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BALANCES DE ENERGÍA MECÁNICA INTRODUCCION AL FLUJO DE FLUIDOS POR EL INTERIOR DE CONDUCCIONES.

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1 BALANCES DE ENERGÍA MECÁNICA INTRODUCCION AL FLUJO DE FLUIDOS POR EL INTERIOR DE CONDUCCIONES

2 Contenido Concepto de flujo de fluidos Tipos de fluidos. Propiedades Regímenes de circulación de un fluido Ecuaciones básicas para el flujo de fluidos El balance de energía aplicado al flujo de fluidos: Ecuación de Bernoulli Aplicaciones

3 Variables que describen el flujo de fluidos Propiedades del fluido: Densidad ( )[kg m -3 ] Viscosidad ( )[kg m -1 s -1 ] Régimen del flujo: Velocidad (V) [m s -1 ] Caudal de fluido: - Másico (m)[kg s -1 ] - Volumétrico (Q V ) [m 3 s -1 ] Parámetros de estado del flujo: Presión (P) [Pa = N m -2 = kg m -1 s -2 ] Parámetros de la conducción: Diámetro (D) [m] Rugosidad interna ( ) [m]

4 Problemas ingenieriles habituales en los que se implica el flujo interno de fluidos: Cantidad de energía necesaria para transportar un fluido entre diferentes puntos de una instalación. Las pérdidas de carga por rozamiento en el interior de la conducción. El equipamiento idóneo para comunicar el trabajo necesario al fluido para su transporte (Ej. Elección de tipo y capacidad de la bomba). Diseño del circuito hidráulico (Ej. Selección del diámetro de la conducción). Flujo interno de fluidos

5 Movimiento o circulación de un fluido sin alterar sus propiedades físicas o químicas. Ocurre bajo la acción de fuerzas externas. Encuentra resistencia al movimiento, debido a una resistencia interna propia del fluido (viscosidad) fuerzas viscosas o de la acción del exterior sobre le fluido (rozamiento) fuerzas de rozamiento. Flujo de fluidos Tipos de flujo -Flujo interno: en el interior de conducciones - Flujo externo: alrededor de cuerpos sólidos (sedimentación, filtración...)

6 La viscosidad Propiedad física del fluido, sólo depende de su naturaleza. Varia con la temperatura y, en menor medida, con la presión. Indica la resistencia que ofrece un cuerpo a fluir, es decir a moverse en una dirección dada. Esta relacionada con el desplazamiento de unas capas de las moléculas constitutivas del fluido con respecto a otras y los entrecruzamientos que se producen. La viscosidad del fluido determina la existencia de un gradiente (perfil) radial de velocidades para el flujo interno de un fluido a través de una conducción.

7 Clasificación del flujo de fluidos según su viscosidad

8 Se define como tensión rasante o esfuerzo cortante ( ) la fuerza necesaria por unidad de superficie aplicada a un fluido en la dirección de su movimiento para obtener un perfil de velocidades.

9 SSuelen comportarse de esta manera los fluidos puros y las disoluciones acuosas CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS (en función de la viscosidad) Fluidos newtonianos Aquellos en que el gradiente de velocidades es proporcional a la fuerza aplicada ( ) para mantener dicha distribución. La constante de proporcionalidad es la viscosidad ( ). dV x = - dz Ley de Newton

10 dV x = - dz Ley de Newton flujo dV x T =.A = - A dz Caudal (N) (N/m 2 ) Viscosidad cinemática o difusividad de cantidad de movimiento = (m 2 /s) d ( V x ) d ( V x ) T = - A = - dz dz/ A Fluidos newtonianos

11 Viscosidad de algunos líquidos y gases a temperatura ambiente (20ºC). Variación de la viscosidad de líquidos y gases con la temperatura

12 La velocidad a la que circula un fluido altera las interacciones entre las partículas. No se comportan de acuerdo a la ley de newton. El gradiente de velocidades no es proporcional a la tensión rasante. No puede hablarse de una viscosidad única y propia del fluido, sino que depende del régimen de velocidades: viscosidad aparente ( a ) Fluidos no newtonianos Fluidos de naturaleza compleja como los líquidos de elevado peso molecular, mezclas de líquidos, suspensiones, emulsiones.

13 Fluidos pseudoplásticos: a disminuye al aumentar el gradiente de velocidad. Fluidos dilatantes: a aumenta con el gradiente de velocidad. Fluidos no newtonianos dV x = - a dz

14 Plástico ideal o de Bingham: hasta que no se alcanza una determinada tensión rasante ( 0 ) no hay deformación del fluido, luego se comportan como fluidos newtonianos Plástico real: hasta que no se alcanza una determinada tensión rasante ( 0 ) no hay deformación del fluido pero luego no se comportan como fluidos newtonianos Fluidos no newtonianos ( 0 ): tensión de fluencia

15 Régimen laminar: Bajas velocidades de fluido Transporte molecular ordenado: partículas desplazándose en trayectorias paralelas. Régimen de transición. Régimen turbulento: Altas velocidades de fluido Transporte molecular turbulento: partículas y porciones macroscópicas del fluido se entremezclan al azar desplazándose en todas direcciones. REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN FLUIDO Dependencia Velocidad del fluido Propiedades del fluido Presencia de cuerpos sólidos

16 REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN FLUIDO Perfiles de velocidad en régimen laminar y turbulento

17 REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN FLUIDO Experimento de Reynolds para determinar el tipo de flujo de un fluido El régimen de flujo se determina mediante la siguiente expresión empírica: Número de Reynolds: V: velocidad del fluido; D: diámetro de la conducción; : densidad del fluido; : viscosidad del fluido. Re < ( Régimen laminar ) < Re < (Transición) Re > ( Régimen turbulento ) Conducciones cilíndricas

18 ð En un proceso de conducción específico suelen coexistir las dos condiciones límites de flujo: laminar y turbulento ð Se introduce el concepto de subcapa laminar REGÍMENES DE CIRCULACIÓN DE UN FLUIDO

19 Definición de la velocidad de un fluido Velocidad media (V): Definida en función del caudal volumétrico (Qv). Medida experimental: S: área de la sección transversal que atraviesa el fluido Velocidad eficaz (V e ): Definida en función de la energía cinética. Parámetro : relaciona V e y V.

20 TIPOS DE FLUJO (en función de la densidad) Incompresible: la densidad es constante con la presión, líquidos. Compresible: la densidad es función de la presión Cantidad de energía necesaria para transportar un fluido entre diferentes puntos de una instalación. Las pérdidas de carga por rozamiento en el interior de la conducción. Flujo interno de fluidos Implica consumo y aporte de energía

21 FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Sin transferencia de materia Interpretación macroscópica del intercambio de energía entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras): T y P : Parámetros de estado del sistema SISTEMA Energía interna ALREDEDORES Intercambio de energía: calor y trabajo Sistemas abiertos: Además de las formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere. Con transferencia de materia

22 El balance general de energía en estado estacionario considera los dos tipos de energía involucrados en los procesos químico-industriales Térmica Mecánica El balance general puede desglosarse en dos balances particulares en el caso de que sólo esté involucrado un tipo de energía: Balance de entalpía (Intercambio de energía térmica). Balance de energía mecánica El intercambio de ambos tipos de energía se realiza por procedimientos tecnológicos diferentes.

23 BALANCES DE ENERGÍA MECÁNICA Considerando q = 0 y ( e 1 -e 2 ) = 0, y reagrupando términos ( J / kg ) ( m 2 /s 2 ) Flujo incompresible ( 1 = 2, Q 1 = Q 2 )

24 BALANCES DE ENERGÍA MECÁNICA ( J / kg ) ( m 2 /s 2 ) Término de energía cinética Variación de la energía cinética del fluido, en términos del perfil de velocidades completo del flujo. V e : velocidad eficaz ( m s -1 ). Definición en función de la velocidad media: La velocidad entre dos puntos de una instalación varía sólo si cambia la sección:

25 Trabajo realizado por el exterior sobre el sistema Pérdidas de energía por rozamiento ( F : valor negativo) Trabajo mecánico realizado por un equipo externo (Ej. Bomba) Ecuación de Bernoulli ( J / kg )

26 BALANCES DE ENERGÍA MECÁNICA. FLUJO INCOMPRESIBLE ( J / kg ) ( =m 2 /s 2 ) Fluidos que circulan: Estado estacionario Régimen isotermo Sin reacción química ni cambio de estado Sin intercambio de calor Flujo incompresible ( 1 = 2 )

27 Balance de energía mecánica expresado en términos de carga Se obtiene dividiendo la ecuación de Bernouilli por la aceleración de la gravedad g (m/s 2 ): Carga cinética Carga potencial Carga de presión Pérdidas de carga La carga, por tanto, expresa unidades de longitud (m). Las cargas cinética, potencial y de presión pueden convertirse para producir trabajo mecánico. Las pérdidas de carga suponen siempre energía disipada por rozamiento.

28

29 Ejemplo de circuito en un proceso químico industrial

30 IMPULSIÓN DE FLUIDOS La circulación espontánea de un fluido por una conducción (W=0) ocurre cuando su energía mecánica disminuye en la dirección del flujo: La diferencia entre ambos términos es la energía perdida por rozamiento y se intercambia con los alrededores en forma de calor: Cuando el proceso de transporte incrementa la energía mecánica del fluido es necesario realizar sobre el mismo un trabajo mecánico, mediante equipos externos.

31 IMPULSIÓN DE FLUIDOS: BOMBAS Equipos que comunican energía mecánica al fluido (W ). Se utilizan cuando el proceso de transporte incrementa la energía mecánica del fluido. Ec. de Bernouilli La ecuación de Bernouilli permite cuantificar el trabajo mecánico que debe realizar una bomba para transportar el fluido entre dos puntos del sistema.

32 Potencia Pot. = W Q v ( J/s = W ) W = trabajo de la bomba [ J/kg ] Q V = caudal volumétrico [ m 3 /s ] = densidad [ kg/m 3 ] IMPULSIÓN DE FLUIDOS

33 Determinación de la pérdidas de energía por rozamiento en un tramo recto de conducción Régimen laminar : Ec. de Bernoulli: ( J / kg ) Manómetro 1 P 1 Manómetro 2 P 2 L

34 Determinación de la pérdidas de energía por rozamiento en un tramo recto de conducción Régimen laminar : ( J / kg ) Teórica a partir del balance de cantidad de movimiento y el perfil de velocidades Aplicable a fluidos newtonianos que circulan en régimen laminar y estacionario, flujo incompresible y plenamente desarrollado

35 Manómetro 1 P 1 Manómetro 2 P 2 L Determinación de la pérdidas de energía por rozamiento en un tramo recto de conducción Régimen turbulento: Ecuación de Fanning (Expresión empírica)

36 Pérdidas de energía por rozamiento en régimen turbulento ( J / kg ) f : factor de rozamiento (adimensional). V : velocidad media del fluido ( m s -1 ). L : Longitud de la conducción ( m ). D : Diametro de la conducción ( m ).

37 Factor de rozamiento ( f ) Parámetro empírico que depende de: Propiedades del fluido Velocidad del fluido Diámetro de la conducción Rugosidad interna de la conducción ( ). depende del material de la conducción y del estado de su superficie interior.

38 Cálculo de la rugosidad interna relativa ( / D )

39 Cálculo del factor de rozamiento (f) Se determina empíricamente y se expresa mediante correlaciones gráficas o matemáticas. Correlación gráfica de Moody

40 Cálculo del factor de rozamiento (f) Ecuación de Chen Donde

41 Pérdidas de energía por rozamiento ( J / kg ) También aplicable a régimen laminar Igualándola a la ecuación de Poiseuille:

42 Pérdidas de carga menores ( F men ) Se deben a accidentes de flujo en los accesorios de conducción: válvulas, codos, nudos, etc. Permiten funciones como: - Cambio de dirección: codos, curvas - División o suma de corrientes: te, cruceta - Ensanchamiento, estrechamiento - Regulación: válvulas - Medida: diafragma, venturi, pitot Se producen cambios de velocidad y de dirección que pueden acentuar la fricción del fluido con las paredes internas de la conducción, o vórtices que suponen una mayor fricción del fluido consigo mismo. En una tubería con numerosos accidentes las pérdidas de energía por rozamiento pueden ser considerablemente mayores que en una conducción recta.

43 Cálculo de pérdidas de carga menores ( F men ) Se pueden describir en función del concepto longitud equivalente ( L e ): longitud de tramo recto de la tubería de referencia que produciría las mismas pérdidas por rozamiento que el accidente considerado. Dependen de la geometría de los accesorios, es decir, del tipo de accesorio, de la rugosidad de la superficie y de la velocidad del fluido: f : factor de rozamiento de la tubería de referencia [adimensional]. V : Velocidad del fluido en la tubería de referencia [m s -1 ]. D : Diámetro de la tubería de referencia [m]. L e : Longitud equivalente [m].

44 Determinación de la longitud equivalente de un accesorio (Le): Pérdida de energía por rozamiento total ( F total )

45 Cálculo de pérdidas de carga menores ( F men ) Se pueden expresar de la forma: (J/kg) K está tabulada para cada accidente

46 En secciones no tubulares: Se introduce el concepto de diámetro equivalente.

47 EQUIPOS PARA EL MOVIMIENTO DE FLUIDOS (BOMBAS) El aporte de energía mecánica se invierte en aumentar la presión estática del fluido: Las bombas comunican presión estática al fluido. Características técnicas de las bombas: Capacidad: caudal que puede suministrar Carga: altura a la que puede impulsar el líquido por aumento de presión.

48 Rendimiento: Rend.total Rend. mecánico Rend. hidráulico Pot : Potencia comunicada al fluido. Pot D : Potencia desarrollada por la bomba. Pot C : Potencia real consumida por la bomba. Pot Pot D Pot C Pot. = W Q v ( J/s = W ) W = trabajo de la bomba [ J/kg ] Q V = caudal volumétrico [ m 3 /s ] = densidad [ kg/m 3 ] BOMBAS

49 Curvas características: Representaciones gráficas de las propiedades características de la bomba frente al caudal volumétrico del fluido impulsado. BOMBAS Carga real vs Capacidad: La presión de descarga del fluido disminuye con la velocidad del flujo. Consumo de potencia vs Capacidad: La potencia consumida aumenta con el caudal de fluido impulsado. Rendimiento vs Capacidad: El rendimiento disminuye para bajas y altas velocidades del fluido, y es máximo en la región de la capacidad especificada para la bomba Las desviaciones frente a la idealidad se deben a fricciones y fugas del fluido, pérdidas de choque, y a fricciones entre los componentes mecánicos de las bombas.

50 Caudales pulsantes, pero en promedio constantes.. Caudales pequeños/medianos Presiones altas. Necesitan válvulas de retención. Útiles para líquidos viscosos. No sirven para impulsar líquidos con sólidos en suspensión Tipos de bombas: Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo El líquido es confinado en pequeños volúmenes dentro de la carcasa de la bomba e impulsado por la acción mecánica de sus piezas móviles Características

51 Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo a)Alternativas o de émbolo o pistón b)Rotatorias: las partes móviles giran pero no a gran velocidad

52 Bombas volumétricas alternativas Bomba de pistón

53 Bomba rotatoria de desplazamiento positivo, tipo engranaje Bomba de tornillo de un solo rotor Bombas volumétricas rotatorias

54 Bombas volumétricas alternativas Características

55 Bombas rotatorias. Características

56 Tipos de bombas: Bombas centrífugas Características: En las bombas centrífugas existe una relación inversa entre la capacidad (caudal) y la carga. Comunican energía cinética al fluido que transforman en presión

57 Bombas centrífugas

58 Caudales medios/elevados. Presiones bajas: cargas limitadas. Construcción sencilla y bajo coste. Pueden requerir operación inicial de cebado. No producen pulsación en la descarga. Pueden manejar líquidos con sólidos en suspensión. Bombas centrífugas

59 Bombas centrífugas. Características

60 CAVITACIÓN Vaporización de un líquido en la tubería de aspiración de una bomba. Las bruscas vaporizaciones y condensaciones del fluido en el interior de la bomba ocasiona graves daños mecánicos. Causas: Vapor producido por la baja presión a la que se encuentra el fluido. Vapor producido por encontrarse el fluido próximo a su temperatura de ebullición.

61 CAVITACIÓN Para evitar la cavitación debe haber una presión suficiente a la entrada de la bomba. Carga neta positiva de aspiración (CNPA) Especifica la presión mínima que el sistema hidráulico debe proporcionar al fluido en el punto de admisión de la bomba para evitar la cavitación. Se define: Es una especificación técnica suministrada por el fabricante para cada tipo de bomba. Depende del tipo de bomba y de su capacidad.

62 CAVITACIÓN Carga neta positiva de aspiración (CNPA) Si la CNPA proporcionada por el sistema es inferior a la CNPA requerida por la bomba, se produce la cavitación: Si (CNPA) inst. < (CNPA) bomba Cavitación

63 ACCESORIOS PARA EL TRANSPORTE DE FLUIDOS Tubos y tuberías Se transportan el fluido por su interior. Suelen ser de sección circular. Existen en una gran variedad de tamaño, espesor de pared y material de construcción. La elección del diámetro de la tubería depende de los costes de instalación, potencia, mantenimiento y repuesto (valores típicos para fluidos líquidos: 0-3m/s).

64 Accesorios de conducción Se utilizan para unir tubos y tuberías. Tubos de pared gruesa: accesorios roscados, bridas o soldadura: a, b y c – codos d y e – Tes f – cruceta g, h e i – manguitos j y k – tapones l – casquillo.

65 Accesorios

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67 Válvulas Disminuyen o detienen el flujo colocando un obstáculo en la trayectoria del fluido. Válvulas de corte (todo o nada): funcionan abriendo o cerrando totalmente el paso del fluido. Válvula de bolaVálvula troncocónica

68 Válvulas de regulación de caudal Reducen la presión y la velocidad del flujo de fluido. Válvula de atajadera o compuerta Válvula de asiento Dispositivos para expansión Dispositivos para evitar contracciones y expansiones de la tuberías asociadas a variaciones de temperatura.

69 Válvulas

70 Medida de presión Manómetros de tubo: el desnivel del líquido manométrico describe la presión del fluido en la conducción. DISPOSITIVOS DE MEDIDA PARA EL TRANSPORTE DE FLUIDOS

71 DISPOSITIVOS DE MEDIDA PARA EL TRANSPORTE DE FLUIDOS Presión estática: - Responsable del trabajo mecánico de expansión/ compresión del fluido. - Se mide sobre una superficie paralela al flujo: P S = P atm + h m ρ m g + lρg. · Presión cinética: · - Expresa la capacidad de fluido para realizar trabajo mecánico a expensas de su energía cinética. · - Se mide en una superficie perpendicular al flujo: P C = P i - P S Presión de impacto: · - Es la suma de las anteriores. · - Se mide en una superficie perpendicular al flujo: P i = P atm + h m ρ m g + lρ m g

72 Medida de caudal Métodos directos: Medida del volumen que atraviesa un dispositivo por unidad de tiempo. DISPOSITIVOS DE MEDIDA PARA EL TRANSPORTE DE FLUIDOS Contador de paletas: Nº vueltas del motor Presa: Altura del líquido sobre la presa Medidor térmico: Variación de Tª por la resistencia eléctrica

73 Medida de caudal DISPOSITIVOS DE MEDIDA PARA EL TRANSPORTE DE FLUIDOS Métodos indirectos: Basados en la aplicación de la Ec. de Bernouilli. El caudal se determina mediante medidas del cambio de V y P que experimenta un fluido al atravesar un accidente en la conducción: Q V = V real · S = C · V teórica · S [C Coeficiente de descarga] Requieren calibración: Estimación del parámetro empírico C (Coeficiente de descarga).

74 Diafragmas, boquillas y venturímetros Provocan un estrechamiento de la conducción. ΔP se mide mediante un manómetro en U. Aplicando la Ec. De Bernouilli entre los puntos y : Medida de caudal: Métodos indirectos

75 1,2 y 3: Diafragmas 4: Boquilla Venturímetro Medida experimental de C (Calibrado) Diafragma Boquilla Venturímetro

76 Tubos de Pitot Utiliza tubos concéntricos unidos a los tubos manométricos para medir la presión cinética. Miden velocidades puntuales en vez de velocidades medias. La integración de las velocidades medidas en la dirección radial permite obtener el caudal total. Aplicando la Ec. De Bernouilli: Medida de caudal: Métodos indirectos

77 Rotámetros Suponen un estrechamiento de sección variable en la conducción. El flotador dentro de la sección cónica es desplazado a diferente altura en función del caudal. Se mantiene constante la presión. Medida de caudal: Métodos indirectos

78 BIBLIOGRAFÍA Calleja Pardo, G.; García Herruzo, F.; de Lucas Martínez, A.; Prats Rico, D. y Rodríguez Maroto, J.M. (1999). "Introducción a la Ingeniería Química. Síntesis. Madrid. Capítulo 8. Costa Novella, E.; Calleja, G.; Ovejero, G.; de Lucas, A.; Aguado, J. y Uguina, M.A. (1985). "Ingeniería Química. Vol. III. Flujo de Fluidos. Alhambra. Madrid. Levenspiel, O. (1984). "Engineering Flow and Heat Exchange". McGraw-Hill. New York. Traducción al castellano: "Flujo de Fluidos e Intercambio de Calor". (1993). Reverté. Barcelona.

79 BIBLIOGRAFÍA Coulson, J.H. y Richardson, J.F. (Backhurst, J.R. y Harker, J.H.) (1990). "Chemical Engineering. Vol I. Fluid Flow, Heat Transfer and Mass Transfer. 4ª edición. Pergamon Press. Londres. Traducción al castellano (de la 3ª edición): Ingeniería Química. Vol. I. Flujo de Fluidos, Transmisión de Calor y Transferencia de Materia. (1979). Reverté. Barcelona. McCabe, W.L., Smith, J.C. y Harriot, P. (2001). "Unit Operations in Chemical Engineering". 6ª edición. McGraw-Hill. New York. Traducción al castellano (de la 6ª edición): "Operaciones Básicas de Ingeniería Química". (2002). McGraw-Hill. México. Sección 2, capítulos 2-6.


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