6 flujo en boquillas (flujo compresible)
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Flujo compresible. Gases en boquillas, isentrópica, isotérmica y adiabática. Algunos usos comunes son para flujo de gases en tuberías aisladas o isotérmicasTRANSCRIPT
Flujo de gases:A través de boquillas
Operaciones de Transferencia de MOMENTUM
ChemEng IQA
Introducción
• El flujo de gases es muy normal en la industria química
• El flujo de gases generalmente es llevado a cabo a altas velocidades
• La gravedad ya no es un factor
• La fricción es por el mismo choque de las moléculas
• Importa para saber a que P, T se descarga una tubería o ducto
Boquilla
• Boquilla es simplemente el término que le daremos a todas aquellas tuberías o ductos en el cual fluya un gas. Del punto A al punto B
• Estudiaremos 3 tipos de boquillas:– Flujo isentrópico, sin fricción
– Flujo adiabático, con fricción
– Flujo isotérmico, con fricción
• Nos interesa describir T, P, G y densidad a lo largo de la tubería
Boquillas
a) Flujo isentrópico, sin fricción
b) Flujo adiabático, con fricción
c) Flujo isotérmico, con fricción
Flujo Isentrópico: Intro• Cuenta con una sección convergente al inicio
• La garganta
• Sección divergente al final
• Aislamiento térmico
• No hay pérdidas por fricción
• La tubería cambia de diámetro para mantener la entropía del sistema
Flujo Adiabático: Intro• Cuenta con una corta sección isentrópica
• Luego una larga sección de fricción
• Es flujo adiabático ya que no hay pérdida de calor
• La tubería se encuentra aislada
• El diámetro del tubo permanece constante
• La entropía del gas aumenta
Flujo Isotérmico: Intro
• Cuenta con una corta sección isentrópica• Luego una larga sección de fricción• Aquí SI hay pérdida de calor• La tubería NO se encuentra aislada• La temperatura de estancamiento cambia a través
del ducto• El tamaño del diámetro de la tubería es constante
Ecuaciones básicas
• Introducción a las ecuaciones que estaremos utilizando en esta sección del curso
• Aplican a fluido compresibles (gases, vapores, etc.)
• Ecuaciones que utilizaremos:1. Ecuación de continuidad
2. Balance de energía (edo. Estable)
3. Ecuación de energía mecánica
4. Vel. del sonido
5. Ecuación del gas ideal
Suposiciones
1. Flujo en estado estable (ment = msal)
2. Flujo en una sola dirección
3. Flujo tapón
4. Fricción de pared
5. No hay fricción de forma
6. No hay trabajo de entrada ni de salida
7. Los efectos de la gravedad son despreciables
8. El fluido es gas ideal
9. El fluido cuenta con Cp constante
1. Ecuación de Continuidad
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2. Balance de Energía
Video en YT
3. Balance de Energía Mecánica
Video en YT
4. Velocidad del sonido
• Adiabática
• Sin fricción
• Isentrópico
• a: velocidad del sonido
• dp: diferencial de presión
• : diferencial de densidad
4. Vel. del sonido: Mach
• Relación de la velocidad del fluido vs. la velocidad del sonido en ese fluido en esacondición de P y T
• u: velocidad del fluido @P, T
• A: velocidad del sonido en dicho fluido @P, T
4. Vel. del sonido: Mach
• Flujo subsónico
• Flujo sónico
• Flujo supersónico
5. Ecuación del Gas Ideal
• Supone gas ideal…
• Ecuación
Pendiente ecuación
5. Cambio de entalpía Cp
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Ecuaciones derivadas
Mach: Condición especial
• El caso en el cual:
– a = 1 y por ende Ma = 1
• Denominaremos las condiciones como *
– T*
– Rho*
– P*
– H*
Temperatura de Estancamiento
• La temperatura que alcanzaría si se detiene súbitamente
• Energía cinética pasa a interna y sube de temperatura por lo mismo
• Utilizar unidades absolutas
Flujo Isentrópico
Flujo Isentrópico
• Sección convergente – garganta – sección divergente
• No hay desprendimiento de la capa límite
• Sección divergente:
– Aumentar velocidad, disminuir presión
– Flujo sub o supersónico
• Sección convervente:
– Flujo subsónico
Flujo Isentrópico
• Sección convergente – garganta – sección divergente
• No hay desprendimiento de la capa límite
• Sección divergente:
– Aumentar velocidad, disminuir presión
– Flujo sub o supersónico
• Sección convergente:
– Flujo subsónico
Convergente
GargantaDivergente
Flujo Isentrópico: Aplicaciones
• Sección divergente:
– Subsónico: Tubo de venturi, turbinas, toberas
– Altas Presiones por Altas Velocidades
– Descarga de material a atmósfera o contenedores
– Supersónico: túneles de viento, experimentos…
Flujo Isentrópico: FOTOS
Flujo Isentrópico: Ecuaciones
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Video en YT
Flujo Isentrópico: Ejemplos
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Ejercicio en YT
Flujo Adiabático
• Tubería recta y constante
• Transferencia de calor = 0
• Con aislante
• Caso típico: tubería larga y aislada
• El flujo tiende a ser sónico– De supersónico a sónico (disminuye Ma)
– De subsónico a sónico (aumenta Ma)
• El factor de fricción es clave
Flujo Adiabático: Aplicaciones
• Flujo en tuberías aisladas
• Flujo en tuberías sin transferencia de calor
• Flujo en tuberías con material a temp. ambiente
Flujo Adiabático: FOTOS
Flujo Adiabático: Ecuaciones
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Video en YT
Flujo Adiabático: Ejemplos
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Ejercicio en YT
Flujo Isotérmico
• Flujo en tuberías rectas, largas y constantes
• Tuberías largas, diámetro pequeño
• Sin aislante
• Enchaquetadas
• Es decir, la mayoría de las tuberías
Flujo Isotérmico: Aplicaciones
• Flujo de gases en tuberías sin aislante
• Flujo de gases en tuberías con chaquetas
Flujo Isotérmico: Fotos
Flujo Isotérmico: Ecuaciones
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Flujo Isotérmico: Ejemplos
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Ejercicio en YT
Caso integrador
• Flujo de varias tuberías, aisladas, isotérmicas y una tobera
Ejercicio en YT