20 Nov
Mecánica de Fluidos y Esfuerzos Cortantes
Fluido Newtoniano
Un Fluido Newtoniano está contenido entre dos placas planas y paralelas de área A, separadas por una distancia pequeña Y. El sistema está inicialmente en reposo. En un tiempo t=0, la placa inferior se pone en movimiento en la dirección del eje x, con una velocidad constante V. A medida que transcurre el tiempo, el fluido gana Cantidad de Movimiento (CDM) y finalmente se establece el perfil de régimen estacionario.
Una vez alcanzado este estado, es necesario aplicar una fuerza F que mantenga el movimiento de la placa inferior. Esta F por unidad de área es proporcional a la disminución de la velocidad a medida que aumenta la distancia en Y. La expresión del esfuerzo cortante es:
$$\tau_{xy} = \mu \cdot \frac{dV_x}{dY}$$
Comparando con la ley de Newton de la viscosidad, se observa que se trata de la misma ecuación, donde $\gamma = -dV_x/dY$ (gradiente de velocidad).
Factor de Fricción (f)
El factor de fricción representa la fuerza que ejerce el fluido sobre el sólido (en la capa límite). Esta fuerza es igual al producto del esfuerzo de corte por el área del sólido. Para generalizar el análisis, el esfuerzo cortante se adimensionaliza, dividiendo por la fuerza de inercia del fluido externa a la capa límite, lo cual define el factor f.
Contribución Turbulenta
La contribución turbulenta a los esfuerzos de corte se denomina esfuerzos de Reynolds. El flujo turbulento es mayor que el flujo laminar siempre que haya variación de velocidad en el plano tangencial.
- $\epsilon_v$ (Viscosidad de Remolino): Es análoga a la viscosidad dinámica ($\mu$).
- $\epsilon_m$ (Difusividad de Remolino de Cantidad de Movimiento): $\epsilon_m = \epsilon_v / \rho$ (densidad). Es análoga a la viscosidad cinemática.
El Esfuerzo Cortante Total es la suma de los esfuerzos viscosos y turbulentos.
Selección y Características de Bombas Industriales
Parámetros para la Selección de Bombas
Los parámetros clave para la selección de una bomba incluyen:
- Altura Dinámica Total Requerida.
- Altura de aspiración y de descarga de la bomba.
- Presión Neta de Entrada Requerida ($P_{neta}$).
- Especificaciones del grupo motriz.
- Eficiencia y deslizamiento admisible.
- Rango de velocidad de la bomba.
- Material y tipo de construcción.
- Tipo de servicio.
- Requerimientos de flujo (caudal).
- Tamaño y longitud de las cañerías.
- Localización del sistema de bombeo.
Información de Fabricantes
Además de las curvas sistema-bomba, existen curvas de clasificación que aparecen en folletos comerciales. Estas facilitan la selección de la bomba a partir de una línea entera de bombas similares. Una curva de estas características muestra el posible rango de aplicaciones de la bomba a una velocidad, para un rango de tamaños de diámetro del impulsor. Para una bomba dada, puede haber más de un folleto diferente para cada velocidad del motor.
ANPA (NPSH)
El término ANPA (Altura Neta Positiva de Aspiración, o NPSH por sus siglas en inglés) se utiliza porque la antigua denominación («no ascenso de aspiración posible» o «altura de aspiración requerida») se aplicaba solo al agua. Si la presión barométrica cambia, se afecta el valor de este término; si la temperatura de bombeo cambia, afecta la presión de vapor del líquido. Por esto se usa el término NPSH (Net Positive Suction Head).
Tanto la altura de aspiración como la presión de vapor se expresan en altura del líquido circulante y pueden expresarse en unidades de presión.
NPSH Disponible ($NPSH_D$)
Caracteriza al sistema. Es la diferencia entre la altura de aspiración absoluta existente y la presión de vapor a la temperatura prevaleciente.
NPSH Requerido ($NPSH_R$)
Es función del diseño de la bomba y representa el mínimo margen requerido entre la altura de aspiración y la presión de vapor para evitar la cavitación.
BEP (Best Efficiency Point)
El funcionamiento de una bomba centrífuga real involucra tres parámetros básicos: Caudal volumétrico (Q) impulsado, Altura Total (H) y velocidad de giro de dicha bomba. El BEP es el punto donde la bomba opera con su máxima eficiencia, determinado a partir de las curvas características.
Bomba Lobular
Es una bomba de desplazamiento positivo, dentro de la categoría de bombas rotativas. Los rotores son de forma lobular en lugar de dentada; cada rotor tiene uno o más lóbulos. Ambos rotores son motrices y, al estar conectados entre ellos por cadenas de transmisión externa, no hay desgaste por fricción en los rotores.
Ventajas:
- Generan menos esfuerzo cortante (shear) al producto bombeado.
- Capaces de manipular una mayor variedad de fluidos que las bombas de engranajes.
- Desarrollan buena altura de aspiración (cebadas).
- Manipulan fluidos con gases disueltos.
Medición de Caudal
Medidor Gilflo ILVA
Se considera el medidor de caudal con mayor rango (Rango 100:1). Es un medidor de área variable con resorte, aunque se clasifica entre los medidores de presión diferencial y los de área variable, ya que tanto la presión como el área varían en él (siendo esta la razón de la mejora de rango).
Características:
- Es un medidor robusto con buena precisión.
- Poco sensible a los cambios de viscosidad.
La principal desventaja es el desgaste que se produce cuando se lo utiliza por periodos largos con vapor sucio y húmedo.
Tipos y Aplicaciones de Válvulas Industriales
Válvula de Globo
Tiene su mayor aplicación en regulación y control, y en aquellos casos donde se requiera un cierre efectivo. Se produce una pérdida por fricción elevada. Sus componentes son similares a los de la válvula esclusa.
Características:
- Poseen un disco que apoya sobre un asiento, lo que permite una regulación precisa del flujo.
- El asiento erosiona muy poco.
- Ventaja: Tanto el asiento como el disco se pueden reemplazar fácilmente y con rapidez (ideal para servicios con reparación frecuente).
Existen variantes como la Válvula Globo de Asiento y la Válvula Globo de Aguja.
Válvula de Asiento (Tipo Tapón Plano)
Tiene un disco con forma de tapón plano que ofrece alta resistencia a los efectos nocivos de materiales extraños que acompañan al fluido. Los componentes son similares a los de la válvula esclusa.
Válvula de Aguja
Tiene el disco en forma de aguja. Generalmente se emplea en instrumentación. Se utiliza para situaciones donde hay alta presión y/o altas temperaturas, y para conexiones donde se requiere una estrangulación muy precisa. Presenta un buen control manual de flujo, pero no siempre se puede cerrar de forma hermética.
Válvula Esférica (Bola)
Se caracteriza por su apertura rápida, similar a la válvula de robinete no lubricada. Necesita solo un cuarto de vuelta para abrirse completamente. No se traba, tiene un cierre firme y una pérdida por fricción insignificante.
Se utiliza en conductos para gases a temperaturas inferiores a 200 °C. Es fácil de reparar y su costo de mantenimiento es bajo. Sus partes principales son: cuerpo, tapón esférico y los asientos.
Válvula Esclusa (Compuerta)
Es la más común en la industria. No se utiliza como reguladora; se emplea solo para aperturas o cierres (totalmente abierta o totalmente cerrada). Si trabaja parcialmente abierta, puede dañarse tanto el asiento como el disco.
Componentes principales: cuerpo, tapa y guarnición (vástago, cuña y anillos de asiento).
Tipos de Vástago
- Vástago Ascendente: Utilizado para servicios riesgosos.
- Vástago No Ascendente: Utilizado cuando el espacio es limitado y cuando el fluido que pasa a través de la válvula no erosiona ni deja depósitos en la rosca.
Tipos de Cuña
Se diferencian en:
- Cuña Maciza: Las más empleadas.
- Cuña Flexible: Para fuertes variaciones de temperatura.
- Cuña Doble: Dos discos que apoyan con fuerza contra los anillos del asiento.
Otro elemento importante es la empaquetadura, formada por una serie de anillos que facilitan un cierre hermético entre el vástago y la tapa de la válvula.
Aunque es imposible realizar una regulación precisa con ella, suele utilizarse para regular caudales en tamaños de 6 pulgadas y superiores, reemplazando a la válvula de globo en ciertas aplicaciones de gran diámetro.
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