TECNOLOGIA APLICADA TEMA 1 Fundamentos de Mecánica de los Fluidos

Naturaleza de los fluidos, estática, presión, viscosidad. Movimiento de fluidos, caudal, regímenes de flujo. Teorema de Bernoulli, línea de transporte de fluidos, fricción en cañerías y accesorios. Cañerías y ductos, tipos, materiales y accesorios. Válvulas, características y aplicaciones. Válvulas autoreguladoras. Movimiento de líquidos: bombas. Movimiento de gases: compresores, soplantes y ventiladores.

TECNOLOGIA APLICADA TEMA 1 Fundamentos de Mecánica de los Fluidos

Badger, W. y J. Banchero, 1964. Introducción a la Ingeniería Química, McGraw Hill, México. Capítulos 2 y 3. McCabe, W., J. Smith y P. .Harriott, 1996. McGraw-Hill, México, 4º Edición. Capítulos 2 a 6 y 8. Perry, R. y D. Green, Editores, 1999. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, McGraw-Hill, Nueva York, USA, 7º Edición. Seccines 6 y 10.

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ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA:

Sólido

Líquido

Gas

FLUIDOS FLUIDO: sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de un esfuerzo de corte (tangencial), sin importar cuán pequeño pueda ser este esfuerzo; no puede soportar un esfuerzo de corte cuando está en reposo.

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Todo esfuerzo aplicado a un material le produce deformación esfuerzos normales producen deformaciones longitudinales (alargamientos o acortamientos, dependiendo si el esfuerzo es de tracción a compresión). Ej. Tracción sobre una barra

F

L

Lo

no tensión F tensión

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Todo esfuerzo aplicado a un material le produce deformación Esfuerzos tangenciales producen deformaciones angulares (o de cizalla simple). a) sólido

∆L F

L

γ

γ

b) fluido F to t1

t2

FLUIDO: sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de un esfuerzo de corte (tangencial), sin importar cuán pequeño pueda ser este esfuerzo; no puede soportar un esfuerzo de corte cuando está en reposo.

(t2 > t1 > t0)

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MECÁNICA DE LOS FLUIDOS: ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento

Estática de los fluidos: fluidos en reposo

Fluidodinámica: fluidos en movimiento

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PRESIÓN: Fuerza por unidad de superficie ejecida en forma normal (o perpendicular) a dicha superficie.

F p= A

F A

Unidades corrientes: Atmósferas Kg/cm2 lb/in2 (psi) Bar Pascal

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EQUILIBRIO HIDROSTÁTICO: En un medio líquido, la presión es constante en cualquier punto de una sección transversal paralela a la superficie de la tierra p1 h

Otras Unidades corrientes: metros c.a. Torr in c.a.

p2 = ρ g h + p1

p1

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p2

APLICACION DE LA HIDROSTÁTICA: Los manómetros de tubos h

p1 = p 2 + ρ g h

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MECÁNICA DE LOS FLUIDOS: ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento

Estática de los fluidos: fluidos en reposo

Fluídodinámica: fluidos en movimiento

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CAUDAL: cantidad de fluido que circula a través de la sección transversal de un conducto en la unidad de tiempo A v

Caudal Volumétrico Volumen de fluido por unidad de tiempo. Ej.; m3/hora; litro/min F=

Volumen A v = tiempo t

Caudal Másico Masa de fluido por unidad de tiempo. Ej.; ton/hora; Kg/seg G=

Masa ρ A v = tiempo t

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Gradiente de velocidad

VISCOSIDAD: una propiedad de los fluidos, definida por la ecuación: Esfuerzo (tangencial) de corte

 ∂v  F v T = = µ   = µ A H  ∂y  Viscosidad

FLUIDO NEWTONIANO Aquel para el que la viscosidad µ es independiente del esfuerzo cortante T

 ∂v  F = µ   T = A  ∂y  Los gases y muchos líquidos como el agua son fluidos newtonianos.

Esfuerzo cortante T

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Pl

á

ic st

o

tip

o

Bi

n

a h g

m

o it c ás l p o ud e Ps te n ta a l Di

New

ian n o t

Gradiente de Velocidad

o

 ∂v    y ∂  

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REGIMENES DE FLUJO

Número de N RE Reynolds

LAMINAR

D vρ = µ

TRANSICION

2100

Número adimensional que permite caracterizar el régimen de flujo.

TURBULENTO

4000

Número de Reynolds

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1 v1 p1

TEOREMA DE BERNOULLI 2

h1

v2 v1 p2 p1 + g h1 + = + g h2 + 2 2 ρ2 ρ1

2

p2 2 v2 h2

La ecuación original del Teorema de Bernoulli, que corresponde al principio de conservación de la energía, considera un fluido ideal, sin viscosidad

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1 v1 p1

TEOREMA DE BERNOULLI Correción para considerar la frección del fluído 2

h1

v2 p2 v1 p1 + g h1 + − ωF = + g h2 + 2 ρ2 2 ρ1 p2 2 v2 h2

2

Término que considera la pérdida de energía debido a la fricción del fluido

ωF es función de la cañería, de los accesorios (válvulas, codos, conexión con expansión, etc.), del fluido, del régimen (laminar o turbulento) y de la velocidad.

TECNOLOGIA APLICADA TEOREMA DE BERNOULLI Correción para considerar la fricción y distribución de velocidades

- TEMA 1

2

2

v2 v1 p2 p1 + g h1 + −ωF = + g h2 + 2α 2α ρ2 ρ1 2

v Le ωF = f 2α D

Le:

longitud equivalente de cañería. Tiene en cuenta la longitud real y la contribución de los accesorios en la pérdida de carga.

f:

factor de Fanning, función del Número de Reynols y de la rugosidad de la cañería (empírico)

α:

factor de corrección de velocidades (empírico)

D:

diámetro de la cañería

TEOREMA DE BERNOULLI Factor de Fanning f

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TEOREMA DE BERNOULLI Factor de velocidad α

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Medidores Válvulas

Accesorios

TRANSPORTE DE FLUIDOS Accesorios de cañerías

Válvula de seguridad

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Válvula globo

Válvula esclusa

Válvulas

Válvula mariposa

TRANSPORTE DE FLUIDOS

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Conexión en “T” e “Y”

Uniones roscadas

TRANSPORTE DE FLUIDOS Accesorios de cañería

Unión con bridas

TRANSPORTE DE FLUIDOS Bombas Bomba

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Bomba:

dispositivo que introduce la energía que el fluído requiere para circular por el sistema .

Para tener en cuenta la energía aportada por la bomba se agrega un término adicional en la ecuación de Bernoulli

2

2

v2 v1 p2 p1 + g h1 + −ω F +ω B = + g h2 + 2α 2α ρ2 ρ1

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TRANSPORTE DE FLUIDOS Bombas - Clasificación

Bombas

Desplazamiento positivo

Reciprocantes

Pistón Embolo-buzo Diafragma

Dinámicas

Rotatorias

Giratorias o rotodinámicas

Engranajes, Lóbulos Tornillo, Paletas deslizantes Pistón circunferencial Peristáltica, etc.

Flujo radial (Centrífugas) Flujo mixto (Hélicocentrífuga) Flujo axial (Hélice)

Especiales

Eyectores Electromagneticas etc.

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TRANSPORTE DE FLUIDOS Tipos de bombas

Bombas Centrífugas Se produce energía cinética mediante la acción de la fuerza centrífuga que luego convierte esta energía en presión, mediante la reducción eficiente de su velocidad.

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TRANSPORTE DE FLUIDOS Tipos de bombas Bombas de desplazamiento positivo El fluido es desplazado por impulso mecánico (bombas alternativas, de engranajes, engranajes etc.) o por transferencia de cantidad de movimiento de otro fluído (eyectores). eyectores

TRANSPORTE DE FLUIDOS Movimiento de vapores y gases VENTILADOR: genera caudales altos (∼ ∼3000 m3/min) produciendo incrementos bajos de la presión, menos de 1 pulgada agua (0.07 atm)

COMPRESOR: mueve caudales bajos (∼ ∼ 140 m3/min) elevando la presión a valores considerables (hasta 104 atm)

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SOPLADOR: el aumento SOPLADOR de presión es moderado (0.07 a 3 atm) y manejando caudales medios (∼ ∼ 1000 m3/min)

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Naturaleza de los fluidos, estática, presión, viscosidad. Movimiento de fluidos, caudal, regímenes de flujo. Teorema de Bernoulli, línea de transporte de fluidos, fricción en cañerías y accesorios. Cañerías y ductos, tipos, materiales y accesorios. Válvulas, características y aplicaciones. Válvulas autoreguladoras. Movimiento de líquidos: bombas. Movimiento de gases: compresores, soplantes y ventiladores.