Toberas y Difusores

TOBERAS Y DIFUSORES. El objetivo principal de la tobera es proveer el máximo posible de ener!a cin"tica dada #nas condiciones en la entrada $ #na presi%n de descara. El de #n difusor es a#mentar la presi%n de #na corriente a expensas de #na dismin#ci%n de velocidad. Un di&#sor es el dispositivo mecánico '#e está dise(ado para controlar las caracter!sticas de #n &l#ido a la entrada de #n sistema termodinámico abierto. Es decir) las toberas $ los di&#sores llevan a cabo tareas op#estas. El área de la secci%n transversal de #na tobera dismin#$e en la direcci%n de &l#*o para &l#*os s#bs%nicos $ a#menta para los s#pers%nicos. +o contrario es cierto para los di&#sores. ,ondiciones de &#ncionamiento•

 o /a$ traba*o de e*e) p#esto '#e ambos

•

dispositivos

s on

meramente cond#ctos. +a variaci%n de ener!a potencial

es despreciable) $a '#e el &l#ido experimenta #na variaci%n de alt#ra pe'#e(a o •

n#la. En m#c/os casos el calor por cada #nidad de masa p#ede ser pe'#e(o comparado con la variaci%n de ener!a cin"tica $ entalpia. As!) en m#c/as aplicaciones) la

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/ip%tesis de proceso adiabático es b#ena aproximaci%n para toberas $ di&#sores. En a#sencia de #na trans&erencia de calor al &l#ido apreciable) la variaci%n de ener!a cin"tica en cada dispositivo se debe a dos e&ectos '#e son- la variaci%n interna del &l#ido $ la variaci%n en el traba*o de &l#*o d#rante el proceso. Tipos de toberas

Toberas diverentes o di&#sores Toberas converentes0diverentes) o toberas de +aval. TURBIAS) ,O12RESORES) BO1BAS Y 3ETI+ADORES. Una turbina es #n dispositivo en el '#e el &l#ido 4#n as o #n l!'#ido5 reali6a traba*o sobre #n álabe #nido a #n e*e rotatorio. ,omo res#ltado) res#ltado) el dispositivo dispositivo prod#ce #n traba*o en e*e '#e p#ede #tili6arse) por e*emplo en #na planta de vapor la t#rbina m#eve #n enerador 

el"ctrico. El elemento básico de la t#rbina es la r#eda o rotor) '#e c#enta con palas) /"lices) c#c/illas o c#bos colocados alrededor de s# circ#n&erencia) de tal &orma '#e el &l#ido en movimiento prod#ce #na &#er6a tanencial '#e imp#lsa la r#eda $ la /ace irar. Esta ener!a mecánica se trans&iere a trav"s de #n e*e para proporcionar el movimiento de #na má'#ina) #n compresor) #n enerador el"ctrico o #na /"lice. Tipos:    

T#rbinas 7idrá#licas T#rbinas de 3apor  T#rbinas E%licas T#rbinas de ,omb#sti%n.

+os compresores $ las bombas son dispositivos en los '#e sobre el &l#ido se reali6a traba*o  procedente de #na &#ente externa) lo '#e s#pone #n a#mento importante de la presi%n del &l#ido $ posiblemente #n a#mento importante de la temperat#ra. El aire comprimido posee #na ran ener!a potencial) $a '#e si eliminamos la presi%n exterior) se expandir!a rápidamente. El control de esta &#er6a expansiva proporciona la &#er6a motri6 de m#c/as má'#inas $ /erramientas) como martillos ne#máticos) taladradoras) limpiadoras de c/orro de arena $ pistolas de pint#ra. Tipos:

Alternativos Rotatorios Un ventilador es #n dispositivo '#e a#menta lieramente la presi%n del as8 s# objetivo  principal es mover el &l#ido de #n sitio a otro. En #n ventilador) el as no var!a sensiblemente de densidad $ por tanto de vol#men espec!&ico) por lo '#e se p#ede considerar incompresible. Esto se debe a '#e el incremento de presiones es pe'#e(o. Tipos 

,entr!&#os Axiales.

Condiciones de funcionamiento:

i. +a variaci%n de ener!a potencial s#ele ser despreciable.

ii. +a incl#si%n de la trans&erencia de calor depende del modo de &#ncionamiento. Si el dispositivo no está aislado) el calor anado o perdido por el &l#ido depende de si- a5 existen di&erencias de temperat#ra randes entre el &l#ido $ s# entorno) b5 la velocidad del &l#ido es  ba*a) c5 el área de la s#per&icie es rande. +a experiencia $ las determinaciones experimentales permiten al ineniero estimar la importancia relativa de la trans&erencia de calor.  iii. En estos dispositivos) la variaci%n de la ener!a cin"tica s#ele ser bastante pe'#e(a) a#n'#e /a$ excepciones. iv. +a variaci%n de entalpia en la direcci%n del &l#*o es #n &actor importante en el &l#*o estacionario en c#al'#iera de estos dispositivos8 en eneral) la entalpia dismin#$e en #na t#rbina $ a#menta en #n compresor $ en #na bomba.

,A1BIADORES DE ,A+OR. Estos dispositivos se #tili6an para extraer o a(adir ener!a de #na rei%n o a #na rei%n del espacio8 o se #tili6an para cambiar deliberadamente el estado termodinámico de #n &l#ido. Condiciones de funcionamiento:

i. Una de las principales aplicaciones de los intercambiadores de calor es el intercambio de ener!a entre dos &l#idos en movimiento. ii. +as variaciones de ener!a cin"tica $ potencial s#elen ser despreciables en las dos corrientes $ no existen interacciones de traba*o. iii. +a ca!da de presi%n en #n intercambiador de calor s#ele ser pe'#e(a) as! '#e) como  primera aproximaci%n) la /ip%tesis de presi%n constante es bastante b#ena.

+os e'#ipos denominados calderas) evaporadores $ condensadores son aplicaciones especiales del dise(o de los cambiadores de calor. ,omo s#ieren s#s nombres) #no de los &l#idos cambia de &ase.

3A+3U+A DE ESTRA9U+A1IETO. Una válv#la de estran#lamiento es simplemente #na restricci%n al &l#*o) si bien se red#ce la presi%n) no reali6a traba*o $ por lo eneral la trans&erencia de calor es pe'#e(a. Si se elie el vol#men de control lo s#&icientemente ale*ado de dic/a restricci%n) el cambio de ener!a cin"tica res#lta pe'#e(o) entonces. El ob*eto principal del  proceso de estran#lamiento es el de lorar #na ca!da sini&icativa de la presi%n sin '#e /a$a nin#na interacci%n del traba*o ni tampoco '#e /a$a cambios en la ener!a cin"tica $  potencial +a selecci%n de la válv#la adec#ada para #na aplicaci%n se &acilita si primero se est#dian los c#atro tipos básicos de válv#las de control de estran#laci%n   

3álv#las de lobo con *a#la 3álv#las de bola 3álv#las de disco exc"ntrico 3álv#las de mariposa.

Características de funcionamiento:

i. 2#esto '#e el vol#men de control es r!ido $ no /a$ e*es rotatorios presentes) no existen interacciones de traba*o. ii. +a variaci%n de la ener!a potencial es despreciable. iii. A#n'#e en la rei%n de la restricci%n la velocidad p#ede ser m#$ alta) las medidas a#as arribas $ a#as aba*o de la 6ona de la válv#la real indican '#e la variaci%n de la velocidad) $ por tanto de la ener!a cin"tica) a trav"s de la restricci%n p#ede despreciarse.

iv. En la ma$or!a de las aplicaciones) o bien el dispositivo está aislado intencionalmente o el calor trans&erido) debido a la nat#rale6a del proceso es insini&icante8 ni el tiempo ni la s#per&icie son s#&icientes para '#e p#eda trans&erirse calor. 1e6cladores Se #tili6an para la me6cla directa de varias corrientes8 la corriente me6clada res#ltante de*a el dispositivo como #na :nica salida para dos corrientes de entrada. +as ideali6aciones para los procesos de me6cla son análoas a las de los cambiadores de calor. El calor trans&erido desde la rei%n de me6clado s#ele ser despreciable debido al aislamiento exterior $ el traba*o de e*e es n#lo8 además son despreciables las variaciones de ener!a cin"tica $ potencial. El balance ener"tico en r"imen estacionario se red#ce a #na s#ma de t"rminos m/ para las diversas entradas $ salidas8 análoamente) la ec#aci%n de conversi%n de las masas es #na s#ma de t"rminos m para las entradas $ salidas. +A 2RI1ERA +EY DE +A TER1ODI;1I,A +a primera le$ de la termodinámica) conocida tambi"n como el principio de conservaci%n de la ener!a) brinda #na base s%lida para est#diar las relaciones entre las diversas &ormas de interacci%n de ener!a. A partir de observaciones experimentales) la primera le$ de la termodinámica establece '#e la ener!a no se p#ede crear ni destr#ir d#rante #n proceso8 s%lo p#ede cambiar de &orma. 2or lo tanto) cada cantidad de ener!a por pe'#e(a '#e sea debe *#sti&icarse d#rante #n proceso. Entonces esta le$ expresa '#e) c#ando #n sistema es sometido a #n ciclo termodinámico) el calor cedido por el sistema será i#al al traba*o recibido por el mismo) $ viceversa. Es decir < = >) en '#e < es el calor s#ministrado por el sistema al medio ambiente $ > el traba*o reali6ado por el medio ambiente al sistema d#rante el ciclo.

Un e*emplo sencillo seria- Al remover con #n taladro el a#a contenida en #n recipiente) le estamos aplicando traba*o) '#e es i#al al calor '#e este emite al medio ambiente al calentarse. En este caso) el sistema p#ede ser el a#a) el medio ser!a el taladro) el aire circ#ndante $ todo lo '#e está &#era del sistema '#e no sea a#a 4p#es lo '#e está a&#era recibirá calor del sistema5

Introd#cci%n. 1#c/os dispositivos de inenier!a operan en esencia ba*o las mismas condiciones d#rante  periodos laros. 2or e*emplo) los componentes de #na termoel"ctrica 4t#rbinas) compresores) intercambiadores de calor $ bombas5 operan sin parar d#rante meses antes de detener el sistema para mantenimiento por lo tanto) p#eden ser anali6ados de manera conveniente como dispositivos de &l#*o estacionario. A contin#aci%n en el presente in&orme estaremos describiendo al#nos de estos dispositivos como las válv#las de estran#lamiento) '#e ocasionan randes red#cciones de presi%n en el &l#ido) a di&erencia de las t#rbinas prod#cen #n descenso de presi%n sin implicar traba*o. Un di&#sor '#e es el dispositivo mecánico '#e está dise(ado para controlar las caracter!sticas de #n &l#ido a la entrada de #n sistema termodinámico abierto) as! como tambi"n de la  primera le$ de la termodinámica '#e es a'#ella '#e rie el principio de '#e la ener!a no se crea ni se destr#$e) sino) '#e esta se trans&orma. Esta le$ /a sido con&irmada en n#merosos e interminables experimentos $ /asta /o$ no /a /abido #no solo '#e la contradia. 2or esto c#ando #na persona como Step/en 7a?@in b#sca explicar #n &en%meno &!sico) debe ase#rarse de '#e s#s concl#siones no violen la primera le$ de la termodinámica.

BIB+IO9RAFIA. Termodinámica) s"ptima edici%n YUUS A. E9E+ 1I,7AE+ A. BO+ES Batana) 2RI1ERA +EY DE +A TER1ODIA1I,A disponible en /ttp-???.batana.com Termodinámica disponible en /ttp-dcb.&i0c.#nam.mx#sersriell>ebCTERRec#rsos m#ltimediaCarc/ivosE'#ipoCtermodinamico.pd& 

UI3ERSIDAD 9RA 1ARIS,A+ DE AYA,U,7O FA,U+TAD DE I9EIERIA ES,UE+A DE AD1IISTRA,IO DE OBRAS  U,+EO ,U1AA.

“DISPOSITIVOS DE !"#O EST$CIO%$&IO ' P&I(E&$ !E' DE !$ TE&(ODI%$(IC$)

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