31 Ago
Introducción a las Máquinas de Fluidos
Las máquinas son dispositivos diseñados para transformar entradas o insumos en salidas, que pueden ser productos o cambios de energía.
Tipos Fundamentales de Máquinas
- Proceso: Transforma entradas o insumos en salidas que son productos.
- Máquina: Transforma entradas en salidas que son cambios de energía.
Clasificación General de las Máquinas
Las máquinas se clasifican principalmente en:
- Máquinas de Fluidos: Operan con fluidos (líquidos o gases). Ejemplos: bombas, compresores, calderas y turbinas.
- Máquinas Herramientas: Utilizadas para dar forma o modificar materiales. Ejemplos: taladro, torno, fresadora.
- Máquinas Eléctricas: Aquellas que incorporan un motor eléctrico para su funcionamiento.
Diferencia Clave: Turbinas vs. Bombas/Compresores
Una distinción fundamental entre estos tipos de máquinas es su función energética:
- Una turbina genera energía.
- Una bomba o un compresor requieren energía para funcionar.
Nota Importante:
- Toda máquina que requiere energía para funcionar se denomina máquina conducida.
- Toda máquina que genera energía se denomina máquina motriz.
Máquinas de Fluidos: Hidráulicas y Térmicas
Dentro de las máquinas de fluidos, se distinguen dos categorías principales:
Máquinas Hidráulicas
Operan principalmente con líquidos (fluidos incompresibles o con cambios de densidad despreciables).
- Ejemplos: Ventiladores, aerogeneradores, bombas y turbinas hidráulicas (Pelton, Kaplan, Francis).
Máquinas Térmicas
Operan con fluidos donde hay una variación significativa en la densidad y el volumen específico entre la entrada y la salida (fluidos compresibles).
- Ejemplos: Turbinas de vapor, turbinas de gas, compresores y calderas.
¿Por qué se consideran máquinas térmicas? Porque en la entrada y salida, hay una variación notable en la densidad y el volumen específico del fluido.
Clasificación de Máquinas Hidráulicas
Las máquinas hidráulicas se pueden clasificar según su principio de desplazamiento:
- Máquinas de Desplazamiento No Positivo (Turbomáquinas, Rotatorias o de Corriente):
En estas máquinas, el volumen del espacio donde se aloja el fluido no cambia significativamente. El fluido fluye continuamente a través de ellas.
Ejemplo: Bomba centrífuga.
- Máquinas de Desplazamiento Positivo (Alternativas o Volumétricas):
En estas máquinas, el volumen del espacio donde se aloja el fluido sí cambia, atrapando y desplazando una cantidad definida de fluido en cada ciclo.
Ejemplo: Bombín (bomba de pistón).
Componentes Clave en el Flujo de Fluidos
- Tobera: Dispositivo que aumenta la velocidad de un fluido y disminuye su presión.
- Difusor: Dispositivo que disminuye la velocidad de un fluido y aumenta su presión.
Bomba Centrífuga: Funcionamiento y Componentes
La bomba centrífuga es un tipo común de turbomáquina hidráulica.
Componentes Principales:
- Impulsor (Rodete o Rotor): Componente giratorio que transfiere energía al fluido, produciendo un movimiento centrífugo hacia afuera.
- Difusor o Voluta (Carcasa): Componente estacionario que rodea al impulsor. Recolecta el fluido y convierte la energía cinética en energía de presión.
Principio de Operación:
- El fluido entra al impulsor, donde su velocidad aumenta significativamente.
- Posteriormente, al pasar por el difusor o la voluta, la velocidad del fluido disminuye y su presión aumenta.
- El agua se recolecta en la voluta o carcasa, que es una parte estacionaria de la bomba.
Clasificación de los Rodetes (Impulsores)
Los impulsores se clasifican según la dirección predominante del flujo del fluido:
- Radial: El fluido entra frontalmente y sale en dirección radial (perpendicularmente al eje). Típico en bombas.
- Axial: El fluido entra frontalmente, gira y sale en dirección axial (paralela al eje). Más común en turbinas.
- Flujo Mixto: Combina características de los rodetes radiales y axiales. El fluido entra frontalmente y sale en una dirección intermedia. Ofrece un mayor rendimiento y es común en turbinas.
Observación: En general, los rodetes axiales y de flujo mixto son más utilizados en turbinas, mientras que los radiales son característicos de las bombas.
Tipos de Turbinas Hidráulicas
Las turbinas hidráulicas son máquinas motrices que aprovechan la energía del agua para generar electricidad.
1. Turbina Pelton
- Características: Es una turbina de acción tangencial, donde el agua incide sobre los álabes en forma de cuchara. El flujo es de chorro libre y de alta presión.
- Principio: Aprovecha principalmente la energía potencial gravitatoria del agua.
- Ejemplos: Molinos de agua y centrales hidroeléctricas de alta caída.
2. Turbina Kaplan
- Características: Similar a la hélice de un barco, donde el agua impulsa la hélice. Posee un flujo axial, es decir, en dirección paralela al eje. Sus álabes son ajustables para optimizar el caudal.
- Aplicación: Adecuada para presiones bajas y medianas, y grandes caudales.
3. Turbina Francis
- Características: Es una turbina de reacción de flujo centrípeto (el agua entra radialmente y se dirige hacia el centro). El flujo tiene un componente radial.
- Principio: En su operación, la presión disminuye y la velocidad del fluido se transforma para generar energía, garantizando una alta eficiencia en un amplio rango de condiciones.
Conceptos Adicionales en Máquinas de Fluidos
Compresibilidad de Fluidos
- Más compresible: Cuando la densidad del fluido cambia significativamente. Típico de gases.
- Menos compresible (o incompresible): Cuando la densidad del fluido entre la entrada y la salida es prácticamente constante. Típico de líquidos.
Ventiladores
- Función: Mueven grandes volúmenes de aire.
- Característica clave: La densidad del aire a la entrada y salida no varía significativamente. Un cambio importante de densidad podría indicar un mal funcionamiento o un uso inadecuado. No requieren refrigeración en su operación normal.
Afirmaciones sobre Máquinas de Fluidos: Verdadero o Falso
- V Una bomba es una máquina que requiere de energía para operar.
- V Una bomba puede operar con lodo como fluido de trabajo.
- V La potencia en una bomba puede medirse en KW.
- F Una bomba puede operar con aire como fluido de trabajo. (Es el compresor el que opera con aire.)
- F Un compresor tiene como finalidad comprimir un fluido. (Su finalidad principal es aumentar la presión del fluido, lo que resulta en su compresión.)
- F La finalidad de una bomba es bombear agua. (Su finalidad principal es aumentar la presión del fluido, sea agua u otro líquido.)
- V La unidad caballo de vapor o CV puede servir para medir la potencia consumida por una bomba.
- F La diferencia entre un compresor y una bomba es que el primero requiere energía para funcionar y la segunda no. (Ambas requieren energía para funcionar.)
- F La energía específica en una bomba puede medirse en unidades de J/s. (Se mide en J/Kg. J/s es potencia.)
- V Una de las partes componentes de una bomba es el impulsor.
- F La potencia de una bomba puede medirse en unidades en BTU. (BTU es una unidad de energía, no de potencia.)
- F Una bomba opera con fluidos compresibles. (Las bombas operan principalmente con fluidos incompresibles, como líquidos.)
- V Un ejemplo de un fluido considerado incompresible es el aceite.
- V Un tipo de bomba es una bomba centrífuga.
- V Dentro de una bomba centrífuga, en un primer instante aumenta la energía cinética y luego disminuye.
- V Dentro de una bomba centrífuga se produce una transformación de energía cinética en energía de presión en el fluido de trabajo.
- F Una turbina hidráulica requiere de energía para funcionar. (Una turbina hidráulica genera energía.)
- V La potencia generada por una turbina hidráulica se puede medir en unidades de HP.
- F Una máquina hidráulica se caracteriza por operar con agua. (Puede operar con otros líquidos, como aceite.)
- V El cambio de densidad en el fluido de trabajo entre la entrada y la salida de una máquina hidráulica es despreciable.
- F En los líquidos, a mayor temperatura mayor viscosidad. (En los líquidos, a mayor temperatura, generalmente hay menor viscosidad.)
- F Un sólido tiene una viscosidad muy baja. (Los sólidos tienen una viscosidad considerada infinita en el contexto de la mecánica de fluidos, ya que no fluyen.)
- V Una turbina de vapor puede ser considerada una máquina térmica.
- F Un ejemplo de máquina alternativa o de desplazamiento positivo puede ser una turbina hidráulica. (Las turbinas hidráulicas son turbomáquinas rotatorias, no de desplazamiento positivo.)
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