Dispositivos de conversión de energía
Introducción
¡Hola!
No sabes la alegría que tengo al saber que sigues perseverando en tu educación. Te comento que con esta sesión arrancamos la etapa final del curso, así es, ya casi termina y con ello subes un peldaño más en tu aprendizaje. ¡Qué emoción no crees! Pues bien, para completar todo este proceso formativo te invito a empezar esta sesión que es la número 13 denominada Dispositivos de conversión de energía del curso de Termodinámica.
En la clase digital 12 se revisaron los balances de energía y entropía a sistemas termodinámicos en general. Es importante considerar que estos balances se aplican a varios componentes que se utilizan normalmente en ingeniería. En esta clase, se mostrarán las aplicaciones que tienen los balances presentados anteriormente en dispositivos considerados como de operación estable, es decir, aquellos que trabajan mediante flujo estacionario como lo son: toberas y difusores, turbinas y compresores, válvulas de estrangulamiento, cámaras de mezclado, intercambiadores de calor, y finalmente tuberías y ductos. Cada uno de estos sistemas tienen peculiaridades que deberán ser consideradas para su análisis de manera independiente, en algunos casos se verá que el trabajo no influye y en otras, la presencia de energía térmica en forma de calor no tiene relevancia.
De manera particular, se revisará cada uno de estos dispositivos y se mostrarán las características para el análisis termodinámico.
A manera de ejemplo se puede considerar que el flujo de fluido por un ducto puede ser considerado como estable o transitorio, dependiendo qué tanta influencia o dependencia tenga el proceso respecto del tiempo, por lo anterior se deberá aclarar que los dispositivos analizados serán todos en estado estable o estacionario, para evitar posibles confusiones.
En esta clase aprenderás a aplicar los balances de energía y entropía en dispositivos comunes en aplicaciones de ingeniería.
¡Pero, no esperemos más y comencemos!
Desarrollo del tema
Tuberías, toberas y difusores
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.
La tasa de transferencia de calor entre el fluido que fluye por una tobera o un difusor y alrededores es comúnmente muy pequeña y por lo regular se desprecia (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 generan trabajo (W = 0) y cualquier cambio de energía potencia es insignificante. Aún así, las tobera y difusores están relacionados con velocidades altas en el fluido que manejan, por lo que cuando el fluido pasa por uno de estos dispositivos, los cambios en la velocidad son considerables y a menudo resultan ser importantes para el análisis de estos dispositivos.
Es así que la energía cinética jamás se desprecia en estos componentes.
Turbinas, bombas y compresores
El dispositivo que impulsa al generador eléctrico en una central eléctrica de vapor, gas o inclusive en hidroeléctricas, es la turbina.
Los compresores son dispositivos que se utilizan para incrementar la presión de un fluido. Estos equipos requieren entrada de trabajo y utilizan sobre todo gases como fluido de trabajo.
Por su parte, las bombas utilizan fluidos incompresibles (líquidos) para generar impulsión y con ello, un aumento en la presión de descarga del fluido. De esta manera, es posible indicar que las bombas trabajan de manera similar a un compresor, excepto posiblemente porque las bombas utilizan líquidos en lugar de gases.
Algunos puntos importantes con relación a turbinas, bombas y compresores son los siguientes: La transferencia de calor desde las turbinas por lo general es insignificante ya que normalmente están bien aisladas. La transferencia de calor es también insignificante para los compresores, a menos que haya enfriamiento intencional. Los cambios de energía potencial son insignificantes para ambos dispositivos; mientras que las velocidades, con excepción de turbinas y ventiladores, son demasiado bajas para causar algún cambio importante en su energía cinética. Las velocidades de fluido encontradas en la mayor parte de las turbinas son muy altas, por lo que el fluido experimenta un cambio importante en su energía cinética. Sin embargo, este cambio es por lo regular muy pequeño con respecto al cambio de entalpía, por lo tanto, no se toma en cuenta.
Válvulas de estrangulamiento
Las válvulas de estrangulamiento son dispositivos de diferentes tipos que restringen el flujo de un fluido provocando una caída relevante de la presión. 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 esta razón los dispositivos de estrangulamiento son de uso común en aplicaciones de refrigeración o acondicionamiento de aire.
La magnitud de la caída de temperatura durante un proceso de estrangulamiento se rige por una propiedad llamada coeficiente de Joule-Thompson.
Las válvulas de estrangulamiento son por lo regular dispositivos pequeños y se puede suponer que el flujo que pasa por ellos es adiabático puesto que no hay suficiente tiempo ni área suficientemente grande para que ocurra alguna transferencia de calor efectiva. Tampoco se realiza trabajo y el cambio en la energía potencial, si es que tiene lugar, es muy pequeño. Aún 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. Por lo tanto, la ecuación de conservación de energía para este dispositivo se reduce a:
Es decir, los valores de entalpía a la entrada y a la salida de una válvula de estrangulamiento son los mismos. Por esta razón, una válvula de estrangulamiento se denomina a veces, dispositivo isoentálpico.
Intercambio de calor
Los intercambiadores de calor son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin ser mezcladas; la figura 1 muestra un esquema de un intercambiador tipo tubo y coraza con entradas y salidas de flujo másico. Los intercambiadores de calor se usan en varias industrias y su diseño es variado.
El principio de conservación de la masa para un intercambiador de calor que opera en forma estacionaria requiere que la suma de los flujos másicos de entrada sea igual a la suma de los flujos másicos que salen. Este principio se puede expresar también como sigue:
«En operación estacionaria, el flujo másico de cada corriente de fluido que fluye por un intercambiador de calor permanece constante»
Los intercambiadores de calor no presentan interacciones de trabajo, puesto que no cuentan con partes móviles que puedan generar o requerir potencia. También, a menudo los cambios de energía cinética y potencial son despreciables en este tipo de equipos, por lo que la principal variable a considerar es la tasa de transferencia de calor que se pueda generar en ellos.
Cuando toto el intercambiador de calor se selecciona como el volumen de control Q se vuelve cero porque la frontera para este caso queda justo debajo del aislamiento y poco o nada de calor la cruza. Sin embargo, si únicamente se selecciona un fluido como el volumen de control, entonces el calor cruzará esta frontera y pasa de un fluido a otro, y Q no será cero. De hecho, Q en este caso será la tasa de transferencia de calor entre los dos fluidos.
Tuberías y ductos
El flujo de fluidos en tuberías y ductos es de gran importancia en muchas aplicaciones de ingeniería. El flujo por una tubería o ducto comúnmente satisface las condiciones de flujo estacionario. La selección del volumen de control puede coincidir con la superficie interior de la porción de la tubería o ducto que se desea analizar.
Las velocidades del flujo en ductos y tuberías son relativamente bajas, por lo que los cambios de energía cinética son insignificantes.
Sin embargo, los cambios de energía cinética pueden ser importantes para el flujo de gas en ductos con áreas de sección transversal variable, sobre todo cuando son significativos los efectos de compresibilidad.
La energía potencial también puede ser importante cuando el fluido experimenta un cambio en la elevación.
Conclusión
En conclusión, en esta clase se presentaron los dispositivos más comunes utilizados en ingeniería. También se mostraron las diferencias que existen en cuestión de análisis energético para cada dispositivo, siendo por ejemplo el intercambiador de calor aquel en donde el trabajo no es una variable a considerar debido a que estos dispositivos no cuentan con partes móviles. También se presentó el caso de las válvulas de estrangulamiento, en las cuales es muy común asociar un comportamiento isoentálpico, ya que estos componentes siguen el efecto Joule-Thompson.
Se revisó el caso de las bombas, los compresores y las turbinas, así como los casos para los cuales se tiene la condición isoentrópica.
En el caso de las bombas, por ejemplo, a pesar de que son equipos que elevan la presión del fluido, al igual que en el compresor, la diferencia es que las primeras utilizan líquidos para su funcionamiento, mientras que los segundos utilizan gas.
Se revisó también la importancia de un análisis correcto de flujo de fluido en tuberías o ductos, ya que es importante mencionar que la altura promueve un cambio en la energía potencial, mientras que el cambio en la energía cinética sólo se daría en el caso de que existieran cambios de sección transversal en el ducto.
Finalmente, los dispositivos presentados aquí deberán ser analizados de manera independiente para poder generar un estudio completo ya sea en un ciclo o un análisis individual, considerando las características mencionadas en esta clase.
Hemos llegado al final de la clase, me siento muy feliz de que hayas llegado hasta aquí. ¡Te felicito, tienes una gran voluntad! Para cerrar la clase te invito a realizar una lectura como complemento en Moran&Shapiro (2008) del capítulo 5 así como del capítulo 5 de Cengel&Boles (2019). Nos encontramos en tu última clase.
Fuentes de información
- Cengel, Y. A., A. Boles A. M. & Mehmet, K. (2019). Termodinámica, (9a ed.). McGraw Hill Editores.
- Moran, J. M., & Shapiro, N. H. (2008). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. (6a ed.). John Willey & Sons, Inc
- Rodríguez Vidal Carlos, Intercambiadores de calor de carcasa y tubos, 2020. Última fecha de consulta: 19/07/2021.