INS T IT U TO P OL ITÉC NICO NAC IO S ECRETARÍ ECR ETARÍA A ACADÉM ACADÉ MICA DIRE DIRECC CCII N DE EDUC EDUCA ACI N S UPERI UPERIOR
AL
P ROGRAM ROGR AMA A SI S INTÉTICO NTÉTICO CARRERA: Ingeniería en Sistemas Automotrices AS IGN ATUR A: Transferencia de Calor
S EMES TRE:
Quinto
OBJETIVO GENERAL:
Aplicar Aplicar los los método métodoss y procedim procedimiento ientoss al análisis análisis de los diferentes diferentes mecanism mecanismos os de la transferen transferencia cia de calor y a los dispositivos técnicos de intercambio de calor. CONTENI CONTENIDO DO S INT TICO TICO :
I. II. III. IV. IV. V.
Con Concep ceptos tos Bási ásicos cos de Tr Transf ansfer eren enci cia a de Cal Calor Conducción Convección Inte Interrcam cambiad iadores ores de de Cal Calor Radiación
METODOLOGÍA:
Esta asignatura se abordará mediante la puesta en práctica de estrategias didácticas y técnicas grupales para la discusión de conceptos conceptos y solución de problemas, problemas, con la coordinación coordinación del profesor. profesor. El alumno realizará ac tividades extraclase como la búsqueda y discusión de material relacionado con los contenidos del curso así como la realización realizació n de tareas y prácticas de de laboratorio refer a la operación de las máquinas térmicas. térmicas . El profesor realizará exposiciones exposici ones de los conceptos fundamentales fundamentales contenido de la asignatura asi gnatura apoyado apoya do con recu rec ursos audiovisuales. El profesor hará una exposición introductoria de los principales conceptos de la asignatura, diseñará las actividades de aprendizaje, coordinará, supervisará, asesorará al alumno en las actividades en aula y extraclase. EVAL EVALU UACI N Y ACRE ACREDI DIT TACI N :
Las evidencias de aprendizaje que serán evaluadas en esta asignatura son: entrega de 3 reportes de investigación investi gación realizada realizada sobre los temas de la la asignatura, 10 problemas problemas resueltos, resolver resolve r tres exámenes escritos, reporte de visita de campo. La acreditación será el resultado de la presentación del total de estas evidencias de aprendizaje con los criterios establecidos por el profesor y los que corresponden a la normatividad vigente. Participación en clase del estudiante es tudiante,, trabajos de búsqueda de información información y tareas. BIBLIOGRAFÍA:
1. BORGNA BORGNAKKE, KKE, C.; SONN SONNTAG, TAG, R. E.; E.; Fundam Fundament entals als of of Thermod Thermodynam ynamics, ics, Edition Edition 7 , 2009, 2009, John John Wiley, 894 pp, pp, ISBN: 978-0-470-04192-5 2. CENGEL, CENGEL, Y. A.; A.; HARDCOVER, HARDCOVER, R. R. H.; Fundamentals Fundamentals of Thermal Thermal-Fluid -Fluid Sciences Sciences with Student Student Resource CD, CD, Edition 3, 2008, McGraw-Hill, 1152 pp, ISBN-13 9780073327488 3. MORAN, M. J.; SHAPIRO, SHAPIRO, H. H. N.; Fundamentals Fundamentals of Engineering Engineering Thermodynamics, Thermodynamics, Edition Edition 6, 2008, John John Wiley, 944 pp, ISBN: 978-0-471 978-0-471-78735-8 -78735-8 4. WELTY, J.; J.; WICKS, WICKS, C. E.; E.; RORRER, RORRER, G. L.; WILSON, WILSON, R. E.; E.; Fundamen Fundamentals tals of Momentum Momentum,, Heat and Mass Transfer, Transfer, Edition 5, 2008, John Wiley, 740 pp, pp, ISBN: ISBN: 978-0-470-12868978-0-470-12868-8 8
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AL
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ESCUELA: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctri Eléctrica ca y Unidad Unidad Profesion Profesional al Interdi Interdiscipl sciplina inaria ria de Ingeniería Campus Guanajuato. CARRERA: Ingeniería en Sistemas Automotrices. COORDINACIÓN: Academia de Ingeniería Ingeniería Térmica
ASI AS IGNATURA: GNATURA: Transferencia de Calor S EMES EMESTRE: TRE: Quinto CLAVE: CRÉDITOS: 7.5 VIGENTE: Julio 2009 TIP TIP O DE ASI AS IGNATURA: GNATURA: Teórico-Práctica MODALIDAD: Presencial
TIEM TIEMP P OS ASI AS IGNADOS
HRS/SEMANA/TEORÍA: HRS/SEMANA/PRÁCTICA:
3.0 1.5
HRS/SEMESTRE/ TEORÍA: HRS/SEMESTRE/PRÁCTICA:
54 27
HRS/TOTALES:
81
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AL
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AS IG NATURA: Transferencia de Calor Calor
CLAVE:
HOJ A: 2 DE
9
FUNDAM FUNDAMENTAC ENTACII N DE LA LA ASIGNA ASIGNAT TURA
La formación del Ingeniero Ingeniero en Sistemas Sistemas Automotrices requiere requiere para el análisis, diseño, diseño, construcción, operación operación y mantenimiento mantenimiento de dispositivos y sistemas s istemas donde el calor sse e transfiere, de una herramienta eficaz para tal t al propósito, con miras al uso y aprovechamiento del recurso que representa la energía calorífica; por tales motivos resulta indispensable el manejo de los conceptos y las técnicas de análisis contenidos en el programa de la asi gnatura. gnatura. Se ha dispuest dispuesto o el programa, programa, abordando los elementos d conocimiento co nocimiento de una manera lógica y secuencial a lo lo largo de de 5 unidades temáticas, temáticas, empezando empezando por el estudio de los onceptos clásicos clásicos de la transferencia transferencia de calor, en el contexto contexto del primer principio de la termodinámica, para después acometer el estudio puntual de dos de las formas de transferencia del calor, conducció conducción n y convección, convección, haciendo haciendo más adelante un énfasis ecial en los dispositivos dispositivos de de intercambio de calor, para terminar con el estudio del mecanismo de transferencia de calor por radiación. La asignatura requiere que el alumno haya cursado Termodinámica I y Termodinámica II, así como las asignaturas que sirven de antecedentes a ambas. Al mismo mismo tiempo, tiempo, la asignatura asignatura sirve de de anteceden antecedente te a las asignatu asignaturas ras del área área térmica térmica y de manera manera especial especial a Motore Motoress de Combustión Interna.
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AS IG NATURA: Transferencia de Calor Calor No . UNIDAD UNIDAD
I
HOJ A: 3 DE 9
CLAVE:
NOMBR NOMBRE: E: Conceptos Básicos de Transferencia de Calor
OBJ ETIVOS ETIVOS P ART ARTIICULARES DE LA UNIDAD UNIDAD Identificar los mecanismos mecanismos a través t ravés de los cuales se transfiere el calor, de conformidad conformidad con la aplicación del balance balance de energía en sistemas abiertos y cerrad cerra dos.
No. TEMA
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
TEMAS
HORAS
T
Conceptos básicos de transferencia de calor Aplicacion Aplicaciones es Calor y otras formas de energía Primera y segunda leyes de la termodinám t ermodinámica ica Balance de energía en ssistema istemass cerrado c erradoss Balance de energía en ssistema istemass abiertos a biertos Conducción. Introducción Convección. Introducción Radiación. Introducción
1.0
Subtotal
P
EC 3.0
1B
3.0
2.0
5C
2.0
2.5
8B
6.0
6.0
CLAVE BIBLIOGRÁFI CA
6.0
7.5
ESTRATEGI ESTRATEGIA DID DID CTICA Análisis Análisis grupal grupal de de los los concepto conceptoss básicos básicos de de la tran transferen sferencia cia de de calor calor y de de sus sus aplicacion aplicaciones. es. Estudio del procedimiento de cálculo del balance de energía para sistemas abiertos y cerrados y discusión de los mecanismos de tran tra nsferencia de calor. Práctica de laboratorio. PROCEDIM PROCEDIMIENTO DE EVALUACI EVALUACI N
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AS IG NATURA: Transferencia de Calor Calor No . UNIDAD UNIDAD
II
HOJ A: 4 DE 9
CLAVE:
NOMBR NOMBRE: E: Conducción
OBJ ETIVOS ETIVOS P ART ARTIICULARES DE LA UNIDAD UNIDAD Interpretar el concepto de transferencia de calor por conducción, como como un transporte tra nsporte de energía, energía, aplicando el modelo modelo de la conducción y el principio de la conservación de la energía mediante mediante la solución de problemas.
No. TEMA
2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.5 2.5.1 2.5.2 2.6 2.6.1 2.6.2 2.7 2.7.1
TEMAS
HORAS
T
Generalidades Generalidades sobre condu co nducción cción Conducción unidimensional estacionaria Distribución de temperaturas Paredes planas en serie y paralelo Temperaturas de contacto Conducción bidimensional bidimensional estacionaria Ecuaciones para el análisis bidimensional Método gráfico Factor de forma Sistemas radiale ra dialess Cilindro: Radio crítico Esfera: Radio crítico Conducción con generación interna de cal ca lor Paredes planas Sistemas radiale ra dialess Disipación de cal ca lor en e n aletas Análisis Análisis en diferen diferentes tes tipo tiposs de aletas aletas Eficiencia de aletas Conducción transitoria Método gráfico de Schmidt
1.0 2.0
P
6.0
CLAVE BIBLIOGRÁFI CA
EC 2.0 2.0
1B 2C
3.0
2.0
3C
2.0
2.0
4C
1.0
2.0
6C
2.0
2.0
7B
3.0
8B
1.0 Subtotal
12.0
6.0
15.0
ESTRATEGI ESTRATEGIA DID DID CTICA Análisis Análisis grupal grupal del del mecanismo mecanismo de transferen transferencia cia de calor calor por conducción conducción y de de los métodos métodos y procedimien procedimiento toss de cálculo cálculo para diferentes casos. Solución de problemas problemas de transferencia transferencia de calor por conducción. conducción.
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AS IG NATURA: Transferencia de Calor Calor No . UNIDAD UNIDAD
III
HOJ A: 5 DE 9
CLAVE:
NOMBR NOMBRE: E: Convección
OBJ ETIVOS ETIVOS P ART ARTIICULARES DE LA UNIDAD UNIDAD Aplicar Aplicar modelos modelos matemáti matemáticos cos para para resolver resolver ejercicio ejercicioss relacion relacionad ados os con el fenómen fenómeno o de transferen transferencia cia de calor por convección y analizará las condiciones condiciones en donde se presenta. presenta.
No. TEMA
3.1 3.2
TEMAS
Generalidades Generalidades de la convección Fundamentos de la capa límite y parámetros de semejanza 3.3 Análisis Análisis dimensi dimensional onal 3.4 Determinación Determinación de los coeficientes de convección 3.5 Convección forzada 3.5.1 Correlaciones para régimen laminar 3.5.2 Correlaciones para régimen turbulento 3.5.3 Casos típicos en con co nvección forzada 3.6 Convección natural 3.6.1 Correlaciones para las diversas formas geométricas 3.6.2 Paredes verticales y c ilíndricas ilíndricas 3.6.3 Placas horizontales horizontales 3.6.4 Cilindros, esferas y otras formas geométricas 3.7 Efecto Efecto combin combinado ado condu conducción cción – conve convecció cción n en paredes planas, cilíndricas y esféricas esféricas 3.8 Transferencia de calor con cambio de fase 3.8.1 Ebullición 3.8.2 Condensación Subtotal Subtotal ESTRATEGI ESTRATEGIA DID DID CTICA
HORAS
T
3.0
P
EC 1.5
1B
4.0
1.5
2C
4.0
1.5
3C
3.0
1.5
6C
1.0
1.5
8B
15.0
6.0
CLAVE BIBLIOGRÁFI CA
6.0
7.5
Estudio grupal grupal del del mecanismo mecanismo de transferencia de de calor r conve co nvección, cción, sus leyes leyes y los los procedimientos procedimientos de de cálculo cálculo para diferentes diferentes casos y regímenes regímenes de flujo y de cambio cambio de f se. Solución de problemas problemas relativos relativos al mecanismo de convección convección y de arrollo de trabajos trabajos extra clase. Desarrollo de prácticas de laboratorio.
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AS IG NATURA: Transferencia de Calor Calor No . UNIDAD UNIDAD
IV
HOJ A: 6 DE 9
CLAVE:
NOMBR NOMBRE: E: Intercambiadores de Calor
OBJ ETIVOS ETIVOS P ART ARTIICULARES DE LA UNIDAD UNIDAD Examinar l Examinar los diferentes diferentes tipos de intercambiadores intercambiadores que que existen y aplicaciones, aplicaciones, así como las condiciones específicas de utilización de cada uno de ellos y aplicará el balance térmico para calcular calcular sus eficiencias.
No. TEMA
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
TEMAS
HORAS
Dispositivos técnicos de intercambio de calor Diferentes arreglos La diferencia media logarítmica de temperaturas Factor de ensuciamiento ensuciamiento Eficiencia y optim o ptimización ización
Subtotal ESTRATEGI ESTRATEGIA DID DID CTICA
T
P
1.0 1.0 4.0 2.0 4.0
6.0
12.0
6.0
CLAVE BIBLIOGRÁFI CA
EC 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
7.5
1B 2C 5C 8B
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AS IG NATURA: Transferencia de Calor Calor No . UNIDAD UNIDAD
V
HOJ A: 7 DE 9
CLAVE:
NOMBR NOMBRE: E: Radiación
OBJ ETIVOS ETIVOS P ART ARTIICULARES DE LA UNIDAD UNIDAD Examinar el mecanismo mecanismo de la transferencia transferencia de calor por por radiación y ejemplificará ejemplificará sus aplicaciones. aplicaciones.
No. TEMA
5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.5 5.6
TEMAS
HORAS
Generalidades de la radiación térmica Radiación de cuerpo negro Leyes que rigen el cuerpo negro Intensidad de radiación Propiedades de radiación Ley de Kirchhoff Cuerpos grises Superficies reales Factor de forma Casos típicos en radiación Plantas solares
Subtotal
CLAVE BIBLIOGRÁFI CA
T
P
EC
1.0 2.0
3.0
2.0 2.0
1B 2C
3.0
2.0
3C
1.0 1.0 1.0
2.0 2.0 2.0
8B
9.0
3.0
12.0
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ASIGNATURA: Transfe sferencia cia
de Calor
CLAVE:
HOJA:
8
DE
9
RELA RELACI N DE DE PRÁCTI PRÁCTICAS CAS PRACT. No. No .
NOMB RE DE LA P RÁCTICA
UNIDAD
DURACIÓN
1
Determinación experimental de la propiedad de conductividad térmica (k) de un material.
II
6.0
2
Cálculo de números adimensionales en un un aparato aparato de transfe transferen rencia cia de calor aire-aire.
III
6.0
3
Análisis Análisis del del comportam comportamiento iento del del aire aire sometido a diferentes diferentes temperaturas temperaturas a lo largo de una tubería.
III
6.0
4
Cálculo de aislante para un tramo tramo de tubería que conduce vapor sobrecalentado hacia la turbina de vapor.
II y III
3.0
5
Cálculo de la diferencia media logarítm logarítmica ica en Intercam Intercambiadore biadoress de calor en flujo f lujo paralelo paralelo y contrafluj co ntraflujo. o.
IV
6.0
LUGAR DE REALIZACIÓN
Todas las prácticas se efectuarán en el Laboratorio relacion re lacionado. ado.
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AS IG NATURA: Tra ns nsferencia de Calor
P ERÍODO UNIDAD
P ROCEDIMIENTO DE EVALU ACI N Primer ex examen departamental Tareas y trabajos extra clase Solución de problemas y pa participación Reporte de prácticas
50% 10% 10% 30%
III
Segundo examen departamental Tareas y trabajos extra clase Solución de problemas y pa participación Reporte de prácticas
50% 10% 10% 30%
IV y V
Tercer examen departamental Tareas y trabajos extra clase Solución de problemas y pa participación Reporte de prácticas
50% 10% 10% 30%
Nota. La evaluación final será el promedio promedio de de los tres
B
1
X
HOJ A: 9 DE: 9
CLAVE:
I y II
CLAVE
AL
C
iodos.
B IB LIOGR AF A BORGNAKKE, BORGNAKKE, C.; SONNTAG, SONNTAG, R. E.; Fundam Fundamentals entals of Thermodynam Thermodynamics, ics, Edition 7 , 2009, John Wiley, 894 894 pp, pp, ISBN: 978-0-470-041 978-0-470-04192-5 92-5
2
X
CENGEL, CENGEL, Y. A.; HARDCOVER, HARDCOVER, R. H.; Fundamental Fundamentalss of Thermal-Fluid Thermal-Fluid Sciences with Student Resource CD, Edition 3, 2008, McGraw-Hill, 1152 pp, ISBN-13 9780073327488
3
X
CENGEL, Yunus A.; Transferencia de calor y masa: Un enfoque práctico, Edición 3, 2007, McGraw-Hill/Interamericana, 901 pp, ISBN 970106173X, 9789701061732
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AL
P ERFIL DOCENTE DOCE NTE P OR ASI AS IGNATURA 1. DAT DATOS GEN GENER ERAL ALES ES ESCUELA: Escuela Superior Superior de Ingeniería Ingeniería Mecánica y Eléctrica Eléctrica y Unidad Unidad Profesional Interdiscipl Interdisciplinaria inaria de Ingeniería Campus Guanajuato. CARRERA:
RE A:
Ingeniería en Sistemas Automotrices
B S IC ICAS C. INGE NIE R A
Quinto
SEMES TRE SEMES
D. INGE NIE R A
ACADE MIA: Ingeniería Térmica ES P ECIALI ECIALIDAD DAD Y NIV NIVEL ACAD MICO MICO REQUERI REQUER IDO:
C. S OC OC. y HUM.
AS IG NATURA: Transferencia de Calor
Ingeniero mecánico
2. OBJ ETIV ETIVOS DE LA AS IGNATURA: GNATURA:
Aplicar Aplicar los métodos métodos y procedimiento procedimientoss al análisis análisis de los los diferente diferentess mecanismos mecanismos de la la transferen transferencia cia de de calor y a los los dispositivos técnicos de intercambio de calor. 3. PERFIL PERFIL DOCEN DOCENTE TE:: CONOCIMIE NTOS
E XP E RIE NC IA PROFESIONAL 2 años en la industria: Automotriz Automotriz.. Generación de energía eléctrica. Transformación. En plantas indu i ndustriales. striales.
Ingeniero titulado en el área de mecánica o aeronáutica. Cursos de didáctica o pedagogía y conocimiento del modelo educativo institucional. Cursos en el área de 1 año en la docencia o térmicas. experiencia en dar cursos.
HABILIDADES
Liderazgo. Trabajo en equipo. Organizado. Capaz. Creativo. Excelente comunicación oral y escrita. Manejo de las Tecnologías
ACTITUDES
Honesto. Asertivo. Asertivo. tico. Compromiso Compromiso social. Tolerante.