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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
PROGRAMA ANALÍTICO FIME
Nombre de la unidad de aprendizaje: Plantas generadoras de vapor Frecuencia semanal: 3 Horas presenciales: 48 Horas de trabajo extra-aula: Modalidad: Presencial Período académico: Semestral Unidad de aprendizaje: ( ) obligatoria (X) optativa Área curricular, según el nivel educativo: Licenciatura ( ) Formación básica profesional (X) Formación profesional ( ) Formación general Universitaria ( ) Libre elección Créditos UANL: 4 incluyendo laboratorio Fecha de elaboración: 18 de Septiembre de 2015 Fecha de la última actualización: Responsables del diseño:
Dr. Jorge Adrián Aldaco Castañeda M.C. Yumei Mata Hi M.C. Joel González Marroquín M.C. Homero Estrada Cortinas
Presentación: Esta unidad de aprendizaje está dividida en 5 unidades temáticas, en la primera se estudia de manera general a las centrales de potencia de vapor y de gas. En la segunda se caracterizan combustibles de carbón y de petróleo utilizados en dichas centrales, así mismo, se analiza su combustión y la energía aprovechada y las energías no aprovechadas durante el proceso. En la tercera unidad se estudian las plantas generadoras de vapor que son un componente básico de las centrales de potencia de vapor. En la cuarta se estudian las turbinas de vapor y los intercambiadores de calor, igualmente, componentes básicos de las centrales de potencia de vapor. En la quinta unidad se estudian los ciclos de potencia de vapor y de gas utilizados para modelar centrales de potencia de vapor. Propósito: Esta unidad de aprendizaje tiene como finalidad que los estudiantes analicen centrales de potencia de vapor, tanto desde un punto de vista particular mediante el estudio termodinámico de cada uno de sus componentes básicos (bomba, planta generadora de vapor, turbina e intercambiador de calor), como desde un punto de vista global mediante ciclos de potencia de las centrales. Con lo anterior, se generarán profesionales competentes que integren los conocimientos del funcionamiento, limitaciones, capacidad y eficiencia que presentan diferentes centrales de potencia de vapor.
Competencias del perfil de egreso: a. Competencias de la Formación General Universitaria a las que contribuye esta unidad de aprendizaje:
Esta unidad de aprendizaje contribuye al desarrollo de las siguientes competencias generales: Competencias instrumentales:
• Aplica estrategias de aprendizaje autónomo en los diferentes niveles y campos del conocimiento que le permitan la toma de decisiones oportunas y pertinentes en los ámbitos personal, académico y profesional.
Competencias personales y de interacción social
• Interviene frente a los retos de la sociedad contemporánea en lo local y global con actitud crítica y compromiso humano, académico y profesional para contribuir a consolidar el bienestar general y el desarrollo sustentable.
Competencias integradoras
• Asume el liderazgo comprometido con las necesidades sociales y profesionales para promover el cambio social pertinente.
b. Competencias específicas del perfil de egreso a las que contribuye la unidad de aprendizaje:
• Analiza el funcionamiento y limitaciones de centrales de potencia de vapor, desde las más básicas (bomba, planta generadora de vapor, turbina e intercambiador de calor) hasta algunas más complejas que integran componentes adicionales (turbinas de alta y baja presión, recalentador, calentador de agua de alimentación, economizadores, calentadores de aire,…), además, estima sus capacidades y eficiencias con base en los ciclos termodinámicos apropiados.
Representación gráfica Considerando el propósito, las competencias y el producto integrador de aprendizaje, bosquejar mediante una representación gráfica el proceso global de
construcción del aprendizaje, partiendo de la problematización del objeto de estudio de la unidad de aprendizaje, para desarrollar las competencias descritas y elaborar el producto integrador de aprendizaje
Unidad temática # 1 Introducción a las centrales de potencia de vapor y de gas Competencias particulares: Identificar los componentes básicos y el funcionamiento general de las centrales de potencia de vapor y de gas, bajo los respectivos ciclos básicos ideales.
Elementos de Competencia
Evidencias de aprendizaje
Criterios de desempeño
Actividades de aprendizaje
Contenidos Recursos
Identificar los componentes básicos de las centrales de potencia de vapor y de gas, respectivamente, y el funcionamiento general de las mismas bajo los respectivos ciclos básicos ideales.
Investigación de las centrales de potencia de vapor y de gas
Investigación: - Metodología de la
investigación - Tema correcto - Presentación y
limpieza - Entrega a tiempo
Identificar, con las indicaciones del profesor, los componentes básicos de una central de potencia de vapor y de una de gas, y el funcionamiento general de las mismas. Para reforzar el aprendizaje de los componentes y del funcionamiento ideal de las centrales básicas se propone realizar una lectura de los temas: Ciclo Rankine: el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motores de turbina de gas y hacer la investigación correspondiente
- Bomba - Planta generadora de
vapor - Turbina de vapor - Intercambiador de calor - Compresor - Turbina de gas - Ciclo Rankine y Brayton
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Unidad temática # 2 Combustión
Competencias particulares: Analizar la combustión de los combustibles a quemar en una planta generadora de vapor y estimar la energía aprovechada y las energías no aprovechadas del proceso.
Elementos de Competencia
Evidencias de aprendizaje
Criterios de desempeño
Actividades de aprendizaje
Contenidos Recursos
Estimar el aire teórico (sin exceso y con un 25% de exceso de aire) para lograr una combustión completa de un combustible y los productos a generar en la misma Estimar la energía aprovechada y las diferentes energías que no se aprovechan en la combustión de un combustible utilizado en una planta generadora de vapor, así como también el aire realmente suministrado a la combustión y el porcentaje de exceso de aire
Ejercicio resuelto de la combustión de un combustible Ejercicio resuelto de la combustión de un combustible
Ejercicio: - Metodología para
la solución - Resultado
correcto - Presentación y
limpieza - Entrega a tiempo
Ejercicio:
- Metodología para la solución
- Resultado correcto
- Presentación y limpieza
- Entrega a tiempo
Desarrollar por escrito la solución de un problema en el que se estime el aire teórico para una combustión y sus productos, para esto se utilizan las reacciones químicas para lograr la combustión completa de los elementos químicos del combustible, determinados éstos de un análisis último Desarrollar por escrito la solución de un problema planteado para estimar la energía aprovechada y las no aprovechadas, así como el aire real suministrado. En éste se utiliza información del análisis último, aproximado y Orsat; las temperaturas del combustible a quemar, del aire de entrada al quemador y de los productos gaseosos obtenidos; las masas del
- Tipos de combustibles - Análisis aproximado del
combustible - Análisis último del
combustible - Análisis volumétrico del
combustible - Análisis último
gravimétrico del combustible
- Determinación del poder calorífico de los combustibles
- Combustión - Química de la
combustión - Productos de la
combustión de un combustible (análisis gravimétrico)
- Análisis de los productos secos de la combustión (aparato Orsat)
- Pérdidas de energía en la combustión
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combustible quemado y de los desechos; el poder calorífico de los desechos; la energía liberada al quemar C en CO2; el calor específico promedio de los productos gaseosos secos de la combustión; la energía liberada al quemar C en CO; la primera ley de la termodinámica, la ley de la conservación de la materia; ecuaciones empíricas ASME; el poder calorífico del combustible; las reacciones químicas de la combustión y la composición del aire
- Calor sensible en los productos secos de la combustión
- CO en los productos secos gaseosos de combustión
- Carbón en los desechos sólidos
- Humedad en el combustible
- Vapor de agua formado del hidrógeno del combustible
- Sobrecalentamiento del vapor de agua en el aire suministrado para la combustión, hidrógeno e hidrocarburos no consumidos, radiación,…
Unidad temática # Tema 3 Plantas generadoras de vapor Competencias particulares: Analizar las plantas generadoras de vapor y estimar la capacidad y eficiencia de las mismas.
Elementos de Competencia
Evidencias de aprendizaje
Criterios de desempeño
Actividades de aprendizaje
Contenidos Recursos
Calcular la energía absorbida por el agua en la caldera, en el sobrecalentador y, en sí, en la planta generadora
Ejercicio resuelto de una planta generadora de vapor
Ejercicio: - Metodología para
la solución - Resultado
correcto
Desarrollar por escrito (individual o grupal) la solución de un problema planteado en el que se calcule correctamente la energía
- Partes principales del generador de vapor
- Calderas pirotubulares - Calderas acuotubulares - Recalentadores
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de vapor, igualmente, calcular la eficiencia
- Presentación y limpieza
- Entrega a tiempo
absorbida por masa del vapor generado en la caldera, en el sobrecalentador y, en sí, en la planta generadora, para esto se cuantifican las entalpías del vapor que sale de la caldera, del agua de alimentación y del vapor que sale del sobrecalentador, además, se utiliza el poder calorífico del combustible, el flujo másico del vapor generado, la primera ley de la termodinámica y la ecuación de la eficiencia
- Economizadores y calentadores de aire
- Control de recalentamiento
- Controles de fuego por presión y por temperatura
- Capacidad y eficiencia de plantas generadoras de vapor
Unidad temática # Tema 4 Turbinas de vapor e intercambiadores de calor Competencias particulares: Analizar las turbinas de vapor y los intercambiadores de calor, y estimar sus capacidades y la eficiencia de las turbinas de vapor de impulso simple.
Elementos de Competencia
Evidencias de aprendizaje
Criterios de desempeño
Actividades de aprendizaje
Contenidos Recursos
Calcular el trabajo del álabe y la eficiencia de una turbina de vapor
Ejercicio resuelto de una turbina de vapor de impulso simple
Ejercicios: - Metodología para
la solución - Resultado
correcto - Presentación y
limpieza - Entrega a tiempo
Desarrollar por escrito (individual o grupal) la solución de un problema en el que se calcule correctamente el trabajo del álabe realizado por el vapor que pasa por una turbina de impulso simple y la eficiencia de la misma, para esto se utilizan las ecuaciones de trabajo y de eficiencia mecánica en términos de velocidad, la velocidad absoluta del álabe, las componentes vectoriales de las velocidades absolutas del fluido a la entrada y a la salida del álabe, la primera ley de la termodinámica aplicada a la tobera previa a los álabes y los estados termodinámicos del vapor a la entrada y salida de ésta, el ángulo existente entre la tobera y el movimiento del álabe, y un análisis vectorial gráfico de las
- Partes principales en la turbina de vapor
- Toberas en las turbinas - Trabajo del álabe - Turbinas de vapor de
impulso simple - Turbinas de reacción - Intercambiador de
contacto directo y de superficie
- Deareador
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Estimar el área de transferencia de calor y el flujo de calor a intercambiar en un intercambiador de calor de contacto indirecto y/o el flujo de calor y el flujo másico de vapor a condensar en un intercambiador de calor de contacto directo.
Ejercicio resuelto de un intercambiador de calor de contacto indirecto y/o de contacto directo
velocidades. Desarrollar por escrito (individual o grupal) la solución de un problema planteado en el que se calcule el área de transferencia del calor y el flujo de calor a intercambiar en un intercambiador de calor de contacto indirecto y/o el flujo de calor y el flujo másico de vapor a condensar en un intercambiador de calor de contacto directo, para ésos se necesita aplicar la primera ley de la termodinámica, la ley de la conservación de la materia, la ecuación de transferencia de calor por convección y los estados del agua líquida de entrada, del vapor de agua a condensar y del agua líquida en la(s) salida(s).
Unidad temática # 5 Ciclos de potencia de vapor y de gas Competencias particulares: Analizar, con base en los ciclos termodinámicos apropiados, las centrales de potencia de vapor y estimar sus capacidades y eficiencias.
Elementos de Competencia
Evidencias de aprendizaje
Criterios de desempeño
Actividades de aprendizaje
Contenidos Recursos
Calcular las eficiencias térmicas de ciclos utilizados para modelar centrales de potencia de vapor
Ejercicio resuelto de los ciclos de potencia de vapor y de gas
Ejercicio: - Metodología para
la solución - Resultado
correcto - Presentación y
limpieza - Entrega a tiempo
Desarrollar por escrito (individual o grupal) las soluciones de problemas planteados en los que se calcule la eficiencia de ciclos de potencia utilizados para modelar diferentes centrales de potencia de vapor, para esto se precisa de los estados del fluido de trabajo a la entrada y salida de los dispositivos (que entreguen o requieran trabajo y calor) de las centrales, las condiciones de los ciclos, la primera ley de la termodinámica, la ecuación de la eficiencia y las eficiencias mecánicas de la turbina, de la bomba y del compresor
- Ciclo Rankine ideal - Desviación de los ciclos
de potencia de vapor reales respectos de los idealizados
- Ciclo Rankine ideal con recalentamiento
- Ciclo Rankine ideal regenerativo
- Ciclo combinado de gas y vapor
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Evaluación integral de procesos y productos No. Evidencia Ponderación
1 Investigación de las centrales de potencia de vapor y de gas 5%
2 Ejercicios resueltos de la combustión de un combustible 10%
3 Ejercicio resuelto de plantas generadoras de vapor 5%
4 Examen de medio curso 30%
5 Ejercicio resuelto de turbinas de vapor y de intercambiadores de calor 10%
6 Ejercicios resueltos de ciclos de potencia de vapor y de gas 5%
7 Examen final 30%
8 Portafolio (producto integrador) 5%
Producto integrador del aprendizaje de la unidad de aprendizaje: Al finalizar esta unidad de aprendizaje el estudiante deberá entregar un portafolio que deberá contener las 7 evidencias de la evaluación integral de procesos y productos, así como una reflexión sobre el desarrollo del programa de clase.
Fuentes de apoyo y consulta: Libro: Thermal engineering
Autor: Harry L. Solberg Editorial: Willey
Libro: Energía mediante vapor, aire o gas
Autor: W. H. Severns, H. E. Degler, J. C. Miles
Editorial: Reverté
Libro: Termodinámica
Autor: Y. A. Cengel, M. A. Boles
Editorial: Mc Graw Hill
Libro: Steam Plant Operation Autor: Everett Woodruff, Herbert Lammers, Thomas Lammers
Editorial: Mc Graw Hill
Libro: Thermal Power Plant: Design and Operation Autor: Dipak Sarkar
Editorial: Elsevier
Tema: Liga: https://www.claytonindustries.com/clayton_ac1_case_studies.aspx
Liga: https://library.e.abb.com/public/ef050027256edeaec1256ddd00346c68/26-32m105.pdf Liga: https://library.e.abb.com/public/c69ddd3690b7b286c1256ddd00347179/12-18m495.pdf
Liga: http://www2.inecc.gob.mx/publicaciones/gacetas/367/energiamed.html Liga: http://www.scielo.cl/pdf/infotec/v22n4/art03.pdf
Liga: http://revistasomim.net/revistas/1_1/art2.pdf
Fecha última revisión: N.A.
Revista: SOMIM
Año: 2002 # de revista: N.A.
Mes: Junio Nombre del artículo: Procedimiento termoeconómico de diagnóstico y evaluación de ciclos combinados
Revista: Información Tecnológica
Año: 2011 # de revista: V.22 N° 4-2011
Mes: Febrero Nombre del artículo: Incremento de la eficiencia en centrales termoeléctricas por aprovechamiento de los gases de la combustión
Perfil del docente: El profesor debe poseer un nivel académico de Maestría y/o Doctorado en ingeniería mecánica, con conocimiento, habilidad y experiencia en el área de plantas generadoras de vapor, así como ser competente en contextos pedagógicos que le permitan fomentar ambientes de aprendizaje participativos para contribuir a la formación integral del estudiante. Ficha bibliográfica del profesor: Dr. Jorge Adrián Aldaco Castañeda, trabaja como catedrático en la FIME de la UANL desde el 2000 hasta la fecha, obtuvo su licenciatura como Ingeniero Mecánico Administrador en 1998, su Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales en el 2000 y su Doctorado en Ingeniería de Materiales en el 2011 en la FIME de la UANL. Imparte asignaturas del área de térmica desde el año 2000.
M.C. Yumei Mata Hi, trabaja como maestra con asignatura A por horas y base en la FIME de la UANL desde el 2007 hasta la fecha, con asignatura A por horas de 2005 – 2007, obtuvo su licenciatura en el 2003 como Ingeniero Mecánico Administrador, su Maestría en Administración Industrial y de Negocios con Orientación en Relaciones Industriales en el 2007 en la FIME de la UANL.
M.C. Joel González Marroquín, trabaja como catedrático en la FIME de la UANL desde 1972 hasta la fecha, obtuvo su licenciatura como Ingeniero Mecánico Administrador en 1975, su Maestría en Ciencias de la Administración con especialidad en Investigación de Operaciones en el 2003. Imparte asignaturas del área de térmica desde el año 1972 en la FIME de la UANL.
M.C. Homero Estrada Cortinas, trabaja como maestro de tiempo completo en la FIME de la UANL desde 1973 hasta la fecha, obtuvo su licenciatura como Ingeniero Mecánico Electricista en 1971, su Maestría en Ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Térmica y Fluidos en 1998 en la FIME de la UANL. Imparte asignaturas del área de térmica desde el año 1973 en la FIME de la UANL.
