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5-3 ■ ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO
Un gran número de dispositivos de ingeniería como turbinas, compresores y toberas funcionan durante largos periodos bajo las mismas condiciones una vez completado el periodo de inicio transitorio y establecida ia operación estacionaria; y se clasifican como dispositivos de flujo estacionario (Fig. 5-17). Los procesos en los que seutilizan estos dispositivos se pueden representar razonablemente bien a través de un proceso un tanto idealizado, llamado proceso de flujo estacionario, definido en el capítulo 1 como un proceso durante el cual un fluido fluye de manent estacionaria por un volumen de control. Es decir, las propiedades del fluido pueden cambiar de un punió a otro dentro del volumen de control, pero en cualquier puntopermanecen constantes durante todo el proceso. (Recuerde, estacionario significa ningún cambio con el tiempo.)
Durante un proceso de flujo estacionario, ninguna propiedad intensiva o extensiva dentro del volumen de control cambia con el tiempo. Por lo tanto, el volumen V, la masa m y el contenido de energía total £ del volumen de control permanecen constantes (Fig. 5-18). Como resultado, el trabajode frontera es cero para sistemas de flujo estacionario (puesto que V/Vc = constante), y la masa total o energía que entra al volumen de control debe ser igual a la masa total o energía que sale de él (puesto que mvc = constante y £vc = constante). Estas observaciones simplifican en gran medida el análisis.
FIGURA 5-18
En condiciones de flujo estacionario, el contenido de masa y energía de unvolumen de control permanecen constantes.
Las propiedades del fluido en una entrada o salida permanecen constantes durante un proceso de flujo estacionario. Sin embargo, las propiedades pueden ser diferentes en entradas y salidas distintas, e incluso podrían variar en la sección transversal de una entrada o salida. No obstante, las propiedades, entre otras la velocidad y la elevación, debenpermanecer constantes con el tiempo tanto en un punto fijo como en una entrada o salida. Se deduce entonces que el flujo másico del fluido en una abertura debe permanecer constante durante un proceso de flujo estacionario (Fig. 5-19). Como una simplificación adicional, las propiedades del fluido en una abertura son comúnmente consideradas uniformes (en algún valor promedio) en la sección transversal.Así, las propiedades del fluido en una entrada o salida pueden ser especificadas por los valores promedio únicos. Asimismo, las interacciones de calor o trabajo entre un sistema de flujo estacionario y sus alrededores no cambian con el tiempo. Por lo tanto, la potencia que entrega un sistema y la tasa de transferencia de calor hacia o desde el sistema permanece constante durante un proceso de flujoestacionario.
El balance de masa para un sistema general de flujo estacionario se dio en la sección 5-1 como
2^ = 2> (kg/s)
.
IV-
Volumen de control
- —
" "Il
FIGURA 5-19
En condiciones de flujo estacionario, las propiedades de! fluido en una entrada o salida permanecen constantes (no cambian con el tiempo).
El balance de masa para un sistema de flujo estacionario de corriente única(con sólo una entrada y una salida) se dio como
m, = m, -* PiM, = p2V2A2 (5-32)
donde los subíndices 1 y 2 denotan los estados de la entrada y la salida, respectivamente, p es la densidad, V la velocidad de flujo promedio en la dirección del flujo y A el área de la sección transversal normal a la dirección del flujo.
Durante un proceso de flujo estacionario, el contenido de energía totalde un volumen de control permanece constante (£vc = constante); por lo tanto, el cambio en la energía total del volumen de control es cero (A£vc = 0). En consecuencia, la cantidad de energía que entra a un volumen de control en todas las formas (calor, trabajo y masa) debe ser igual a la cantidad de energía
que sale. Entonces, la forma de casa del balance de energía general se reduce para un...
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