Universidad Nacional Experimental PolitcnicaAntonio Jos De SucreVice-Rectorado Luis Caballero Mejas

Procesos termodinmicos

PROCESOS A REGIMEN PERMANENTE DE FLUJO ESTACIONARIO

Antes de aplicar las ecuaciones de conservacin de la masa y de primera ley al proceso de flujo estable, es indispensable conocer las caractersticas de este tipo de proceso.

a) La masa del fluido dentro del volumen de control permanece constante es decir la masa que entra est exactamente compensada por la masa que sale de tal manera que no hay acumulacin de masa dentro del volumen de control.

b) El estado de la masa en cada punto del volumen de control es estacionario, es decir no vara con el tiempo.

c) La energa transferida en los contornos del volumen de control, tanto en la forma de transferencia de calor como de trabajo se hace a una rata constante.Las ecuaciones para este proceso de conservacin de la masa y de primera ley son:

Ecuacin de conservacin de la masa

Ya que no hay variacin de la masa dentro del volumen de controlEcuacin de la Primera Ley

Ya que no hay variaciones de las propiedades dentro del volumen de control.

APLICACIONES DEL PROCESO DE FLUJO ESTACIONARIO

Se utiliza en el estudio de las plantas de vapor, plantas de gas, toberas y difusores, en los intercambiadores de calor y en una serie de mquinas de fluidos. 1) Toberas aceleradoras y Difusores Son utilizados comnmente en maquinas de chorro, cohetes, naves espaciales e incluso mangueras de jardn. Una tobera es un dispositivo que aumenta la velocidad de un fluido a extensas de la presin. Un difusor es un dispositivo que aumenta la presin de u fluido retardndolo, las toberas y los difusores efectan tareas opuestas. El rea de la seccin transversal de una tobera disminuye en la direccin del flujo en el caso de fluidos subsnicos y aumenta cuando se trata de fluidos supersnicos. Lo contrario es cierto para difusores.

Ecuacin general de la primera ley para una tobera:

Ejemplo: Difusor de aireA un difusor de una mquina de propulsin a chorro que opera en rgimen estable, entra aire a10Cy 80 kPa con una velocidad de 200 m/s. El rea de entrada del difusor es0.4 m2. El aire sale del difusor a una velocidad muy pequea comparada con la velocidad de entrada. Determine el flujo msico del aire y la temperatura del aire a la salida del difusor.Para determinar el flujo msico del aire se aplica la ecuacin de continuidad y para aplicarla se debe conocer el volumen especfico a las condiciones de entrada (puede ser condiciones de salida, todo depende de la informacin disponible).De ecuacin de gases ideales:

2) Turbinas y Compresores En las centrales de potencia de vapor, gas o hidroelctricas, el dispositivo que acciona el generador elctrico es la turbina. Cuando el fluido pasa por la turbina ejerce trabajo sobre los alabes que estn unidos al eje .En consecuencia el eje gira y la turbina produce trabajo. El trabajo realizado en una turbina es positivo puesto que lo realiza el fluido, Los compresores as como las bombas y los ventiladores son dispositivos tiles para aumentar la presin del fluido. Por consiguiente el termino trabajo para todos estos dispositivos es negativo, puesto que el trabajo se realiza sobre el fluido. Aunque estos tres dispositivos funcionan de manera similar difieren en las tareas que efectan. Un ventilador aumenta la presin de un gas casi siempre es utilizado para mover el medio en torno a un gas. Un compresor es capaz de comprimir gas a presiones muy altas. Las bombas trabajan de una manera muy similar a los compresores salvo que estas manejan lquidos en lugar de gases.Ecuacin general de la primera ley para una turbina:

Ejemplo: Turbina de vapor4,600 kg/h ingresa a una turbina que desarrolla una potencia de 1,000 kJ/s (1,000 kW). El vapor entra a 6 MPa (60 bar) y400 Ca una velocidad de 10 m/s. A la salida la presin es de10 kPa (0.1 bar), una calidad del 90 % y velocidad de 50 m/s. Determine la transferencia de calor hacia los alrededores, (kJ/s). De balance (primera ley)

3) Vlvulas de estrangulamiento Son cualquier tipo de dispositivos de restriccin de flujo que ocasione un descenso significativo en la presin del fluido. Algunos ejemplos son las vlvulas ajustables ordinarias, los tubos capilares y los obturadores porosos. A diferencia de las turbinas, producen una disminucin de presin sin implicar ningn trabajo. A menudo la reduccin de presin en el fluido se acompaa con un gran descenso en la temperatura, y por eso los dispositivos de estrangulamiento son usados en aplicaciones de refrigeracin y de reacondicionamiento de aire. La magnitud de la disminucin de la temperatura (o algunas veces el aumento de temperatura durante un proceso de estrangulamiento est regida por una propiedad llamada coeficiente de JouleThompson. Las vlvulas de estrangulamiento son dispositivos pequeos y puede suponerse que el flujo a travs de ellos ser adiabtico (q0) puesto que no hay ni tiempo suficiente ni rea lo bastante grande para que ocurra alguna transferencia de calor efectiva. Adems, no se efecta trabajo (W = 0) y el cambio en la energa potencial, si es que ocurre es muy pequeo. Aun cuando la velocidad de salida es a menudo considerablemente ms alta que la velocidad de entrada en muchos casos, el aumento de energa cintica es insignificante.Ejemplo:En una planta de energa geotrmica, el agua geotrmica entra a una cmara de evaporacin (vlvula de estrangulamiento) a 230C como lquido saturado a una tasa de 50 kg/s. El vapor resultante del proceso de evaporacin instantnea entra a una turbina y sale a 20 kPa con un contenido de humedad del 5% (x=0.95). Determine la temperatura del vapor despus del proceso de evaporacin instantnea y la potencia de la turbina si la presin del vapor en la salida de la cmara de evaporacin es 1 MPa.Los balances de energa en los distintos dispositivos permiten determinar que:

a) Para la cmara de separacin a la presin de 1 MPa, tenemos (usando Tablas de agua saturada):

El flujo msico de vapor despus de la cmara de evaporacin es:

Luego la potencia de la turbina es:

4) Cmaras de mezcla.Son dispositivos que se utilizan para mezclar diferente componentes en un sistema cerrado para tener en un tiempo determinado un componente o sustancia final. Est compuesto por el tanque o contenedor y por el equipo mezclador que puede ser de paletas, hlices, entre otros.Ejemplo:Considere un sistema de lavado de equipo en una fbrica de productos crnicos. Se utiliza agua desde50Fhasta140F. Se lava con agua a110F. Determine la relacin de flujo msico de agua caliente respecto al agua fria, asumiendo que no hay prdidas de calor y que la presin es de 20 psia.

5) Condensador e intercambiador de calor Intercambiador de calor que se emplea para calentar o enfriar un fluido a expensas de ceder o absorber energa de otro. Los fluidos no se mezclan y pueden estar a diferentes presiones. No hay trabajo involucrado, generalmente se consideran adiabticos y se desprecian los cambios de energa cintica y potencial en la mayora de los casos.Ejemplo: Intercambio de calor refrigerante aguaA un condensador ingresa 60 kg/h de freon12 a60 C. Durante el proceso de condensacin a lquido, el refrigerante disminuye su entalpa en 113.52 J/g. El agua de enfriamiento utilizada en el condensador entra a25 Cy descarga a40 C, incrementando su entalpa en 62.8 J/g. Determine el flujo de masa de agua requerido por el condensador en kg/h.Balance de energa (primera ley)

6) Flujo de tuberas y ductos.La transportacin de lquidos o gases en tuberas y ductos es de gran importancia en muchas aplicaciones de ingeniera. El flujo por una tubera o ducto comnmente satisface las condiciones de flujo estacionario, de manera que se puede analizar como un proceso de flujo estacionario. Por supuesto, esto excluye los periodos transitorios de arranque y paro. La seleccin del volumen de control puede coincidir con la superficie interior de la porcin de la tubera o ducto que se desea analizar.

PROCESO DE FLUJO NO ESTACIONARIOSus caractersticas ms importantes son:a) El estado de la masa dentro del volumen de control puede variar con el tiempo pero en cualquier instante el estado es uniforme a travs de todo el volumen de control.

b) El estado de la masa que cruza cada una de las reas de flujo sobre la superficie de control es constante con el tiempo.

Ecuacin de conservacin de la masa o ecuacin de continuidad.

Evaluando la ecuacin para un intervalo de tiempo comprendido entre el estado inicial y el estado final, tomando como t=0 el estado inicial y un tiempo t cualquiera el estado final. Integrando

Ecuacin de la Primera LeyIntegrando la ecuacin