Subido por Salomé Patrón Zapata

Clase Cantidad de movimiento

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Balance de cantidad de movimiento
Profesor:
Adan Yovani León Bermúdez.
Químico – Ingeniero Químico, M.Sc – Ph.D
Escuela de Ingeniería de Petróleos
Entrada
CM
debido al flujo
Distribución
de velocidad
Balance de cantidad de
movimiento por transporte viscoso
Entrada de
CM por
transporte
𝑑𝐹 = 𝜏𝑥𝑧 . 𝑑𝐴
𝑑𝐹 = 𝜏𝑥𝑧 . ∆𝑊. ∆𝑍
W
Salida de
CM por
transporte
𝑑𝐹 = 𝜏𝑥𝑧 . 𝑊. L
Dirección de
la gravedad
(𝜏𝑥𝑧 . 𝑊. L )𝑥 − (𝜏𝑥𝑧 . 𝑊. L )𝑥+∆𝑥
1
Entrada
CM
debido al flujo
Balance de cantidad de
movimiento en la superficie
𝐹 = 𝑚.a
Fuerzas Externas al sistema
𝑑𝐹 = 𝑚.ሶ 𝑑𝑣
(W.∆𝑥.𝑣𝑧 )(𝜌𝑣𝑧 )𝑧=0 - (W.∆𝑥.𝑣𝑧 )(𝜌𝑣𝑧 )𝑧=𝐿
𝐹 = 𝑚.g
2
ሶ
𝐹 = 𝑄𝜌𝑔
(LW.∆𝑥)(𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽)
3
Velocidad de entrada de
cantidad de movimiento
(𝜏𝑥𝑧 . 𝑊. L )𝑥 − (𝜏𝑥𝑧 . 𝑊. L )𝑥+∆𝑥
+
Velocidad de salida de + Suma de las fuerzas que
cantidad de movimiento
actúan sobre sistema
(W.∆𝑥.𝑣𝑧 )(𝜌𝑣𝑧 )𝑧=0 - (W.∆𝑥.𝑣𝑧 )(𝜌𝑣𝑧 )𝑧=𝐿
- Dividir por la unidad de Volumen, LWΔx
-Velocidad superficie constante, Vz: constante
(𝜏𝑥𝑧 )𝑥+∆𝑥 − (𝜏𝑥𝑧 )𝑥
lim
∆𝑥→0
∆𝑥
𝑑𝜏𝑥𝑧
= 𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑑𝑥
+
(LW.∆𝑥)(𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽) = 0
Integración de la ecuación 6:
𝜏𝑥𝑧 = 𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽. 𝑥 + 𝐶1
= 𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽
=0
5
Condiciones de frontera
X=0;
6
7
𝜏𝑥𝑧 =0
𝜏𝑥𝑧 = 𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽. 𝑥
8
4
𝜏𝑥𝑧 = 𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽. 𝑥
8
𝑑𝑣𝑧
= −𝜇
𝑑𝑥
9
𝜏𝑥𝑧
X= 𝛿;
𝑑𝑣𝑧
𝑑𝑥
𝑣𝑧 =-
= 𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽. 𝑥
𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽𝑥 2
2.𝜇
+ 𝐶2
0 =-
𝑣𝑧 =0
𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽𝛿 2
2.𝜇
+ 𝐶2
𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽𝛿 2
𝐶2 =
2.𝜇
Remplazando 9 en 8:
−𝜇
Condiciones de frontera
10
11
12
a- Perfil de velocidad
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑣𝑧 = 2.𝜇
1−
𝑥 2
𝛿
b- Velocidad máxima
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑣𝑧 = 2.𝜇
X=0
13
c-Velocidad media
𝑤
𝑣𝑧 =
𝑣𝑧 =
𝑣𝑧
𝜌𝑔𝛿𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑥
=න
1−
2. 𝜇
𝛿
0
2
. 𝑑𝑥
5
𝛿
‫׬‬0 ‫׬‬0 𝑣𝑧 . 𝑑𝑥𝑑𝑦
1
𝑤 𝛿
‫׬‬0 ‫׬‬0 𝑑𝑥𝑑𝑦
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑣𝑧 = 2.𝜇
𝑣𝑧 =
𝛿
1−
𝑤 𝛿 𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
‫׬‬0 ‫׬‬0
2. 𝜇
𝑣𝑧
𝑥 2
𝛿
𝑥
1−
𝛿
2
𝑣𝑧
2
. 𝑑𝑥𝑑𝑦
𝑤 𝛿
‫׬‬0 ‫׬‬0 𝑑𝑥𝑑𝑦
𝛿 𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑊 ‫׬‬0
2. 𝜇
𝑥
1−
𝛿
𝑊𝛿
𝜌𝑔𝛿𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑥3
=
𝑥−
2. 𝜇
3𝛿 2
2
3
4
𝜌𝑔𝛿𝑐𝑜𝑠𝛽
𝛿3
=
𝛿−
2. 𝜇
3𝛿 2
𝑣𝑧 =
. 𝑑𝑥
𝑣𝑧
𝜌𝑔𝛿𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑥3
−
𝑥−
2
2.
𝜇
3𝛿
𝛿
0
7
𝜌𝑔𝛿𝑐𝑜𝑠𝛽 3𝛿 − 𝛿
2. 𝜇
3
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
=
3. 𝜇
6
8
d- Caudal
𝑤
𝛿
𝑄 = න න 𝑣𝑧 . 𝑑𝑥𝑑𝑦
0
1
0
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑄 = 𝛿𝑊
3. 𝜇
𝜌𝑔𝛿 3 𝑊𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑄=
3. 𝜇
2
3
Ejercicio en clase
Una muestra de hidrocarburo con 35 grados API y viscosidad cinemática de 6E-6 m2/s
en régimen laminar se transporta a una velocidad de 2 m/s sobre una superficie o canal
con inclinación de 30°. El canal tiene una longitud y ancho de 50 cm y 5 cm,
respectivamente. Determinar el espesor que forma la película.
𝑣𝑧
𝜏𝑥𝑧 = 𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽. 𝑥
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑣𝑧 = 2.𝜇
1−
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑣𝑧,𝑚𝑎𝑥 = 2.𝜇
𝑥 2
𝛿
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
=
3. 𝜇
𝜌𝑔𝛿 3 𝑊𝑐𝑜𝑠𝛽
𝑄=
3. 𝜇
Ejercicio en clase
Una muestra de hidrocarburo con 35 grados API y viscosidad cinemática de 6E-6 m2/s
en régimen laminar se transporta a una velocidad de 2 m/s sobre una superficie o canal
con inclinación de 30°. El canal tiene una longitud y ancho de 50 cm y 5 cm,
respectivamente. Determinar el espesor que forma la película.
𝑣𝑧
𝜌𝑔𝛿 2 𝑐𝑜𝑠𝛽
=
3. 𝜇
𝐴𝑃𝐼 =
141.5
− 131.5
𝜌
𝜌 = 0.8498 𝑔/𝑐𝑚3
𝜗=
𝛿=
3. 𝜇𝑣𝑧
𝜌𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽
𝜇
𝜌
𝛿 = 2.06 ∗ 10−3 , m
𝛿 = 2.06 mm
𝛿=
3𝑣𝑧 𝜗
𝑔𝑐𝑜𝑠𝛽
𝛿=
𝛿 = 0.00205 𝑚
3 ∗ 2 ∗ 6 ∗ 10−6
9.81𝑐𝑜𝑠30
Entrada flujo
FLUJO A TRAVÉS DE UN TUBO CAPILAR
Se tiene un fluido en un tubo circular con las
siguientes especificaciones:
- Flujo laminar
- Densidad del fluido ρ
- Longitud L y Radio R
Determinar para la película
descendente de la figura:
a- El perfil de Velocidad
b- La velocidad máxima
c- Velocidad media
d- Caudal
r
L
Entrada de cantidad de
movimiento al flujo
Presión Po
FLUJO A TRAVÉS DE UN TUBO CAPILAR
Gravedad
Fuerzas sobre el sistema
r
Entrada de cantidad de
movimiento por
transporte viscoso
-CM por transporte.
-CM debido al movimiento global del fluido
Δr
Entrada de cantidad de
movimiento por
transporte viscoso
L
-Fuerzas de presión.
-Fuerzas de gravedad
Salida de cantidad de
movimiento al flujo
Presión PL
Cantidad de movimiento por transporte viscoso
𝜏𝑟𝑧
r
𝑑𝐹
=
𝑑𝐴
𝑑𝐹 = 𝜏𝑟𝑧 . 𝑑𝐴
Δr
𝐴 = 2𝜋𝑟𝐿
d𝐴 = 2𝜋𝐿𝑑𝑟
𝑑𝐹 = 𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟
Envoltura cilíndrica de espesor Δr
(𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟 − (𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟+∆𝑟
1
Entrada de cantidad de
movimiento al flujo
Velocidad de cantidad de movimiento a través
de la superficie anular
𝐹 = 𝑚.a
𝑣
𝐹 = 𝑚.
𝑡
𝑑𝐹 = 𝑚.ሶ 𝑑𝑣
R=r
ሶ 𝑣
𝑑𝐹 = 𝑑𝑚.
ሶ = 𝜌. 𝑑𝑄 = 𝜌. 𝑑𝐴. 𝑣𝑧
𝑑𝑚
𝐴 = 𝜋𝑟 2
L
d𝐴 = 2𝜋rdr
𝑑𝐹 = (𝜌. 𝑑𝐴. 𝑣𝑧 )𝑣𝑧 .
𝑑𝐹 = (𝜌. 2𝜋rdr. 𝑣𝑧 )𝑣𝑧 .
( (𝜌. 2𝜋rdr. 𝑣𝑧 )𝑣𝑧 )𝑧=0 -( (𝜌. 2𝜋rdr. 𝑣𝑧 )𝑣𝑧 )𝑧=𝐿
2
Salida de cantidad de
movimiento al flujo
𝜑𝑜 = 𝑃𝑜 − 𝜌𝑔0
Presión Po
𝜑𝑜 = 𝑃𝑜
Efectos de fuerzas externas
Gravedad
Fuerza de gravedad
Fuerza de presión
r
𝐹
𝐹 = 𝑚.g
ሶ
𝐹 = 𝑉𝜌𝑔
𝐹 = 𝐴𝑃ሶ
𝑚 = 𝜌. 𝑉 = 𝜌. 𝐴. 𝐿
𝐴 = 𝜋𝑟 2
d𝐴 = 2𝜋rdr
ሶ
𝑑𝐹 = (2𝜋rdr𝐿)𝜌𝑔
P= 𝐴
3
L
ሶ 𝑃𝑜
𝑑𝐹 = 2𝜋rdr.
4
ሶ 𝑃𝐿
𝑑𝐹 = 2𝜋rdr.
5
2𝜋rdr.ሶ 𝑃𝑜 − 2𝜋rdr. 𝑃𝐿
5’
𝜑𝐿 = 𝑃𝐿 − 𝜌𝑔𝐿
Presión PL
Balance de cantidad de movimiento
Velocidad de entrada de
cantidad de movimiento
Velocidad de salida de + Suma de las fuerzas que
cantidad de movimiento
actúan sobre sistema
-CM por transporte.
-CM debido al movimiento
global del fluido
-Fuerzas de presión.
-Fuerzas de gravedad
(𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟 − (𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟+∆𝑟 + ( (𝜌. 2𝜋rdr. 𝑣𝑧 )𝑣𝑧 )𝑧=0 -( (𝜌. 2𝜋rdr. 𝑣𝑧 )𝑣𝑧 )𝑧=𝐿 +
1
2
(𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟 − (𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟+∆𝑟 +
1
=0
ሶ
2𝜋rdr𝐿 𝜌𝑔 + 2𝜋rdr.
(𝑃𝑜 − 𝑃𝐿 )=0
3, 4
ሶ
2𝜋rdr𝐿 𝜌𝑔 + 2𝜋rdr.
(𝑃𝑜 − 𝑃𝐿 )=0
3, 4
(𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟 − (𝜏𝑟𝑧 . 2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟+∆𝑟 + 2𝜋rdr𝐿 𝜌𝑔 + 2𝜋rdr.
ሶ
(𝑃𝑜 − 𝑃𝐿 )=0
lim
(𝜏𝑟𝑧 .2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟++∆𝑟 − (𝜏𝑟𝑧 .2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟
∆𝑟
∆𝑟→𝑜
=(
(𝜏𝑟𝑧 .2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟++∆𝑟 − (𝜏𝑟𝑧 .2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟
∆𝑟
∆𝑟→𝑜
=(
(𝜏𝑟𝑧 .2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟++∆𝑟 − (𝜏𝑟𝑧 .2𝜋𝐿𝑑𝑟)𝑟
∆𝑟
∆𝑟→𝑜
=(
lim
lim
𝑟. 𝜏𝑟𝑧 = (
𝑟. 𝜏𝑟𝑧 = (
𝜑𝑜 −𝜑𝐿
)r
𝐿
𝜑𝑜 −𝜑𝐿 2
)𝑟 +
2𝐿
+ 𝜌𝑔)r
𝑃𝑜 −𝑃𝐿
𝐿
+
𝜑𝑜 = 𝑃𝑜
𝜌𝑔𝐿
)r
𝐿
𝜑𝐿 = 𝑃𝐿 − 𝜌𝑔𝐿
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿 +𝜌𝑔𝐿 +𝜌𝑔𝐿
)r
𝐿
𝑃 = 𝜑 + 𝜌𝑔𝑧
𝜑 = 𝑃 − 𝜌𝑔𝑧
𝑑
𝑑𝑟
𝑃𝑜 −𝑃𝐿
𝐿
Condición 1:
r=0, 𝜏𝑥𝑧 =0
𝐶1
𝜏𝑟𝑧 = (
÷ 2𝜋𝐿𝑑𝑟
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿
)𝑟
2𝐿
𝑃𝐿 = 𝜑𝐿 + 𝜌𝑔𝐿
Perfil de velocidad
𝜏𝑟𝑧 = (
𝜏𝑟𝑧
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿
)𝑟
2𝐿
𝑑𝑣𝑧
= −𝜇
𝑑𝑟
𝑑𝑣𝑧
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿
= −(
)𝑟
𝑑𝑟
2𝜇𝐿
𝑣𝑧 = −(
𝜑𝑜 −𝜑𝐿 2
)𝑟
4𝜇𝐿
+ C2
Condición 2:
r=R, 𝑣𝑧 =0
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿 2
𝑟
𝑣𝑧 = (
)𝑅 1 −
4𝜇𝐿
𝑅
2
Velocidad máxima
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿 2
𝑟
𝑣𝑧 = (
)𝑅 1 −
4𝜇𝐿
𝑅
2
Condición 3:
r=0, 𝑣𝑧 =𝑣𝑧,𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎
𝑣𝑧,𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿 2
=(
)𝑅
4𝜇𝐿
Velocidad media
2𝜋
𝑣𝑧 =
𝑅
‫׬‬0 ‫׬‬0 𝑣𝑧 . 𝑟𝑑𝑟𝑑𝜃
2𝜋
𝑅
‫׬‬0 ‫׬‬0 𝑟𝑑𝑟𝑑𝜃
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿 2
𝑣𝑧 = (
)𝑅
8𝜇𝐿
Caudal
𝑅
2𝜋
𝑄=න න
0
0
𝑣𝑧 . 𝑟𝑑𝑟𝑑𝜃
𝜑𝑜 − 𝜑𝐿 4
𝑄 = 𝜋(
)𝑅
8𝜇𝐿
Hagen - Poiseuille
Aplicación
Se tiene un crudo mediano con gravedad API y viscosidad cinemática como se describe en la
tabla. En un sistema de placas paralelas el crudo presenta un comportamiento de velocidad
mediante la siguiente expresión:
Grupo
Crudo
Viscosidad cinem
ática, cm2/s
API
1
A
3600
12.3
2
B
3500
12.5
3
C
3400
13
4
D
3300
13.4
5
E
3250
13.6
6
F
3500
13.5
7
G
3200
14
8
H
3100
16
La distancia entre las placas es de 7.5 cm.
1. Determinar el esfuerzo de corte a 2, 4, y 6 cm de distancia.
2.Determine la expresión del perfil del esfuerzo de corte entre las dos placas.
3.Determine la velocidad promedio entre las dos placas
Código
2191492
2190553
2191151
2173046
2181103
2181740
2190556
2190559
2190558
2181761
2180500
2181119
2174690
2181488
2184695
2172819
2191169
2182849
2183121
2170608
2172448
2172832
2191165
2190551
2191164
Estudiante
CORREDOR ARIAS MARIA ALEJANDRA
RICO TALERO KAROL YULIANA
Grupo
Tema
1
Intercambiadores de Calor
2
Flujo multifasico
3
Comportamiento reológico de crudos
4
Uso y eficiencia de la energía solar
5
Inyección de vapor en la producción de hidrocarburos
6
Generadores de vapor
7
Uso y eficiencia de la energía geotérmica
8
Ley de Fick – Difusión con o sin reacción quimica
VARGAS RODRIGUEZ CHRISTIAN LEONARDO
BLANCO DUEÑAS LIZETH VANESSA
LASSO ORDOÑEZ DANNA BRIGITH
PATRON ZAPATA SALOME
CELY PALACIO MARLON EDUARDO
ORTEGA MENDOZA SHARON NICHOLLS
PINTO ORTEGA DANIEL ANDRES
AGREDO MARQUEZ YINA MARCELA
CAMARGO SAUMETH ANDREA CAMILA
SERRANO SERRANO DANIELA
IBARRA AGREDO JOHAN SEBASTIAN
PACHECO GOMEZ ANDRES ALEJANDRO
TRIANA PINTO KAREN IVONNE
PINZON HERRERA ANDRES FELIPE
CADENA ORTEGA DAIRA MILENA
GUTIERREZ FONTECHA MANUEL FERNANDO
NUÑEZ SALAMANCA KAREN ESTEFANY
JIMENEZ AGUDELO MIGUEL SANTIAGO
MOLINA ARANA YENNYFER
OBREGON DELGADO NICOLAS FELIPE
ARANGO SERRANO DANIEL ESTEBAN
BARRERA ACOSTA HELIAN ARMANDO
DURAN MONSALVE JUAN SEBASTIAN
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