PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA PARA VOLUMEN DE CONTROL

5.1 LA CONSERVACION DE LA MASA VOLUMEN DE CONTROLUn volumen de control es un volumen definido en el espacio en el que uno se interesa para efectuar un estudio o anlisis particular. La superficie de este volumen de control se llama superficie de control y es siempre una superficie cerrada.

Su tamao y forma del volumen de control son completamente arbitrarios y se definen de tal manera que se ajusten lo mejor posible al anlisis que ha de realizarse. La superficie puede estar fija, o bien, definida en relacin con un sistema de coordenadas.

La masa lo mismo que las formas de energa en trnsito calor y trabajo, pueden atravesar la superficie de control; adems la masa en el volumen de control; as como las propiedades de la misma, pueden variar con el tiempo.

Consideremos primero la ley de la conservacin de la masa en su relacin con el volumen de control. Para esto consideraremos el flujo de masa hacia adentro y hacia afuera del volumen de control y el incremento neto de masa en el volumen de control. durante un intervalo de tiempo t, supngase que una masa mi, como se muestra en la Fig. 5.1, entra al volumen de control, y que una masa me sale del mismo.

Esta ecuacin viene a ser la ECUACION DE CONTINUIDAD, aunque estaforma es suficiente para la mayora de aplicaciones en la practica, frecuentemente conviene expresar cada una de estas cantidades de masa en funcin de propiedades del fluido locales.

El estado de la materia dentro del volumen de control no es necesariamente uniforme en un momento dado; sin embargo, podemos dividir el volumen de control en elementos arbitrarios v que contenga una masa v.

Esta expresin de la ecuacin de continuidad es bsica para el desarrollo en el campo de la investigacin posterior en los campos de la mecnica de los fluidos y la transmisin de calor. En termodinmica, sin embargo, generalmente interesan los valores promedio globales para estas cantidades, y la ecuacin de continuidad en la forma de la ecuacin 5.3 ser suficiente.De la ecuacin 5.5 podemos considerar las siguientes suposiciones con la finalidad de simplificar dicha ecuacin para casos especficos:1 Considerar que la superficie de control estacionaria2 Considerar que el flujo es normal a la superficie de control3 El estado termodinmico y la velocidad del fluido son uniformes (valores medios globales) sobre el rea de paso del flujo en cualquier momento.

5.3 PROCESO DE FLUJO Y ESTADO ESTABLE( FEES)

Una primera aplicacin de las ecuaciones de volumen de control ser desarrollar un modelo analtico adecuado para el funcionamiento estable a largo plazo de mquinas y equipos tales como turbinas, compresores, toberas, calderas, condensadores, etc., una clase muy extensa de problemas de inters en el anlisis termodinmico. este modelo no incluir los periodos transitorios de corto plazo de puesta en marcha o parada de tales dispositivos, sino solamente el perodo de operacin estable (rgimen permanente).

Para ello debemos asumir un conjunto de suposiciones (adems de las consideradas en la deduccin de la ecuacin general) que conduzcan a un modelo razonable para este tipo de proceso, llamado proceso de flujo y estado estable.

Dichas consideraciones son:

1 El volumen de control permanece fijo con relacin a un sistema de coordenadas.2 El estado de la masa en cada punto en el volumen de control no vara en el tiempo.3 Las propiedades de la sustancia que ingresa o sale del volumen de control deben ser constantes.4 Las masas que cruzan la superficie de control deben hacerlo a un rgimen constante y en todo momento la masa que ingresa debe ser igual a la que sale, por lo tanto la masa dentro del volumen de control es constante5 Los flujos de energa a travs de la SC (calor y trabajo) deben ser constantes con el tiempo.

5.4 APLICACIONES DE INGENIERIA QUE INCLUYEN SISTEMAS DE ESTADOS ESTABLES 5.4.1.- Toberas y difusoresEn muchos procesos de flujo estable se necesita aumentar o disminuir la velocidad de una corriente. Un dispositivo que aumenta la velocidad (y por lo tanto la energa cintica) de un fluido a expensas de una cada de presin en la direccin del flujo se denomina tobera.Un difusor es un aditamento para aumentar la presin de una corriente de flujo a expensas de una disminucin en la velocidad.Estas definiciones se aplican a flujos subsnicos y supersnicos.

5.4.2 Turbinas , bombas, compresores y ventiladoresUna turbina, ya sea que el fluido sea un gas o un lquido, es un dispositivo en el que el fluido realiza trabajo sobre algn tipo de alabe fijo a un eje rotatorio; como resultado el dispositivo produce trabajo que se puede usar para algn fin especfico.Las bombas, los compresores y los ventiladores son dispositivos en los que el trabajo se hace sobre el fluido, lo que origina un aumento en la presin del mismo.Las bombas se utilizan para lquidos y los compresores y ventiladores se emplean para gases. En un ventilador, la relacin de presin de entrada a la salida es aproximadamente ligeramente mayor que 1; mientras que para un compresor dicha relacin puede ser muy variada dependiendo del tipo de compresor utilizado.

Aplicando FEES para cualquiera de estos mecanismos Ejemplo:ep = 0; q = 0(dependiendo si es sistema este aislado trmicamente) ec En la turbomaquinaria rotativa axial o centrfuga, las velocidades pueden ser bastantes altas y el calor pequeo comparado con el trabajo al eje que hay que suministrar.

En las mquinas reciprocantes, la transferencia de calor puede ser elevada.

En general para estos dispositivos se pueden considerar ec = 0; aplicando la experiencia y las especificaciones experimentales permitir estimar la importancia relativa de la transferencia de calor. Por ejemplo en una turbina:

q = h2 - h1 + w

Si q = 00 = h2 h1+ w

w = h1 - h2 (kJ/kg)W = m (h1 - h2 )(kW)

SISTEMAS DE COMPRESIN DE AIRE

ELEMENTOS BSICOS : COMPRESORESEs la parte de mayor importancia en una instalacin frigorfica por compresin a vapor. La principal funcin del compresor consiste en extraer el refrigerante evaporado del evaporador; comprimirlo a un punto en el que pueda efectuarse la condensacin y volver a su estado liquido de origen. Los compresores pueden ser de los siguientes tipos: Alternativo o de pistn; son los de mayor uso, pueden ser: Abiertos. Hermticos Semi hermticos Rotativos, para pequeas potencias. Centrfugos, para grandes potencias. De tornillo; llamados helicoidales, para medianas y grandes potencias. Compresor abierto(marca TRAME)Engranajes de un compresor de tornilloCompresor semi- hermtico (marca COPELAND)

MOTOR DE REACCIN

TURBINA A GAS Caza bombardero

TURBINA DE GAS USO AERONUTICO

TURBINA DE GAS PARA CENTRALES TERMOELCTRICAS

mltiples cmaras de combustincmara de combustin anularPARTES DE LA CMARA DE COMBUSTIN DE UN AVIN

TURBINAS DE USO AERONUTICO

TURBINA A VAPOR

MONTAJE DE UNA TURBINA A VAPOR PARA UNA CENTRAL TRMICA

5.4.3.- Dispositivos de estrangulamiento

Los dispositivos de flujo estable como las toberas, y las turbinas producen, efecto til en forma de trabajo, o disminucin de la energa cintica; estos efectos estn acompaados de una disminucin en la presin.

Hay circunstancias en el diseo de sistemas en las que se desea una disminucin de la presin; pero sin provocar otros efectos tiles.

Se consigue esta cada de presin al insertar en el sistema de flujo un componente al que se denomina dispositivo de estrangulamiento. El efecto principal de un proceso de estrangulamiento es una cada de presin sin que haya una interaccin de trabajo o cambios apreciables en la energa cintica o energa potencial.

Las condiciones necesarias se satisfacen cuando el flujo pasa a travs de una restriccin, tal como una vlvula, un tapn poroso o un tubo capilar largo.

Al disminuir el rea de la seccin transversal para el flujo, se introduce una mayor resistencia al flujo; para un gasto msico dado aumentar la resistencia al flujo original con el consiguiente aumento en la cada de presin en la vlvula.

Aunque la velocidad V puede ser alta en la regin de la restriccin, las medidas de la velocidad aguas arriba o aguas abajo de la vlvula, cuando se halla estabilizado el flujo indican que el cambio en la velocidad y en la energa cintica es pequeo.

En este caso el volumen de control es rgido y no hay ejes rotatorios, no hay ejecucin de trabajo; y en la mayora de aplicaciones el dispositivo de estrangulamiento est aislado trmicamente (q = 0)

Luego:h1 = h2

Este enunciado no implica que la entalpa sea constante en el proceso sino que simplemente indica que las entalpas inicial y final deben ser las mismas (la entalpa se conserva)

Un proceso de estrangulamiento verdadero que obedece la ecuacin anterior con frecuencia se denomina expansin de Joule- Thomson.

Coeficiente Joule-ThomsonEs una propiedad termodinmica que denota el cambio de temperatura experimentado por una sustancia durante un proceso a h=cte. entre 2 presiones dadas. Luego:

Dispositivos de control de flujo Tiene las siguientes funciones: Regular el flujo del refrigerante segn demanda de carga Crear cada de presin hasta alcanzar la ToevaporacinTipos de Dispositivos de Expansin: Existen cinco tipos diferentes de dispositivos de expansin El flotador del lado de alta presin, no tiene mucha utilizacin en refrigeracin. El flotador del lado de baja presin, no tiene mucha utilizacin en refrigeracin. La vlvula de expansin termosttica(VET), son las de mayor utilizacin en una amplia variedad de sistemas de refrigeracin. La vlvula de expansin termosttica (VET) se encarga de dosificar el refrigerante que va al evaporador; utilizando para este fin, un sensor trmico que mantiene constante el nivel de sobrecalor del evaporador. Vlvula de expansin termosttica (VET) cortesa HEATCRAFT Principio de operacin de una VET, con igualador interno

Observaciones:1ro. El coeficiente Joule Thomson puede tener valor positivo o negativo.2do. > 0 significa que durante la expansin isoentlpica hay enfriamiento.3ro. < 0 significa que durante la expansin isoentlpica hay calentamiento.4to. La lnea que une todos los ptos. con = 0 se conoce con el nombre de lnea de inversin.5to. Si durante la expansin isoentlpica una sustancia cruza la lnea de inversin sta inicialmente sufrir un aumento de temperatura y luego una disminucin.6to. Existe sin embargo una temperatura mxima por encima de la cual no es posible reducir la temperatura de un gas mediante una expansin isoentlpica, a esta temperatura se le conoce con el nombre de Temperatura de mxima inversin