flujo compresible en toberas

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FLUJO COMPRESIBLE EN TOBERAS 1) PARAMETRO ADIMENSIONAL PREDOMINANTE = Número de Mach= M M < 1 escurrimiento subsónico o de “baja velocidad” M = 1 escurrimiento sónico o crítico M > 1 escurrimiento supersónico dp = variación de presión = variación de densidad A MAYOR variación de densidad MENOR velocidad del sonido. c gases < c líquidos < c sólidos Ejs.: C aire = 340 m/s C agua líquida = 1400 m/s C sólidos (tiende a infinito) En gases esta velocidad depende de la temperatura y para fluidos por el interior de conductos también depende de características de este último. 3) OBJETIVO DE LAS TOBERAS: Incrementar la velocidad del fluido. 4) GEOMETRIAS TIPICAS: Tobera convergente (velocidad máxima = c) Tobera convergente-divergente (única que permite velocidades supersónicas)

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FLUJO COMPRESIBLE EN TOBERAS

1) PARAMETRO ADIMENSIONAL PREDOMINANTE = Número de Mach= M

M < 1 escurrimiento subsónico o de “baja velocidad”

M = 1 escurrimiento sónico o crítico

M > 1 escurrimiento supersónico

dp = variación de presión

= variación de densidad

A MAYOR variación de densidad MENOR velocidad del sonido.

cgases < clíquidos < csólidos

Ejs.: C aire = 340 m/s C agua líquida = 1400 m/s C sólidos (tiende a infinito)

En gases esta velocidad depende de la temperatura y para fluidos por el interior

de conductos también depende de características de este último.

3) OBJETIVO DE LAS TOBERAS: Incrementar la velocidad del fluido.

4) GEOMETRIAS TIPICAS:

Tobera convergente (velocidad máxima = c)

Tobera convergente-divergente (única que permite velocidades supersónicas)

5) APLICACIONES: Turbinas a gas o vapor

6) RESTRICCIONES

Gas ideal

Calor específico

Proceso isentrópico

Escurrimiento unidimensional

Se desprecian las variaciones de energía potencial

No se realiza trabajo

Se desprecian las pérdidas de carga

7) ECUACIONES BASICAS

Ecuación de continuidad

Ecuación de la energía

Ecuación de la entalpía y la primera ley de la termodinámica

Para gases ideales

Ecuación de estado

Ecuación del número de Mach

A partir de dichas ecuaciones se pueden deducir numerosas relaciones entre

variables.

Cuando el número de Mach es igual a uno se acostumbra a designar las variables

con el superíndice asterisco (*), como P*, T*, v* = c, etc.

[(

)

]

A = área de la sección transversal de la tobera donde el número de Mach = M

A* = área de la sección transversal de la tobera donde el número de Mach = 1

Sugerencia: Para k =1,4 hacer un gráfico (A/A*) versus número de Mach.

8) RELACION entre AREA SECCION TRANSVERSAL, VELOCIDAD y

NUMERO de MACH

Escurrimiento dA dv Observaciones

Subsónico M < 1 + -

Si el área aumenta la velocidad disminuye

- + Si el área disminuye

la velocidad aumenta

Sónico M = 1 0 ¿? M = 1 ocurre sólo

en una sección donde el área es constante

Supersónico M > 1 + +

Si el área aumenta la velocidad aumenta

- - Si el área disminuye

la velocidad disminuye

Se observa que si el escurrimiento es subsónico su comportamiento es similar al

escurrimiento incompresible.

Se observa que el escurrimiento supersónico sólo es posible en secciones

divergentes pero, obviamente debe partir del reposo o baja velocidad la que

debe ir aumentando progresivamente en un sector convergente hasta alcanzar el

Mach = 1. Es decir que se debe usar una tobera convergente divergente y la

única sección en que el Mach puede lograr el valor uno es en la garganta de la

tobera.

9) RELACION CON CONDICIONES DE ESTANCAMIENTO

Si el fluido antes de ingresar a la tobera viene desde un estanque o en un

conducto pero a una velocidad relativamente pequeña con respecto a la del

sonido, se desprecia su efecto y definen condiciones de estancamiento, es decir

velocidad cero o prácticamente cero.

Las condiciones de estancamiento se caracterizan con el subíndice cero (To, Po,

ρo y obviamente Mo = cero).

9.1) Relación entre las condiciones de estancamiento con las condiciones en

cualquier sección de la tobera

Es bastante conveniente relacionar las condiciones en cualquier sección de la

tobera con las condiciones de estancamiento.

Por ejemplo la velocidad del fluido en cualquier punto de la tobera se puede

obtener de alguna de las siguientes ecuaciones

√ √

√ (

) √ [

]

Obviamente, si se dispone de la información conviene usar la expresión más

sencilla como por ejemplo, obtener la velocidad de la ecuación del flujo másico,

o del número de Mach:

2

1

11

2

T

kTo M

1

1kT

o To

1

12

1

11

2

ko

kM

k

P

Po o

12

1

11

2

k

k

P

Pok

M

Se debe considerar temperaturas y presiones ABSOLUTAS

Con las relaciones anteriores se pueden confeccionar tablas en función del

número de Mach con cierto valor de k constante, como la siguiente.

TABLA FLUJO ISENTROPICO k = 1,4

Velocidades Areas Presiones Densidades Temperaturas

M V/V* A/A* P/Po rho/rho_o T/To

0,125 0,137 4,673 0,989 0,992 0,997

0,150 0,164 3,910 0,984 0,989 0,996

0,175 0,191 3,368 0,979 0,985 0,994

0,200 0,218 2,964 0,972 0,980 0,992

0,225 0,245 2,651 0,965 0,975 0,990

0,250 0,272 2,403 0,957 0,969 0,988

0,275 0,299 2,201 0,949 0,963 0,985

0,300 0,326 2,035 0,939 0,956 0,982

0,325 0,352 1,896 0,929 0,949 0,979

0,350 0,379 1,778 0,919 0,941 0,976

0,375 0,405 1,677 0,907 0,933 0,973

0,400 0,431 1,590 0,896 0,924 0,969

0,425 0,457 1,515 0,883 0,915 0,965

0,450 0,483 1,449 0,870 0,906 0,961

0,475 0,509 1,391 0,857 0,896 0,957

0,500 0,535 1,340 0,843 0,885 0,952

0,600 0,635 1,188 0,784 0,840 0,933

0,700 0,732 1,094 0,721 0,792 0,911

0,800 0,825 1,038 0,656 0,740 0,887

0,900 0,915 1,009 0,591 0,687 0,861

1,000 1,000 1,000 0,528 0,634 0,833

1,100 1,081 1,008 0,468 0,582 0,805

1,200 1,158 1,030 0,412 0,531 0,776

1,300 1,231 1,066 0,361 0,483 0,747

1,400 1,300 1,115 0,314 0,437 0,718

1,500 1,365 1,176 0,272 0,395 0,690

1,600 1,425 1,250 0,235 0,356 0,661

1,700 1,482 1,338 0,203 0,320 0,634

1,800 1,536 1,439 0,174 0,287 0,607

1,900 1,586 1,555 0,149 0,257 0,581

2,000 1,633 1,688 0,128 0,230 0,556

2,100 1,677 1,837 0,109 0,206 0,531

2,200 1,718 2,005 0,094 0,184 0,508

2,300 1,756 2,193 0,080 0,165 0,486

2,400 1,792 2,403 0,068 0,147 0,465

2,500 1,826 2,637 0,059 0,132 0,444

2,600 1,857 2,896 0,050 0,118 0,425

2,700 1,887 3,183 0,043 0,106 0,407

2,800 1,914 3,500 0,037 0,095 0,389

2,900 1,940 3,850 0,032 0,085 0,373

3,000 1,964 4,235 0,027 0,076 0,357

A = área de la sección transversal de la tobera donde el número de Mach = M

A* = área de la sección transversal de la tobera donde el número de Mach = 1

v = velocidad en la sección transversal donde el número de Mach = M

v* = velocidad en la sección transversal donde el número de Mach = 1

9.2) Relación entre las condiciones de estancamiento con las condiciones en la

sección donde el número de Mach = 1 que se designan con superíndice *

2*

1T To

k

1

12*

1

k

ok

12

*1

k

k

P Pok

Si Mach = 1 y además k = 1,4 (aire isentrópico), se tiene:

5* 0,833

6T To To

* 0,634 o

* 0,528P Po

Es decir, para que se logre Mach = 1 en alguna sección de la tobera la

presión debe ser un 52,8 % de la presión de estancamiento.

10) FLUJO MASICO EN UNA TOBERA

Obviamente se puede calcular si se conocen las condiciones de densidad y

velocidad en una sección transversal.

Si se relacionan las condiciones de densidad y velocidad de una sección

cualquiera de la tobera con las condiciones de estancamiento, se puede deducir

la siguiente expresión para el flujo másico.

√ [

]

Con presión = P en la sección transversal de la tobera donde el área = A

Se puede demostrar que el flujo se hace máximo cuando:

12

1

k

kP

Po k

Dicha razón de presiones ocurre sólo cuando el número de Mach = 1.

O sea, si en algún punto de una tobera M = 1, entonces el flujo másico que

recorre todas las secciones de la tobera es el máximo posible para las

condiciones geométricas y de operación de dicha tobera.

Si además k = 1,4 (aire isentrópico), se cumple que el flujo másico es máximo si

en algún punto de la tobera 0,528 *P Po P

Dicha situación sólo puede ocurrir a la salida de una tobera convergente o en la

garganta de una tobera convergente divergente.

11) ANALISIS DEL ESCURRIMIENTO EN TOBERAS

11.1) Introducción

La tobera se considera conectada a un estanque o sector donde reinan las

condiciones de estancamiento.

Se recuerda que el proceso es isentrópico a lo largo de toda la tobera.

Pst = presión en la sección de salida de la tobera.

Pas = presión en el ambiente de salida de la tobera.

En general la Pst = Pas, pero como se verá NO siempre es así.

√ (

) √ [

]

Obviamente, si P = Pas = Po la velocidad es cero.

11.2) TOBERA CONVERGENTE

Distribuciones de presión a lo largo de la tobera convergente

a) Si Po > Pst = Pas > P*

Hay escurrimiento, la velocidad va aumentando a medida que

recorre la tobera, pero el flujo másico es menor que el flujo máximo pues el

número de Mach es 0 < Mach < 1 en todos los puntos de la tobera.

Hay muchas presiones que cumplen lo indicado.

b) Si Po > Pst = Pas = P*

Hay escurrimiento, la velocidad va aumentando a medida que

recorre la tobera, Mach = 1 en la sección de salida de la tobera y el flujo

másico es el máximo posible para dicha tobera operando entre dichas Po y Pas.

c) Si Po > Pst = P* > Pas

Hay escurrimiento, la velocidad va aumentando a medida que

recorre la tobera, Mach = 1 en la sección de salida de la tobera y el flujo

másico es el máximo posible para dicha tobera operando entre dichas Po y P*.

Fuera de la tobera la presión disminuye desde P* hasta Pas.

Pas

Pst

salida de

la tobera

Presión

P*

Po

P(b)

P(a)

Longitud de

la tobera

11.3) TOBERA CONVERGENTE DIVERGENTE

Es un tubo de Venturi en el que se distingue “agua arriba” un sector

convergente de longitud relativamente pequeña y “aguas abajo” un sector

divergente relativamente largo, unidos en la garganta de la tobera que es la

sección de menor área transversal.

Si la tobera opera en forma subsónica su comportamiento es similar al

escurrimiento de fluidos incompresibles.

Se definen dos presiones de diseño, para las cuales la presión en la

garganta es justo la presión crítica (P*), es decir, para ambas presiones se

cumple que el número de Mach en la garganta es M = 1.

P_dis_sub = presión de diseño subsónico

P_dis_super = presión de diseño supersónico

Distribuciones de presión a lo largo de la tobera convergente divergente

a) Si Po > Pst = Pas > P_dis_sub

Hay escurrimiento, la velocidad va aumentando a medida que

recorre el sector convergente de la tobera, alcanza su mayor valor al pasar por

la garganta y luego va disminuyendo al recorrer el sector divergente, el número

de Mach es 0 < Mach < 1 en todos los puntos de la tobera. Por lo tanto, el

flujo másico es menor que el flujo máximo posible.

Hay muchas presiones que cumplen lo indicado.

Pas

Pst

Longitud de

la tobera

P*

Po

P(c) = P_dis_super

P(a)

Presión

Garganta Salida de

la tobera

(P(b) = P_dis_sub

P(e)

P(d)

b) Si Po > Pst = Pas = P_dis_sub

Hay escurrimiento, la velocidad va aumentando a medida que

recorre el sector convergente de la tobera, al pasar por la garganta su magnitud

es igual a la velocidad del sonido (c) y luego va disminuyendo al recorrer el

sector divergente, el número de Mach es M = 1 en la garganta y 0 < Mach < 1

en cualquier otor punto de la tobera.

Por lo tanto, el flujo másico es el máximo posible para dicha tobera operando

entre dichas Po y Pas.

c) Si Po > Pst = Pas = P_dis_super

Hay escurrimiento, la velocidad va aumentando a medida que

recorre el sector convergente de la tobera, al pasar por la garganta su magnitud

es igual a la velocidad del sonido (c) y luego sigue aumentando al recorrer el

sector divergente. El número de Mach es < 1 en el sector convergente; M = 1

en la garganta y M > 1 (supersónico) en el sector divergente.

El mayor número de Mach se alcanza en la sección de salida de la tobera.

Para igual razón A/A* es posible encontrar dos números de Mach, uno subsónico y

otro supersónico.

Ejemplo: ver tabla de flujo isentrópico con k = 1,4.

Si A/A* = 2,403

M = 0,25 y P/Po = 0,957

M = 2,40 y P/Po = 0,068

Si Po = 15 bar absolutos

P_dis_sub = 0,957 · 15 = 14,35 bar abs.

P_dis_super = 0,068 · 15 = 1,02 bar abs.

d) Si Po > Pst = P_dis_super > Pas

Hay escurrimiento, la velocidad va aumentando a medida que

recorre el sector convergente de la tobera, al pasar por la garganta su magnitud

es igual a la velocidad del sonido (c) y luego sigue aumentando al recorrer el

sector divergente. El número de Mach es < 1 en el sector convergente; M = 1

en la garganta y M > 1 (supersónico) en el sector divergente.

El mayor número de Mach se alcanza en la sección de salida de la tobera.

Fuera de la tobera la presión disminuye desde P_dis_super hasta Pas.

e) Si Po > Pst y P_dis_sub > Pas > P_dis_super

Hay escurrimiento, con flujo máximo, la velocidad va aumentando

a medida que recorre el sector convergente de la tobera, el número de Mach es

< 1 en el sector convergente. Al pasar por la garganta su magnitud es igual a la

velocidad del sonido (c) M = 1 en la garganta y luego sigue aumentando al

recorrer el sector divergente con M > 1 (supersónico) PERO en el algún punto

del sector divergente el escurrimiento cambia bruscamente de supersónico a

subsónico (fenómeno de onda de choque, irreversible es decir NO isentrópico).

El mayor número de Mach es subsónico con P > P_dis_sub en la sección de salida

de la tobera.

Fuera de la tobera la presión disminuye desde P_dis_sub hasta Pas.

oooOOOooo