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Flujo de fluido monofásico vs multifásico

Flujo de fluido monofásico

El estudio clásico de la dinámica de fluidos se concentra en el flujo de una sola fase homogénea , por ejemplo, agua, aire, vapor. Todas las ecuaciones y relaciones de flujo de fluidos discutidas normalmente en esta sección son para el flujo de una sola fase de fluido, ya sea líquido o vapor.

Cuando en ciertos lugares importantes en los sistemas de flujo de fluidos ocurre el flujo simultáneo de líquido y gas, el problema debe resolverse como un flujo de dos fases . Las relaciones relativamente simples utilizadas para analizar el flujo monofásico son insuficientes para analizar el flujo bifásico.

Flujo de fluido bifásico

Por definición, el flujo multifásico es el flujo interactivo de dos o más fases distintas con interfaces comunes en, digamos, un conducto. Cada fase, que representa una fracción de volumen (o fracción de masa) de materia sólida, líquida o gaseosa, tiene sus propias propiedades, velocidad y temperatura .

Un flujo multifásico puede ser flujo simultáneo de:

• Materiales con diferentes estados o fases (p. Ej., Mezcla agua-vapor).
• Materiales con diferentes propiedades químicas pero en el mismo estado o fase (por ejemplo, gotas de aceite en agua).

Existen muchas combinaciones en los procesos industriales, pero la más común es el flujo simultáneo de vapor y agua líquida (como se encuentra en los generadores y condensadores de vapor ). En ingeniería de reactores, se ha realizado una gran cantidad de estudios sobre la naturaleza del flujo de dos fases en caso de un accidente de pérdida de refrigerante ( LOCA ), que es un accidente de importancia en la seguridad del reactor y en todos los análisis termohidráulicos ( Análisis DNBR ).

Características del flujo de fluido multifásico

Todos los problemas de flujo multifásico tienen características que son característicamente diferentes de las que se encuentran en problemas monofásicos.

• En el caso del vapor y el agua líquida, la densidad de las dos fases difiere en un factor de aproximadamente 1000 . Por lo tanto, la influencia de la fuerza del cuerpo gravitacional en los flujos multifásicos es de mucha mayor importancia que en el caso de los flujos monofásicos.
• La velocidad del sonido cambia drásticamente para los materiales que experimentan un cambio de fase, y puede ser de diferente magnitud. Esto influye significativamente en un flujo a través de un orificio .
• La concentración relativa de las diferentes fases suele ser un parámetro dependiente de gran importancia en los flujos multifásicos, mientras que es un parámetro sin consecuencias en los flujos monofásicos.
• El cambio de fase significa que las caídas de presión inducidas por el flujo pueden causar un cambio de fase adicional (por ejemplo, el agua puede evaporarse a través de un orificio) aumentando el volumen relativo del medio gaseoso y compresible y aumentando las velocidades de salida, a diferencia del flujo incompresible monofásico donde la disminución de un El orificio disminuiría las velocidades de salida.
• La distribución espacial de las diversas fases en el canal de flujo afecta fuertemente el comportamiento del flujo.
• Hay muchos tipos de inestabilidades en el flujo multifásico.

¿Qué es el volumen?

El volumen es una cantidad física básica . El volumen es una cantidad derivada y expresa la extensión tridimensional de un objeto . El volumen a menudo se cuantifica numéricamente usando la unidad derivada del SI, el metro cúbico . Por ejemplo, el volumen dentro de una esfera (que es el volumen de una bola) se deriva para ser V = 4 / 3πr ³ , donde r es el radio de la esfera. Como otro ejemplo, el volumen de un cubo es igual a lado por lado por lado por lado. Dado que cada lado de un cuadrado es el mismo, puede ser simplemente la longitud de un lado en cubos .

Si un cuadrado tiene un lado de 3 metros, el volumen sería 3 metros por 3 metros por 3 metros, o 27 metros cúbicos.

Fórmulas para el cálculo de diferentes volúmenes

Fórmulas de volumen para algunos objetos tridimensionales comunes:

Conservación del momento en la dinámica de fluidos

En general , la ley de conservación del momento o principio de conservación del momento establece que el momento de un sistema aislado es una constante . La suma vectorial de los momentos (el momento es igual a la masa de un objeto multiplicado por su velocidad) de todos los objetos de un sistema no se puede cambiar por las interacciones dentro del sistema. En la mecánica clásica, esta ley está implícita en las leyes de Newton .

En la dinámica de fluidos , el análisis del movimiento se realiza de la misma manera que en la mecánica de sólidos, mediante el uso de las leyes del movimiento de Newton . Como se puede ver, los fluidos en movimiento ejercen fuerzas. La fuerza de elevación en un avión es ejercida por el aire que se mueve sobre el ala.

Un chorro de agua de una manguera ejerce una fuerza sobre lo que golpea. Pero aquí no está claro qué masa de fluido en movimiento deberíamos usar y, por lo tanto, es necesario usar una forma diferente de la ecuación.

La segunda ley de Newton se puede escribir:

Asumimos que el fluido es estable e incompresible . Para determinar la tasa de cambio de momento para un fluido, consideraremos un tubo de flujo ( volumen de control ) como lo hicimos para la ecuación de Bernoulli . En este volumen de control, cualquier cambio en el momento del fluido dentro de un volumen de control se debe a la acción de fuerzas externas sobre el fluido dentro del volumen.Como se puede ver en la imagen, el método de control de volumen puede usarse para analizar la ley de conservación del momento en el fluido. El volumen de control es una superficie imaginaria que encierra un volumen de interés. El volumen de control puede ser fijo o en movimiento, y puede ser rígido o deformable. Para determinar todas las fuerzas que actúan sobre las superficies del volumen de control, tenemos que resolver las leyes de conservación en este volumen de control.

¿Qué es el volumen?

El volumen es una cantidad física básica. El volumen es una cantidad derivada y expresa la extensión tridimensional de un objeto . El volumen a menudo se cuantifica numéricamente usando la unidad derivada del SI, el metro cúbico . Por ejemplo, el volumen dentro de una esfera (que es el volumen de una bola) se deriva para ser V = 4 / 3πr ³ , donde r es el radio de la esfera. Como otro ejemplo, el volumen de un cubo es igual a lado por lado por lado por lado. Dado que cada lado de un cuadrado es el mismo, puede ser simplemente la longitud de un lado en cubos .

Si un cuadrado tiene un lado de 3 metros, el volumen sería 3 metros por 3 metros por 3 metros, o 27 metros cúbicos.

Entalpía en unidades extensas

H = U + pV

La entalpía  es una cantidad extensa, depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. La unidad de entalpía del SI es el joule (J). Es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema como un todo debido a los campos de fuerza externos. Es la cantidad termodinámica equivalente al contenido de calor total de un sistema.

Por otro lado, la energía puede almacenarse en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Este almacenamiento de energía a nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones, espín nuclear y fuerzas de unión en el núcleo.

La entalpía está representada por el símbolo H , y el cambio en la entalpía en un proceso es H ₂ – H ₁ .

Hay expresiones en términos de variables más familiares como temperatura y presión :

dH = C _p dT + V (1-αT) dp

Donde C _p es la capacidad calorífica a presión constante y α es el coeficiente de expansión térmica (cúbica). Para gas ideal αT = 1 y por lo tanto:

dH = C _p dT

Ejemplo: Pistón sin fricción – Calor – Entalpía

Un pistón sin fricción se utiliza para proporcionar una presión constante de 500 kPa en un cilindro que contiene vapor de agua ( vapor sobrecalentado ) de un volumen de 2 m ³  a 500 K . Calcule la temperatura final, si se agregan 3000 kJ de calor .

Solución:

Usando tablas de vapor , sabemos que la entalpía específica de dicho vapor (500 kPa; 500 K) es de aproximadamente 2912 kJ / kg . Dado que en esta condición el vapor tiene una densidad de 2.2 kg / m ³ , entonces sabemos que hay alrededor de 4.4 kg de vapor en el pistón a una entalpía de 2912 kJ / kg x 4.4 kg = 12812 kJ .

Cuando usamos simplemente Q = H ₂ – H ₁ , la entalpía de vapor resultante será:

H ₂ = H ₁ + Q = 15812 kJ

De las mesas de vapor , dicho vapor sobrecalentado (15812 / 4.4 = 3593 kJ / kg) tendrá una temperatura de 828 K (555 ° C) . Como en esta entalpía el vapor tiene una densidad de 1,31 kg / m ³ , es obvio que se ha expandido aproximadamente 2,2 / 1,31 = 1,67 (+ 67%). Por lo tanto, el volumen resultante es 2 m ³ x 1.67 = 3.34 m ³ y ∆V = 3.34 m ³ – 2 m ³ = 1.34 m ³ .

La parte p∆V de la entalpía, es decir, el trabajo realizado es:

W = p∆V = 500 000 Pa x 1.34 m ³ = 670 kJ

¿Qué es la entalpía?

En termodinámica, la entalpía es la medida de energía en un sistema termodinámico. Es la cantidad termodinámica equivalente al contenido de calor total de un sistema. La entalpía se define como la suma de la energía interna E más el producto de la presión py el volumen V. En muchos análisis termodinámicos aparece la suma de la energía interna U y el producto de la presión py el volumen V, por lo tanto, es conveniente para dar a la combinación un nombre, entalpía y un símbolo distintivo, H.

La entalpía es la expresión preferida de los cambios de energía del sistema en muchas mediciones químicas, biológicas y físicas a presión constante . Es tan útil que está tabulado en las tablas de vapor junto con un volumen específico y una energía interna específica . Es debido al hecho, simplifica la descripción de la transferencia de energía . A presión constante, el cambio de entalpía es igual a la energía transferida desde el medio ambiente a través del calentamiento (Q = H ₂ – H ₁ ) u otro trabajo que no sea el trabajo de expansión. Para un proceso de presión variable, la diferencia en entalpía no es tan obvia.

Entalpía en unidades extensas

H = U + pV

La entalpía  es una cantidad extensa, depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. La unidad de entalpía del SI es el joule (J). Es la energía contenida dentro del sistema, excluyendo la energía cinética de movimiento del sistema como un todo y la energía potencial del sistema como un todo debido a los campos de fuerza externos. Es la cantidad termodinámica equivalente al contenido de calor total de un sistema.

Por otro lado, la energía puede almacenarse en los enlaces químicos entre los átomos que forman las moléculas. Este almacenamiento de energía a nivel atómico incluye energía asociada con estados orbitales de electrones, espín nuclear y fuerzas de unión en el núcleo.

Ejemplo: Pistón sin fricción – Calor – Entalpía

Un pistón sin fricción se utiliza para proporcionar una presión constante de 500 kPa en un cilindro que contiene vapor de agua ( vapor sobrecalentado ) de un volumen de 2 m ³  a 500 K . Calcule la temperatura final, si se agregan 3000 kJ de calor .

Solución:

Usando tablas de vapor , sabemos que la entalpía específica de dicho vapor (500 kPa; 500 K) es de aproximadamente 2912 kJ / kg . Dado que en esta condición el vapor tiene una densidad de 2.2 kg / m ³ , entonces sabemos que hay alrededor de 4.4 kg de vapor en el pistón a una entalpía de 2912 kJ / kg x 4.4 kg = 12812 kJ .

Cuando usamos simplemente Q = H ₂ – H ₁ , la entalpía de vapor resultante será:

H ₂ = H ₁ + Q = 15812 kJ

De las mesas de vapor , dicho vapor sobrecalentado (15812 / 4.4 = 3593 kJ / kg) tendrá una temperatura de 828 K (555 ° C) . Como en esta entalpía el vapor tiene una densidad de 1,31 kg / m ³ , es obvio que se ha expandido aproximadamente 2,2 / 1,31 = 1,67 (+ 67%). Por lo tanto, el volumen resultante es 2 m ³ x 1.67 = 3.34 m ³ y ∆V = 3.34 m ³ – 2 m ³ = 1.34 m ³ .

La parte p∆V de la entalpía, es decir, el trabajo realizado es:

W = p∆V = 500 000 Pa x 1.34 m ³ = 670 kJ

Entalpía de vaporización

En general, cuando un material cambia de fase de sólido a líquido, o de líquido a gas, una cierta cantidad de energía está involucrada en este cambio de fase. En caso de cambio de fase de líquido a gas, esta cantidad de energía se conoce como entalpía de vaporización , (símbolo ∆H _vap ; unidad: J) también conocido como calor (latente) de vaporización o calor de evaporación. El calor latente es la cantidad de calor agregado o eliminado de una sustancia para producir un cambio de fase. Esta energía descompone las fuerzas de atracción intermoleculares, y también debe proporcionar la energía necesaria para expandir el gas (el trabajo pΔV) Cuando se agrega calor latente, no ocurre cambio de temperatura. La entalpía de la vaporización es una función de la presión a la que tiene lugar esa transformación.

Calor latente de vaporización – agua a 0.1 MPa (presión atmosférica)

h _lg = 2257 kJ / kg

Calor latente de vaporización: agua a 3 MPa (presión dentro de un generador de vapor)

h _lg = 1795 kJ / kg

Calor latente de vaporización: agua a 16 MPa (presión dentro de un presurizador )

h _lg = 931 kJ / kg

El calor de vaporización disminuye al aumentar la presión, mientras que aumenta el punto de ebullición . Se desvanece por completo en un cierto punto llamado punto crítico . Por encima del punto crítico, las fases líquida y de vapor son indistinguibles, y la sustancia se llama fluido supercrítico .

El calor de vaporización es el calor requerido para vaporizar completamente una unidad de líquido saturado (o condensar una unidad de masa de vapor saturado) y es igual a h _lg = h _g – h _l .

El calor necesario para derretir (o congelar) una unidad de masa en la sustancia a presión constante es el calor de fusión y es igual a h _sl = h _l – h _s , donde h _s es la entalpía del sólido saturado y h _l Es la entalpía del líquido saturado.

Entalpía específica de vapor húmedo

La entalpía específica de agua líquida saturada (x = 0) y vapor seco (x = 1) se puede recoger de las mesas de vapor. En caso de vapor húmedo , la entalpía real se puede calcular con la calidad del vapor, x , y las entalpías específicas de agua líquida saturada y vapor seco:

h _húmedo = h _s x + (1 – x) h _l              

dónde

h _húmedo = entalpía de vapor húmedo (J / kg)

h _s = entalpía de vapor “seco” (J / kg)

h _l = entalpía de agua líquida saturada (J / kg)

Como se puede ver, el vapor húmedo siempre tendrá una entalpía más baja que el vapor seco.

Ejemplo:

Una etapa de alta presión de la turbina de vapor funciona en estado estacionario con condiciones de entrada de 6 MPa, t = 275.6 ° C, x = 1 (punto C). El vapor sale de esta etapa de la turbina a una presión de 1,15 MPa, 186 ° C yx = 0,87 (punto D). Calcule la diferencia de entalpía entre estos dos estados.

La entalpía para el estado C puede seleccionarse directamente de las tablas de vapor, mientras que la entalpía para el estado D debe calcularse utilizando la calidad del vapor:

h _{1, húmedo} = 2785 kJ / kg

h _{2, húmedo} = h _{2, s} x + (1 – x) h _{2, l}  = 2782. 0.87 + (1 – 0.87). 790 = 2420 + 103 = 2523 kJ / kg

Δh = 262 kJ / kg

Distinguir temperatura, calor y energía interna

Usando la teoría cinética, se puede hacer una distinción clara entre estas tres propiedades.

• La temperatura está relacionada con las energías cinéticas de las moléculas de un material. Es la energía cinética promedio de las moléculas individuales.
• La energía interna se refiere a la energía total de todas las moléculas dentro del objeto. Es una propiedad extensa , por lo tanto, cuando dos lingotes de acero en caliente de igual masa pueden tener la misma temperatura, pero dos de ellos tienen el doble de energía interna que uno.
• Finalmente, el calor es la cantidad de energía que fluye de un cuerpo a otro de forma espontánea debido a su diferencia de temperatura.

Debe agregarse, cuando existe una diferencia de temperatura , el calor fluye espontáneamente del sistema más cálido al sistema más frío . Por lo tanto, si un cubo de acero de 5 kg a 100 ° C se pone en contacto con un cubo de acero de 500 kg a 20 ° C, el calor fluye desde el cubo a 300 ° C al cubo a 20 ° C, aunque la energía interna del cubo de 20 ° C es mucho mayor porque hay mucho más.

Un concepto particularmente importante es el equilibrio termodinámico . En general, cuando dos objetos se ponen en contacto térmico , el calor fluirá entre ellos hasta que se equilibren entre sí.