Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

3 Válvulas de estrangulamiento
Las válvulas de estrangulamiento son dispositivos de diferentes tipos que restringen
el flujo de un fluido provocando una caída relevante de presión. Algunos
ejemplos comunes son válvulas ajustables ordinarias, tubos capilares y tapones
porosos (Fig. 5-29). A diferencia de las turbinas, producen una caída de presión
sin implicar trabajo. La caída de presión en el fluido suele ir acompañada de una
gran disminución de temperatura, por esa razón los dispositivos de estrangulamiento
son de uso común en aplicaciones de refrigeración y acondicionamiento
de aire. La magnitud de la caída de temperatura (o, a veces, el aumento de temperatura)
durante un proceso de estrangulamiento se rige por una propiedad llamada
coeficiente de Joule-Thomson, analizada en el capítulo 12.
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 (ep 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
(ec 0). Entonces la ecuación de conservación de la energía para este
dispositivo de flujo estacionario de una sola corriente se reduce a
h 2 h 1 1kJ>kg2
(5-41)
Es decir, los valores de entalpía en la entrada y la salida de una válvula de
estrangulamiento son los mismos. Por esta razón, una válvula de estrangulamiento
se denomina a veces dispositivo isentálpico. Observe, sin embargo, que
para dispositivos de estrangulamiento con grandes áreas de superficie expuestas
como en los tubos capilares, la transferencia de calor podría ser importante.
Para comprender mejor de qué manera el estrangulamiento afecta las propiedades
del fluido, se expresa la ecuación 5-41 como sigue:
u 1 P 1 v 1 u 2 P 2 v 2
o bien,
Energía interna energía de flujo constante
Así, el resultado final de un proceso de estrangulamiento depende de cuál de
las dos cantidades se incremente durante el proceso. Si el flujo de energía se
incrementa durante el proceso (P 2 v 2 P 1 v 1 ), esto se puede hacer a expensas
de la energía interna. Como resultado, la energía interna disminuye, lo cual
por lo regular va acompañado de una disminución de temperatura. Si se disminuye
el producto Pv, la energía interna y la temperatura de un fluido se
incrementarán durante un proceso de estrangulamiento. En el caso de un gas
ideal, h h(T); por lo tanto, la temperatura tiene que permanecer constante
durante un proceso de estrangulamiento (Fig. 5-30).
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CAPÍTULO 5
a) Válvula ajustable
b) Tapón poroso
c) Tubo capilar
FIGURA 5-29
Las válvulas de estrangulamiento son
dispositivos que causan grandes caídas
de presión en el fluido.
Gas
ideal
Válvula de
estrangulamiento
T 1
h 1
T 2 = T 1
h 2 = h 1
FIGURA 5-30
La temperatura de un gas ideal no
cambia durante un proceso de
estrangulamiento (h constante)
porque h h(T).
EJEMPLO 5-8 Expansión del refrigerante 134a en un refrigerador
Al tubo capilar de un refrigerador entra refrigerante 134a como líquido saturado
a 0.8 MPa, el cual se estrangula a una presión de 0.12 MPa. Determine
la calidad del refrigerante en el estado final y la disminución de temperatura
durante este proceso.
Solución El refrigerante 134a que entra a un tubo capilar como líquido
saturado se hace pasar a través de un dispositivo de estrangulamiento a una
presión especificada. Se determinará la calidad del refrigerante y la disminución
de temperatura a la salida.