Los problemas de flujo de gas cuestan a los fabricantes miles de millones al año en derroche de energía y fallos del sistema. Los ingenieros suelen aplicar los principios del flujo de líquidos a los sistemas de gas, lo que provoca errores de cálculo catastróficos. Comprender los principios del flujo de gas evita costosos errores de diseño y riesgos para la seguridad.
El principio del flujo de gas se rige por la ecuación de continuidad, la conservación del momento y la conservación de la energía, donde la velocidad, la presión, la densidad y la temperatura del gas interactúan a través de flujo compresible1 ecuaciones fundamentalmente diferentes del flujo de líquido incompresible.
Hace dos años, trabajé con una ingeniera química británica llamada Sarah Thompson cuyo sistema de distribución de gas natural experimentaba peligrosas fluctuaciones de presión. Su equipo utilizaba cálculos de flujo incompresible para el flujo de gas compresible. Tras aplicar principios de flujo de gas adecuados, eliminamos los picos de presión y redujimos el consumo de energía en 35%.
Índice
- ¿Cuáles son los principios fundamentales del flujo de gases?
- ¿En qué se diferencian las ecuaciones del flujo compresible del flujo de líquidos?
- ¿Qué factores afectan al comportamiento del flujo de gas en los sistemas industriales?
- ¿Cómo interactúan la presión, la temperatura y la velocidad en el flujo de gas?
- ¿Cuáles son los distintos tipos de regímenes de flujo de gas?
- ¿Cómo calcular y optimizar el caudal de gas en aplicaciones industriales?
- Conclusión
- Preguntas frecuentes sobre los principios del flujo de gas
¿Cuáles son los principios fundamentales del flujo de gases?
El flujo de gas se rige por tres leyes de conservación fundamentales que rigen el movimiento de todos los fluidos, pero con características únicas debidas a la compresibilidad del gas y a las variaciones de densidad.
Los principios del flujo de gases se basan en la conservación de la masa (ecuación de continuidad), la conservación del momento (segunda ley de Newton) y la conservación de la energía (primera ley de la termodinámica), modificadas para el comportamiento de los fluidos compresibles.
Conservación de la masa (ecuación de continuidad)
La ecuación de continuidad para el flujo de gas tiene en cuenta los cambios de densidad que se producen debido a las variaciones de presión y temperatura, a diferencia de los líquidos incompresibles.
Ecuación de continuidad del flujo de gas:
∂ρ/∂t + ∇-(ρV) = 0
Para un flujo constante: ρ₁A₁V₁ = ρ₂A₂V₂
Dónde:
- ρ = Densidad del gas (varía con la presión y la temperatura)
- A = Superficie de la sección transversal
- V = Velocidad del gas
- t = Tiempo
Implicaciones clave:
- La densidad del gas cambia con la presión y la temperatura
- El caudal másico permanece constante en flujo continuo
- La velocidad aumenta al disminuir la densidad
- Los cambios de área afectan tanto a la velocidad como a la densidad
Conservación del impulso
La conservación del momento en el flujo de gas considera las fuerzas de presión, las fuerzas viscosas y las fuerzas del cuerpo que actúan sobre el fluido compresible.
Ecuación del momento (Navier-Stokes2):
ρ(∂V/∂t + V-∇V) = -∇p + μ∇²V + ρg
Para aplicaciones de flujo de gas:
- El término de gradiente de presión domina en el flujo de alta velocidad
- Efectos viscosos importantes cerca de las paredes y en flujo laminar
- Los efectos de la compresibilidad se vuelven significativos por encima de Mach 0,3
Conservación de la energía
La conservación de la energía para el flujo de gas incluye la energía cinética, la energía potencial, la energía interna y el trabajo de flujo, teniendo en cuenta los cambios de temperatura debidos a la compresión y la expansión.
Ecuación energética:
h + V²/2 + gz = constante (a lo largo de streamline)
Dónde:
- h = entalpía específica (incluye la energía interna y el trabajo de flujo)
- V²/2 = Energía cinética por unidad de masa
- gz = Energía potencial por unidad de masa
Consideraciones energéticas:
| Forma de energía | Impacto del flujo de gas | Magnitud típica |
|---|---|---|
| Energía cinética | Significativo a altas velocidades | V²/2 |
| Energía de presión | Dominante en la mayoría de las aplicaciones | p/ρ |
| Energía interna | Cambios con la temperatura | CᵥT |
| Flujo de trabajo | Necesario para el movimiento del gas | pv |
Ecuación de Estado
El flujo de gas requiere una ecuación de estado que relacione presión, densidad y temperatura, normalmente la ley del gas ideal para la mayoría de las aplicaciones industriales.
Ley de los gases ideales:
p = ρRT
Dónde:
- p = Presión absoluta
- ρ = Densidad del gas
- R = Constante específica de los gases
- T = Temperatura absoluta
Para los gases reales, pueden ser necesarias ecuaciones de estado más complejas, como las ecuaciones de van der Waals o Redlich-Kwong.
¿En qué se diferencian las ecuaciones del flujo compresible del flujo de líquidos?
El flujo de gas compresible muestra un comportamiento fundamentalmente diferente del flujo de líquido incompresible, lo que requiere métodos de análisis y consideraciones de diseño especializados.
El flujo compresible se diferencia por las variaciones de densidad, las limitaciones de velocidad sónica, la formación de ondas de choque y el acoplamiento temperatura-presión que no se producen en los sistemas de flujo de líquidos incompresibles.
Efectos de la variación de la densidad
La densidad del gas cambia significativamente con la presión y la temperatura, lo que afecta a los patrones de flujo, las distribuciones de velocidad y los requisitos de diseño del sistema.
Impactos del cambio de densidad:
- Velocidad Aceleración: El gas se acelera al expandirse
- Caída de presión: Relaciones no lineales presión-caudal
- Efectos de la temperatura: Densidad inversamente proporcional a la temperatura
- Flujo obstruido: Limitaciones de caudal máximo
Velocidad sónica y número Mach
El comportamiento del flujo de gas cambia drásticamente a medida que la velocidad se aproxima a la del sonido, lo que crea limitaciones de diseño críticas que no están presentes en los sistemas líquidos.
Cálculo de la velocidad sónica:
a = √(γRT)
Dónde:
- a = Velocidad del sonido en el gas
- γ = Relación de calor específico (Cp/Cv)
- R = Constante específica de los gases
- T = Temperatura absoluta
Número Mach3 Importancia:
M = V/a (Relación entre velocidad y velocidad sónica)
| Alcance Mach | Régimen de caudal | Características |
|---|---|---|
| M < 0.3 | Incompresible | Densidad esencialmente constante |
| 0.3 < M < 1.0 | Compresible subsónico | Cambios significativos en la densidad |
| M = 1.0 | Sónico | Condiciones críticas de flujo |
| M > 1.0 | Supersonic | Posibles ondas de choque |
Fenómeno de flujo estrangulado
Flujo obstruido4 se produce cuando la velocidad del gas alcanza condiciones sónicas, limitando el caudal máximo independientemente de la reducción de presión aguas abajo.
Condiciones de flujo estrangulado:
- Caudal másico máximo alcanzado
- Los cambios de presión aguas abajo no afectan al caudal aguas arriba
- Relación de presión crítica: p₂/p₁ ≈ 0,53 para el aire.
- Común en boquillas, orificios y válvulas de control
Acoplamiento temperatura-presión
El flujo de gas implica cambios significativos de temperatura debido a la expansión y compresión, lo que afecta al rendimiento y diseño del sistema.
Procesos termodinámicos:
- Flujo isoentrópico: Proceso adiabático reversible
- Flujo isotérmico: Temperatura constante (flujo lento con transferencia de calor)
- Flujo adiabático: No hay transferencia de calor (flujo rápido)
- Flujo politrópico: Caso general con transferencia de calor
¿Qué factores afectan al comportamiento del flujo de gas en los sistemas industriales?
Múltiples factores influyen en el comportamiento del flujo de gas en aplicaciones industriales, lo que requiere un análisis exhaustivo para un diseño y funcionamiento adecuados del sistema.
Entre los factores clave se incluyen las propiedades del gas, la geometría del sistema, las condiciones de funcionamiento, los efectos de la transferencia de calor y la fricción de la pared que, en conjunto, determinan los patrones de flujo, las caídas de presión y el rendimiento del sistema.
Propiedades del gas Impacto
Los distintos gases presentan características de flujo variables en función de sus propiedades moleculares, relaciones de calor específico y comportamiento termodinámico.
Propiedades críticas de los gases:
| Propiedad | Símbolo | Impacto en el flujo | Valores típicos |
|---|---|---|---|
| Relación de calor específico | γ | Velocidad sónica, expansión | 1,4 (aire), 1,3 (CO₂) |
| Constante de gas | R | Relación densidad-presión | 287 J/kg-K (aire) |
| Viscosidad | μ | Pérdidas por fricción | 1,8×10-⁵ Pa-s (aire) |
| Peso molecular | M | Densidad en condiciones dadas | 29 kg/kmol (aire) |
Efectos de la geometría del sistema
Los cambios en el diámetro, la longitud, los accesorios y el área de flujo de las tuberías afectan significativamente a los patrones de flujo de gas y a las pérdidas de presión.
Consideraciones geométricas:
- Diámetro del tubo: Afecta a la velocidad y a las pérdidas por fricción
- Longitud: Determina la pérdida de carga total por fricción
- Cambios de área: Crear efectos de aceleración/deceleración
- Accesorios: Causan pérdidas de presión locales
- Rugosidad superficial: Influencia del factor de fricción
Presión y temperatura de funcionamiento
Las condiciones de funcionamiento del sistema afectan directamente a la densidad del gas, la viscosidad y el comportamiento del flujo a través de relaciones termodinámicas.
Efectos de las condiciones de funcionamiento:
- Alta presión: Aumenta la densidad, reduce los efectos de la compresibilidad
- Baja presión: Disminuye la densidad, aumenta la velocidad
- Alta temperatura: Reduce la densidad, aumenta la velocidad sónica
- Baja temperatura: Aumenta la densidad, puede provocar condensación
Efectos de la transferencia de calor
La adición o eliminación de calor durante el flujo de gas afecta significativamente a las distribuciones de temperatura, densidad y presión.
Escenarios de transferencia de calor:
- Calefacción: Aumenta la temperatura, reduce la densidad, acelera el flujo
- Refrigeración: Disminuye la temperatura, aumenta la densidad, desacelera el flujo
- Adiabático: No hay transferencia de calor, los cambios de temperatura se deben a la expansión/compresión.
- Isotérmico: Temperatura constante mantenida mediante transferencia de calor
Impacto por fricción en la pared
La fricción entre el gas y las paredes de la tubería genera pérdidas de presión y afecta a los perfiles de velocidad, algo especialmente importante en tuberías largas.
Cálculo de las pérdidas por fricción:
Δp = f × (L/D) × (ρV²/2)
Dónde:
- f = Factor de fricción (función del número de Reynolds y de la rugosidad)
- L = Longitud del tubo
- D = Diámetro del tubo
- ρ = Densidad del gas
- V = Velocidad del gas
¿Cómo interactúan la presión, la temperatura y la velocidad en el flujo de gas?
La interacción entre presión, temperatura y velocidad en el flujo de gas crea relaciones complejas que deben comprenderse para un diseño y análisis adecuados del sistema.
Las interacciones del flujo de gas siguen relaciones termodinámicas en las que los cambios de presión afectan a la temperatura y la densidad, los cambios de velocidad afectan a la presión a través de los efectos del momento y los cambios de temperatura afectan a todas las demás propiedades a través de la ecuación de estado.
Relaciones presión-velocidad
La velocidad y la presión del gas están inversamente relacionadas mediante la ecuación de Bernoulli modificada para el flujo compresible, lo que crea retos de diseño únicos.
Ecuación de Bernoulli modificada para el flujo de gases:
∫dp/ρ + V²/2 + gz = constante
Para gas ideal: γ/(γ-1) × (p/ρ) + V²/2 = constante
Efectos presión-velocidad:
- Caída de presión: Provoca un aumento de la velocidad debido a la expansión del gas
- Aumento de la velocidad: Puede causar una caída de presión adicional por efecto del momento
- Aceleración: Se produce de forma natural a medida que el gas se expande por el sistema
- Desaceleración: Requiere aumento de presión o ampliación de superficie
Acoplamiento temperatura-velocidad
La temperatura y la velocidad del gas se acoplan a través de la conservación de la energía, y los cambios de temperatura afectan a las propiedades del gas y al comportamiento del flujo.
Relaciones temperatura-velocidad:
T₀ = T + V²/(2Cp)
Dónde:
- T₀ = Temperatura de estancamiento (total).
- T = Temperatura estática
- V = Velocidad del gas
- Cp = Calor específico a presión constante
Implicaciones prácticas:
- El flujo de gas a alta velocidad reduce la temperatura estática
- La temperatura de estancamiento permanece constante en flujo adiabático
- Los cambios de temperatura afectan a la densidad y viscosidad del gas
- El enfriamiento puede provocar condensación en algunos gases
Efectos presión-temperatura
La presión y la temperatura interactúan a través de la ecuación de estado y los procesos termodinámicos, afectando a la densidad del gas y a las características del flujo.
Relaciones termodinámicas de proceso:
| Tipo de proceso | Relación presión-temperatura | Aplicación |
|---|---|---|
| Isentrópico | p/p₀ = (T/T₀)^(γ/(γ-1)) | Boquillas, difusores |
| Isotérmico | pV = constante, T = constante | Flujo lento con transferencia de calor |
| Isobárico | p = constante | Calentamiento a presión constante |
| Isochoric | V = constante | Calefacción de volumen constante |
Variaciones de densidad
La densidad del gas varía con la presión y la temperatura según la ley de los gases ideales, lo que crea un comportamiento de flujo complejo.
Cálculo de la densidad:
ρ = p/(RT)
Efectos de la densidad en el flujo:
- Alta densidad: Menor velocidad para un caudal másico dado
- Baja densidad: Mayor velocidad, posibles efectos de compresibilidad
- Gradientes de densidad: Crea efectos de flotabilidad y mezcla
- Cambios de densidad: Afectar a la transferencia de momento y energía
Hace poco ayudé a un ingeniero de gas natural estadounidense llamado Robert Chen, en Texas, a optimizar su sistema de gasoductos. Al tener debidamente en cuenta las interacciones temperatura-presión-velocidad, redujimos la energía de bombeo en 28% y aumentamos la capacidad de caudal en 15%.
¿Cuáles son los distintos tipos de regímenes de flujo de gas?
El flujo de gas presenta diferentes regímenes en función de la velocidad, las condiciones de presión y la geometría del sistema, cada uno de los cuales requiere métodos de análisis y consideraciones de diseño específicos.
Los regímenes de flujo de gas incluyen el flujo laminar, turbulento, subsónico, sónico y supersónico, cada uno caracterizado por diferentes perfiles de velocidad, relaciones de presión y características de transferencia de calor.
Flujo laminar frente a turbulento
Las transiciones del flujo de gas de laminar a turbulento se basan en Número de Reynolds5que afectan a las pérdidas de presión, la transferencia de calor y las características de mezcla.
Número de Reynolds para flujo de gas:
Re = ρVD/μ
Dónde:
- ρ = Densidad del gas (varía con la presión y la temperatura)
- V = Velocidad media
- D = Diámetro del tubo
- μ = Viscosidad dinámica
Clasificaciones de los regímenes de flujo:
| Número Reynolds | Régimen de caudal | Características |
|---|---|---|
| Re < 2300 | Laminar | Flujo suave y predecible |
| 2300 < Re < 4000 | Transición | Comportamiento inestable y mixto |
| Re > 4000 | Turbulento | Mezcla caótica y mejorada |
Régimen de flujo subsónico
El flujo subsónico se produce cuando la velocidad del gas es inferior a la velocidad local del sonido, lo que permite que las perturbaciones de presión se propaguen aguas arriba.
Características del flujo subsónico:
- Número Mach: M < 1.0
- Propagación de la presión: Las perturbaciones se desplazan río arriba
- Control de caudal: Las condiciones aguas abajo afectan a todo el sistema
- Cambios de densidad: Variaciones moderadas y previsibles
- Flexibilidad de diseño: Múltiples soluciones posibles
Aplicaciones de flujo subsónico:
- La mayoría de los sistemas industriales de distribución de gas
- Sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado
- Sistemas neumáticos de baja presión
- Equipos para procesos químicos
- Tratamiento de gases de centrales eléctricas
Flujo sónico (flujo estrangulado)
El flujo sónico se produce cuando la velocidad del gas es igual a la velocidad local del sonido, lo que crea condiciones de flujo críticas con características únicas.
Propiedades de flujo sónico:
- Número Mach: M = 1,0 exactamente
- Caudal másico máximo: No se puede superar
- Independencia de la presión: La presión aguas abajo no afecta al caudal
- Relación de presión crítica: Normalmente alrededor de 0,53 para el aire
- Efectos de la temperatura: Descenso significativo de la temperatura
Aplicaciones de flujo sónico:
- Toberas de turbinas de gas
- Válvulas de seguridad
- Dispositivos de medición de caudal
- Toberas de motores de cohetes
- Reguladores de gas de alta presión
Régimen de flujo supersónico
El flujo supersónico se produce cuando la velocidad del gas supera la del sonido, creando ondas de choque y fenómenos de flujo únicos.
Características del flujo supersónico:
- Número Mach: M > 1.0
- Ondas de choque: Cambios bruscos de presión y temperatura
- Dirección del caudal: La información no puede viajar río arriba
- Ondas expansivas: Reducciones de presión suaves
- Complejidad del diseño: Requiere un análisis especializado
Tipos de ondas de choque:
| Tipo de choque | Características | Aplicaciones |
|---|---|---|
| Choque normal | Perpendicular al flujo | Difusores, entradas |
| Choque oblicuo | En ángulo con la dirección del flujo | Aviones supersónicos |
| Ventilador de expansión | Reducción gradual de la presión | Diseño de la boquilla |
Flujo hipersónico
El flujo hipersónico se produce a números de Mach muy altos (normalmente M > 5), donde los efectos adicionales adquieren importancia.
Efectos hipersónicos:
- Efectos reales del gas: Se rompe la ley de los gases ideales
- Reacciones químicas: Disociación e ionización
- Transferencia de calor: Efectos de calentamiento extremos
- Efectos viscosos: Interacciones de la capa límite
¿Cómo calcular y optimizar el caudal de gas en aplicaciones industriales?
Los cálculos del flujo de gas requieren métodos especializados que tengan en cuenta los efectos de la compresibilidad, mientras que la optimización se centra en minimizar el consumo de energía y maximizar el rendimiento del sistema.
Los cálculos del flujo de gas utilizan ecuaciones de flujo compresible, correlaciones del factor de fricción y relaciones termodinámicas, mientras que la optimización implica el dimensionamiento de las tuberías, la selección del nivel de presión y la configuración del sistema para minimizar los costes energéticos.
Cálculos básicos del caudal de gas
Los cálculos del flujo de gas parten de ecuaciones fundamentales modificadas para tener en cuenta los efectos del flujo compresible y las propiedades reales del gas.
Cálculo del caudal másico:
ṁ = ρAV = (p/RT)AV
Para flujo estrangulado a través de un orificio:
ṁ = CdA√(γρp)[2/(γ+1)]^((γ+1)/(2(γ-1))
Dónde:
- Cd = Coeficiente de descarga
- A = Área de orificio
- γ = Relación de calor específico
- ρ = Densidad aguas arriba
- p = Presión aguas arriba
Cálculos de pérdida de carga
Los cálculos de caída de presión para el flujo de gas deben tener en cuenta los efectos de aceleración debidos a la expansión del gas, además de las pérdidas por fricción.
Componentes de la caída de presión total:
- Pérdida de carga por fricción: Debido al esfuerzo cortante de la pared
- Aceleración Pérdida de carga: Debido al aumento de la velocidad
- Elevación Pérdida de carga: Debido a los efectos gravitatorios
- Pérdida de carga del racor: Debido a perturbaciones del flujo
Fórmula de pérdida de carga por fricción:
Δpf = f(L/D)(ρV²/2)
Caída de presión de aceleración:
Δpa = ρ₂V₂² - ρ₁V₁² (para cambios de zona)
Análisis del flujo de tuberías
El análisis de tuberías largas requiere cálculos iterativos debido a los cambios en las propiedades del gas a lo largo de la tubería.
Pasos del cálculo de tuberías:
- Oleoducto Divide: En segmentos con propiedades constantes
- Calcular propiedades de segmento: Presión, temperatura, densidad
- Determinar el régimen de caudal: Laminar o turbulento
- Calcular la pérdida de carga: Para cada segmento
- Actualizar propiedades: Para el siguiente segmento
- Iterar: Hasta alcanzar la convergencia
Ecuación simplificada de la tubería:
p₁² - p₂² = (fLṁ²RT)/(A²Dρ₀)
Dónde:
- p₁, p₂ = Presiones de entrada y salida.
- f = Factor de fricción medio
- L = Longitud de la tubería
- ṁ = Caudal másico
- R = Constante del gas
- T = Temperatura media
- A = Superficie de la tubería
- D = Diámetro del tubo
- ρ₀ = Densidad de referencia
Estrategias de optimización del sistema
La optimización del sistema de flujo de gas equilibra los costes de capital, los costes operativos y los requisitos de rendimiento para lograr un coste mínimo del ciclo de vida.
Parámetros de optimización:
| Parámetro | Impacto en el sistema | Estrategia de optimización |
|---|---|---|
| Diámetro del tubo | Coste de capital frente a caída de presión | Cálculo económico del diámetro |
| Presión de funcionamiento | Coste de compresión frente a coste de tubería | Optimización del nivel de presión |
| Escalonamiento del compresor | Eficacia frente a complejidad | Optimización del número de etapas |
| Tamaño del intercambiador de calor | Recuperación de calor frente a coste de capital | Intercambio de calor económico |
Dimensionamiento económico de tuberías
El dimensionado económico de las tuberías equilibra el coste de capital de las tuberías con los costes de energía de bombeo a lo largo de la vida útil del sistema.
Fórmula del diámetro económico:
D_económico = K(ṁ/ρ)^0,37
Donde K depende de:
- Coste de la energía
- Coste de las tuberías
- Vida útil del sistema
- Tipo de interés
- Horas de funcionamiento al año
Medición y control del caudal
La medición y el control precisos del flujo de gas exigen comprender los efectos del flujo compresible en los dispositivos de medición.
Consideraciones sobre la medición del caudal:
- Placas de orificio: Requiere correcciones de compresibilidad
- Medidores Venturi: Menos sensible a la compresibilidad
- Contadores de turbina: Se ve afectado por los cambios de densidad del gas
- Medidores ultrasónicos: Requiere compensación de temperatura
- Medidores Coriolis: Medición directa del caudal másico
Dinámica de fluidos computacional (CFD)
Los sistemas complejos de flujo de gas se benefician del análisis CFD para optimizar el rendimiento y predecir el comportamiento en distintas condiciones de funcionamiento.
Aplicaciones CFD:
- Geometrías complejas: Formas y accesorios irregulares
- Transferencia de calor: Análisis térmico y de flujo combinado
- Análisis de mezclas: Variaciones en la composición de los gases
- Optimización: Estudios de los parámetros de diseño
- Solución de problemas: Identificar los problemas de flujo
Hace poco trabajé con un ingeniero petroquímico canadiense llamado David Wilson en Alberta cuya planta de procesamiento de gas experimentaba problemas de eficiencia. Utilizando análisis CFD combinados con cálculos adecuados del flujo de gas, identificamos zonas de recirculación que estaban causando un derroche de energía de 20%. Tras introducir modificaciones en el diseño, el consumo de energía se redujo en 18%, al tiempo que aumentaba la capacidad de procesamiento.
Conclusión
Los principios del flujo de gases rigen el comportamiento de los fluidos compresibles mediante leyes de conservación modificadas para tener en cuenta las variaciones de densidad, lo que requiere métodos de análisis especializados que tengan en cuenta las interacciones presión-temperatura-velocidad y los efectos de la compresibilidad, fundamentalmente diferentes de los sistemas de flujo de líquidos.
Preguntas frecuentes sobre los principios del flujo de gas
¿Cuál es el principio fundamental del flujo de gases?
El flujo de gas funciona según la conservación de la masa, el momento y la energía, modificada para el comportamiento de fluidos compresibles en los que la densidad del gas varía con la presión y la temperatura, creando interacciones velocidad-presión-temperatura.
¿En qué se diferencia el flujo de gases del flujo de líquidos?
El flujo de gas implica cambios significativos de densidad, limitaciones sónicas de velocidad, acoplamiento de temperatura-presión y fenómenos de flujo estrangulado que no se producen en los sistemas de flujo de líquidos incompresibles.
¿Qué es el flujo estrangulado en los sistemas de gas?
El flujo estrangulado se produce cuando la velocidad del gas alcanza condiciones sónicas (Mach = 1,0), limitando el caudal másico máximo independientemente de la reducción de presión aguas abajo, lo que suele ocurrir en toberas y válvulas de control.
¿Cómo se calcula el caudal de gas?
El cálculo del caudal de gas utiliza la ecuación ṁ = ρAV, en la que la densidad varía con la presión y la temperatura según la ley de los gases ideales, lo que requiere soluciones iterativas para sistemas complejos.
¿Qué factores afectan al comportamiento del flujo de gas?
Los factores clave son las propiedades del gas (peso molecular, relación de calor específico), la geometría del sistema (diámetro de la tubería, accesorios), las condiciones de funcionamiento (presión, temperatura) y los efectos de la transferencia de calor.
¿Por qué es importante el número de Mach en el flujo de gases?
El número Mach (velocidad/velocidad sónica) determina las características del régimen de flujo: el flujo subsónico (M1) genera ondas de choque.
-
Explica la diferencia fundamental entre el flujo compresible, en el que la densidad del fluido cambia significativamente con la presión, y el flujo incompresible, en el que la densidad se supone constante, una distinción clave entre la dinámica de gases y líquidos. ↩
-
Proporciona una visión general de las ecuaciones de Navier-Stokes, un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales que son la base de la mecánica de fluidos, describiendo el movimiento de sustancias fluidas viscosas basadas en la conservación del momento. ↩
-
Ofrece una definición detallada del número de Mach, una magnitud adimensional de la dinámica de fluidos que representa la relación entre la velocidad del flujo a su paso por una frontera y la velocidad local del sonido, y que se utiliza para clasificar los regímenes de flujo. ↩
-
Describe el fenómeno del flujo estrangulado, una condición límite en el flujo compresible en la que el caudal másico no aumentará con una mayor disminución de la presión aguas abajo, ya que la velocidad en el punto más estrecho ha alcanzado la velocidad del sonido. ↩
-
Explica el número de Reynolds, una magnitud adimensional crucial en mecánica de fluidos que se utiliza para predecir patrones de flujo, ayudando a distinguir entre regímenes de flujo laminar (suave) y turbulento (caótico). ↩
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