Pérdidas por fricción Un fluido en movimiento ofrece una resistencia de fricción al flujo Debido al roce, parte de la energía del sistema se convierte.

Presentación del tema: "Pérdidas por fricción Un fluido en movimiento ofrece una resistencia de fricción al flujo Debido al roce, parte de la energía del sistema se convierte."— Transcripción de la presentación:

1 ECUACIÓN GENERAL DE LA ENERGÍA Pérdidas de energía debidas a la fricción

2 Pérdidas por fricción Un fluido en movimiento ofrece una resistencia de fricción al flujo Debido al roce, parte de la energía del sistema se convierte en energía térmica(calor), que se disipa a través de las paredes del conducto en el que el fluido se desplaza. Existen dispositivos mecánicos que pueden entregar energía al fluido (ej: bombas). También es posible que el fluido entregue energía a un dispositivo mecánico externo (ej: turbina)

3 Pérdidas por fricción La magnitud de la pérdida de energía (pérdidas mayores) al interior de un conducto depende de: •Las propiedades del fluido •La velocidad de flujo •Tamaño del conducto •La rugosidad de la pared del conducto •La longitud del conducto Dispositivos externos, tales como válvulas y conectores, al controlar o modificar la dirección y/o la rapidez de flujo, también hacen que la energía se disipe en forma de calor. En general, las pérdidas debidas a la presencia de válvulas y conectores son pequeñas si se comparan con aquellas producidas en la tubería misma. Por esta razón se les llama pérdidas menores.

4 Nomenclatura de las pérdidas y adiciones de energía.
Se adoptará la siguiente nomenclatura: hA = Energía entregada al fluido mediante un dispositivo mecánico externo (ej: bomba) hR = Energía retirada desde el fluido mediante un dispositivo mecánico externo (ej: turbina, motor de fluido) hL = Energía perdida por el sistema debido a la fricción en la tubería y en las válvulas y conectores (suma de las pérdidas mayores y menores)

5 Ecuación General de Energía
Si entre las secciones 1 y 2 se considera el roce y la presencia de mecanismos externos que puedan entregar o retirar energía, entonces el principio de conservación de la energía establece que: hA = Energía entregada al fluido (ej: bomba) hR = Energía retirada desde el fluido (ej: turbina, motor de fluido) hL = Energía perdida por el sistema debido a la fricción

6 Sistema de línea de tuberías en serie.
Si un sistema se arregla de manera tal que el fluido fluye a través de una línea contínua sin ramificaciones, dicho sistema se conoce como sistema en serie. Toda partícula de fluido que pasa por el sistema, pasa a través de cada una de las tuberías. El caudal (pero no la velocidad) es el mismo en cada tubería, y la pérdida de carga desde el punto A hasta el punto B es la suma de las pérdidas de carga en cada una de ellas:

7 Sistema de línea de tuberías en paralelo.
En este sistema en paralelo, una partícula de fluido que se desplaza desde A hasta B puede seguir cualquiera de las trayectorias disponibles, donde el caudal total es la suma de los caudales en cada tubería. La pérdida de carga entre A y B de cualquier partícula que se desplace entre dichos puntos es la misma, es decir, independientemente dela trayectoria seguida:

8 Equipos de impulsión. Una turbomáquina es un aparato en el cual el movimiento de un fluido no confinado se altera de manera que transmite potencia desde o hacia el eje. También se dice que crea un empuje de propulsión. Los equipos pueden ser: Bombas, el fluido es un líquido. Compresor, transmite energía a un gas de manera de obtener alta presión pero con velocidad baja. Ventiladores, causa movimiento de un gas con un pequeño cambio de presión. Sopladores, imparte velocidad y presión sustanciales en un gas

9 Turbomáquinas El término bomba se utilizará para denominar genéricamente a todas las máquinas de bombeo (bombas, ventiladores, sopladores y compresores). Las máquinas de desplazamiento positivo obligan a que un fluido entre o salga de una cámara al cambiar el volumen de ésta.

10 Turbomáquinas Las turbomáquina sson dispositivos mecánicos que extraen energía desde un fluido (turbina, motor de fluido, etc) o que agregan energía a un fluido (bomba) como resultado de las interacciones entre el dispositivo y el fluido En muchas turbomáquinas, las aspas giratorias o el rotor están dentro de una carcasa, formando así un pasaje de flujo interno por el que puede circular el fluido.

11 Bomba Rotatoria

12 Bomba Centrífuga

13 Bomba Peristáltica

14 La bomba centrífuga. A medida que el impulsor gira, a través del ojo de la caja se aspira aire que fluye radialmente hacia fuera. Las aspas giratorias entregan energía al fluido, y tanto la presión como la velocidad absoluta aumentan a medida que el fluido circula del ojo hasta la periferia de las aspas. La forma de la carcasa está diseñada para reducir la velocidad a medida que le fluido sale del impulsor, y esta disminución de energía cinética se convierte en un aumento de presión.

15 Características del rendimiento de la bomba.
El aumento de carga real ganado por el fluido por medio de una bomba se puede determinar a través del siguiente arreglo experimental. hA=Energía entregada al fluido

16 Ejercicio De un depósito grande fluye agua a razón de 1.20 pie3/s por un sistema de tubería, como se aprecia en la figura. Calcule la cantidad total de energía que se pierde en el sistema debido a la válvula, codos, entrada de tubería y fricción del fluido.

17 Ejercicio El flujo volumétrico a través de la bomba de la figura es de m3/s. El fluido que se bombea es aceite con gravedad específica de Calcule la energía que trasmite la bomba al aceite por unidad de peso de este fluido en el sistema. Las pérdidas en el sistema son ocasionadas por la válvula de verificación y la fricción, mientras el fluido circula por la tubería. Se determinó que la magnitud de dichas pérdidas es de 1.86 N-m/N.

18 Potencia de la bomba La potencia de la bomba está dada por: Dicha cantidad expresada en términos de caballos de potencia en general se denomina fuerza o potencia hidráulica. La eficiencia total de la bomba se expresa a través de la ecuación: En tal ecuación, el denominador representa la potencia total aplicada a eje de la bomba y a menudo se denomina potencia al freno:

19 Características del rendimiento de la bomba
La eficiencia o rendimiento total de la bomba es afectada por: (a) las pérdidas hidráulicas en la bomba, (b) las pérdidas mecánicas en los cojinetes y sellos y (c) las fugas de fluido ente la superficie trasera de la placa del cubo del impulsor y la caja (pérdida volumétrica)

20 Curvas características de una bomba centrífuga
Toda bomba centrífuga sitúa su punto de funcionamiento en la intersección de su curva característica con la curva del sistema

21 Curvas características de una bomba
Modificación del punto de trabajo Modificando la curva de la bomba –bombas geométricamente similares –bombas en paralelo –bombas en serie Modificando la curva del sistema Modificando la curva de la bomba y la curva del sistema

22 Curvas características de una bomba centrífuga
Bombas geométricamente similares Se puede conseguir con la misma bomba variando el diámetro del impulsor o la velocidad de giro. Para bombas geométricamente similares, se cumple que: Q = flujo volumétrico D = diámetro rodete N = velocidad giro impulsor P = potencia ΔH = carga

23 Curvas características de una bomba centrífuga
La curva de la bomba se desplaza si la velocidad de giro se aumenta desde N1 a N3

24 Curvas características de una bomba centrífuga
Bombas centrífugas en paralelo Se utiliza para aumentar el caudal del sistema

25 Curvas características de una bomba centrífuga
Bombas centrífugas en serie Se utiliza para aumentar la altura de servicio del sistema

26 Curvas características de una bomba centrífuga
Modificación de la curva del sistema Modificando las pérdidas por fricción entre la succión y la descarga – instalando accesorios de pérdida de carga variable – cambiando diámetro de la tubería – colocando otra tubería en paralelo con la primera – colocando otro ramal en serie con la primera

27 Carga de Aspiración Neta Positiva (CANP) o Net Positive Suction Head(NPSH)
La zona de succión de una bomba pueden generarse sectores con baja presión, lo que podría provocar cavitación. La cavitación se produce cuando la presión del líquido en un punto dado es menor que la presión de vapor del líquido. Si esto ocurre, se forman de manera súbita burbujas de vapor (el líquido comienza a hervir), provocando reducciones en la eficiencia y daño en la estructura interna de la bomba. Para caracterizar el potencial de cavitación se usan la diferencia entre la carga total sobre el lado de la succión (cerca de la entrada del impulsor de la bomba : p succión/γ + v2succión/2g), y la carga de presión de vapor del líquido (pvapor/γ). La Carga de Aspiración Neta Positiva (CANP) está dada por:

28 Carga de Aspiración Neta Positiva (NPSH)
Se denomina carga de aspiración neta positiva requerida (NPSH) al valor que es necesario mantener o exceder para que no ocurra cavitación.

29 Carga de Aspiración Neta Positiva (NPSH)
Se denomina carga de aspiración neta positiva disponible(NPSH) a la carga que realmente ocurre para el sistema de flujo particular. Se puede determinar experimentalmente, o calcular si se conocen los parámetros del sistema.

30 Carga de Aspiración Neta Positiva (NPSH o CANP)
La carga de aspiración neta positiva disponible(NPSH) está dada por la siguiente ecuación: Donde, P atm: presión estática absoluta aplicada al fluido Z1 : diferencia de elevación desde el nivel del fluido en el depósito hacia la entrada de la bomba (positiva si la bomba está por debajo del estanque o negativa si la bomba está arriba del estanque) hL : pérdidas por fricción en la línea de succión. P vapor: presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo.

31

32 Ejercicios 1. Para el arreglo de prueba de la bomba de la figura, determine la eficiencia mecánica de ésta si la potencia de entrada que se midió fue de 3,85 hp, cuando bombeaba 500 gal/min de aceite (γ = 56.0 lb/pie3). (6 pulg, cédula 40, área= 0,2006 pie2; 4 pulg cédula 40, área= 0,0884 pie2)

33 Ejercicios 2. A través del motor de fluido de la figura 7.10 circula agua a 10 °C, a razón de 115 L/min. La presión de A es de 700 kPa, y en B es de 125 kPa. Se estima que debido a la fricción en la tubería existe una pérdida de energía de 4.0 N-m/N en el agua que fluye, (a) Calcule la potencia que el agua trasmite al motor de fluido, (b) Si la eficiencia mecánica del motor de fluido es de 85%, calcule la potencia de salida.