Fluidos y Sistemas de Bombeo Contenido

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1 Fluidos y Sistemas de Bombeo Contenido 1. Conceptos Fundamentales. Propiedades de sustancias puras Agua. Ecuaciones de Conservación 4. Bombas Jairo Andrés s Sandoval León, M.Sc. 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES. Qué es un fluido? Definición de fluido Densidad Peso Específico Viscosidad Presión Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente ante la aplicación de un esfuerzo cortante (tangencial), τ, sin importar que tan pequeño sea este esfuerzo. Densidad en mezclas 4

2 Qué es la densidad, ρ? Densidad = masa por unidad de volumen m ρ = V Densidad en un punto =??? Qué es el volumen específico, v? v = volumen por unidad de masa V v = = m 1 ρ Qué es el peso específico, γ? Es el peso por unidad de volumen: m g ρ = V g Video: pepsifloat 5 γ = ρ g 6 Qué es la gravedad específica o densidad relativa, SG? ρ SG = ρ 1000 kg ρ H O@4 C 4 / m O C = Condición n de no deslizamiento: La velocidad de las partículas fluidas en contacto con la superficie sólida es igual a la velocidad del sólido. V = V fluido superficie solido 7 Videos: V6_5 - No-Slip Boundary y V1_ - No-Slip Condition 8

3 Qué es la viscosidad? Clasificación n de los fluidos según n su comportamiento: Es una propiedad del fluido responsable de la fuerza que se presenta entre las partículas fluidas al haber un desplazamiento relativo (tasa de deformación). Fuerza cortante por unidad = de área f Tasa de deformación τ = f du dy µ = Viscosidad (dinámica) Video: V1_1 - Viscous Fluids 9 η = Viscosidad aparente 10 Fluidos Newtonianos: Agua, aire, vapor, gasolina, aceites. En general: µ = µ ( T ) Plásticos Bingham; Crema dental, esmalte de uñas. Pseudoplásticos sticos: pulpa de papel en agua, soluciones poliméricas, soluciones coloidales (gelatinosas). Dilatantes: Suspensiones de almidón y de arena. Viscosidad cinemática: ν = µ ρ 11 1

4 Capa límite: l Qué es la presión? La presión es la fuerza normal por unidad de área. P = F A En un fluido en reposo solo existe presión; no hay esfuerzos cortantes. 1 Video: V1_1 - nailballoon 14 Presión absoluta y relativa: La presión relativa es una medida de presión con respecto a la presión atmosférica. Ejemplo: Manómetro P gas = P 1 = P + P liquido manométrico P = P atm = ρ P l.m. g h P = ρ g h + gas P atm 15 16

5 Ejemplo: Barómetro Densidad en mezclas o soluciones = Densidad Aparente: La densidad aparente es el peso (masa) de los sólidos secos dividido entre el volumen original de la mezcla. Nos indica cuanto sólido por unidad de volumen tiene la mezcla. P atm = ρ g h ρ = V a m sólidos secos original mezcla V = 1 L V = 1 L m sol = 00 g a 0. kg ρ = m m sol = 700 g a 0.7 kg ρ = m 17 = 00 kg / m = 700 kg / m 18. PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS AGUA. Procesos de Cambio de Fase Líquido Comprimido y Líquido Saturado Vapor Saturado y Vapor Sobrecalentado Temperatura y Presión de Saturación Diagramas de Propiedades: T-v, P- v, P-v-T, P-T, T-s, Mollier Cavitación Qué es una sustancia pura? Es una sustancia que tiene siempre composición química homogénea (mezcla uniforme). Procesos de cambio de fase: Líquido comprimido o subenfriado: Cuando el líquido no está a punto de evaporarse. Medimos el volumen específico, v. 19 0

6 Líquido saturado: Cuando el líquido está a punto de evaporarse. Vapor saturado: Cuando el vapor está a punto de condensarse. Mezcla líquido - vapor: Cuando coexisten el líquido y el vapor. Calidad: m x = m vapor total Vapor sobrecalentado: Cuando el vapor no está a punto de condensarse. 1 Grafiquemos los procesos anteriores: Repitiendo es mismo experimento para varias presiones: 4

7 Diagrama T v: Diagrama P v: 5 6 Diagrama P v del agua incluyendo la fase sólida: s Diagrama P v T del agua: 7 8

8 Diagrama P T : Diagrama T s del agua: 9 0 Diagrama h s del agua (de Mollier): Cavitación: Cuando en alguna parte del flujo la presión del fluido cae por debajo de la presión de vapor del fluido (o la iguala) se formarán burbujas de vapor (cambio de líquido a gas) aumentando su volumen 1700 veces. Cuando estas burbujas llegan a un sitio de mayor presión se convertirán nuevamente en líquido implosionando y liberando una gran cantidad de energía. 1 Video: Cavitation - diagnosing

9 4. ECUACIONES DE CONSERVACIÓN. Conservación de la masa Ecuación de Bernoulli Problemas de Aplicación Conservación n de la masa: Masa que entra Masa que sale Masa = Acumulada Ecuación n de Bernoulli: Energía de Presión/masa P V + ρ Energía Cinética/masa + g z = Constante Valido para: Flujo estable, incompresible y sin fricción. Energía Potencial/masa Flujo volumétrico - Caudal: Q = V A Flujo másico: m& = ρ V A = ρ Q 5 6

10 Ecuación n de Bernoulli modificada pérdidas por fricción: La energía total del fluido va disminuyendo debido a la pérdidas por fricción. La diferencia entre la energía total en dos puntos será igual a la energía total perdida. Cuando hay una bomba en el sistema: P ρ ρ 1 V1 P V g z h bomba = + + g z 1 + h perdidas Energía total perdida por unidad de masa: 7 8 Problemas de aplicación: 1. Flujo en una tobera. A través de una tobera horizontal fluye aire establemente y a baja velocidad, descargándose a la atmósfera. En la entrada de la tobera el área es de 0.1 m y en la salida de la misma, de 0.0 m. El flujo es esencialmente incompresible y se desprecian los efectos de fricción. Determine la presión manométrica requerida en la entrada de la tobera para producir una velocidad de salida de 50 m/s.. Flujo a través de un sifón. Un tubo en U actúa como un sifón de agua. La curvatura del tubo está 1 m por arriba de la superficie el agua, mientras que a 7 m por debajo de la misma, se encuentra la salida del tubo. El fluido se emite desde el fondo del sifón como un chorro libre a presión atmosférica. Determine (después de listas las suposiciones necesarias) la velocidad del chorro libre y presión absoluta del fluido en el codo. 9 40

11 . Flujo a través en sistema de tuberías. Se bombea agua a 5 C entre dos reservorios razón de 0. ft /s en una tubería de acero comercial de 400 ft de largo como se muestra. Calcule la potencia requerida si la eficiencia de la bomba es del 80%. Desprecie las perdidas por fricción en tubería y accesorios. 41