Flujo de tuberías y ductos.

La transportación de líquidos o gases en tuberías y ductos es de gran importancia en muchas aplicaciones de ingeniería. El flujo por una tubería o ducto comúnmente satisface las condiciones de flujo estacionario, de manera que se puede analizar como un proceso de flujo estacionario. Por supuesto, esto excluye los periodos transitorios de arranque y paro. La selección del volumen de control puede coincidir con la superficie interior de la porción de la tubería o ducto que se desea analizar.

En condiciones normales de operación, la cantidad de calor que gana o pierde el flujo puede ser muy significativa, si la longitud de la tubería o ducto es grande. En algunas ocasiones es deseable la transferencia de calor y es el único propósito que tiene el flujo. Algunos ejemplos de esto son el agua que fluye por las tuberías del horno de una planta de energía, el refrigerante que lo hace por un congelador y el flujo en los intercambiadores de calor. Otras veces la transferencia de calor es poco deseable y las tuberías o ductos se aíslan para evitar cualquier perdida o ganancia de calor en particular cuando la diferencia de temperatura entre el fluido que corre y los alrededores es grande. La transferencia de calor en este caso es insignificante.

Si en el volumen de control hay una sección de calentamiento (alambres eléctricos), un ventilador o una bomba (flecha), se debe considerar las interacciones de trabajo, de las que el trabajo del ventilador por lo general es pequeño y con frecuencia se ignora en el análisis de energía.

Las velocidades de flujo en ductos y tuberías son relativamente bajas, por lo que los cambios de energía cinética normalmente son insignificantes. Esto es cierto particularmente cuando el diámetro de la tubería o el ducto es constante y es posible ignorar los efectos de calentamiento. Sin embargo, los cambios de energía cinética pueden ser importantes para el flujo de gas en ductos con áreas de sección transversal variable, sobre todo cuando son significativos los efectos de compresibilidad. El término de energía potencial también puede cobrar relevancia cuando el fluido experimenta un cambio de elevación considerable a medida que fluye por uan tubería o ducto.

Ejemplo 5-11 “Calentamiento eléctrico de aire en una casa.”

Los sistemas de calentamiento eléctricos usados en muchas casas consisten en un simple ducto con calentadores de resistencia, en los que el aire se calienta cuando fluye sobre alambres de resistencia. Considere un sistema de calefacción eléctrico de 15kW donde el aire entra a la sección de calentamiento a 100 kPa y 17°C con un flujo volumétrico de 150 m 3/min. Si en el ducto de aire pierde calor hacia los alrededores a una tasa de 200W. Determine la temperatura de salida del aire.

Eentrada−Esalida=d E sistema /¿dt = 0

Eentrada=Esalida

W entrada+mh1=Q salida+mh2

W entrada−Qsalida=m c p(T 2−T1)

V 1RT1P1

=(0.287k Pa . m3kg .k )(290K )

100kPa=0.832m3/kg

m=V 1V 1

=150m3/min

0.832m3

kg

( 1min60 s )=3kg /s

(15kJ /s )−( 0.2kJs )=(3 kg/s )(1.005kJkg

. ° C)(T 2−17)° C

T 2=21.9 °C