Dispositivos De Flujo Estable

DISPOSITIVOS DE INGENIERÍA DE FLUJO ESTABLE.

Muchos dispositivos de ingeniería operan bajo las mismas condiciones durante periodos largos. Por ejemplo los componentes de una termoeléctrica (turbinas, compresores, intercambiadores de calor y bombas).

1. Toberas y Difusores.

Se utilizan generalmente en motores de propulsión por reacción, cohetes, vehículos espaciales e incluso en mangueras de jardín.

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. Es decir las toberas y los difusores llevan a cabo tareas opuestas.

La tasa de transferencia de calor entre el fluido que fluye por una tobera o un difusor y los alrededores es muy pequeña, ya que el fluido tiene velocidades altas y por lo tanto no se mantiene suficiente tiempo en el dispositivo como para que ocurra una transferencia de calor importante.

Las toberas y difusores por lo común no implican trabajo y cualquier cambio de energía potencial es insignificante.

Debido a que el fluido experimenta grandes cambios en su velocidad al pasar por estos dispositivos, se deben tomar en cuenta los cambios de energía cinética al analizar el flujo por estos dispositivos.

2. Turbinas y Compresores.

En las centrales eléctricas de vapor, gas o en hidroeléctricas, el dispositivo que impulsa al generador eléctrico es la turbina. A medida que el fluido pasa por ésta se hace trabajo contra los álabes, los cuales están unidos a la flecha, la cual a su vez gira y la turbina produce trabajo.

Al igual que las bombas y los ventiladores, los compresores son dispositivos que se utilizan para incrementar la presión de un fluido. A estos dispositivos el trabajo se suministra desde una fuente externa a través de un eje giratorio, por lo tanto los compresores requieren entrada de trabajo.

Un ventilador se usa sobre todo para movilizar un gas y sólo incrementa ligeramente la presión, mientras que un compresor es capaz de comprimir el gas a presiones muy altas. Las bombas funcionan de manera muy parecida a los compresores excepto que manejan líquidos en lugar de gases.

Las turbinas producen potencia mientras que los compresores, bombas y ventiladores requieren entrada de potencia.

Las velocidades de fluido encontradas en la mayor parte de 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.

3. Válvulas de Estrangulamiento.

Las válvulas de estrangulamiento son dispositivos de diferentes tipos que restringen el flujo de un fluido provocando una caída relevante de presión. Algunos ejemplos comunes son válvulas ajustables ordinarias, tubos capilares y tapones porosos.

A diferencia de las turbinas, producen una caída de presión sin implicar trabajo. La caída de presión en el fluido suele ir acompañada de una gran disminución de temperatura, por esa razón los dispositivos de estrangulamiento son de uso común en aplicaciones de refrigeración y acondicionamiento de aire.

La magnitud de la caída de temperatura (o el aumento de temperatura) durante un proceso de estrangulamiento se rige por una propiedad llamada coeficiente de Joule-Thomson. 

Son por lo regular dispositivos pequeños, y se puede suponer que el flujo por ellos es adiabático puesto que no hay suficiente tiempo ni área suficientemente grande para que ocurra alguna transferencia de calor efectiva. Tampoco se realiza trabajo (w=0), y el cambio en la energía potencial, si tiene lugar, es muy pequeño.

Entonces la ecuación de conservación de la energía para este dispositivo de flujo estacionario de una sola corriente se reduce a:

Es decir, los valores de entalpía en la entrada y la salida de una válvula de estrangulamiento son los mismos. Por esta razón, una válvula de estrangulamiento se denomina a veces dispositivo isentálpico.

Para comprender mejor la manera en que afecta las propiedades del fluido de expresa en la siguiente ecuación:

O bien:

Así, el resultado final de un proceso de estrangulamiento depende de cuál delas dos cantidades se incremente durante el proceso.

La temperatura tiene que permanecer constante durante un proceso de estrangulamiento.

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