Termodinámica y Mecánica de Fluidos: Compresión Gaseosa y Pérdidas en Tuberías

Conceptos Fundamentales en la Compresión de Gases

Compresión Isotérmica vs. Compresión Adiabática

• Compresión Isotérmica: Ocurre cuando la temperatura se mantiene constante. Generalmente, requiere menos trabajo de compresión en comparación con la adiabática, ya que no hay aumento de temperatura. Es importante comprimir los gases antes de calentarlos para optimizar el proceso.
• Compresión Adiabática: En este proceso, no hay intercambio de calor con el entorno. Precisa más trabajo de compresión debido al aumento de temperatura que se produce durante la compresión.

Compresión Escalonada

La compresión escalonada consiste en dividir el incremento total de presión requerido en etapas o incrementos pequeños. El objetivo principal de esta técnica es limitar el aumento de temperatura del gas mediante enfriamiento entre etapas.

Comportamiento del Flujo Gaseoso en Tuberías

Pérdidas de Energía y Propiedades del Flujo

Cuando un gas atraviesa una tubería, se produce una pérdida de energía debido al rozamiento. Esta pérdida se manifiesta como una disminución de la presión. Consecuentemente, el gas tiende a expandirse, lo que resulta en:

• Descenso de la densidad ($\rho$).
• Aumento del caudal volumétrico ($Q$).

Dado que el caudal másico ($m$) debe ser constante ($m = Q \times \rho$), y $Q = v \times S$ (donde $v$ es la velocidad y $S$ es el área de la sección), la velocidad ($v$) debe ajustarse. Para el diseño de conducciones, es crucial trabajar con una velocidad másica media constante, $G$ (en $\text{kg/m}^2\text{s}$), donde $G = v \times \rho$.

Régimen de Flujo según el Número de Reynolds ($Re$)

El Número de Reynolds determina la naturaleza del flujo:

1. Régimen Laminar: Inicialmente, las partículas del gas siguen trayectorias ordenadas.
2. Régimen Turbulento: A medida que la velocidad aumenta, el movimiento se vuelve desordenado, lo que conlleva un aumento del número de Reynolds.

Se mantiene un $Re$ constante si el aumento de velocidad va acompañado de una disminución de densidad, asegurando que la velocidad másica media $G$ sea constante ($G = v \times \rho$).

Separación de Cálculos en Sistemas de Tuberías

Los cálculos deben realizarse por separado debido a la dependencia de la densidad con la presión:

1. Tramos sin máquinas: Se calculan las pérdidas de presión y pérdidas de carga por rozamiento.
2. Tramos con máquinas de compresión: Se calcula la energía por unidad de masa y el trabajo de compresión.

La razón fundamental para esta separación es que la relación entre presión ($P$) y densidad ($\rho$) es diferente si el gas está siendo comprimido (transformación politrópica) o si está circulando bajo condiciones cercanas a la isotermia. Esto implica el uso de ecuaciones distintas para resolver la integral del Balance de Energía Mecánica (BEM) donde aparece la relación $P-\rho$.

Verificación de Conceptos (TEST)

A continuación, se presentan afirmaciones para verificar la comprensión de los principios:

• Las AF (Aparatos de Fluidos) de un gas se pueden calcular con un BEM.
• En un gas, la relación entre $P$ y densidad depende del tipo de transformación.
• Si hay que trabajar con un gas calentado, es mejor comprimirlo antes.
• La potencia de un ventilador se calcula como si lo que impulsara fuera un líquido. (Generalmente incorrecto, requiere consideraciones de compresibilidad).
• El NPSH disponible se puede calcular mediante un balance de energía mecánica.
• Todos los aceites vegetales tienen comportamiento newtoniano.
• La variación de energía de presión coincide con las pérdidas de energía por rozamiento si la tubería es de sección constante, horizontal y sin máquinas.
• La gráfica de Moody no se puede utilizar para régimen laminar.
• El perfil de esfuerzos cortantes es válido para cualquier régimen de circulación y comportamiento cronológico del fluido.
• En régimen laminar, el factor de fricción solo depende del número de Reynolds.
• La longitud equivalente de un accidente puede expresarse como número de diámetros y es adimensional.
• En un gas, la relación $P$ y $\rho$ luego depende del tipo de transformación.
• Las AF de un gas se pueden calcular con un BEM. (Repetida)
• El NPSH disponible aumenta si se reduce el caudal que circula actuando sobre una válvula situada en el tramo de la impulsión.