Optimización Energética en Bombas Hidráulicas y Transferencia de Calor por Convección

Comportamiento y Eficiencia de Bombas Hidráulicas y Transferencia de Calor

7. Comportamiento de Bombas Hidráulicas y Eficiencia

Indique las razones técnicas por las cuales las bombas hidráulicas tienen el comportamiento que se muestra en la siguiente figura, tanto a la izquierda como a la derecha del punto de máxima eficiencia. Esta figura ha estado disponible en su sistema SIVEDUC durante todo el semestre.

Nota: No se aceptan respuestas incompletas.

a. A la izquierda del punto de máxima eficiencia:

La bomba trabaja preferentemente para mantener la altura de descarga y genera alta presión, lo que se traduce en energía por fricción o rozamiento entre el líquido y los álabes de la bomba. El líquido termina a alta temperatura. Esta es una pérdida neta de energía que no se ha transformado en trabajo útil, lo que resulta en ineficiencia.

b. A la derecha del citado punto:

La pérdida de eficiencia está dada por el rozamiento en los ductos del piping como consecuencia de la alta velocidad que exige un alto caudal que se desplaza por el ducto. El ingreso continuo de líquido al circuito de ductos hace que el líquido no alcance una temperatura muy elevada y que el fenómeno de calentamiento no sea muy evidente. Sin embargo, este calentamiento existe y significa una pérdida neta de energía que no se transforma en trabajo útil.

8. Tipos de Energía para el Cálculo de la Potencia Mecánica de una Bomba Hidráulica

Señale usted los tres tipos de energía que debe considerar para el cálculo de la potencia mecánica de una bomba hidráulica.

Nota: No se pregunta por las pérdidas de carga mayores y menores.

Energías de:

• Presión
• Cinética
• Potencial

9. Diferencia Técnica entre Potencia Mecánica y Potencia Eléctrica de una Bomba Hidráulica

¿Qué diferencia técnica existe entre la potencia mecánica (cigüeñal) de una bomba hidráulica y la potencia eléctrica de una bomba hidráulica?

La potencia mecánica es aquella disponible para el trabajo sobre el fluido a desplazar por la bomba, y no considera el dispositivo de motrización (motor).

10. Justificación Técnica: Potencia Mecánica Inferior a Potencia Eléctrica

Justifique técnicamente la aseveración: la potencia mecánica de una bomba hidráulica es inferior a la potencia eléctrica. (2P)

Se le obsequian las ecuaciones:

W'bomba, cigüeñal = ρV'ghbomba, u / ηbomba
W'bomba, eléctrica = ρV'ghbomba, u / (ηbomba * ηmotor)

La potencia eléctrica considera la eficiencia (factor < 1) del motor eléctrico que motriza la bomba hidráulica (BH). Esta es la pérdida de energía por la vía del calor en el motor eléctrico cuyo eje motriza la BH. El cable eléctrico del inducido interno, por efecto Joule, es calentado, y los cojinetes del eje del motor son calentados por rozamiento. Esto es una pérdida de energía.

La eficiencia de la primera ecuación solo considera la eficiencia de la bomba hidráulica (BH) y no incluye el motor. Si la BH no tiene buenos ajustes, parte del agua no es impulsada y continúa en el equipo girando. A esto se debe agregar el rozamiento de los cojinetes de su eje, que produce fricción y una pérdida de energía neta por la vía del calor.

12. Eficacia de la Convección Térmica: Tierra vs. Luna

Imagine dos salas n.º 17 como aquella en que hacemos clases en esta asignatura. Una es la nuestra y la otra está en un edificio idéntico en la Luna. Sabemos que transfieren calor de acuerdo con el mecanismo de convección. Señale usted en dónde (Tierra o Luna) el mecanismo es más eficaz y por qué. Justifique su respuesta molecularmente, explicando la principal diferencia entre ambas situaciones como se hizo en clases.

R: La respuesta se basa en el mecanismo de transferencia calórica por convección de fluidos.

La fuerza de gravedad provoca en fase gaseosa un gradiente de densidad que es mayor en la superficie de los planetas y menor a medida que se aleja de la superficie. Del mismo modo, un planeta con menor fuerza de gravedad genera un gradiente menor que uno con mayor fuerza G. La Tierra tiene mayor fuerza G que la Luna y, por ende, el gradiente es mayor en la Tierra. Como consecuencia de ello, un gas que se quiera calentar con un calefactor ascenderá más rápido ante un gradiente más intenso, buscando la densidad de equilibrio (inferior a mayor altura). Las masas de gases que son sometidas a mayor temperatura (en el calefactor) aumentan su volumen manteniendo su masa y, por ende, disminuyen su densidad. Consecuencia de lo anterior, los gases calientes ascienden al encontrarse en un medio de mayor densidad (superficie). Por ello, los globos con aire caliente ascienden a mayores alturas.