Toberas-Termodinamica

TOBERAS Y DIFUSORES

Tobera
Es un dispositivo que convierte la energía potencial de un fluido (en forma térmica y de presión) en energía cinética. Como tal, es utilizado en turbomaquinas y otras máquinas, como inyectores (dispositivo utilizado para bombear fluidos). El aumento de velocidad que sufre el fluido en su recorrido a lo largo de la tobera es acompañado por una disminución de supresión y temperatura, al conservarse la energía.

Tobera De Laval

De Laval estudió el flujo supersónico en toberas y resolvió el problema de aceleración máxima dentro de la tobera llegando al diseño de toberas con sección convergente-divergente en las que se logra un flujo sónico M = 1 (M = número de Mach) en la garganta para posteriormente expandir la tobera y lograr flujos supersónicos M > 1.Estas toberas deben tener una expansión adecuada para evitar la generación de ondas de choque o de contracción dentro del flujo.
La tobera es la encargada de convertir energías, adaptando las presiones y velocidades de los gases eyectados. La tobera que usan los cohetes experimentales se denomina De Laval y los flujos que recorren dicha tobera se consideran compresibles al moverse a velocidadessupersónicas, por lo que, las diferentes secciones transversales, producen durante el avance de los gases, variaciones en la densidad y en la velocidad del fluido. Todo ello está supuesto para condiciones de flujo isoentrópico, es decir, condiciones adiabáticas y sin rozamiento. En la práctica, no existe la condición de flujo isoentrópico ideal, por lo que se aplica un coeficiente de rendimiento queajusta el cálculo.
La ley de la conservación de la energía se encarga de aumentar la velocidad en el cono de salida, no por cumplimiento de la dinámica de fluidos, ya que aquí aparecen como compresibles, sino por la conservación del producto «Velocidad x Temperatura».
El número Mach (M),
[pic]
Vs es equivalente a 1224 km/h, 760 mph o 343.5 m/s.
La utilidad del número de mach reside en quepermite expresar la velocidad de un objeto no de forma absoluta en km/h o m/s, sino tomando como referencia la velocidad del sonido, algo interesante desde el momento en que la velocidad del sonido cambia dependiendo de las condiciones de la atmósfera. Por ejemplo, cuanto mayor sea la altura sobre el nivel del mar o menor la temperatura de la atmósfera, menor es la velocidad del sonido.
Desde elpunto de vista de la mecánica de fluidos, la importancia del número de Mach reside en que compara la velocidad del móvil con la velocidad del sonido, la cual coincide con la velocidad máxima de las perturbaciones mecánicas en el fluido.
Estudio matemático de la tobera ideal
Idealmente las transformaciones del fluido en una tobera cumplirían las siguientes condiciones:
• Son isoentrópicas (setrataría de un proceso reversible, sin pérdidas), y por tanto adiabáticas (no hay una transmisión de calor del fluido a la tobera o al exterior).
• Se mantendría en régimen estacionario (con lo cual, el flujo másico de fluido (compresible) que se desplaza a lo largo de la tobera permanecería constante todo a lo largo de la misma).
Por tanto se deben cumplir en cualquier punto de la toberalas siguientes dos condiciones:
(1) [pic]
donde h es la entalpía y c la velocidad del fluido.
(2) [pic]
donde G es el gasto másico en cualquier punto (constante); ρ, la densidad del fluido en ese punto; y A, la sección de paso en ese mismo punto.
De las anteriores ecuaciones se deduce que:
(3) [pic]
donde a es la velocidad del sonido:
(4) [pic]
donde Cp y Cv son lascapacidades caloríficas del fluido a presión y volumen contantes, respectivamente; p es la presión del fluido en ese punto.
La ecuación (3) nos puede dar una indicación del perfil que debe tener la tobera. Si se desea que la velocidad del fluido aumente a lo largo de ella, se debe cumplir que dc>0. Entonces:
• Si c0. Es decir, si el fluido supera la velocidad del sonido, para que siga...