1. Toberas y Difusores1 2. Turbinas, Compresores, Bombas y

Termodinámica
Termodinámica
1. Toberas y Difusores1
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:
i.
No hay trabajo de eje, puesto que ambos dispositivos son meramente conductos.
ii.
La variación de energía potencial es despreciable, ya que el fluido experimenta una
variación de altura pequeña o nula.
iii.
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.
iv.
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.
iii.
iv.
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.
En estos dispositivos, la variación de la energía cinética suele ser bastante pequeña,
auque hay excepciones.
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 un bomba.
hélice

rotor
estator
salida
Figura 2.
tobera
3. Cambiadores de calor.
difusor
Figura1. Flujo Subsónico
2. Turbinas, Compresores, Bombas y Ventiladores
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.
Un ventilador es un dispositivo que aumenta ligeramente la presión del gas; su
objetivo principal es mover el fluido de un sitio a otro.
Condiciones de funcionamiento:
i.
La variación de energía potencial suele ser despreciable.
ii.
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,
Estos dispositivos se utilizan para extraer o añadir energía de una región o a una
región del espacio; o se utilizan para cambiar deliberadamente el estado termodinámico de
un fluido.
Condiciones de funcionamiento:
i.
Una de las principales aplicaciones de los intercambiadores de calor es el
intercambio de energía entre dos fluidos en movimiento.
ii.
La variaciones de energía cinética y potencial suelen ser despreciables en las dos
corrientes y no existen interacciones de trabajo.
iii.
La caída de presión en un intercambiador de calor suele ser pequeña, así que, como
primera aproximación, la hipótesis de presión constante es bastante buena.
Los equipos denominados calderas, evaporadores y condensadores son aplicaciones
especiales del diseño de los cambiadores de calor. Como sugieren sus nombres, uno
de los fluidos cambia de fase.
fluido B
fluido A
fluido A
fluido B
Figura 3 .
1
Wark, Kenneth y Richards, Donald E. “Termodinámica”. Mc Graw Hill. Sexta edición. España.
M. en I. Rigel Gámez Leal
1
M. en I. Rigel Gámez Leal
2
Termodinámica
4. Dispositivos 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:
i.
Puesto que el volumen de control es rígido y no hay ejes rotatorios presentes, no
existen interacciones de trabajo.
ii.
La variación de la energía potencial es despreciable.
iii.
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.
iv.
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.
Entonces la ecuación de la energía que se tendría es:
0
0
0
0
2
1 2
q  w  h 2  h 1     2  1   gz 2  z1 

2
h 1 = h2
esto no quiere decir que la entalpia sea constante durante el proceso, sino
meramente exige que la entalpias inicial y final sean iguales; un proceso que
satisface la ecuación anterior se le llama proceso de estrangulamiento.
Termodinámica
q  w  h  Ec  Ep
En el análisis energético de flujo en tuberías, algunos de los términos de la ecuación
anterior puede ser despreciables.
Características del flujo en tuberías.
Las tuberías o conductos pueden no estar aislados, transfiriéndose calor entre el
i.
fluido y el entorno. Esto es especialmente importante cuando el conducto es largo o
cuando la diferencia de temperatura entre el fluido y el entorno es grande. Si no se
desea que se transfiera calor, entonces hay que aislar bien la tubería o conducto
intencionalmente.
Cuando un ventilador o una bomba forman parte del volumen de control o bien está
ii.
presente un calentador de resistencia eléctrica, es necesario incluir el término de
trabajo.
Las velocidades de los líquidos suelen ser bajas, de modo que las variaciones de
iii.
energía cinética suelen ser despreciables; en la circulación de gases, las variaciones
de energía cinética pueden resultar relativamente grades cuando el calor transferido
es importante o cuando la variaciones de sección transversal son grandes.
En la circulación de líquidos por una tubería, la variación de energía potencial
iv.
puede ser importante.
6. Mezcladores
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
 h para las diversas entradas y salidas; análogamente, la ecuación
una suma de términos m
 para las entradas y salidas.
de conversión de las masas es una suma de términos m
 1 e1
m
Cámara
de
mezcla
 3e 3
m
 2e 2
m
Figura 4. Válvula de estrangulamiento
Figura 5.
5. Flujo de Tuberías
Si un sistema de tuberías o conductos contiene una bomba o un ventilador,
entonces:
M. en I. Rigel Gámez Leal
3
M. en I. Rigel Gámez Leal
4