Ing°Oscar Zelada Mosquera

BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS ABIERTOS:

DISPOSITIVOS QUE FUNCIONAN CON FLUJO

ESTABLE

• Procesos de flujo estacionario

Para una entrada y una salida:

Fluidos incompresibles:

CONSERVACIÓN DE LA MASA

salidaentrada

mm

222111

21

AvAv

mm

salidaentrada

VV

2211

21

AvAv

VV

• Energía total en un fluido en movimiento:e = pv + u + ec + ep

e = h + ec + ep

• Balance de energía en régimen estacionario:

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA:

zg2

vhe

2

entrada

entradacadapor

2

salida

salidacadapor

2

gz2

vhmgz

2v

hmWQ

DISPOSITIVOS EN FLUJO ESTACIONARIO:• Muchos dispositivos de

ingeniería operan en esencia bajo las mismas condiciones durante periodos largos. Por ejemplo, los componentes de una termoeléctrica (turbinas, compresores, intercambiadores de calor y bombas) operansin parar durante meses antes de detener el sistema para mantenimiento.

• Pueden ser analizados de manera conveniente como dispositivos de flujo estacionario.

TOBERAS Y DIFUSORES:

• El cambio de energía potencial es cero.• La transferencia de calor es insignificante.• Para el caso de la tobera, la energía en la

entrada es insignificante.• Para el caso del difusor, la energía cinética

en la salida es insignificante.• No hay interacciones de trabajo.

12

21

22

12 2zzg

vvhhmWQ

2

21

22

21

vvhh

TURBINAS Y COMPRESORES:

• En las centrales eléctricas de vapor, gas o en hidroeléctricas, el dispositivo que impulsa al generador eléctrico es la turbina.

• Al igual que las bombas y los ventiladores, los compresores son dispositivos que se utilizan para incrementar la presión de un fluido.

• Un ventilador se usa para movilizar un gas y sólo incrementa ligeramente la presión, mientras que un compresor es capaz de comprimir el gas a presiones muy altas. Las bombas se asemejan a los compresores excepto porque manejan líquidos.

• Las turbinas producen potencia mientras que los compresores, bombas y ventiladores requieren entrada de potencia.

TURBINAS Y COMPRESORES:

• Considerando la variación de energía potencial despreciable.

• En general, la entalpía disminuye en una turbina y aumenta en un compresor.

• Para una entrada y una salida, el balance de energía está dado por:

12

21

22

12 2zzg

vvhhmWQ

INTERCAMBIADORES DE CALOR:

• Se utilizan con dos objetivos: (1) para extraer (o añadir) energía de (a) una región del espacio; (2) para cambiar deliberadamente el estado termodinámico de un fluido.

• Las variaciones de energía cinética y potencial suelen ser despreciable en las dos corrientes.

• No existe interacciones de trabajo.• La caía de presión es pequeña; como

aproximación se puede analizar a presión constante.

INTERCAMBIADORES DE CALOR:

• En el caso de los intercambiadores de tubos concéntricos, se demuestra que los flujos de calor asociados a cada fluido son de igual magnitud, pero de signos opuestos, cuando el calor transferido por el dispositivo global es cero.

• Los equipos denominados calderas, evaporadores y condensadores son aplicaciones del diseño de los cambiadores de calor:

entrada

entradacadapor

2

salida

salidacadapor

2

gz2

vhmgz

2v

hmWQ

salidaentrada

mm

entrada entradacadaporsalida salidacadapor

hmhm

12

21

22

12 2zzg

vvhhmWQ

VÁLVULAS DE ESTRANGULAMIENTO:• Son dispositivos de diferentes tipos que restringen

el flujo de un fluido provocando una caída relevante de presión.

• No existe interacciones de trabajo.• La variación de energía potencial es despreciable.• 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.

• En la mayoría de aplicaciones funcionan adiabáticamente:

21 hh

entrada

entradacadapor

2

salida

salidacadapor

2

gz2

vhmgz

2v

hmWQ

PROCESOS DE MEZCLA:

• El principio de conservación de la masa para una cámara de mezclado requiere que la suma de los flujos másicos entrantes sea igual al flujo másicode la mezcla saliente.

• Las cámaras de mezclado por lo regular están bien aisladas y normalmente no involucran trabajo.

• Asimismo, las energías cinética y potencial de las corrientes de fluido son comúnmente insignificantes.

salidaentrada

mm

entrada entradacadaporsalida salidacadapor

hmhm