Algunos Dispositivos Ingenieriles de Flujo Estacionario

5.4 Algunos Dispositivos Ingenieriles de Flujo Estacionario

Toberas y Difusores

La tobera es un dispositivo que incrementa la velocidad (y por lo tanto la energía cinética) de un fluido a expensas de una caída de presión en la dirección de la corriente. Un difusor es un dispositivo para aumentar la presión de una corriente a expensas de una disminución de velocidad. Condiciones de funcionamiento:

1. No hay trabajo de eje, puesto que ambos dispositivos son meramente conductos.
2. La variación de energía potencial es despreciable, ya que el fluido experimenta una variación de altura pequeña o nula.
3. En muchos casos el calor por cada unidad de masa puede ser pequeño comparado con la variación de energía cinética y entalpia. Así, en muchas aplicaciones, la hipótesis de proceso adiabático es buena aproximación para toberas y difusores.
4. En ausencia de una transferencia de calor al fluido apreciable, la variación de energía cinética en cada dispositivo se debe a dos efectos que son: la variación interna del fluido y la variación en el trabajo de flujo durante el proceso.

Turbinas y Compresores

Una turbina es un dispositivo en el que el fluido (un gas o un líquido) realiza trabajo sobre un álabe unido a un eje rotatorio. Como resultado, el dispositivo produce un trabajo en eje que puede utilizarse, por ejemplo en una planta de vapor la turbina mueve un generador eléctrico. Los compresores y las bombas son dispositivos en los que sobre el fluido se realiza trabajo procedente de una fuente externa, lo que supone un aumento importante de la presión del fluido y posiblemente un aumento importante de la temperatura. Condiciones de funcionamiento:

1. La variación de energía potencial suele ser despreciable.
2. La inclusión de la transferencia de calor depende del modo de funcionamiento. Si el dispositivo no está aislado, el calor ganado o perdido por el fluido depende de si:

a) existen diferencias de temperatura grandes entre el fluido y su entorno,

b) la velocidad del fluido es baja,

c) el área de la superficie es grande. La experiencia y las determinaciones experimentales permiten al ingeniero estimar la importancia relativa de la transferencia de calor.

1. En estos dispositivos, la variación de la energía cinética suele ser bastante pequeña, aunque hay excepciones.

1. La variación de entalpia en la dirección del flujo es un factor importante en el flujo estacionario en cualquiera de estos dispositivos; en general, la entalpia disminuye en una turbina y aumenta en un compresor y en una bomba.

Válvulas de Estrangulamiento

En el diseño de sistemas energéticos existen sistemas en los que se desea una caída de presión sin que se produzca trabajo. Esta caída de presión se consigue introduciendo una restricción al flujo en la línea. En algunos casos se incluye una variación de temperatura o un cambio de fase. Características de funcionamiento:

1. Puesto que el volumen de control es rígido y no hay ejes rotatorios presentes, no existen interacciones de trabajo.
2. La variación de la energía potencial es despreciable.
3. Aunque en la región de la restricción la velocidad puede ser muy alta, las medidas aguas arribas y aguas abajo de la zona de la válvula real indican que la variación de la velocidad, y por tanto de la energía cinética, a través de la restricción puede despreciarse.
4. En la mayoría de las aplicaciones, o bien el dispositivo está aislado intencionalmente o el calor transferido, debido a la naturaleza del proceso es insignificante; ni el tiempo ni la superficie son suficientes para que pueda transferirse calor.

Cámaras de Mezclado

Se utilizan para la mezcla directa de varias corrientes; la corriente mezclada resultante deja el dispositivo como una única salida para dos corrientes de entrada. Las idealizaciones para los procesos de mezcla son análogas a las de los cambiadores de calor. El calor transferido desde la región de mezclado suele ser despreciable debido al aislamiento exterior y el trabajo de eje es nulo; además son despreciables las variaciones de energía cinética y potencial. El balance energético en régimen estacionario se reduce a una suma de términos ṁh para las diversas entradas y salidas; análogamente, la ecuación de conversión de las masas es una suma de términos ṁ para las entradas y salidas.

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