Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

5-4 ■ ALGUNOS DISPOSITIVOS INGENIERILES
DE 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) operan
sin parar durante meses antes de detener el sistema para mantenimiento (Fig.
5-24); por lo tanto, pueden ser analizados de manera conveniente como dispositivos
de flujo estacionario.
En esta sección se describen algunos dispositivos comunes de flujo estacionario
y se analizan algunos aspectos termodinámicos del flujo que pasa
por ellos. Los principios de conservación de la masa y de conservación de la
energía para estos dispositivos se ilustran con ejemplos.
1 Toberas y difusores
Las toberas y los difusores se utilizan generalmente en motores de propulsión
por reacción, cohetes, vehículos espaciales e incluso en mangueras de
jardín. Una tobera es un dispositivo que incrementa la velocidad de un fluido
a expensas de la presión. Un difusor es un dispositivo que incrementa la presión
de un fluido al desacelerarlo. Es decir, las toberas y los difusores llevan
a cabo tareas opuestas. El área de la sección transversal de una tobera disminuye
en la dirección de flujo para flujos subsónicos y aumenta para los supersónicos.
Lo contrario es cierto para los difusores.
La tasa de transferencia de calor entre el fluido que fluye por una tobera o
un difusor y los alrededores es comúnmente muy pequeña (Q . 0) ya que el
fluido tiene velocidades altas y por lo tanto no se mantiene suficiente tiempo
en el dispositivo como para que ocurra alguna transferencia de calor importante.
Las toberas y difusores por lo común no implican trabajo (W . 0)
y cualquier cambio de energía potencial es insignificante (ep 0). Pero las
toberas y los difusores normalmente están relacionados con velocidades muy
altas, entonces cuando un fluido pasa por alguno de estos dispositivos experimenta
grandes cambios en su velocidad (Fig. 5-25). Por lo tanto, se deben
tomar en cuenta los cambios de energía cinética al analizar el flujo por estos
dispositivos (ec 0).
V 1
m/s
233
CAPÍTULO 5
V 2
m/s
Δec
kJ/kg
0 45 1
50 67 1
100 110 1
200 205 1
500 502 1
FIGURA 5-23
A velocidades muy altas, incluso cambios
pequeños de velocidad causan cambios
importantes en la energía cinética
del fluido.
Compresor de baja presión
(CBP) de 5 etapas
Brida de mando
del lado frío
Recolector de
purga del CBP
Cabezales múltiples
del sistema
de combustible
Compresor de alta
presión de 14 etapas
Cámara
de combustión
Turbina de alta
presión de 2 etapas
Turbina de baja
presión de 5 etapas
Brida de mando
del lado caliente
FIGURA 5-24
Una turbina moderna de gas basada en
tierra que se utiliza para la producción
de potencia eléctrica. Ésta es una turbina
General Electric LM5000. Tiene una
longitud de 6.2 m, pesa 12.5 toneladas
y produce 55.2 MW a 3 600 rpm, con
inyección de vapor.
Cortesía de GE Power Systems