Sistemas Abiertos

Se entiende por volumen control a un sistema abierto, que consiste en una región del espacio delimitada por paredes reales o virtuales, aislante de un tipo de energía o de todas. Las dos características principales de un VC son:
Son fijos en el espacio.
Son rígidos, es decir su volumen es constante, por ende no se les puede realizar trabajo de cambio de volumen.

El trabajo de circulación es una cantidad de energía que hay que aportar al volumen control para que ingrese un 𝑑𝑚1, y a su vez es la cantidad de energía que el volumen control debe entregar al ambiente en forma de trabajo, para poder ceder un 𝑑𝑚2 al mismo.

Se entiende por régimen estacionario a un estado de los sistemas abiertos en donde sus propiedades no cambian con el tiempo, es decir:
• La masa que entra al VC es igual a la que sale: 𝑑𝑚1=𝑑𝑚2. En otras palabras, la cantidad de masa dentro del VC se mantiene constante a lo largo del tiempo.
• La energía interna dentro del VC es constante, es decir 𝑑𝑈𝑉𝐶=0

En la ecuación de balance de energía para sistemas abiertos no aparece el término “pérdidas de carga” porque todo tipo de energía transformada dentro del volumen control, aparece de manera indiscriminada en el término “𝑈𝑉𝐶”.Las pérdidas por rozamiento (fricción/viscosidad) están relacionadas con las transformaciones indeseadas de energía, o pérdidas de energía, y como se producen dentro del VC se incluyen en el término “𝑈𝑉𝐶”.

La propiedad principal que se mantiene constante durante una expansión estrangulada es la entalpía.

Una placa con un agujero; una pared porosa; una válvula de estrangulación.

El trabajo en una expansión estrangulada es igual a cero.

Una válvula de estrangulamiento es un dispositivo que permite el paso de fluidos de una región a otra debido a una diferencia finita de presiones, disminuyendo ésta a entalpía constante. La temperatura también disminuye.

El coeficiente de efecto Joule-Thomson se define como la pendiente de las isoentálpicas que resultan de un ensayo en distintas condiciones sobre una expansión estrangulada. Este coeficiente permite predecir si la expansión se realizará con o sin descenso de temperatura.
𝐽𝑇=(𝜕𝑇/𝜕𝑃)ℎ
Si 𝜇𝐽𝑇≥0, entonces la expansión estrangulada se realizará con descenso de temperatura.

En una tobera, el tipo de transformación que se produce es entalpía en energía cinética.
En un difusor, el tipo de transformación que se produce es de energía cinética a entalpía.

La ecuación de balance de energía para sistemas abiertos en régimen estacionario es la siguiente: 𝑞=𝑤𝑒+12(𝑢̅22−𝑢̅12)+𝑔(𝑧2−𝑧1)+(ℎ2−ℎ1)
Se harán las siguientes consideraciones:
 No hay trabajo en el eje en la tobera, 𝑤𝑒=0.
 No hay diferencia de alturas, o en todo caso es
despreciable: 𝑧2−𝑧1
 El tiempo de permanencia del fluido dentro de la tobera es muy pequeño, por tal se puede considerar que el proceso se lleva a cabo de manera adiabática, sin intercambio de calor: 𝑞=0
La ecuación de balance resulta: 12(𝑢̅22−𝑢̅12)+(ℎ2−ℎ1)=0 12𝑢̅12+ℎ1=12𝑢̅22+ℎ2=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
Es decir, la tobera transforma entalpía en energía cinética, por lo tanto la entalpía en 2 debe ser menor que en 1, y la velocidad debe ser mayor en 2 que en 1 para que toda la cantidad se conserve

Una turbina es una máquina destinada a producir trabajo mecánico a partir de la energía térmica del gas o vapor. Consiste en un rotor, donde se colocan los álabes, y un estator donde se coloca la tobera. El fluido es obligado por una tobera a pasar a través de los álabes.
Balance de energía sobre la turbina:

Una turbina es una máquina destinada a producir trabajo mecánico a partir de la energía térmica del gas o vapor. Consiste en un rotor, donde se colocan los álabes, y un estator donde se coloca la tobera. El fluido es obligado por una tobera a pasar a través de los álabes.
Balance de energía sobre la turbina: 𝑄=𝑊𝑒+𝑚[12(𝑢̅22−𝑢̅12)+𝑔(𝑧2−𝑧1)+(ℎ2−ℎ1)]
• El tiempo de permanencia del fluido dentro de la turbina es muy pequeño, por lo tanto se puede considerar al proceso de expansión en la misma como adiabático: 𝑄=0.
• La diferencia de alturas entre la entrada y salida de la turbina es despreciable frente a la magnitud de altura de toda la instalación: 𝑧2−𝑧1=0.
• Si bien la velocidad dentro de la turbina no es despreciable, la cantidad de energía que ésta representa es mucho menor que el trabajo realizado por la turbina, por lo tanto 𝑢̅22−𝑢̅12≈0
Habiendo mencionado estas consideraciones, el balance en la turbina da: 𝑊𝑒=𝑚(ℎ1−ℎ2)

Las diferencias que hay entre una turbina de acción y una de reacción son: en las turbinas de acción, la mayor caída de presión (y por lo tanto aumento de velocidad) se realiza en las toberas del estator. En los álabes el fluido cambia de dirección, pero casi no disminuye su presión. Estas turbinas giran a una altísima velocidad, y es por esto que no se usan para accionar generadores eléctricos.
En cambio, en las turbinas de reacción, la caída de presión se realiza entre los álabes de la turbina. Como el gas se expande, aumenta su volumen y es por ello que el diámetro de la turbina crece en la dirección del flujo, y la sección entre turbinas decrece en la dirección del flujo. Además, no giran tan rápido como en las turbinas de acción, por lo tanto se pueden usar para accionar generadores eléctricos.

Las turbinas más adecuadas para acoplar a generadores eléctricos son las turbinas de reacción.

Las turbinas se construyen de esta manera para lograr que el proceso sea lo más casiestático posible, y disminuir las grandes caídas de presión, y por lo tanto disminuir la velocidad. Así se logra que el proceso sea lo más reversible posible, y se obtenga un mejor aprovechamiento de la energía del vapor.

Las turbinas tienen forma tronco-cónicas ya que el diámetro aumenta en la dirección del flujo para poder contrarrestar los grandes aumentos de volumen debido a las caídas de presión entre los álabes de la turbina.

A bajas presiones, los aumentos de volumen son considerables, por lo tanto los diámetros resultarían excesivos, motivo por el cual suele dividirse en dos el flujo, haciéndolo circular por dos turbinas conectadas al mismo eje y contrapuestas. Así, el volumen necesario en cada una será la mitad y el radio considerablemente menor. Esta solución contribuye a equilibrar el esfuerzo axial que se ejerce sobre el eje debido a las diferencias de presión entre cada lado de las ruedas, que se transmiten todas al eje. Al estar opuestas, los esfuerzos axiales se equilibran.

Las turbinas de reacción son más adecuadas a bajas presiones que a altas debido al necesario espacio que debe haber entre el extremo de los álabes y el estator. Cuando los alabes son chicos (a altas presiones), este juego representa una proporción relativamente grande de la altura de los mismos, y en consecuencia, un porcentaje grande de derrame de vapor sin hacer trabajo.

Porque la presencia de líquidos deteriora los álabes de la turbina, contribuyendo con su desgaste prematuro.

Se entiende por rendimiento isoentrópico de una turbina al cociente entre el trabajo real y el trabajo que sale de considerar un proceso isoentrópico en la turbina. El rendimiento isoentrópico viene dado por el fabricante, y se halla a partir de diferentes ensayos. Su fórmula es: 𝜂𝑠=𝑤𝑒𝑤𝑒𝑠

Una bomba es un dispositivo que se utiliza para desplazar y elevar la presión de un fluido, normalmente un fluido líquido. Existen varios tipos de bombas, por ejemplo:
- De simple efecto: se usan para elevar pequeños caudales y para presiones elevadas, como prensas. Su ventaja es el costo y la facilidad de inspección y recuperación.
-De émbolos escalonados: tiene por característica fundamental que impulsa ambas carreas, produciendo un funcionamiento más parejo.
- De doble efecto: para potencias medianas y grandes. Los esfuerzos y la cantidad de líquido son uniformes.
22) ¿Por qué una bomba de agua alternativa no puede aspirar más que hasta una cierta altura?
Porque si se rebasa dicha altura, el agua pasará a su estado de vapor debido a que se ha alcanzado la presión de saturación del agua a una dada temperatura.
O sea que la máxima altura teórica de aspiración depende de la temperatura del líquido y de la presión atmosférica. Si además se tienen en cuenta las pérdidas de carga, fugas y efecto aceleración-desaceleración, esa altura teórica disminuye.

La temperatura del líquido, la presión atmosférica y las pérdidas de carga, fugas y efecto aceleración-desaceleración.

Es el cociente entre el caudal efectivo y el teórico que se obtiene por sus dimensiones y número de revoluciones de la bomba