HIDRAULICA DE POTENCIA. Unidad 1. Bases físicas de la hidráulica

Transcripción

1 HIDRAULICA DE POTENCIA Unidad 1. Bases físicas de la hidráulica Presión Este término se refiere a los efectos de una fuerza que actúa distribuida sobre una superficie. La fuerza causante de la presión es simplemente el peso de un cuerpo (solido, líquido o gaseoso). La ecuación de la presión es: Se mide en: kp/m²; kp/cm²; Pa (N/m²). p = df / da Las primeras dos pertenecen al UTM (Unidad Técnica de Masa) kp significa kilogramo fuerza o kilogramo peso. Fuerza en kp = (masa)(aceleracion) Presión atmosférica Es la presión reinante en el aire alrededor nuestro. Varía ligeramente con las condiciones meteorológicas y decrece con la altitud. A nivel del mar los valores de la presión son: kpa 760 mm Hg 1 atmosfera 1 atm = x 10 5 Pa = 760 mm Hg Vacío Este término se utiliza para indicar que en un espacio la presión es menor que la atmosférica. Ejemplo Si se bombea hacia el exterior el aire contenido en un deposito hasta que la presión de su interior sea 70.3 kpa, se dice que el vacío en el deposito es de kpa o bien 31 kpa. Presión Absoluta Se refiere a la presión cero, que es la mínima presión alcanzable, es decir, al vacío absoluto. Presión Manométrica Esta presión está referida a la presión atmosférica.

2 Presión estática Es la que tiene un fluido, independientemente de la velocidad del mismo, es decir, cualquier presión ejercida por un fluido la cual no es ejercida por el movimiento o velocidad del fluido es llamada presión estática del fluido. La presión total que ejerce un fluido -bien sea gaseoso o líquido- se define como la suma de la presión estática y la presión dinámica. Presión dinámica Se puede decir que cuando los fluidos se mueven en un conducto, la inercia del movimiento produce un incremento adicional de la presión estática al chocar sobre un área perpendicular al movimiento. Esta fuerza se produce por la acción de la presión conocida como dinámica. La presión dinámica depende de la velocidad y la densidad del fluido. Principio de Pascal La presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. En el mismo plano horizontal, el valor de la presión en un líquido es igual en cualquier punto. Se puede conseguir una multiplicación de la fuerza aplicando la presión de fluidos, de acuerdo con el Principio de Pascal, que para los dos pistones implica que: P 1 = P 2 F 1 / A 1 = F 2 / A 2 Esto permite el levantamiento de una carga pesada con una pequeña fuerza, pero por supuesto no puede haber una multiplicación del trabajo, por lo que en un caso ideal sin pérdida por rozamiento: W entrada = W salida F 1 D 1 = F 2 D 2

3 Flujo volumétrico También llamado tasa de flujo, descarga o caudal. Se refiere a la rapidez con la que el volumen de flujo pasa por una sección dada en una corriente de flujo. El símbolo del flujo volumétrico es Q. Q = V da También puede calcularse utilizando el volumen y se calcula de la siguiente forma: Q= v/t Ecuación de continuidad Cuando un fluido fluye por un conducto de diámetro variable, su velocidad cambia debido a que la sección transversal varía de una sección del conducto a otra. La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de conservación de la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer constante a lo largo de toda la conducción. Q 1 = Q 2 A 1 V 1 = A 2 V 2 Cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta en la misma proporción y viceversa. Ecuación de Bernoulli En todo fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento), incomprensible, en régimen laminar de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de todo su recorrido. Es una aplicación directa del principio de conservación de energía. El teorema considera los tres únicos tipos de energía que posee el fluido que pueden cambiar de un punto a otro de la conducción. Estos tipos son: energía cinética, energía potencial gravitatoria y la energía de flujo. Energía cinética. Debida a la velocidad con la que viaja el flujo. EC = wv² / 2g Energía potencial Debida a la elevación a la que se encuentra la tubería. EP= wz Energía de flujo También conocida como energía de presión o trabajo de flujo esta energía es debida a la presión a la que esta sometido el flujo. EF= wp/ϒ

4 Entonces la cantidad total de energía de estas tres formas son: E= EF + EP+EC E= wp/ϒ + wz + wv²/2g Para el caso de una tubería con diferencias de diámetros tenemos: E 1 = E 2 wp 1 /ϒ + wz 1 + wv 1 ²/2g = wp 2 /ϒ + wz 2 + wv 2 ²/2g Medición de presión, temperatura y caudal volumétrico La forma de obtener una medida de presión es utilizando manómetros de U y tipo pozo, barómetros (principalmente para la presión atmosférica), medidores con tubo de bordón, etc. Las diferentes unidades de medida de la presión son: Pascal = N/m² 1 Bar = 100 KPa 1 bar = lb/pulg 2 Columna de agua 1 lb/pies 2 = Pa 1 lb/pulg 2 =6895 Pa 1lb/pulg 2 = 144 lb/pies 2 Es una unidad de medida de la presión que representa el peso de una columna de agua pura (densidad 1000 kg/m³. El múltiplo más utilizado es el metro de columna de agua (mca), que será la presión en el fondo de un volumen de un metro de profundidad. 1 mca = 9806,65 Pa 1 atm. = 10,33 mca 10,33 mca = 760 mm Hg 1 bar = 10,2 mca 1 mca = 0,1 kg/cm 2 = 10 kg/dm 2 = 1000 kg/m 2 La columna de agua también se puede medir en pulgadas de columna de agua: 1 pulg H 2 O = psi 1 pulg H 2 O = Pa Medición de temperatura La medición de la temperatura se hace principalmente con termómetros de mercurio o digitales. Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.

5 Las unidades de medida de la temperatura son: Medición de caudal La medición del caudal se realiza por medio de un caudalimetro. Las unidades de medida del caudal son: 1 m³/s = 60, 000 l/min 1 m³/s = gal/min 1 m³/s = 2119 pies³/min = pies³/s 1 m³/h = l/min 1 pies³/s = 449 gal/min Perdida de presión La pérdida de carga en una tubería o canal, es la pérdida de presión en un fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes de la tubería que las conduce. Las pérdidas pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidentales o localizadas, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc. Se usa principalmente la ecuación de Darcy para calcular las pérdidas de energía debido a la fricción en secciones rectilíneas y largas tanto para flujo laminar y turbulento. h L = (f) (L/D) (v 2 /2g) h L = perdidas de energía por fricción L = longitud de la corriente del flujo D = diámetro de la tubería v = velocidad promedio del flujo f = factor de fricción Perdidas por fricción en un flujo laminar: f = 64/N R

6 Perdidas por fricción en flujo turbulento es necesario obtener la rugosidad relativa de la tubería: D/ϵ Material Rugosidad ϵ (m) Rugosidad ϵ (pie) Vidrio Liso Liso Plástico 3 x x10-6 Tubo extruido; Cobre, latón y acero 1.5 x x10-6 Acero, comercial o soldado 4.6 x x 10-4 Hierro galvanizado 1.5 x x 10-4 Hierro dúctil recubierto 1.2 x x 10-4 Hierro dúctil no recubierto 2.4 x x 10-4 Concreto 1.2 x x 10-4 Acero remachado 1.8 x x 10-3