Sistemas abiertos: Dispositivos de Ingeniería

Una tobera es un dispositivo

diseñado para transformar entalpía

en energía cinética. Por el contrario,

un difusor transforma energía

cinética en entalpía.

tWcc

hhQ

2

21

22

12

Balance de Energía:

Suposiciones:

Consideración de Flujo Incompresible para gases

ideales (por ende aplica la ecc. de continuidad)

Procesos Reversibles (o adiabático reversible)

Velocidades subsónicas (ya que para velocidades supersónicas

las toberas son tuberías estrechas divergentes y los difusores convergentes)

Tobera Subsónica

Tobera Supersónica

Tobera Difusor Cámara de mezcla

Eyector

Ejemplo 1

A una tobera cuya área de entrada es 0.2 pie2 entra en forma

estacionaria vapor de agua a 250 psia y 700 °F. El flujo másico de vapor

por la tobera es 10 lbm/s. El vapor sale de la tobera a 200 psia con una

velocidad de 900 pies/s. Las pérdidas de calor desde la tobera por

unidad de masa del vapor se estiman en 1.2 Btu/lbm. Determine:

a) la velocidad de entrada y

b) b) la temperatura de salida del vapor.

Turbina:

Es una máquina térmica que transforma la caída de entalpía del

fluido en potencia en el eje, pudiendo ser el fluido vapor

sobrecalentado o gas ideal. La turbina funciona en régimen

permanente y es adiabática. En su interior el fluido que circula

sufre una expansión, pasando de una presión P1 a una presión

menor P2 , disminuyendo su entalpía por unidad de masa

Pueden haber diferentes tipos de Turbinas:

Turbinas de Vapor

Se hace trabajo contra

“Álabes”

Turbinas de Gas

Turbinas Hidráulicas Se hace trabajo contra

“Aspas”

Balance de Energía:

Suposiciones:

Las Turbinas “producen la potencia”

Procesos Adiabáticos

La Energías cinética y potencial si existe, sin

embargo con muy pequeñas en relación al cambio

de Entalpía.

𝑊 = 𝑚 (ℎ1 − ℎ2)

𝛿𝑊 = 𝑚 𝑐𝑝𝑑𝑇 Para G.I

Compresores:

Equipo cuya finalidad es suministrar a un gas una presión

mayor que aquella a que se lo dispone. El compresor funciona en

régimen permanente y es adiabático. El gas aspirado es

comprimido desde una presión P1 hasta una presión mayor P2,

aumentando su entalpía por unidad de masa

En virtud de su funcionamiento son similares, pero se diferencian en:

Ventilador: Se utiliza sobre todo para movilizar os gases y solo

incrementa la presión ligeramente

Compresor: capaz de comprimir al gas a presiones muchísimo más

altas que un ventilador

Bombas: trabajan de manera similar a los anteriores, a excepción que

manejan “líquidos” en lugar de gases.

Balance de Energía:

Suposiciones:

Los compresores “consumen la potencia”

Procesos Adiabáticos en “algunas ocasiones”

La Energías cinética y potencial si existe, sin

embargo con muy pequeñas en relación al cambio

de Entalpía.

−𝑊 = 𝑚 (ℎ2 − ℎ1) - 𝑄

Ejemplo 2

La salida de potencia de una turbina de

vapor adiabática es 5 MW, mientras que las

condiciones de entrada y salida del vapor de

agua son como se indica en la figura

• Compare las magnitudes de ∆h, ∆k y ∆ug.

• Determine el trabajo hecho por unidad de masa

del vapor de agua que fluye por la turbina.

• Calcule el flujo másico del vapor.

Las válvulas de estrangulamiento son por lo regular

dispositivos pequeños, y se puede suponer que el

flujo por ellos es adiabático (q≈0) 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 (Ug ≈ 0).

Aun cuando la velocidad de salida sea con frecuencia

considerablemente mayor que la velocidad de

entrada, en muchos casos el incremento de energía

cinética es insignificante

(K ≈ 0).

Balance de Energía:

Suposiciones:

Se le considera como un dispositivo “Isoentálpico”

Internamente el estrangulamiento afecta de la

siguiente forma:

ℎ2 = ℎ1

𝑢2 + 𝑃2𝑣2 = 𝑢1 + 𝑃1𝑣1

Equipo en el cual ingresan más de una corriente de fluido (gas

ideal, vapor o un líquido), que luego de mezclarse, salen bajo un

mismo estado. La condición de funcionamiento para este equipo,

es que las presiones de entrada deben ser iguales a la presión de

salida. La cámara de mezcla funciona en régimen permanente y

es adiabática

Balance de Energía para 2 entradas y una salida:

Suposiciones:

Regularmente suelen estar bien aisladas

El área de transferencia de calor es mínima

Cumplen íntegramente el balance de masa

No realizan ningún trabajo

Y suelen ser estáticas

𝑚 1ℎ1 +𝑚 2ℎ2 = (𝑚 1+𝑚 2)ℎ3