ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO

TERMODINAMICA I

TOBERAS-DIFUSORES E INTERCAMBIADORES DE CALOR

INTRODUCCION

Toberas: Se denomina tobera a un conducto que orienta a una vena fluida, mientras se produce en ella una conversión de energía del fluido (entalpía), en energía cinética. Es decir que a lo largo de una tobera la velocidad del fluido aumentara

La tobera consta de una sección cónica convergente y otra divergente. Ambas secciones están comunicadas por un orifico llamado "garganta".

CONCEPTOS

Difusor: Se denomina difusor a un conducto en el cual se produce el proceso energético inverso, dado que al circular el fluido en un difusor, este se desacelera, disminuyendo su energía cinética y aumentando su energía (entalpía). Es decir que a lo largo de un difusor la velocidad del fluido disminuirá

CONCEPTOS

Intercambiadores de calor:

Bajo la denominación general de intercambiadores de calor, o simplemente cambiadores de calor, se engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para transferir energía de un medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se hará referencia única y exclusivamente a la transferencia de energía entre fluidos por conducción y convección, debido a que el intercambio térmico entre fluidos es uno de los procesos más frecuente e importante en la ingeniería.

“Un intercambiador de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente fluida a otra”

En un difusor el diámetro es creciente: el fluido se decelera, y por tanto aumenta su entalpía, temperatura y presión. Los razonamientos previos son válidos a velocidades subsónicas; a velocidad supersónica (no se demuestra aquí), las toberas son tuberías divergentes (la sección aumenta) y los difusores son convergentes

Es el encargado de dirigir el flujo del aire hacia el interior pero no a través del eje sino hacia la cámara de combustión. Aumenta la presión del aire entrante y evita que se apague la flama, por entrada de flujo directo.

El difusor puede ser una parte integral de la carcasa del compresor o puede estar  fijado por separado. En cada caso se compone de una serie de paletas de forma tangencial al disco. Los pasajes de paletas son divergentes para convertir la energía cinética en presión y los bordes internos de las paletas se encuentran en línea con la dirección del flujo de aire resultante del impulsor.

Al inicio del ciclo, el aire es inducido en el motor y comprimido.  En la siguiente etapa de su viaje, el aire pasa a través del difusor donde se ejerce una fuerza de reacción pequeña.Desde el difusor el aire pasa a las cámaras de combustión donde se calienta, y en la consiguiente expansión y la aceleración de los gases genera grandes fuerzas de empuje que se ejerce sobre las paredes de la cámara.

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor son dispositivos usados para la transferencia de calor entre dos o más fluidos. Los intercambiadores de calor compactos son comúnmente usados en los procesos industriales de Ventilación Calentamiento, Refrigeración y también de Aire acondicionado, debido a su economía, construcción y operación. El intercambiador de calor compacto más empleado es el de tuos aletados. La configuración de la aleta puede ser rectangular o circular, continua o individual; a su vez la geometría para los tubos puede ser circular, plana u oval. En operación, parte o toda la superficie de la aleta puede ser cubierta por una película de agua producida por la condensación del vapor de agua en la corriente de aire entrante.

PROPIE

DADES

PROPIEDADES DE LAS TOBERAS

La tobera consta de una sección cónica convergente y otra divergente. Ambas secciones están comunicadas por un orifico llamado "garganta". El ángulo total del cono convergente se establece en unos 90º y el divergente en unos 30º.

La superficie de la garganta determina el comportamiento del reactor en cuanto a tiempo de empuje, presión de trabajo y fuerza de reacción.

Una mayor velocidad de los gases produce un mayor empuje de reacción debido a la conservación de la cantidad de movimiento. La energía suplementaria adquirida se "extrae" de la temperatura de los gases que atraviesan la tobera, los cuales se enfrían al expandirse.

Los gases compactados en la sección convergente, sufren una expansión y una transformación consecuente de temperatura y por tanto de energía térmica en cinética. (Principio de conservación de la energía).

PROPIEDADES DE LOS DIFUSORES

Un difusor variable tiene una sección convergente, la garganta y una sección divergente. El fluido es subsónico y la presión del gas o de la mezcla de gases, se expande en la sección convergente, alcanzado el mayor vacío relativo en la garganta. Un mecanismo externo que puede ser una campana de vacío o un fuelle, utiliza la presión de vacío para mover la puerta del difusor.

Los difusores variables son autómatas que obedecen a la velocidad del fluido medida con el número de Mach. Como la forma física del difusor difícilmente puede ser un tubo venturi perfecto siempre existirán pérdidas por contracción del chorro.

Lo más interesante de este mecanismo es que si se conoce la forma como varían los coeficientes de perdidas, él es un sensor de la velocidad del flujo de peso

PROPIEDADES DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores de calor donde dos fluidos están en contacto directo uno con el otro, se denominan intercambiadores “directos”. El área necesaria para la transferencia es proporcionada por las interfaces del liquido, por las gotas, o por las películas de liquido(ejemplo un “Scrubber”).Los intercambiadores de calor en los cuales los dos fluidos están separados uno del otro por una pared divisora a través de la cual se transporta el calor,. Se denominan intercambiadores indirectos”. La pared que los separa proporciona el área de transferencia de calor. Los intercambiadores en los cuales un fluido de proceso es calentado o enfriado par aun servicio en la planta se denomina calentador o enfriador.

Si la corriente de proceso evaporizada, el intercambiador es denominado vaporizador si la corriente es completamente vaporizada, hervidor si se vaporiza parcialmente y si está asociada con una columna de destilación se denomina re-hervidor (“reboiler”), si se usa para concentrar una solución se denomina evaporador. Si el intercambiador se usa para condensar una corriente se denomina condensador que puede ser total si toda la corriente condensa o parcial si condensa parte de la corriente de proceso.

Además, según las condiciones de operación los intercambiadores pueden ser con sobrecalentamiento en el caso de vaporizadores o con sub enfriamiento o sobre enfriamiento para los condensadores. Cuando se usan intercambiadores calentados por gases de combustión se denominan intercambiadores al fuego.

FUNCIONAMIENTO

Toberas y difusores Una tobera es un dispositivo que incrementa la velocidad de un fluido a la vez que disminuye su presión. Las toberas, al igual que el tubo Venturi, puede utilizarse para medir el flujo volumétrico en ductos.

TOBERA.- La circulación del vapor por la tobera es un proceso no isentrópico. La pérdida de energía en la tobera consta de dos sumandos principales:

- Las pérdidas debidas al rozamiento del chorro de vapor sobre las paredes

- Las pérdidas inherentes a la formación de torbellinos en el seno del fluido así como las fugas de vapor por el intersticio entre toberas y corona, y el choque con el borde de entrada de los álabes.Todas estas pérdidas se resumen en un valor j < 1 que se conoce como coeficiente de reducción de velocidad, siendo su valor del orden de 0,95.

Debido a estas pérdidas, la energía mecánica de rozamiento se transforma en calor, siendo absorbida una fracción por el vapor, que incrementa así su entropía y su entalpía a la salida de la tobera.

TOBERA CONVERGENTE TIPICA

P1>P2

V1<V2

M1<M2

DIFUSOR TIPICO

FLUJO A TRAVEZ DE UNA TOBERA DE LAVAL

CONVERSION DE ENERGIA EN TOBERAS

DIAGRAMA T – S PARA EL FLUJO DE UNA TOBERA CONVERGENTE

DIFUSORES

Se denomina difusor a un conducto en el cual se produce el proceso energético inverso, dado que al circular el fluido en un difusor, este se desacelera, disminuyendo su energía cinética y aumentando su energía (entalpía). Es decir que a lo largo de un difusor la velocidad del fluido disminuirá.

Los difusores se usan con frecuencia para desacelerar gases o líquidos a alta velocidad.

Un difusor es un dispositivo que trabaja a la inversa de una tobera: aumenta la presión de un fluido a la vez que disminuye su velocidad.

Los difusores son utilizados comúnmente en máquinas de chorro, cohetes, naves espaciales e incluso mangueras de jardín

Por ejemplo los difusores que usan los autos de la F1

Ante la ausencia de datos de transferencia de calor el flujo a través de los difusores es considerado adiabático

Intercambiadores de calor.

Estos dispositivos se utilizan para extraer o añadir energía de una región o a una región del espacio; o se utilizan para cambiar deliberadamente el estado termodinámico de un fluido.

Condiciones de funcionamiento

Una de las principales aplicaciones de los intercambiadores de calor es el intercambio de energía entre dos fluidos en movimiento.

ii. La variaciones de energía cinética y potencial suelen ser despreciables en las dos corrientes y no existen interacciones de trabajo.

iii. La caída de presión en un intercambiador de calor suele ser pequeña, así que, como primera aproximación, la hipótesis de presión constante es bastante buena. Los equipos denominados calderas, evaporadores y condensadores son aplicaciones especiales del diseño de los cambiadores de calor. Como sugieren sus nombres, uno de los fluidos cambia de fase.

Funcionamiento del intercambiador de calor

El funcionamiento de los intercambiadores de calor se basa en la transferencia de energía en forma de calor de un medio (aire, gas o líquido) a otro medio. El mecanismo de funcionamiento de los intercambiadores de calor, que logran una separación total entre los dos fluidos sin que se produzca ningún almacenamiento intermedio de calor, se conoce como recuperador. Recair desarrolla y fabrica recuperadores para transferencia de calor aire-aire.

Funcionamiento del intercambiador de calor

Para que el funcionamiento de los intercambiadores de calor logre una transferencia de calor lo más grande posible, la partición interior del intercambiador se ha diseñado de forma que la distancia - que debe recorrer la corriente de calor - sea lo más pequeña posible. Para ello, también se tiene en cuenta la caída de presión permitida del interior del intercambiador.

EJERCICIO

S

EJERCICIO

• A un difusor de una máquina de propulsión a chorro que opera en régimen estable, entra aire a 10ºC y 80 kPa con una velocidad de 200 m/s. El área de entrada del difusor es 0.4 m2. El aire sale del difusor a una velocidad muy pequeña comparada con la velocidad de entrada. Determine el flujo másico del aire y la temperatura del aire a la salida del difusor.

EJERCICIO

• Una tobera que opera en régimen estable, ingresa vapor a 250 psia y 700ºF cuya área de entrada es 0.2 pie2. El flujo másico del vapor a través de la tobera es de 10 lbm/s. El vapor sale de la tobera a 200 psia con una velocidad de 900 pie/s. Se estima que las pérdidas de calor de la tobera por unidad de masa de vapor serán de 1.2 Btu/lbm. Determine la velocidad de entrada y la temperatura de salida del vapor.

EJERCICIO

• Un condensador opera con vapor condensante en el lado de la coraza a 27°C. El agua de enfriamiento entra a 5°C y sale a 10°C. Si el coeficiente total de transferencia de calor es de 5000 W/m2°C con base en la superficie del tubo exterior. Determine la transferencia de calor por metro cuadrado de superficie de tubo exterior.