S. Ludford. Theory of Laminar Flames. Cambridge Univ. Press. 1982
  • R. C. Flagan & J. H. Seinfeld. Fundamentals of Air Pollution Engineering. Prentice-Hall. 1988
  • Y.B. Zeldovich, G.I. Barenblatt, V.B. Librovich & G.M. Makhviladze. The Mathematical Theory of Combustion and Explosions. Consultants Bureau. 1985
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El programa de la asignatura y la planificación semanal podrían sufrir alguna variación por causa de fuerza mayor debidamente justificada o por eventos académicos comunicados con antelación.