002 5. movimiento de fluidos toberas y difusores reducido

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  • INGENIERIA EN ENERGIA UNS TERMODINAMICA II

    BENITES-CALDERON-ESCATE

    109

    5. MOVIMIENTO DE FLUIDOS: TOBERAS Y DIFUSORES

    5.1 INTRODUCCIN

    El propsito de este capitulo es describir los aspectos termodinmicos del movimiento de

    fluidos. En este estudio se tratar de la variacin de las propiedades de un fluido que

    experimenta en un proceso. Este proceso puede ser reversible o irreversible, y el fluido, puede

    ser compresible o incompresible. Existe una gran superposicin entre los anlisis

    termodinmicos y los anlisis de la mecnica de fluidos. El objetivo de este capitulo ser

    analizar los casos que requieren de explicacin termodinmica. Todo flujo o corriente de fluido

    es irreversible y tridimensional, pero esta consideracin impide un anlisis accesible. Podemos

    evaluar aproximadamente un gran numero de condiciones de flujo suponiendo movimiento del

    fluido en rgimen permanente, es decir, corriente constante y unidimensional, y estado estable.

    Las limitaciones o restricciones que emplearemos en este capitulo son:

    El Flujo msico es Unidimensional

    Rgimen permanente, intensidad constante a travs de un conducto (permanencia en

    el tiempo)

    Estado estable, las propiedades de un fluido en un punto no varan tampoco con el

    tiempo.

    Estas condiciones pueden parecernos demasiado restrictivas, pero en muchos casos los

    cambios reales que se producen respecto de tales condiciones, son pequeos y es posible

    despreciarlos.

    Nos interesa particularmente el movimiento de un fluido a travs de una tobera, aspecto muy

    importante en el diseo de turbinas. Las toberas tienen dos funciones bsicas: dirigir el fluido

    en la direccin deseada y convertir en energa cintica la energa trmica de la sustancia

    fluyente. Analizaremos en detalle la ultima de estas funciones; sin embargo no estudiaremos la

    optimizacin y el anlisis del ngulo de accin de las toberas y la configuracin angular de los

    alabes.

    La velocidad snica se define en trminos de las propiedades termodinmicas y se hace notar

    la importancia del nmero de Mach como una variable en el flujo compresible.

  • INGENIERIA EN ENERGIA UNS TERMODINAMICA II

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    110

    5.2 VELOCIDAD SNICA O ACSTICA

    Cuando en un fluido compresible se produce una perturbacin de presin, la perturbacin viaja

    con una velocidad que depende del estado del fluido. La onda de sonido es una perturbacin

    de presin. En condiciones atmosfricas normales la velocidad del sonido en el aire es

    aproximadamente 336 m/s. Una propiedad importante en el estudio de un flujo de gas es la

    velocidad del sonido a travs del gas, la velocidad snica o velocidad acstica. Por tanto,

    derivaremos ahora una expresin para la velocidad snica en un gas en trminos de las

    propiedades del gas.

    Figura 5.1 Una pequea onda de presin en un sistema coordenado estacionario

    Consideremos la figura 5.1, donde se ilustra una pequea onda de presin ocasionada por un

    embolo, y que se desplaza a travs de un fluido compresible. La onda de presin debe ser lo

    suficientemente dbil para que los cambios de propiedad del fluido en el fluido sean pequeos

    desde el punto de vista diferencial. Si la onda es demasiado grande no se cumplen las

    condiciones de cambio diferencial de las propiedades, y no es valido entonces el siguiente

    anlisis. La onda generada por el movimiento del embolo de la figura 5.1, se desplaza a la

    velocidad acstica, a, a travs del gas estacionario. Si un observador viaja en la onda de

    presin, le parecera que el fluido avanza desde la regin estacionaria (a la derecha) con la

    velocidad acstica, y que se aleja a una velocidad diferente debido al cambio de presin a

    travs del frente de onda. La masa tiene que conservarse al entrar y salir de la superficie de

    control. La suma de las fuerzas debe corresponder al equilibrio.

    ( )netF PA P dP A

    Tambin con la ecuacin de cantidad de movimiento,

    2 1v vnet x xF m m

    Se considera que los efectos de fuerza cortante y de friccin son despreciables.

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    111

    Por la ecuacin de continuidad:

    v= am A A

    Al igualar las fuerzas a travs de la superficie de control obtenemos

    ( ) a (a- v)-aPA P dP A d

    Lo cual se reduce a

    a vdP d (5.1)

    La ecuacin de continuidad para la superficie de control es

    aA=( a-dv)Ad

    Despreciando los trminos diferenciales de segundo orden, por ser mucho menores que los de

    primer orden, queda

    v=ad

    d

    (5.2)

    Sustituyendo la ecuacin (5.2) en la ecuacin (5.1), obtenemos

    a=dP

    d (5.3)

    En el caso de pequeas ondas de presin, el proceso de compresin es esencialmente

    isentrpico (proceso reversible y adiabtico). Para un gas ideal, el proceso es:

    kPv C

    Tambin

    kP C

    Diferenciando

    dP kPvd

    Ordenando la ecuacin

    dPkPv

    d (5.4)

    Adems por la ecuacin de estado de gases ideales

    Pv RT (5.5)

    Remplazando (5.5) en (5.4)

    s

    dPkRT

    d

    (5.6)

    Finalmente remplazando la ecuacin (5.6) en (5.3), obtenemos la velocidad del sonido como

    una propiedad termodinmica, que depende del tipo de gas y de la temperatura:

    a=s

    dPkRT

    d

    (5.7)

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    112

    Ejemplo 5.1

    Determine la velocidad del sonido en el aire en funcin de las temperaturas siguientes: (a)

    300K y (b) 1000K.

    Solucin:

    (a) Para el aire considerndolo como gas ideal tiene las siguientes propiedades

    2

    2

    1287

    mR

    s K Constante del aire

    Por dato del ejemplo T = 300 K ;

    En Tabla A-14 Moran y Shapiro(1999)

    1,4P

    v

    Ck

    C Relacin de calores especficos

    Reemplazando en la ecuacin (5.7), obtenemos la velocidad del sonido

    a= kRT

    2

    2

    1a= 1,4 287 300

    mK

    s K

    a = 347,2 m/s

    (b) Por dato del ejemplo T=1000 K

    En Tabla A-14 Moran y Shapiro(1999)

    1,336P

    v

    Ck

    C Relacin de calores especficos

    2

    2

    1a= 1,336 287 1000

    mK

    s K

    a = 619,2 m/s

    5.3 NUMERO DE MACH

    En el estudio del flujo de gas, un parmetro til es la razn de la velocidad del gas en cualquier

    punto a la velocidad snica en el mismo punto. Esta razn se llama nmero de Mach y se

    designa por el smbolo M:

    v

    aM (5.8)

    Con frecuencia, los flujos de fluidos se describen cualitativamente en trminos de su nmero de

    Mach como sigue:

    M < 1 Flujo subsnico

    M = 1 Flujo Snico

    M > 1 Flujo Supersnico

    M >> 1 Flujo hipersnico

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    113

    Ejemplo 5.2

    Una corriente de aire se mueve por un conducto a 900 Km/h, a una temperatura de 40C .

    Calcule cual es su nmero de Mach.

    Solucin:

    Por datos del ejemplo tenemos las condiciones del aire

    V = 900 km/h = 250 m/s

    T = -40C +273 =233 K

    Para el aire como gas ideal tiene las siguientes propiedades

    Tabla A-14 Moran y Shapiro (1999)

    1,401P

    v

    Ck

    C

    2

    2

    1287

    mR

    s K

    La velocidad del sonido a esta temperatura es

    a= kRT

    2

    2

    1a= 1,401 287 233

    mK

    s K

    a = 306,1 m/s

    El nmero de Mach para este fluido es

    v 250

    a 306,1M

    M = 0,82 El Flujo es Subsnico

    5.4 PROPIEDADES DE ESTANCAMIENTO

    Son las propiedades que obtendra un fluido si se llevara a una condicin de velocidad cero y

    elevacin cero, en un proceso reversible sin transferencia de calor y energa.

    Consideremos ahora una corriente de fluido que se desplaza a travs de una tubera aislada

    trmicamente. La energa del fluido aplicando la primera ley de la termodinmica para

    sistemas abiertos ser:

    2 2

    2 12 1 2 1

    v v

    2q w h h g z z

    (5.9)

    Para este caso consideramos

    w = 0, no se produce transmisin de trabajo en tuberas (no hay partes mviles).

    q = 0, no se produce transmisin de calor. El sistema es (adiabtico)

    ep =0, La variacin de energa potencial se desprecia para fluidos gaseosos.

    Remplazando en la ecuacin (5.9), se tiene: 0 0 0q w h ec ep

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    114

    Quedando la ecuacin como:

    2 2

    2 12 1

    v v0

    2h h

    Ordenado la ecuacin convenientemente

    2 2

    1 21 2

    v v

    2 2h h

    Por lo tanto la energa del fluido a travs de cualquier plano es h+v2/2, la cual tiene dos

    componentes una esttica, h, y otra dinmica, v2/2.

    Entalpa de estancamiento

    Si se lleva el fluido al reposo, donde la velocidad es nula, encontraremos que la energa del

    fluido es ho, a la cual definimos como entalpa de estancamiento (remanso).

    2v

    2Oh h (5.10)

    Temperatura de estancamiento

    Sustituimos el valor de la entalpa de un gas ideal, h = CpT, en la ecuacin (5.10), se tiene:

    2

    p

    v

    2COT T

    Ordenando la ecuacin se tiene la temperatura de estancamiento

    2

    P

    v1

    2C

    OT

    T T (5.11)

    Si sustituimos en la ecuacin (5.11), las ecuaciones (5.7) y (5.8), obtenemos la temperatura de

    estancamiento en funcin al nmero de Mach.

    211

    2

    OT k MT

    (5.12)

    Presin de estancamiento

    Para un proceso isentrpico de un gas ideal se tiene,

    1 /

    2 2

    1 1

    k k

    T P

    T P

    Si consideramos una deceleracin isentrpica, es posible calcular la presin de estancamiento,

    para un gas ideal.

    / 12

    P

    v1

    2C

    k k

    OP

    P T

    (5.13)

    Si sustituimos en la ecuacin (5.13), las ecuaciones (5.7) y (5.8), obtenemos la Presin de

    estancamiento en funcin al nmero de Mach

    / 1211

    2

    k k

    OP k MP

    (5.14)

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    115

    La figura 5.2 presenta un diagrama T-s con los diversos estados, donde las

    irreversibilidades relacionadas con la deceleracin en el caso adiabtico dan por resultado un

    incremento de la entropa. Asimismo, tambin se manifiestan en que la presin de

    estancamiento adiabtica, P0, es menor que la presin mxima, la presin de estancamiento

    isentrpica, P0.

    Figura 5.2 Diagrama T-S que ilustra la temperatura y la presin de estancamiento

    Ejemplo 5.3

    Por un ducto fluye aire a presin de 150 Kpa, con una velocidad de 200 m/s. La temperatura

    del aire es 300 K. Determine la presin y la temperatura de estancamiento isentrpico.

    Solucin:

    Considerando al aire como gas ideal con calor especfico constante a 300 K

    En tabla A-14 Moran y Shapiro (1999)

    Cp = 1,005 KJ/Kg.K

    K = Cp/Cv = 1,4

    A partir de la ecuacin (5.11) calculamos la temperatura de estancamiento

    2

    P

    v1

    2C

    OT

    T T

    Ordenando la ecuacin tenemos

    2

    0

    P

    v

    2CT T

    Por datos del ejemplo tenemos

    V = 200 m/s

    T = 300 K

    Reemplazando valores en la ecuacin anterior

    2

    0

    200 m/s 1kJ300K

    2 1,005kJ/kg.K 1000JT

    T0 = 319,9 K

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    116

    A partir de la ecuacin (5.13) calculamos la Presin de estancamiento

    / 12

    P

    v1

    2C

    k k

    OP

    P T

    Como

    2

    P

    v1

    2C

    OT

    T T

    La ecuacin de la presin de estancamiento se puede ordenar como

    / 10

    0

    k kT

    P PT

    Relacin isentrpica

    Por dato del ejemplo P = 150 kpa

    Reemplazando en la ecuacin anterior obtenemos la presin de estancamiento

    1,4/ 1,4 1

    0

    319,9150

    300

    KP kPa

    K

    P0 = 187,8 kPa

    5.5 FLUJO EN TOBERAS Y DIFUSORES FLUJO ISENTROPICO (REVERSIBLE Y

    ADIABATICO)

    Para muchas aplicaciones, la aceleracin o desaceleracin de un fluido en un canal de flujo

    puede tratarse como adiabtico y reversible por lo tanto isentrpico. En esta seccin

    mostramos que la forma requerida de los canales diseados para cambiar la velocidad del

    fluido depende de las condiciones del flujo mismo. Comenzando con las ecuaciones bsicas,

    seremos capaces de relacionar la variacin del rea de la seccin transversal del flujo al

    cambio de velocidad y presin para el flujo estable unidimensional de cualquier fluido.

    Ecuaciones de variacin de rea

    Para un flujo adiabtico sin trabajo realizado y sin cambio de energa potencial, la primera ley

    es

    2vconstante

    2h

    Puede ser expresada en forma diferencial como

    2v0

    2d h

    vdv=0dh (5.15)

    Cuando restringimos aun ms el flujo a procesos reversibles, el flujo es isentrpico, de modo

    que

    0dP

    Tds dh

    (5.16)

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    117

    Combinando la ecuacin (5.15) y (5.16), obtenemos

    2

    v

    v v

    d dP

    (5.17)

    La ecuacin de continuidad es constante

    v=constante

    Diferenciando la ecuacin de continuidad

    v =0d

    v

    0v

    d dA d

    A

    (5.18)

    Sustituyendo la ecuacin (5.17) en la ecuacin (5.18)

    2

    1

    v

    dA dP d

    A dP

    (5.19)

    Pero sabemos que de la ecuacin (5.7)

    2a

    dP

    d

    Remplazando en la ecuacin (5.19)

    2 2

    1 1

    v a

    dA dP

    A

    Despejando 1/v2

    2

    2 2

    v1

    v a

    dA dP

    A

    Finalmente, ordenando

    2

    21

    v

    dA AM

    dP (5.20)

    Sustituyendo la ecuacin (5.17) en (5.20), da

    21

    v v

    dA AM

    d (5.21)

    El anlisis de las ecuaciones (5.20) y (5.21) conduce a las siguientes conclusiones:

    1. Cuando M 0dA

    dP y < 0

    v

    dA

    d

    2. Cuando M>1, < 0dA

    dP y > 0

    v

    dA

    d

    3. Cuando M=1, = 0dA

    dP y = 0

    v

    dA

    d

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    118

    Tobera o Boquilla

    Es un dispositivo que tiene dos funciones: convertir energa trmica en energa cintica,

    acelera el fluido, y dirigir la corriente del fluido segn un ngulo especificado. Lo primero se

    logra por medio de un conducto de seccin variable.

    Para una tobera dP < 0. Por lo tanto,

    Para una tobera subsnica, M0 y la tobera es divergente.

    Figura 5.3 Variacin rea-velocidad-presin en toberas para flujo isentrpico

    Difusor

    Es un dispositivo que tiene dos funciones: convertir energa Cintica en energa Trmica,

    desacelera el fluido, y dirigir la corriente del fluido segn un ngulo especificado. Lo primero se

    logra por medio de un conducto de seccin variable.

    Para una difusor dP>0. por lo tanto,

    Para un difusor subsnico, M 0 y el difusor es divergente.

    Para un difusor supersnico, M>1, dA

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    119

    Relacin de presin Crtica

    En las condiciones de la garganta (seccin transversal mnima) de una tobera para un fluido

    compresible, existen propiedades especiales si el flujo es a M=1. Las propiedades se

    denominan criticas y se denotan como T* y P*, a la temperatura critica y a la presin critica.

    De la ecuacin (5.12), para el caso que M=1, se tiene

    *

    1

    2

    OT k

    T

    (5.22)

    De la ecuacin (5.14), para el caso que M=1, se tiene

    / 1

    *

    1

    2

    k k

    OP k

    P

    (5.23)

    Al invertir esta ecuacin, la razn de presin P*/Po, recibe el nombre de relacin de presin

    critica. De manera que la presin crtica P* solo es funcin de k.

    / 1*

    0

    2

    1

    k kP

    P k

    (5.24)

    La lista que se presenta a continuacin da los valores empleados con ms frecuencia:

    K=1,2 P*/Po = 0,577 vapor saturado

    K=1,3 P*/Po = 0,545 Vapor sobrecal. a baja presin y vapor sat.

    K=1,4 P*/Po = 0,528 Aire y gases diatnicos a 25C

    K=1,67 P*/Po = 0,487 gases monoatmicos

    Ejemplo 5.4

    Aire que se puede considerar como gas ideal, fluye isentrpicamente por una tobera. Entra a

    ella con una velocidad de 100 m/s, a una presin de 600kPa y una temperatura de 600 K. La

    presin de salida es de 150 Kpa. Encontrar los valores de las cantidades siguientes: rea

    transversal, volumen especfico, velocidad, velocidad del sonido, nmero de Mach y

    temperatura, correspondientes a la entrada, en la garganta y a la salida de la tobera. La

    intensidad de flujo es de 1 kg/s.

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    120

    Solucin:

    Para aire a 600 K

    En tabla A-14 de Moran y Shapiro (1999)

    Cp = 1,051 kJ/kg.K

    k = 1,376

    Calculamos la Temperatura de estancamiento

    2

    0

    P

    v

    2CT T

    Por datos de entrada de la tobera del ejemplo tenemos

    V1 = 100 m/s

    T1 = 600 K

    Reemplazando valores en la ecuacin anterior

    2

    0

    100 m/s 1kJ600K

    2 1,051kJ/kg.K 1000JT

    T0 = 604,8 K

    Calculamos la presin de estancamiento

    / 10

    0

    k kT

    P PT

    Relacin isentrpica

    Reemplazando valores

    1,376/ 1,376 1

    0

    604,8600

    600

    KP kPa

    K

    P0 =617,8 kPa

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    121

    Calculo del volumen especfico a la entrada

    11

    1

    RTv

    P

    Donde

    2

    2

    1287

    mR

    s K constante del aire como gas ideal

    Por dato del Ejemplo P1= 600 kPa

    Reemplazando

    2

    2

    1

    1287 600

    1

    600 1000

    mK

    kPas KvkPa Pa

    3

    1 0,287 /v m Kg

    Calculo del rea a la entrada

    11

    1v

    v mA

    Reemplazando valores

    3

    1

    0,287 / 1 /

    100m/s

    m kg Kg sA

    3 2 2

    1 2,87 10 28,7A m cm

    Calculo de la velocidad del sonido

    1 1a = kRT

    2

    1 2

    1a = 1,376 287 600

    mK

    s K

    a1 = 486,8 m/s

    El nmero de Mach para este fluido es

    111

    v 100

    a 486,8M

    M1 = 0,2 El Flujo es Subsnico

    Calculo de la Temperatura Crtica

    *

    0

    2

    1

    T

    T k

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    122

    Reemplazando y despejando

    * 2604,8

    (1,376 1)T K

    T* = 509,1 K

    Calculo de la presin crtica

    / 1*

    0

    2

    1

    k kP

    P k

    Reemplazando

    1,376/ 1,376 1*

    0

    20,532

    1,376 1

    P

    P

    Despejando y reemplazando

    * 0,532 617,8P kPa

    P* = 328,7 kPa

    Calculo de volumen especfico crtico

    RT

    vP

    Reemplazando

    2

    2

    1287 509,1

    1

    328,7 1000

    mK

    kPas KvkPa Pa

    30,445 /v m Kg

    Calculo de la velocidad crtica

    0v 2 ( )PC T T

    Reemplazando

    1000

    v 2 1,051 / . (604,8 509,1)1

    JkJ Kg K K

    kJ

    v* = 448,5 m/s

    Calculo de la velocidad del sonido crtico

    * *a = kRT

    2*

    2

    1a = 1,376 287 509,1

    mK

    s K

  • INGENIERIA EN ENERGIA UNS TERMODINAMICA II

    BENITES-CALDERON-ESCATE

    123

    a* = 448,4 m/s

    Finalmente el nmero de Mach para este fluido es

    **

    *

    v 448,5

    a 448,4M

    M* = 1,0 El Flujo es Snico

    Calculo del rea crtica

    v

    v mA

    Reemplazando valores

    30,445 / 1 /

    448,5m/s

    m kg Kg sA

    3 2 20,992 10 9,92A m cm

    Calculo de la temperatura a la salida de la tobera, como el proceso 1-2 es isentrpico se

    cumple que

    ( 1) /

    22 1

    1

    k K

    PT T

    P

    Reemplazando

    (1,376 1) /1,376

    2

    150600

    600

    kPaT K

    kPa

    T2= 410,8 K

    Calculo de la velocidad a la salida

    2 0 2v 2 ( )PC T T

    Reemplazando

    21000

    v 2 1,051 (604,8 410,8). 1

    kJ JK

    Kg K kJ

    v2 = 638,5 m/s

    Calculo de la velocidad del sonido

    2 2a = kRT

    2

    2 2

    1a = 1,376 287 410,8

    mK

    s K

    a2 = 402,8 m/s

  • INGENIERIA EN ENERGIA UNS TERMODINAMICA II

    BENITES-CALDERON-ESCATE

    124

    El nmero de Mach para este fluido es

    22

    2

    v 638,5

    a 402,8M

    M2 = 1,6 El Flujo es Supersnico

    Calculo del volumen especfico a la salida

    22

    2

    RTv

    P

    Por dato del Ejemplo P2= 150 kPa

    Reemplazando

    2

    2

    2

    1287 410,8

    1

    150 1000

    mK

    kPas KvkPa Pa

    3

    2 0,786 /v m Kg

    Calculo del rea a la salida

    222v

    v mA

    Reemplazando valores

    3

    2

    0,786 / 1 /

    638,5m/s

    m kg Kg sA

    3 2 2

    2 1,231 10 12,31A m cm

    Eficiencia de una tobera

    El objeto de una tobera es convertir la entalpa en energa cintica. Las irreversibilidades reales

    del flujo impiden que se lleve a cabo una conversin ideal. La eficiencia de una tobera, tob,

    relaciona las conversiones real e ideal:

    2

    2

    2

    2s

    v2( . .)

    ( . .) v2

    real realtob

    ideal

    ideal

    E C

    E C

    2

    2

    otob

    o s

    h h

    h h

    (5.25)

    Los valores tpicos de la eficiencia de una tobera van de 94% a 99%.

  • INGENIERIA EN ENERGIA UNS TERMODINAMICA II

    BENITES-CALDERON-ESCATE

    125

    La figura 5.5 ilustra un diagrama T-s correspondiente a una tobera. El rea sombreada

    representa el recalentamiento por irreversibilidad en el flujo que incrementa la entalpa de

    salida hasta 2. Este efecto de recalentamiento es h2 h2s

    Fig. 5.5 Diagrama T-S que ilustra el efecto de recalentamiento (aumento de entalpa por

    irreversibilidad) de un fluido real a travs de una tobera.

    Ejemplo 5.5

    El flujo de aire a travs de una tobera, que tiene una eficiencia del 95%, es de 1,5 kg/s. El aire

    entra a 600 K y 500 kPa y sale a 101 Kpa. Determinar el rea transversal de salida, la

    velocidad y la entalpa reales.

    Solucin:

    Calcular las condiciones isentrpicas de salida, y a partir de las mismas, se determinar las

    condiciones reales de salida.

    Las propiedades del aire a 600K

    En tabla A-14 Moran y Shapiro

    K = 1,376

    Cp=1,051 kJ/kg.K

    R = 287 J/kg.K

    En la ecuacin isentrpica

    ( 1) /

    22 1

    1

    k k

    s

    PT T

    P

    T1=600 K

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    BENITES-CALDERON-ESCATE

    126

    P1=500 kPa

    P2=101 kPa

    Obtenemos

    (1,376 1) /1,376

    2

    101600

    500s

    kPaT K

    kPa

    T2s=387,6 K

    Como no tenemos mas informacin suponemos v1= 0= v0, por lo tanto h1= h0

    De la ecuacin

    2v

    2Oh h

    Despejamos v2/2, cuando v = v2 , para

    Estado real

    2

    20 2

    v

    2h h

    Estado ideal

    2

    2s0 2

    v

    2sh h

    Como h=CpT para gases ideales, tenemos

    2 0 2

    2 0 2

    otob

    o s s

    h h T T

    h h T T

    Despejando la temperatura real, T2, de la ecuacin de la eficiencia

    2 0 0 2tob sT T T T

    Como no tenemos mas informacin suponemos T0= T1=600 K, reemplazando

    2 600 0,95 600 387,6T K K K

    Obtenemos, la temperatura real T2 = 398,2 K

    La entalpa real es

    2 2ph C T

    2 1,051 398,2.

    kJh K

    kg K

    h2= 418,5 kJ/kg

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    127

    La velocidad real es

    2 0 2v 2 ( )PC T T

    Reemplazando

    21000

    v 2 1,051 / . (600 398,2)1

    JkJ Kg K K

    kJ

    v2 = 651,3 m/s

    El volumen especifico real es

    22

    2

    RTv

    P

    Reemplazando

    2

    2

    2

    1287 398,2

    1

    101 1000

    mK

    kPas KvkPa Pa

    3

    2 1,13 /v m Kg

    Calculo del rea

    222v

    v mA

    Reemplazando valores

    3

    2

    1,13 / 1,5 /

    651,3m/s

    m kg Kg sA

    3 2 2

    2 2,60 10 26,0A m cm

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    BENITES-CALDERON-ESCATE

    128

    PROBLEMAS PROPUESTOS

    5.1 Aire que se puede considerar puede como gas ideal, fluye isentrpica mente por una

    tobera. Entra a ella con una velocidad de 150 m/s, a una presin de 700kPa y una

    temperatura de 700 K. La presin de salida es de 200 Kpa. Encontrar los valores de las

    cantidades siguientes: rea transversal, volumen especfico, velocidad, nmero de Macha y

    temperatura, correspondientes a la entrada, en la garganta y a la salida de la tobera. La

    intensidad de flujo es de 1 kg/s.

    5.2 Vapor de agua a 3.8 Mpa y 206 C, entra a una tobera que tiene un rea de garganta de

    4,5 cm2. La tobera descarga a 1,0 MPa. Evalu: (a) La intensidad del flujo, (b) la calidad del

    vapor a la salida, (c) el rea de salida (d) el volumen especifico en la garganta.

    5.3 Se diseara una boquilla para expandir vapor a una velocidad de 0,15 kg/s desde 500 Kpa,

    350 C, a 100 kPa. La velocidad de entrada debe ser muy baja. Para una eficiencia de

    boquilla de 75%, determine las reas de salida para los flujos isentrpicos y real.

    5.4 Por una tobera convergente-divergente circula aire. El rea de la garganta es de 90 cm2 y

    el rea de salida, de 93,4 cm2. La presin de estancamiento es 150 kPa, y la temperatura

    correspondiente, de 450 K. La tobera descarga en aire a 100 Kpa. Determinar: (a) la

    velocidad de salida y el nmero de Mach; (b) si en el flujo hay el fenmeno de

    estrangulamiento o no.

    5.5 Por una tobera fluye aire con las condiciones de entrada 600kPa y 1200 K, y con una

    condicin de salida de 150 kpa. La eficiencia de la tobera es de 96%. Determine (a) la

    velocidad de salida; (b) El nmero de Mach correspondiente a la salida; (c) la intensidad del

    flujo si ele rea de la garganta es de 6.45x10-4 cm2.

    5.6 A una tobera adiabtica entra vapor de agua a 1,4 Mpa, 260 C y una velocidad

    despreciable, y se expande a 140 kPa con una calidad de 97%. Determine (a) las

    condiciones de salida del vapor; la eficiencia de la tobera.