Conceptos Fundamentales de Fluidos en Tecnología Industrial: Flujo, Presión y Fenómenos Clave

Tipos Fundamentales de Flujo de Fluidos

El flujo de fluidos puede clasificarse en dos categorías principales:

• Flujo Laminar

  Flujo caracterizado por un movimiento suave y ordenado de las partículas, con esfuerzos cortantes viscosos significativos. Si se inyectara un colorante, el flujo no se mezclaría con el fluido cercano excepto por difusión molecular, conservando su identidad durante un periodo de tiempo relativamente largo.

• Flujo Turbulento

  El flujo varía irregularmente, de modo que sus cantidades muestran una variación aleatoria. Un colorante inyectado en él se mezclará inmediatamente debido al movimiento aleatorio de sus partículas.

Conceptos Clave de Presión en Fluidos

Presión Estática

Es la presión P, generalmente expresada como presión manométrica, que ejerce un fluido en reposo o en movimiento sobre una superficie paralela a la dirección del flujo.

Presión Dinámica

Cuando los fluidos se mueven en un conducto, la inercia del movimiento genera un incremento adicional de la presión estática al impactar sobre un área perpendicular a la dirección del flujo. Esta fuerza se manifiesta como la presión dinámica, la cual depende de la velocidad y la densidad del fluido.

Presión Total

También conocida como presión de estancamiento, es la presión que existe en un punto de estancamiento, donde la velocidad del fluido se reduce a cero.

Medición de Caudal con Tubo de Pitot

El tubo de Pitot relaciona el caudal con la diferencia entre la presión dinámica (que incluye la presión estática más la "altura de velocidad") y la presión estática. El orificio central corresponde a la toma de presión dinámica y los orificios laterales a la toma de presión estática. Su uso está particularmente difundido en aquellos casos en que no se aceptan pérdidas de carga en la instalación.

Cabe destacar que el caudal se obtiene a partir de la velocidad y la sección transversal de la tubería, y la medición de la diferencia de presiones proporciona información sobre la velocidad en el punto de medición. No obstante, dicha velocidad solo será representativa del caudal total si la velocidad es constante en toda la sección transversal.

El Hidrómetro: Principio y Uso

Un hidrómetro es un instrumento diseñado para determinar la densidad relativa de los líquidos sin necesidad de calcular previamente su masa y volumen. Normalmente, está hecho de vidrio y consiste en un cilindro hueco con un bulbo pesado en su extremo para que pueda flotar en posición vertical.

El densímetro se introduce gradualmente en el líquido para que flote libremente. A continuación, se observa en la escala el punto en el que la superficie del líquido toca el cilindro del hidrómetro. Generalmente, los hidrómetros incorporan una escala de papel interna que permite leer directamente la densidad específica, expresada comúnmente en gramos por centímetro cúbico.

Su funcionamiento se basa en el principio de flotación. Cuando se sumerge en agua pura a una temperatura estándar, la lectura es 1.0.

Cavitación: Fenómeno y Prevención

La cavitación es un fenómeno que ocurre por una caída brusca de la presión de un fluido por debajo de su presión de vapor. Esto puede deberse a cambios abruptos en la velocidad del flujo o a un efecto de vacío parcial, comúnmente observado en columnas de fluido extensas, como en el caso de las bombas.

Esta disminución de presión provoca la formación de burbujas de vapor. Estas burbujas viajan con el fluido hasta que, en otro punto, la presión se restituye, causando una condensación súbita del vapor y generando una implosión. Los elementos que sufren el mayor deterioro por este fenómeno incluyen hélices, bombas, turbinas de generación hidroeléctrica y timones de barcos, entre otros.

Evitar la cavitación no siempre es sencillo, ya que en muchos casos el control del medio líquido es limitado. Para mitigarla, se suelen modificar las geometrías de los componentes y/o realizar un dimensionamiento cuidadoso de los equipos involucrados.

Ecuación de Bernoulli vs. Ecuación de la Energía

La Ecuación de Bernoulli deriva de la segunda ley de Newton y es válida a lo largo de una línea de corriente. En cambio, la Ecuación de la Energía deriva directamente del primer principio de la Termodinámica y es válida entre dos secciones de un flujo de fluido.