Conceptos Fundamentales y Cálculos en Flujo de Fluidos

Notas Introductorias

Trabajaremos con el fluido en régimen estacionario.

Consideraremos presiones relativas o absolutas según el contexto, especificando siempre cuál se utiliza y por qué.

Balance de Masas

En un volumen de control sin generación ni pérdida de masa, la masa por unidad de tiempo que entra es igual a la que sale. Por tanto, el caudal volumétrico que atraviesa la superficie de entrada es igual al que atraviesa la superficie de salida.

Balance de Energía

Para la resolución de ejercicios, aplicaremos un balance de energía. El volumen de control se definirá específicamente para cada caso (desde… hasta…).

Ejemplo de Ecuación de Balance de Energía:

H_entrada = H_salida + H_accesorios + H_fricción

También pueden existir pérdidas secundarias: H_secundarias = x * H_fricción

Componentes de la Energía (Medida en metros de columna de fluido)

• H: Energía total en un punto dado.
• a) Energía de presión (m)
• b) Energía de cota (m)
• c) Energía cinética (m)

Definiciones Clave

• P: Presión en un punto. Indicar si se trabaja con presiones relativas o absolutas y justificar la elección.
• Peso específico (γ): Peso del fluido por unidad de volumen (ej. para agua).
• V_depósito: Velocidad de vaciado del depósito. Si el depósito es lo suficientemente grande, esta velocidad puede despreciarse.

Pérdidas de Carga

• H_fricción (Hr): Pérdidas de carga en el tramo de tubería debido a la fricción.
• f: Coeficiente de fricción.
• H_accesorios (Hacc): Pérdidas de carga debido a accesorios (codos, válvulas, etc.).
• K: Coeficiente de pérdidas de cada accesorio. Si no se dispone de K, se puede usar un diagrama para obtener una longitud equivalente que se suma a la longitud utilizada para calcular H_fricción.
• H_salida (Hsal): Energía existente en la salida, a menudo considerada como pérdidas de carga a la salida.

Procedimiento Iterativo

Normalmente, en el primer balance de energía se supone un coeficiente de fricción inicial (ej. f=0,015) para calcular un primer caudal. Este caudal permite, usando la ecuación pertinente (ej. Colebrook-White o Moody), determinar el coeficiente de fricción real (f_real). Con f_real, se realiza un nuevo balance de energía para obtener el caudal definitivo que circula por la instalación.

Problemas con Bifurcaciones

En instalaciones con 3 depósitos y una bifurcación, existen 3 tramos con caudales diferentes. Hay dos enfoques principales para resolverlos:

1. Enfoque 1: Suponer que un depósito reparte a los otros dos. Caudales: Q1 (tramo 1), αQ1 (tramo 2), (1-α)Q1 (tramo 3).
2. Enfoque 2: Suponer que dos depósitos reparten a un tercero. Balance de caudales en la bifurcación: Q1 + Q2 = Q3.

Se pueden aplicar balances de energía entre diferentes puntos: desde un depósito a otro, o desde cualquiera de los depósitos a la bifurcación.

Cavitación

Se estudiará el fenómeno de cavitación en la instalación.

La cavitación ocurre cuando un líquido fluye por una región donde la presión desciende por debajo de su presión de vapor (presión de saturación). Esto provoca que el fluido se evapore parcialmente, formando burbujas de vapor. Las causas pueden incluir aumentos de cota, aceleración del fluido o pérdidas de carga elevadas.

Estas burbujas son transportadas hasta una zona de mayor presión, donde colapsan súbitamente al condensarse el vapor. Este colapso genera sobrepresiones localizadas que pueden dañar el material de la tubería y causar vibraciones. La cavitación debe evitarse.

Según la ecuación de Bernoulli, si la velocidad se mantiene constante y la cota aumenta, la presión disminuye. Por ello, el punto más crítico para la cavitación suele ser el punto más alto y alejado del inicio de la instalación, ya que es donde la presión es mínima.

Habrá cavitación si la presión en el punto (P_punto) es menor que la presión de saturación (P_saturación o P_vapor) a la temperatura de trabajo (consultar Tabla 4).

Soluciones para Evitar la Cavitación

1. Aumentar el diámetro de la tubería: Reduce significativamente las pérdidas de carga y la velocidad.
2. Disminuir el caudal: Reduce las pérdidas de carga y la velocidad.
3. Acortar la tubería o aumentar la pendiente: Reduce las pérdidas de carga totales.

Impacto de una Válvula Abierta en la Cavitación

Si una válvula está completamente abierta, las pérdidas de carga asociadas a ella son mínimas. Esto generalmente resulta en un caudal mayor a través de la instalación. Un caudal mayor incrementa las pérdidas de carga por fricción en la tubería (H_fricción) y potencialmente otras pérdidas. El aumento total de las pérdidas de carga puede llevar a una mayor disminución de la presión en ciertos puntos, aumentando así la probabilidad de cavitación, incluso más que si la válvula estuviera parcialmente cerrada.