Este documento presenta conceptos clave de termodinámica aplicados a dispositivos de flujo estacionario comúnmente usados en ingeniería, como válvulas de estrangulamiento, cámaras de mezclado, intercambiadores de calor y tuberías. También incluye ejemplos numéricos que ilustran cálculos termodinámicos para estos dispositivos, como la expansión de refrigerante en un refrigerador y el mezclado de agua caliente y fría.

1. TERMODINÁMICA 1
ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENES DE
CONTROL

2. ALGUNOS DISPOSITIVOS INGENIERILES DE FLUJO
ESTACIONARIO
Válvulas de estrangulamiento:
Las válvulas de estrangulamiento son dispositivos de
diferentes tipos que restringen el flujo de un fluido
provocando una caída relevante de presión. Algunos
ejemplos comunes son válvulas ajustables ordinarias,
tubos capilares y tapones porosos. A diferencia de las
turbinas, producen una caída de presión sin implicar
trabajo. La caída de presión en el fluido suele ir
acompañada de una gran disminución de
temperatura, por esa razón los dispositivos de
estrangulamiento son de uso común en aplicaciones
de refrigeración y acondicionamiento de aire.

3. EJEMPLO: EXPANSIÓN DEL REFRIGERANTE 134A EN
UN REFRIGERADOR
Al tubo capilar de un refrigerador entra refrigerante 134a como líquido saturado a
0.8 MPa, el cual se estrangula a una presión de 0.12 MPa. Determine la calidad del
refrigerante en el estado final y la disminución de temperatura durante este
proceso.

4. EJEMPLO: EXPANSIÓN DEL REFRIGERANTE 134A EN
UN REFRIGERADOR
Suposiciones: 1 La transferencia de calor desde el tubo es insignificante. 2 El
cambio de energía cinética del refrigerante es insignificante.
Análisis: Un tubo capilar es un simple dispositivo que restringe el flujo, el cual se
emplea comúnmente en refrigeración para causar una gran caída de presión en el
refrigerante. El flujo por un tubo capilar es un proceso de estrangulamiento; así, la
entalpía del refrigerante permanece constante.

5. EJEMPLO: EXPANSIÓN DEL REFRIGERANTE 134A EN
UN REFRIGERADOR

6. EJEMPLO: EXPANSIÓN DEL REFRIGERANTE 134A EN UN
REFRIGERADOR

7. ALGUNOS DISPOSITIVOS INGENIERILES DE FLUJO
ESTACIONARIO
Cámaras de mezclado:
La sección donde el proceso de mezclado tiene
lugar se conoce como cámara de mezclado, la cual
no tiene que ser exactamente una “cámara”. Una
tubería ordinaria en forma de “T” o en “Y” de una
regadera, por ejemplo, sirve como cámara de
mezclado para las corrientes de agua fría y caliente.

8. EJEMPLO: MEZCLADO DE AGUA CALIENTE Y FRÍA
EN UNA REGADERA
Se tiene una regadera ordinaria donde se
mezclan agua caliente a 140 °F y fría a 50 °F. Se
desea suministrar un flujo estacionario de agua
tibia a 110 °F. Determine la relación de los flujos
másicos de agua caliente y fría.
Suponga que las pérdidas de calor desde la
cámara de mezclado son insignificantes y que el
mezclado ocurre a una presión de 20 psia.

9. EJEMPLO: FLUJO DE AGUA POR UNA BOQUILLA
(TOBERA) DE MANGUERA DE JARDÍN

10. EJEMPLO: FLUJO DE AGUA POR UNA BOQUILLA
(TOBERA) DE MANGUERA DE JARDÍN

11. TRABAJO DE FLUJO Y ENERGÍA DE UN FLUIDO EN
MOVIMIENTO

12. ALGUNOS DISPOSITIVOS INGENIERILES DE FLUJO
ESTACIONARIO
Intercambiadores de calor:
Los intercambiadores de calor son dispositivos donde dos corrientes de
fluido en movimiento intercambian calor sin mezclado. Los intercambiadores
de calor se usan ampliamente en varias industrias y su diseño es variado.
La forma más simple de un intercambiador de calor es un intercambiador de
calor de tubo doble, que se compone de dos tubos concéntricos de
diámetros distintos. Un fluido corre por el tubo interno mientras otro lo hace
en el espacio anular entre ambos tubos.
El calor se transfiere del fluido caliente al frío a través de la pared que los separa. Algunas veces el tubo
interno tiene un par de vueltas dentro de la coraza para aumentar el área de transferencia de calor y, por
consiguiente, la tasa de transferencia de calor. Las cámaras de mezclado analizadas antes se clasifican a
veces como intercambiadores de calor de contacto directo.

13. FLUJO EN TUBERÍAS Y DUCTOS
El flujo (o la transferencia) 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.

14. ANÁLISIS DE PROCESOS DE FLUJO NO
ESTACIONARIO
1. A un tubo de 28 cm de diámetro entra refrigerante 134a, a las condiciones constantes de 200 kPa
y 20 °C, con una velocidad de 5 m/s. El refrigerante gana calor al pasar, y sale del tubo a 180 kPa y
40 °C. Determine a) el flujo volumétrico del refrigerante en la entrada, b) el flujo másico del
refrigerante, y c) la velocidad y el flujo volumétrico en la salida.
2. A un difusor adiabático entra aire a 80 kPa y 127 °C, al flujo constante de 6 000 kg/h, y sale a 100
kPa. La velocidad de aire baja de 230 a 30 m/s al pasar por el difusor. Calcule a) la temperatura del
aire a la salida, y b) el área de salida del difusor.
3. Refrigerante R-134a entra a un compresor a 100 kPa y –24 °C, con un flujo de 1.35 m3/min, y sale
a 800 kPa y 60 °C. Determine el flujo másico del R-134a, y la entrada de potencia al compresor.
4. Refrigerante R-134a entra a la válvula de expansión de un sistema de refrigeración a 160 psia
como líquido saturado, y sale a 30 psia. Determine la temperatura y los cambios de energía interna
a través de la válvula.

15. RESPUESTA A PROBLEMA 1

16. RESPUESTA PROBLEMA 1

17. RESPUESTA A PROBLEMA 2

18. RESPUESTA A PROBLEMA 2

19. RESPUESTA A PROBLEMA 3

20. RESPUESTA A PROBLEMA 3

21. RESPUESTA A PROBLEMA 4

22. RESPUESTA A PROBLEMA 4