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• Jairo Iván Tierra

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ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO INGENIERÍA MECÁNICA DOCENTE: JUAN PABLO CHUQUIN VASCO

MAYO, 2018

“Saber para ser”

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Por ejemplo, las turbinas, compresores y toberas funcionan durante largos periodos de tiempo bajo las mismas condiciones, es por esto, que se los denomina como dispositivos de flujo estacionario. Durante un proceso de flujo estacionario, ninguna propiedad intensiva o extensiva dentro del volumen de control cambia con el tiempo. Por lo tanto, el volumen V, la masa m, y el contenido de energía total E del volumen de control permanecen constantes. Propiedad intensiva.- No depende de la cantidad de sustancia. Propiedad extensiva.- Depende de la cantidad de sustancia.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Como resultado, el trabajo de frontera es cero para sistemas de flujo estacionario, puesto que el volumen dentro del volumen es constante, la masa total que entra es igual a la que sale y la energía dentro del volumen de control también es constante.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Una vez definido que las propiedades del fluido a la entrada o salida permanecen constantes durante un proceso de flujo estacionario, se debe tener muy presente que las propiedades pueden ser diferentes en entradas y salidas distintas, e incluso pueden variar en la sección transversal de una entrada o salida.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Por lo tanto, el balance de masa para un sistema general se define como:

El balance de masa para un sistema de flujo estable estacionario de corriente única (una entrada y una salida) se establece de la siguiente manera:

Donde:

ρ = densidad V = Velocidad A = Área de la sección transversal

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Durante un proceso de flujo estable, el contenido de energía total de un volumen de control permanece constante, por lo tanto, la energía que entra debe ser igual a la energía que sale.

Donde θ es la energía de un fluido en movimiento por unidad de masa, por lo tanto:

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Por lo tanto:

Es práctica común, o como recomendación, suponer que se transferirá calor hacia el sistema (entrada de calor) a una tasa Q y que se producirá trabajo por el sistema (salida de trabajo) a una tasa W. Por lo tanto:

Si se obtiene una cantidad negativa para Q o W significa que la suposición es errónea y por lo tanto, se tiene que revertir.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Por lo tanto, para dispositivos de una sola corriente, la ecuación del balance de energía de flujo estacionario es:

Dividiendo la ecuación para

Donde q y w son la transferencia de calor y el trabajo hecho por unidad de masa del fluido de trabajo.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO Cuando el fluido experimenta cambios insignificantes en sus energías cinética y potencial se tiene:

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO TOBERAS Y DIFUSORES Una TOBERA es un dispositivo que incrementa la velocidad de un fluido a expensas de la presión.

Un DIFUSOR es un dispositivo que incrementa la presión de un fluido al desacelerarlo.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO TOBERAS Y DIFUSORES Se debe tener presente las siguientes consideraciones:  La tasa de transferencia de calor entre el fluido que fluye por una tobera o un difusor y los alrededores es comúnmente muy pequeña, por lo tanto Q ≈ 0 ya que el fluido tiene velocidades altas y por lo tanto no se mantiene suficiente tiempo como para que ocurra una transferencia de calor importante.

 Las toberas y difusores por lo común no implican trabajo, W = 0 y cualquier cambio de energía potencial es insignificante ∆ep ≈ 0,  Las toberas y difusores experimentan grandes cambios de velocidad. Por lo tanto ∆ec ≠ 0.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO TURBINAS Y COMPRESORES En las TURBINAS, a medida que el fluido pasa por ésta, se hace trabajo contra los álabes, los cuales están unidos a la flecha (eje), la cual a su vez gira y produce trabajo. Los COMPRESORES se utilizan para incrementar la presión de un fluido (aire, gas). A estos equipos el trabajo se lo suministra desde una fuente externa a través de un eje giratorio. Por lo tanto, los compresores requieren una entrada de trabajo. Las TURBINAS generan potencia, mientras que los COMPRESORES requieren una entrada de potencia.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO TURBINAS Y COMPRESORES La transferencia de calor desde las TURBINAS por lo general es insignificante, por lo tanto, Q ≈ 0, ya que normalmente están bien aisladas. La transferencia de calor es también insignificante en los COMPRESORES, a menos que haya enfriamiento intencional. Los cambios de energía potencial son insignificantes para los 2 equipos. Mientras que las velocidades, con excepción de las TURBINAS son demasiado bajas para causar algún cambio importante en su energía cinética.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO TURBINAS Y COMPRESORES Las velocidades de fluido en las TURBINAS son muy altas, por lo que el fluido experimenta un cambio importante en su energía cinética. Sin embargo, este cambio es por lo regular muy pequeño con respecto al cambio de entalpía, por lo tanto, no se toma en cuenta.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO VÁLVULAS DE ESTRANGULAMIENTO Las VÁLVULAS DE ESTRANGULAMIENTO son dispositivos que restringen el flujo de un fluido provocando una caída relevante de presión. A diferencia de las turbinas, producen caídas de presión sin implicar trabajo. La caída de presión en el fluido suele ir acompañada de una gran disminución de temperatura, por esta razón estos dispositivos se los usa en sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire. Estos dispositivos por lo regular son pequeños y se puede suponer que el flujo por ellos es adiabático Q ≈ 0, puesto que no hay tiempo ni área suficiente grande para que ocurra alguna transferencia de calor efectiva.

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO VÁLVULAS DE ESTRANGULAMIENTO Tampoco se realiza trabajo (W ≈ 0), y el cambio en la energía potencial, si tiene lugar, es muy pequeño (∆ep ≈ 0). Aun cuando la velocidad de salida sea con frecuencia considerablemente mayor que la velocidad de entrada, en muchos casos el incremento de energía cinética es insignificante (∆ec ≈ 0). Por lo tanto, la ecuación de conservación de la energía para este dispositivo de flujo estacionario se reduce a:

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO CÁMARAS DE MEZCLADO El principio de conservación de la masa para una CÁMARA DE MEZCLADO requiere que la suma de los flujos másicos entrantes sea igual al flujo másico de la mezcla saliente. Por lo general, están bien aisladas (Q ≈ 0) y normalmente no involucran trabajo (W = 0). Asimismo, las energías cinética y potencial de las corrientes de fluido son insignificantes (∆ep ≈ 0 y ∆ec ≈ 0).

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO INTERCAMBIADORES DE CALOR Son dispositivos donde 2 corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclarse. El principio de conservación de la masa para un IDC que opera de forma estacionaria requiere que la suma de los flujos másicos de entrada sea igual a la suma de los flujos que salen. Los IDC comúnmente no tienen que ver con interraciones de trabajo (W = 0), y los cambios de energía cinética y potencial son insignificantes (∆ep ≈ 0 y ∆ec ≈ 0).

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SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO INTERCAMBIADORES DE CALOR Los IDC están bien aislados para que no pierdan calor, por lo tanto Q ≈ 0.

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