Viscosidad, Fluidos y Flujos: Conceptos y Características

Viscosidad

Viscosidad: según Newton => es el esfuerzo necesario para hacer deslizar una capa líquida sobre otra, entre las cuales no hay lubricación.

Fluidos

Fluidos: * Ideales => son aquellos que no tienen viscosidad. Aparecen a T° bajas; solamente en superfluidos.

* No ideales => Tienen viscosidad; dependiendo de ésta, fluyen a mayor o menor velocidad. La viscosidad está en relación con la densidad. La posición de sus moléculas puede cambiar continuamente.

Fluidos

Fluidos: * Newtonianos => aquellos cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo; solo depende de la T°. Sometido a un esfuerzo tangencial o cortante, se deforma con una velocidad directamente proporcional al esfuerzo aplicado.

* No newtonianos => En estos; el esfuerzo de corte no es directamente proporcional a la deformación.

Flujos

Flujos: * Laminar => Las partículas se desplazan en forma de capas o láminas. Gradiente de velocidad, bajo / Fuerza de fricción < fuerza de inercia. Las partículas se desplazan pero no rotan, o lo hacen pero con poca energía. Las partículas siguen una trayectoria definida.

* Turbulento => Al aumentar el gradiente de velocidad... Se incrementa la fricción entre partículas vecinas del fluido; éstas adquieren energía de rotación apreciable, la viscosidad pierde su efecto, y (debido a la rotación) las partículas cambian su trayectoria. La acción de viscosidad es despreciable - las partículas se mueven en forma errática chocándose entre sí porque poseen energía de rotación. Las partículas NO se mueven siguiendo trayectorias definidas.

N° de Reynolds (Re)

Parámetro adimensional. Su valor indica si el flujo sigue un modelo "turbulento" o "laminar". Éste depende de la "μ" del fluido; al "Φ" de la tubería; y a la "μ" cinemática o en su defecto "δ" y "μ" dinámica.

En tubería circular se considera:

*Re<>-->flujo laminar/Re>4000-->fluido turbulento

*23004000-->zona de transición (de laminar a turbulento).

Factor de Fricción de Fanning (∫)

Es la relación entre el esfuerzo cortante y el producto de la δ y la H de velocidades.

Conociendo las dimensiones de una cañería (D y L) como la velocidad del fluido y el factor ∫; podemos calcular la Hft (Pérdida de carga total). El factor ∫ depende del N°Re.

Rugosidad (K): Se debe a las asperezas de un contorno sólido.

* Rugosidad absoluta = es la altura de las asperezas.

* Rugosidad Relativa = (p/ cañerías - K/ dint.)

Superficie Propiamente Rugosa: Cuando las asperezas tienen pequeña longitud de onda y gran amplitud. [Ej: paredes de cemento - de fundición - de acero corrugado]

Superficies Onduladas: Cuando las asperezas son muy graduales; con gran longitud y poca amplitud. [Ej: paredes de aceros - asfaltadas]

Diagrama de Moody: representación gráfica del "factor de fricción"; en función del N°Re y la rugosidad relativa (de una tubería).

Caudalímetros: son instrumentos de medida. Sirven para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido, o para la medición del gasto masico.

Clasificación: * De carga variable: en estos existe una variación de la velocidad del fluido a través de una sección constante. Se genera un ΔPr variable en función de la velocidad del fluido.

* De área variable:

* De corriente de flujo: están formados por un dispositivo que gira con una velocidad determinada según la velocidad del fluido. [Ej. Anemómetro de paleta]

* De Desplazamiento (+): basados en movimiento interno de engranajes, que poseen un cierto volumen; se van contando a medida que giran estas partes. Parecidos a las bombas de desplazamiento (+), solo que se diferencian por su finalidad.

* Ultrasónicos: no poseen partes móviles. Utilizan el desplazamiento "Doppler".

* Electromagnéticos: se basan en la ley de Faraday. El voltaje generado (en un campo magnético) es proporcional a la velocidad de flujo del fluido.

Unidad 2

Número de Catálogo o schedule: es el número que expresa el calibre o espesor de una pared de "cañería". Para Cañería se tiene schedule o cédula. Para tubos, su espesor se define por número de calibre "BWG" (Birmingham Wire Gage).

Bombas: Dispositivos que suministran energía mecánica o altura de carga (Δh) a un líquido, para hacerlo fluir o elevarlo a un nivel superior.

Clasificación:

AlternativasDiafragma-pistón-émbolo

De desplazamiento(+)↕

↑RotativasPeristálticasRootEngranajes

↑

Bombas

↓

↓Perisféricas

Cinéticas↕→Centrífugas (Flujo Axial-Radial-Mixto)

Especiales Jet - Ariete- Electromagnéticas

Características Generales:

* Bombas Centrífugas: trabajan a altas velocidades (convierten dicha Vel. en Pr.)//Menor eficacia que las BD+, pero al operar a altas velocidades, permiten mayor caudal; en relación al tamaño físico.//Requieren de menor mantenimiento que las BD+, por no tener partes móviles.

* BD(+): Operan forzando un volumen fijo de líquido (desde la zona de entrada a la de descarga) en forma intermitente.//Son más grandes que las centrífugas, para una misma capacidad o caudal.//Requieren mantenimiento, por sus partes móviles.

Potencia y Eficacia de una Bomba:

La potencia de freno ("bhp") son los caballos de fuerza reales entregados al eje de la bomba.

La potencia de salida (Whp) [o potencia hidráulica] son los caballos de fuerza hidráulicos entregados por la bomba.

La bhp es mayor a la Whp debido a las pérdidas mecánicas e hidráulicas incurridas en la bomba (Hf del fluido y fricción).

La eficacia de la bomba es el cociente de dichos valores:

ANPA

NPA (Número de Presión de Aspiración): es un análisis de las condiciones de energía en el lado de succión de una bomba para determinar si el líquido vaporizará en el punto de presión mínima del equipo. El ANPA es una medida de la cantidad de altura de succión presente para evitar esta vaporización en el punto de presión mínima de la bomba.

El ANPA REQUERIDO, es la altura requerida en la succión de la bomba para superar las pérdidas de presión en la bomba.

El ANPA varía con la velocidad y capacidad de una bomba particular.

El ANPA DISPONIBLE es una función del sistema en el que opera la bomba. Es el exceso de presión del fluido sobre su presión de vapor cuando llega a la succión de la bomba.

La Cavitación: Es un término usado para describir lo que ocurre en una bomba donde hay insuficiente ANPA disponible. [La presión del líquido es reducida y comienzan a formarse pequeñas burbujas de vapor. A medida que éstas se mueven a lo largo del impulsor hacia un área de mayor presión, colapsan. El colapso es tan rápido y tan fuerte que causa zonas de falla por fatiga y pueden causar serios daños al impulsor. Además, la cavitación reduce la capacidad debido al vapor presente en la bomba.]

Operar bajo condiciones de cavitación puede provocar vibración y daño mecánico. La única manera de evitar los efectos de la cavitación es ASEGURARSE QUE EL ANPA DISPONIBLE SEA MAYOR QUE EL ANPA REQUERIDO POR LA BOMBA.

Curvas características: El desempeño de una bomba centrífuga puede ser mostrado gráficamente; por curvas características, que muestran:

H - Potencia de freno (bHp) - Eficacia - ANPA en función del Caudal

Según sea el flujo de la bomba, hay distintas características de las curvas.

Punto óptimo de operación: En un sistema particular una bomba centrífuga puede operar en un punto de la curva ∆H vs Ca; éste es el punto de intersección entre la curva de la bomba y la curva de ∆H vs Ca, pero del sistema.