Sistemas abiertos flujo estable

Análisis de energía en sistemas abiertos

SISTEMAS DE FLUJO ESTABLE

Material elaborado por: Ing. Paola Gamboa HernándezCurso: II-0606 Termofluidos, Carrera de Ingeniería Industrial UNIVERSIDAD DE COSTA RICA

Con base en el Cap. 6. Cengel, Cimbala & Turner; Fundamentals of Thermal Fluid Sciences. (2017) 5th Edition

Indice

CONCEPTOS DE FLUJO

ESTADO ESTABLE

OBJETIVO

BALANCE DE MASA

BALANCE ENERGÍA

EJEMPLOS

REPASO FINAL

OBJETIVO

• Aplicar la primera ley de la termodinámica para el análisis de energía de los sistemas abiertos que funcionan en estado estable

Flujo estable y Estado estable

• Un flujo estable es en el que la velocidad de las partículas del fluido que pasan por un punto dado es la misma en todo instante de tiempo.
• En estado estable, los valores de las propiedades dentro del sistema no cambian, es decir que la masa, el volumen y la energía total son constantes, dentro del sistema.
• El trabajo de frontera es cero, ya que el volumen es constante.
• Y la masa que entra es igual a la que sale del sistema.

Conceptos de flujo

Flujo másico

Un fluido entra o sale comúnmente de un volumen de control a través de tuberías o ductos. La cantidad de masa que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo se llama flujo másico y se denota mediante 𝑚 ̇

Flujo másico

Para solucionar la anterior integral, debemos estudiar a fondo el comportamiento de la velocidad dentro de una tubería: La velocidad de flujo tiende a cero en la pared del tubo debido a la fricción que experimenta y aumenta hasta un valor máximo sobre la línea central de la tubería, por tanto no existe un valor único para considerarla; sin embargo se utiliza un valor promedio para simplificar los cálculos. Así,

Flujo volumétrico

El volumen de fluido que pasa por una sección transversal por unidad de tiempo, se llama flujo volumétrico 𝑣 ̇y considerando una velocidad promedio a través de la tubería se puede determinar de la siguiente manera:

El flujo másico y el flujo volumétrico se relacionan por:

Trabajo de flujo

En los sistemas abiertos se requiere trabajo para introducir o sacar masa del volumen de control, tal que el diferencial de masa pueda vencer la presión interna en el volumen de control. Este trabajo se conoce como trabajo de flujo o energía de flujo, y se requiere para mantener un flujo continuo a través de un volumen de control.

Balances de masa

Principio de conservación de la masa

Para sistemas cerrados, el principio de conservación de la masa se usa de modo implícito, al requerir que la masa del sistema permanezca constante durante un proceso. Sin embargo, para volúmenes de control, la masa puede cruzar las fronteras, de modo que se debe mantener un registro de la cantidad de masa que entra y sale.

Un balance de masa, en síntesis se expresa como:

Principio de conservación de la masa

Por el contrario, no existe un principio de “conservación del volumen”; por lo tanto, los flujos volumétricos que entran y salen de un dispositivo en flujo estable pueden ser diferentes.Estos dependen del área transversal de la tubería correspondiente y de la velocidad promedio del flujo.

Sin embargo, para flujo estable de líquidos, los flujos volumétricos son proporcionales a los másicos, y permanecen constantes porque los líquidos son esencialmente sustancias incompresibles (por tanto tienen densidad constante).

Balances de energía

Análisis de energía en estado estable

Recordando la definición de la energía mecánica de una sustancia y considerando además el trabajo de flujo, se puede definir la energía total de un fluido en movimiento como:

Por otro lado, la definición de entalpía es: h = P v + uSustitutendo esto en la ecuación de la energía:

Entonces, cada flujo que ingresa o sale del volumen de control se caracteriza por tener esa energía.

Análisis de energía en estado estable

Por otro lado, como el contenido de energía total de un volumen de control permanece constante, el cambio en la energía total es cero, es decir todo lo que entra, sale.

Ejemplos

EJEMPLO 1

EJEMPLO 2

Además de estos dos ejemplos, en el libro pueden encontrar un ejemplo para cada tipo de dispositivo. Les recomiendo revisar los del 5.4 al 5.11.

Repaso final

Recorra los puntos interactivos para repasar los principales conceptos asociados en este ejemplo de una turbina pequeña para estudio en laboratorio

Éxitos!

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