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VARIABLES
En la mecánica de fluidos, como en otras ramas de las ciencias de ingeniería, se usan magnitudes de diferente naturaleza con la característica común de que son susceptibles de medición. Unas son de naturaleza abstracta, como el tiempo, la longitud, la velocidad, etc. y otras son una medida de las manifestaciones moleculares globales de las sustancias como por ejemplo: la densidad, la presión, la temperatura, etc.
INSTRUMENTOS DE MEDICION
NUMEROS ADIMENSIONALES
Las variables que generalmente intervienen en los distintos fenomenos son la presion y la velocidad del flujo, la viscosidad, densidad y tension superficial del fluido, aceleracion de gravedad, la velocidad de propagacion del sonido, etc.. Dentro de las fuerzas que influyen en un flujo se encuentran por ejemplo las fuerzas debidas a la inercia, la viscosidad, presion, tension superficial y compresibilidad. La razon entre cualquiera par de estas fuerzas genera grupos adimensionales
La tabla 8.1 muestra alguno de los numeros adimensional mas importantes en la mecanica de fluidos asi como una interpretacion fısica y su campo de aplicacion.
NÚMERO DE REYNOLDS
Número de Reynolds El comportamiento de un fluido depende del régimen del flujo, laminar o turbulento. Número de Reynolds (Re) Herramienta para determinar y predecir el tipo de flujo Parámetro adimensional que depende de la densidad y viscosidad del fluido analizado, la velocidad del mismo y una dimensión característica que depende del sistema a analizar:
Re= Representa el cociente entre las fuerzas de inercia del flujo y las fuerzas debidas a la viscosidad, y mide la influencia relativa de esta última. Si Re ↑↑ Flujo tiende a ser turbulento (debido a altas velocidades o bajas viscosidades) Si Re ↓↓ Flujo tiende a ser laminar (debido a altas viscosidades o bajas densidades)
La expresión del número de Reynolds adopta diferentes formas para conductos circulares o no circulares, canales abiertos o flujo alrededor de cuerpos inmersos.
Números críticos de Reynolds Para flujo en conductos, el número de Reynolds adopta la primera de las expresiones anteriores. Normalmente se trabaja con los siguientes rangos: Si Re ≤ 2000 Flujo LAMINAR Si Re ≥ 4000 Flujo TURBULENTO Si 2000 < Re < 4000 Región CRÍTICA (no es posible predecir el régimen del flujo). Número crítico inferior de Reynolds: Valor del Reynolds por debajo del cual el régimen es necesariamente laminar. Cualquier perturbación es amortiguada por la viscosidad
TEOREMA DE BERNOULLI
La ecuación de Bernoulli describe el comportamiento de un fluído bajo condiciones variantes y tiene la forma siguiente:
Parámetros
En la ecuación de Bernoulli intervienen los parámetros siguientes:
: Es la presión estática a la que está sometido el fluído, debida a las moléculas que lo rodean
: Densidad del fluído. : Velocidad de flujo del fluído.
: Valor de la aceleración de la gravedad ( en la superficie de la Tierra).
: Altura sobre un nivel de referencia.
Aplicabilidad
Esta ecuación se aplica en la dinámica de fluídos. Un fluído se caracteriza por carecer de elasticidad de forma, es decir, adopta la forma del recipiente que la contiene, esto se debe a que las moléculas de los fluídos no están rígidamente unidas, como en el caso de los sólidos. Fluídos son tanto gases como líquidos.
Para llegar a la ecuación de Bernoulli se han de hacer ciertas suposiciones que nos limitan el nivel de aplicabilidad:
El fluído se mueve en un régimen estacionario, o sea, la velocidad del flujo en un punto no varía con el tiempo.
Se desprecia la viscosidad del fluído (que es una fuerza de rozamiento interna).
Se considera que el líquido está bajo la acción del campo gravitatorio únicamente.
Efecto Bernoulli
El efecto Bernoulli es una consecuencia directa que surge a partir de la ecuación de Bernoulli: en el caso de que el fluído fluja en horizontal un aumento de la velocidad del flujo implica que la presión estática decrecerá.
Un ejemplo práctico es el caso de las alas de un avión, que están diseñadas para que el aire que pasa por encima del ala fluya más velozmente que el aire que pasa por debajo del ala, por lo que la presión estática es mayor en la parte inferior y el avión se levanta.
CENTRALES TERMOELECTRICAS
Una central termoeléctrica es una instalación que se usa para generar energía eléctrica a partir de energía liberada en forma de calor mediante la combustión de
algunos combustibles. Este calor es utilizado por un ciclo de termodinámica para mover un alternador y generar energía eléctrica.
El alternador es un dinamo utilizado para producir energía eléctrica alterna a partir de energía mecánica y de los principios de electromagnetismo.
Estas centrales usan como combustibles el petróleo, el gas natural o el carbón. Este tipo de centrales que usan la combustión contribuyen al “efecto invernadero”, ya que liberan gases como el dióxido de carbono. Sin embargo la masa de este gas no es la misma en todos los casos, ya que el carbón se compone de carbón e impurezas, depende de sus diferentes componentes, este puede ser dióxido de carbono o monóxido de carbono. En el gas natural por cada átomo de carbono hay cuatro de hidrógeno por lo que su contaminación es mucho menor en el ambiente. Es por ello que cuando los gases proceden de combustión de impureza la contaminación es mucho menor.
Las centrales térmicas clásicas son aquellas que utilizan la combustión de gas natural, carbón o petróleo para producir energía eléctrica. Son muy rentables y económicas por lo que su uso se extiende en los países de economía avanzada y en los de vía en desarrollo.
CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE CICLO COMBINADO
Es un tipo de central que utiliza gas natural, gasóleo o carbón preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Los gases de escape de la turbina de gas, son utilizados para producir el vapor que hace mover a la segunda turbina, que ya es de vapor. cada turbina esta unida a un alternador para generar la energía eléctrica. Normalmente en estas centrales solo funciona la turbina de gas; por lo que se le llama ciclo abierto. La mayoría de las centrales de este tipo pueden intercambiar el combustible (entre gas y diésel incluso en funcionamiento. Como la diferencia de temperatura que se produce entre la combustión y los gases de escape es mas alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.
Efectos ambientales en las centrales térmicas:
Los efectos ambientales de una central térmica provienen del proceso de combustión, así como de las emisiones de polvo y gases contaminantes.
· emisiones contaminantes, ocupación de espacio por la central y volumen de residuos
· Aumento en fuel oil ligero, fuel oil pesado y combustión de carbón.
· El gas radón radioactivo es un contaminante frecuente en las minas subterráneas de uranio.
Los materiales radioactivos emiten radiación ionizante penetrante que puede dañar los tejidos vivos.
Mientras tanto, el sistema eléctrico colombiano ha venido aumentando su componente térmica de manera considerable; como se puede observar en la gráfica 1.4, en 1994 la estructura del sistema eléctrico era de 80% hidráulica y 20% térmica; en 1996 la composición se situaba en 76% hidráulica y 24 térmica y en 1998, con el ingreso de nuevos proyectos, de los cuales el 88% corresponden a plantas térmicas, utilizando fundamentalmente gas natural, la composición se modificó incrementando el valor de las térmicas con un 34% e hidráulica con un 66%; de igual forma la proyecciones que se tienen para el sistema energético colombiano sitúan en partes iguales, es decir, 50% térmicas y 50% hidráulica, la generación energética para el año 2010, lo que se convierte en una perspectiva favorable para la penetración del gas y el carbón. En el gráfico 1 se muestra la evolución de expansión en generación eléctrica en Colombia para el periodo 1994 - 2010.
HIDROELECTRICAS
DEFINICIÓN: Una planta hidroeléctrica es la que aprovecha la energía hidráulica para producir energía eléctrica. Si se concentra grandes cantidades de agua en un embalse, se obtiene inicialmente, energía potencial, la que por la acción de la gravedad adquiere energía cinética o de movimiento pasa de un nivel superior a otro muy bajo, a través de las obras de conducción ( la energía desarrollada por el agua al caer se le conoce como energía hidráulica), por su masa y velocidad, el agua produce un empuje que se aplica a las turbinas, las cuales transforman la energía hidráulica en energía mecánica. Esta energía se propaga a los generadores que se encuentran acoplados a las turbinas, los que la transforman en energía eléctrica, la cual pasa a la subestación contigua o cerca de la planta. La subestación eleva la tensión o voltaje para que la energía llegue a los centros de consumo con la debida calidad. Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales:
Pelton: saltos grandes y caudales pequeños.Francis: salto más reducido y mayor caudal.Kaplan: salto muy pequeño y caudal muy grande.De hélice
La energía hidroeléctrica es una de las más rentables, aunque el costo inicial de construcción es elevado, ya que sus gastos de explotación y mantenimiento son relativamente bajos. De todos modos tienen unos condicionantes:
Las condiciones pluviométricas medias del año (las lluvias medias del año) deben ser favorables.
El lugar de emplazamiento está supeditado a las características y configuración del terreno por el que discurre la corriente de agua.
En las plantas hidroeléctricas el caudal de agua es controlado y se mantiene casi constante, transportándola por unos conductos, controlados con válvulas para así adecuar el flujo de agua que pasa por las turbinas, teniendo en consideración la demanda de electricidad, el agua luego sale por los canales de descarga de la planta.Pueden ser clasificadas según varios argumentos, como características técnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento. 1. Según utilización del agua, es decir si utilizan el agua como discurre
normalmente por el cauce de un río o a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano.
Centrales de Agua Fluente: Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas. No cuentan con reserva de agua, por lo que el caudal suministrado oscila según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío. Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua. Centrales de Agua Embalsada: Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de
agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas. Centrales de Regulación: Tienen la posibilidad de almacenar volúmenes de agua en el embalse, que representan periodos más o menos prolongados de aportes de caudales medios anuales. Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo. Centrales de Bombeo: Se denominan 'de acumulación'. Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina reversible. La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear. No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible. 2. Según la altura del salto de agua o desnivel existente: Centrales de Alta Presión: Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina. Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud. Utilizan turbinas Pelton y Francis. Centrales de Media Presión: Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 200 - 20 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200 m3/s por turbina.En valles de media montaña, dependen de embalses. Las turbinas son Francis y Kaplan, y en ocasiones Pelton para saltos grandes. Centrales de Baja Presión:
Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300 m3/s. Las turbinas utilizadas son de tipo Francis y especialmente Kaplan.
NUCLEARES
El principal uso que se le da actualmente a la energía nuclear es el de la generación de energía eléctrica. Las centrales nucleares son las instalaciones encargadas de este proceso. Prácticamente todas las centrales nucleares en producción utilizan la fisión nuclearya que la fusión nuclear actualmente es inviable a pesar de estar en proceso de desarrollo.
El funcionamiento de una central nuclear es idéntico al de una central térmica que funcione con carbón, petróleo o gas excepto en la forma de proporcionar calor al agua para convertirla en vapor. En el caso de los reactores nucleares este calor se obtiene mediante las reacciones de fisión de los átomos del combustible nuclear.A nivel mundial el 90% de los reactores de potencia, es decir, los reactores destinados a la producción de energía eléctrica son reactores de agua ligera (en las versiones de agua a presión o de agua en ebullición). De modo que explicaremos más extensamente el funcionamiento de este tipo de reactor.El principio básico del funcionamiento de una central nuclear se basa en la obtención de energía calorífica mediante la fisión nuclear del núcleo de los átomos del combustible. Con esta energía calorífica, que tenemos en forma de vapor de agua, la convertiremos en energía mecánica en una turbina y, finalmente, convertiremos la energía mecánica en energía eléctricamediante un generador.
El reactor nuclear es el encargado de provocar y controlar estas fisiones atómicas que generarán una gran cantidad de calor. Con este calor se calienta agua para convertirla en vapor a alta presión y temperatura.El agua transformada en vapor sale del edificio de contención debido a la alta presión a que está sometido hasta llegar a la turbina y hacerla girar. En este momento parte de la energía calorífica del vapor se transforma en energía cinética. Esta turbina está conectada a un generador eléctrico mediante el cual se transformará la energía cinética en energía eléctrica.
Por otra parte, el vapor de agua que salió de la turbina, aunque ha perdido energía calorífica sigue estando en estado gas y muy caliente. Para reutilizar esta agua hay refrigerarla antes de volverla a introducir en el circuito. Para ello, una vez ha salido de la turbina, el vapor entra en un tanque (depósito de condensación) donde este se enfría al estar en contacto con las tuberías de agua fría. El vapor de agua se vuelve líquido y mediante una bomba se redirige nuevamente al reactor nuclear para volver a repetir el ciclo.
Por este motivo las centrales nucleares siempre están instaladas cerca de una fuente abundante de agua fría (mar, río, lago), para aprovechar esta agua en el depósito de condensación. La columna de humo blanco que se puede ver saliendo de determinadas centrales es el vapor de agua que se provoca cuando se este intercambio de calor.
FRICCION EN TUBERÍAS
Fundamento teórico
En un flujo incompresible permanente a través de un tubo, se presentan pérdidas que se expresan por medio de la caída de la línea de cargas piezométricas.
Cómo se traza la línea de cargas piezométricas:
Si se determina en cada punto de la tubería el término P/ y se traza una línea vertical equivalente al valor de este término a partir del centro del tubo, la línea de cargas piezométricas se obtiene uniendo los extremos superiores de las verticales.
Se puede tomar una línea de referencia horizontal. Si z+ es la distancia del eje del tubo sobre esa línea, la línea de cargas piezométricas se encontrará a z+ + P/ de la línea de referencia. Conectando unos tubos como piezómetros a lo largo del tubo, la línea de cargas piezométricas estaría definida como el lugar geométrico de las alturas hasta las cuales ascendería el fluido, (véase la figura 1).
La línea de cargas totales es aquella que une todos los puntos que miden la energía disponible en cada punto de la tubería y se encuentra a una distancia vertical equivalente a la cabeza de velocidad (V2/2g) por encima de la línea de cargas piezométricas (asumiendo igual a la unidad el factor de corrección de la energía cinética).
BOMBAS
Las primeras bombas de las que se tiene conocimiento, son conocidas de diversas formas, dependiendo de la manera en que se registró su descripción, como las ruedas persas, ruedas de agua o norias. Todos estos dispositivos eran ruedas bajo el agua que contenían cubetas que se llenaban con agua cuando se sumergían en una corriente y que automáticamente se vaciaban en un colector a medida que se llevaban al punto más alto de la rueda en movimiento. La existencia, en algunas partes de Oriente, de ruedas semejantes ha continuado aun dentro del siglo veinte.
La mas conocida de aquellas bombas, el tornillo de Arquímedes, aun persiste en los tiempos modernos. Todavía se manufactura para aplicaciones de baja carga, en donde el líquido se carga con basura u otros sólidos.
Sin embargo, es probablemente más interesante el hecho con todo el desarrollo tecnológico que ha ocurrido desde los tiempos antiguos, incluyendo la transformación de la potencia del agua en otra formas de energía, hasta la fisión nuclear, la bomba queda probablemente como la segunda máquina de uso más común, excedida apenas por el motor eléctrico.
Puesto que las bombas han existido por tanto tiempo y su uso está tan extendido, no es de sorprenderse que se produzcan en una infinidad de variedades de tamaños y tipos y que se apliquen también a una infinidad de servicios. Proporcionando un trabajo comprensible de algunos tipos de estas bombas.
Siempre que tratemos temas como procesos químicos, y de cualquier circulación de fluidos estamos, de alguna manera entrando en el tema de bombas.
El funcionamiento en si de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido.
Los factores más importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: presión última, presión de proceso, velocidad de bombeo, tipo de gases a bombear (la eficiencia de cada bomba varía según el tipo de gas).
Un equipo de bombeo es un transformador de energía, mecánica que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc. Y la convierte en energía, que un fluido adquiere en forma de presión, de posición y de velocidad.
Carga de aspiración o succión: Es el valor de la energía que posee el fluido al llegar a la boca de succión de la bomba hidráulica, expresada en metros de líquido. Se define como la suma de la carga de presión, la carga cinética y la altura geográfica o cota en la boca de succión de la bomba, de acuerdo con la figura anterior:
Carga de impulsión: Es el valor de la energía que posee el fluido justo en el punto de salida de la bomba hidráulica, expresada en metros de líquido. Se define como la suma de la carga de presión, la carga cinética y la altura geométrica en la boca de impulsión de la bomba
Carga total: Es la diferencia algebraica entre la carga de impulsión y la de aspiración
Rendimiento de una bomba
COMPRESORES
En lo sucesivo, si bien el fluido puede ser un gas puro, mezcla de gases, vapor saturado o vapor sobrecalentado, se supondrá que se trata de un gas que cumple con las leyes de los gases perfectos: p v = Rg T , con Rg = cte. cte c c k v p = = El objetivo buscado es incrementar la energía del gas sin alterar su energía interna. O sea (en ausencia de transformaciones químicas), sin recurrir al aumento de su temperatura. La única manera de realizarlo consiste en aumentar p disminuyendo v. Se estudiarán (en esta sección 2) los compresores reciprocantes, en que un pistón realiza un movimiento alternativo. El funcionamiento de los compresores reciprocantes puede esquematizarse así: 1) El fluido entra a una cámara cerrada de volumen variable. 2) Mediante la entrega de trabajo desde el exterior se reduce el volumen de la cámara, por movimiento de una o más paredes de ésta. 3) Se extrae el gas con volumen específico reducido, o sea, con mayor presión. Este movimiento involucra grandes fuerzas de inercia, con aceleraciones y desaceleraciones violentas en cada carrera. Con los compresores rotativos (ver secciones 4, 5, 6 y 7) se busca eliminar las fuertes vibraciones características de los reciprocantes, así como poderlos fabricar con menor cantidad de material y menos problemas de mantenimiento. En todos los compresores mencionados el caudal de gas comprimido es sensiblemente independiente de la presión. No ocurre esto con los llamados compresores centrífugos o turbo compresores, en los cuales al variar la presión de descarga varía (en sentido inverso) el caudal. Estos compresores, de construcción similar a las bombas centrífugas o máquinas axiales, son de aplicación industrial mucho menos extendida en nuestro país. Se utilizan para presiones no muy altas y caudales muy grandes lo que hace que estas máquinas requieran muy alta precisión en su construcción y montaje; el alto costo resultante hace que se justifiquen sólo para aplicaciones de gran escala. 2.1. Generalidades sobre compresores reciprocantes. La cámara de compresión está constituida por un cilindro de sección circular, con una "tapa" fija ("cabeza" o "culata") y otra móvil l ("pistón") (Ver Fig. 2.1). Sendas válvulas de admisión y escape permiten el acceso del gas a comprimir y la salida del gas comprimido. Un motor hace girar un cigüeñal
o excéntrica. A través de una biela, el pistón adquiere un movimiento alternativo entre las dos posiciones extremas, de velocidad nula, llamadas punto muerto superior (P.M.S.) la más alejada del cigüeñal y punto muerto inferior (P.M.I.) la otra.
Ciclo de compresión.
El gas en el interior del cilindro experimenta una evolución cíclica que consta de las siguientes etapas
4-1: aspiración de gas, a la presión p1 de entrada
1-2: compresión de dicho gas 2-3: expulsión del gas comprimido, a la presión p2 de descarga
3-4: caída brusca de la presión (al no quedar gas y moverse el pistón hacia el P.M.I.) Inmediatamente después de
3-4 se abre la válvula de admisión y recomienza el ciclo
VENTILADORES
Para ventilar un espacio, un recinto o una máquina, ya sea impulsando aire o bien extrayéndole, es muy corriente tener que conectar el ventilador/extractor por medio de un conducto, una tubería, de mayor o menor longitud y de una u otra forma o sección.
El fluir del aire por tal conducto absorbe energía del ventilador que lo impulsa/extrae debido al roce con las paredes, los cambios de dirección o los obstáculos que se hallan a su paso. La rentabilidad de una instalación exige que se minimice esta parte de energía consumida.
En la Fig. 1 hemos representado una canalización en la que un ventilador V trabaja haciendo circular un caudal Q de aire. Esta conducción tiene la entrada cortada a «ras», los cambios de sección «cuadrados», bruscos, y un obstáculo "O" atravesado con su forma natural. Debajo se ha representado una gráfica de las presiones totales Pt que van produciéndose a lo largo como pérdidas de carga y que debe vencer el ventilador. Las zonas sin sombrear indican los espacios «vacíos» de aire y la aparición de torbellinos en el flujo.
TURBINAS HIDRÁULICAS
La función de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada en un lago, a una elevación más alta y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales uno de los más importantes es la caída de agua (head). Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se instala en la planta.
La turbina hidráulica es la encargada de transformar la energía mecánica en energía eléctrica, por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada sistema hidroeléctrico.
Las turbinas se pueden clasificar de varias maneras estas son:
1. Según la dirección en que entra el agua: Turbinas axiales: el agua entra en el rodete en la dirección del
eje. Turbinas radiales: el agua entra en sentido radial, no obstante el
agua puede salir en cualquier dirección.2. Deacuerdo al modo de obrar del agua: Turbinas de chorro o de acción simple o directa. Turbinas de sobrepresión o de reacción.3. Según la dirección del eje: Horizontales. Verticales.
Hay otras clasificaciones, según las condiciones de construcción, no
obstante la clasificación más importante es la que las separa de acuerdo al modo de obrar el agua, estas son de reacción o de chorro.
Aunque hay muchas turbinas que entran en estas clasificaciones las más importantes son las turbinas Pelton, Francis y Kaplan.
Una caída alta (entre 800 a 2000 pies) requiere una turbina para alta presión, de impulso o tipo Pelton. Si la caída es intermedia (entre 200 y 800 pies), entonces se escoge una turbina de reacción tipo Francis. Para caídas bajas (menores de 200 pies) se utiliza un tipo de turbina de reacción tipo Kaplan.
Componentes: Son esencialmente los siguientes: • Distribuidor • Rodete • Eje • Sistema de Frenado • Carcasa • Cámara de Descarga • Blindaje • Destructor de Energía
Funcionamiento de una Turbina Pelton: La sucesiva transformación de la energía se efectúa del modo siguiente: • La energía potencial gravitatoria del agua embalsada (energía de presión hasta los orificios de las toberas) se convierte, salvo pérdidas, en energía cinética al salir el agua a través de dichos orificios en forma de chorros libres (Ecuación de Bernoulli) • Se dispone de la máxima energía cinética en el momento en que el agua incide tangencialmente sobre el rodete, empujando a los
álabes y obteniéndose el trabajo mecánico deseado • Las formas cóncavas de las cucharas hacen cambiar la dirección del chorro de agua, saliendo éste, ya sin energía apreciable, por los bordes laterales sin ninguna incidencia posterior sobre los álabes sucesivos. De este modo, el chorro de agua transmite su energía cinética al rodete, donde queda transformada en energía mecánica
Las Turbinas Francis se conocen como turbinas de sobrepresión por ser ésta variable en el rodete, o también como turbinas de admisión centrípeta ó total por encontrarse el rodete sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia Entran en la clasificación de turbinas radiales-axiales y de reacción El campo de aplicación es muy extenso, dado el avance tecnológico conseguido en la construcción de este tipo de turbinas. Se pueden emplear en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente) Las turbinas Dériaz son, esencialmente, turbinas Francis de álabes orientables
NEUMATICA
La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.
Mediante un fluido, ya sea aire (neumática), aceite o agua (hidráulica) se puede conseguir mover un motor en movimiento giratorio o accionar un cilindro para que tenga un movimiento de salida o retroceso de un vástago (barra).
Esto hoy en día tiene infinidad de aplicaciones como pueden ser la apertura o cierre de puertas en trenes o autobuses, levantamiento de grandes pesos, accionamientos para mover determinados elementos, etc.
El control del motor o del cilindro para que realice lo que nosotros queremos se hace mediante válvulas que hacen las veces de interruptores, pulsadores, conmutadores, etc si lo comparamos con la electricidad y mediante tubos conductores (equivalente a los conductores eléctricos) por los que circula el fluido. En esta unidad vamos a estudiar como se realizan los montajes de los circuitos neumáticos o hidráulicos.
Todo lo que vamos a estudiar en este curso de neumatica hace referencia a circuitos neumáticos, pero cambiando aire por agua o aceite valdría igualmente para los hidráulicos.
Neumatica e hidraúlica prácticamente solo se diferencia en el fluido, en uno es aire y en el otro agua. Antes de empezar puedes ver aqui todos los símbolos de
Neumática o ir aprendiendolos según avances.
Componentes de un Circuito Neumatico
Pues bien nada mejor que una imagen para ver los componentes generales de un circuito neumático. Luego explicaremos uno a uno.
Compresores Neumaticos (Generadores)
Para producir el aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado. La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que recorren el circuito. El compresor normalmente lleva el aire a un depósito para después coger el aire para el circuito del depósito. Este depósito tiene un manómetro para regular la presión del aire y un termómetro para controlar la temperatura del mismo. El filtro tiene la misión de extraer del aire comprimido circulante todas las impurezas y el agua (humedad) que tiene el aire que se puede condensar. Todos estos componentes se llaman circuito de control.
Cilindros Neumaticos
Al llegar la presión del aire a ellos hace que se mueva un vástago (barra), la cual acciona algún elemento. Hay de varios tipos:
De simple efecto: Estos cilindros tienen una sola conexión de aire comprimido. No pueden realizar trabajos más que en un sentido. Se necesita aire sólo para un movimiento de traslación. El vástago retorna por el efecto de un muelle incorporado
o de una fuerza externa. Ejemplo de Aplicación: frenos de camiones y trenes. Ventaja: frenado instantáneo en cuanto falla la energía. Apertura de una puerta mientras le llaga el aire, cuando deja de llegar la puerta se cierra por la acción del retorno del cilindro gracias al muelle.
Cilindros de doble efecto: la fuerza ejercida por el aire comprimido anima al émbolo, en cilindros de doble efecto, a realizar un movimiento de traslación en los dos sentidos. Se dispone de una fuerza útil tanto en la ida como en el retorno.
Elementos Neumáticos con Movimiento Giratorio
Estos elementos transforman la energía neumática en un movimiento de giro mecánico. Son motores de aire comprimido.
Válvulas Neumaticas
Las válvulas son elementos que mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la dirección, así como la presión o el caudal del fluido enviado por una bomba hidráulica o almacenado en un depósito.
Las posiciones de las válvulas distribuidoras se representan por medio de cuadrados. La cantidad de cuadrados yuxtapuestos indica la cantidad de posiciones de la válvula distribuidora.
El funcionamiento se representa esquemáticamente en el interior de las casillas (cuadros).Las líneas representan tuberías o conductos. Las flechas, el sentido de circulación del fluido (figura 1). Las posiciones de cierre dentro de las casillas se representan mediante líneas transversales (figura 2). La unión de conductos o tuberías se representa mediante un punto (figura 2). Las conexiones (entradas y salidas) se representan por medio de trazos unidos a la casilla que esquematiza la posición de reposo o inicial (figura 3).
La otra posición se obtiene desplazando lateralmente los cuadrados, hasta que las conexiones coincidan. Las posiciones pueden distinguirse por medio de letras minúsculas a, b, c ... y 0. Las salidas (al exterior) y entradas de aire se representan mediante un triangulo.
Para activar la válvula (que cambie de posición se puede hacer manualmente (como un pulsador) o de otras formas (eléctricamente, neumáticamente (una flecha) ,etc).
La válvula selectora cuando el aire entra por X sale por A pero no puede salir por Y. Si entra por Y sale por A pero no puede salir por X.
Veamos un ejemplo de funcionamiento de una válvula 3/2
Un regulador de flujo: es un elemento que permite controlar el paso del aire en un sentido, mientras que en el otro sentido circula libremente.
Las válvulas estranguladoras con retención, conocidas como válvulas reguladoras de velocidad, son híbridas. Desde el punto de vista de la estrangulación son válvulas de flujo y como tales se las emplea en neumática. La función de retención les hace ser al mismo tiempo una válvula de bloqueo.
El regulador de flujo se alimenta con aire del suministro. Dicho regulador emite un flujo de aire controlado en una conexión en T. Una tubería de esta conexión se conecta a la válvula accionada por diafragma y la otra se deja abierta para que salga aire a la atmósfera.
Cuando la tubería de toma de aire es bloqueada por la rueda de un vehículo, la presión aumenta en la tubería y la válvula accionada por diafragma se activa, y el aire comprimido entra en el pistón.
Puedes comprobar el funcionamiento de los 10 circuitos principales utilizados en neumática con este pequeño programa simulador de circuitos neumáticos interactivos.
Aire acondicionado
Acondicionar el aire es regular las condiciones ambientales, ya sea calentando o refrigerando, de manera tal que la temperatura y la humedad del aire sean las adecuadas. Por ejemplo, se acondiciona el aire para realizar algunos procesos industriales, en las salas de terapia intensiva de los hospitales, en los centros de cómputo, etc. También se acondiciona el aire en las casas y oficinas, para vivir y trabajar en condiciones más confortables, o bien para enfriar alimentos y/o bebidas para conservarlos en temperaturas óptimas y evitar su deterioro, tal es el caso de los cuartos fríos en donde se conserva la carne para posterior consumo. Todo sistema de acondicionamiento de aire está compuesto por un conjunto de equipos que proporcionan aire controlado al ambiente. El aparato con que se cuenta en el laboratorio solo enfría el aire, puesto que es una unidad de refrigeración que cuenta con ventiladores para proporcionar aire fresco. El aparato de aire acondicionado del nuestro laboratorio consta de las siguientes partes:
El aparato de aire acondicionado del nuestro laboratorio consta de las siguientes partes:
1. Separador de Aceite2. Reguladora de presión en el Evaporador3. Reguladora de Presión en Condensador4. Recibidor
5. Compresor6. Filtro7. Mirilla8. Válvula de paso9. Válvula check10. Intercambiador de Calor11. Solenoide12. Válvula de expansión termostática13. Termostato14. Evaporador15. Condensador16. PresóstatoPuede notarse que en un aire acondicionado está incluido un sistema de refrigeración.
Naturalmente el calor fluye de medios de mayor a menor temperatura. Sin embargo, la transferencia de calor de un medio de menor a mayor temperatura no puede ocurrir por sí misma. Este fenómeno requiere dispositivos especiales llamados Refrigeradores. Los refrigeradores son dispositivos cíclicos. El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante. El ciclo de refrigeración más común consta de 4 componentes principales: compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador, llamado ciclo de refrigeración vapor-compresión. El ciclo empieza en la entrada del compresor, donde el refrigerante entra como vapor y se comprime hasta la presión de condensación. Sale del compresor a una temperatura mayor, se enfría y se condensa a manera que pasa por el serpentín del condensador, expulsando el calor perdido a los alrededores. Luego, entra a un tubo capilar donde su temperatura y su presión disminuyen drásticamente debido al efecto “estrangulatorio” de la válvula reguladora. Es entonces cuando el refrigerante entra al evaporador, con baja temperatura, y se evapora al absorber el calor del medio refrigerado. El ciclo se completa cuando el refrigerante sale del evaporador y entra nuevamente al compresor.
REFRIGERACION
Un sistema de refrigeración se emplea para mantener cierta región del espacio a una temperatura menor que la de su entorno. El fluido de trabajo puede permanecer en una sola fase (refrigeración por gas) o puede aparecer en dos fases (refrigeración por compresión de vapor, o por absorción y bombeo)
Refrigeración es un término utilizado para denotar el mantenimiento de un sistema a una temperatura más baja que sus alrededores. Para mantener la baja temperatura es necesario transferir el calor del sistema. Esto involucra dos sistemas: uno es el sistema a ser refrigerado y el otro es el equipo que produce la refrigeración. Este segundo sistema se llama sistema de refrigeración.
1 Tonelada de refrigeración = 12,000 BTU/hr = 3517 W = 200 BTU/min = 3.517 kW
El propósito de la máquina de refrigeración por compresión de vapor es producir la máxima cantidad de refrigeración para una cantidad dada de trabajo. El término coeficiente de funcionamiento (c.o.p. por sus siglas en inglés) se utiliza para medir el desempeño del sistema de refrigeración; y se define de la siguiente manera:
El ciclo de Carnot para refrigeración En el ciclo de Carnot todos los procesos son reversibles. Ningún otro ciclo puede tener una mayor eficiencia que el ciclo de Carnot. El ciclo de Carnot se puede definir como el criterio de perfección para un sistema mecánico de refrigeración. El coeficiente de operación para el ciclo de refrigeración de una máquina de Carnot, se puede calcular como:
TRANSFERENCIA DE CALOR
Las leyes de la Termodinámica tratan de la transferencia de energía pero solo se refieren a sistemas que están en equilibrio. Por ello, permiten determinar la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro pero no sirven para predecir la rapidez con que puedan producirse estos cambios. La transferencia de calor complementa la primera y la segunda ley, proporcionando los métodos de análisis que pueden utilizarse para predecir esta velocidad de transmisión. Ejemplo:
Calentamiento de una barra de acero colocada en agua caliente:
Con la Termodinámica se predicen las temperaturas finales una vez los dos sistemas hayan alcanzado el equilibrio y la cantidad de energía transferida entre los dos estados de equilibrio inicial y final. Con la Transferencia de Calor se puede
predecir la velocidad de transferencia térmica del agua a la barra así como la temperatura del agua en función del tiempo. La Transferencia de Calor puede ser por conducción, convección y radiación.
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
Cuando en un medio sólido existe un gradiente de temperatura, el calor se transmite de la región de mayor temperatura a la de menor temperatura. El calor transmitido por conducción por unidad de tiempo qk es proporcional al gradiente de temperatura dT/dx multiplicado por el área A a través del cual se transfiere es decir
T: temperatura ; x: dirección del flujo de calor
El flujo de calor depende de la conductividad térmica k que es la propiedad física del medio [W/m K], luego se tiene
conducción a través de una pared plana
El calor fluye en dirección perpendicular a la superficie. Si la conductividad térmica es uniforme, la integración de la ecuación queda como
Fig. 4.14 Sección transversal de una pared plana
Conducción a través de paredes planas en serie
En estado estacionario el flujo de calor a través de todas las secciones debe ser el mismo. Sin embargo, los gradientes son distintos
Fig. 4.15 Conducción unidimensional a través de paredes planas en serie
A partir de la ecuación 4.4 se tienen las siguientes relaciones
sustituyendo 4.5 y 4.6 en 4.4
luego el flujo de calor será
Para un conjunto de n paredes en perfecto contacto térmico, el flujo de calor es
Analogía eléctrica de la conducción
Utiliza los conceptos desarrollados en la teoría de los circuitos eléctricos y con frecuencia se llama analogía entre el flujo de calor y la electricidad. La combinación L/kA equivale a una resistencia y la diferencia de temperatura es análoga a una
diferencia de potencial. La ecuación puede escribirse en una forma semejante a la ley de Ohm de la teoría de los circuitos eléctricos
en donde
El recíproco de la resistencia térmica se denomina conductancia térmica
Para tres secciones en serie
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
Cuando un fluido se pone en contacto con una superficie sólida a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio de energía térmica se denomina transferencia de calor por convección. Hay dos tipos de procesos de convección: convección libre o natural y convección forzada.
En el primer caso la fuerza motriz procede de la diferencia de densidad en el fluido que resulta del contacto con una superficie a diferente temperatura y da lugar a fuerzas ascensionales. En el segundo caso una fuerza motriz exterior mueve un fluido sobre una superficie a una temperatura mayor o inferior que la del fluido. Para una u otra forma de transferencia de calor por convección, la cantidad de calor es
Donde
transferencia de calor por convección en la interfase líquido-sólido.A área superficial en contacto con el fluido en m2
Ts Temperatura de la superficie , KTf, Temperatura del fluido no perturbado lejos de la superficie transmisora del calor
El coeficiente de transferencia de calor por convección depende de la densidad, viscosidad y velocidad del fluido, así como de sus propiedades térmicas (conductividad térmica y calor específico). La resistencia térmica en la transferencia de calor por convección viene dada por
TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACION
Por radiación la energía se transporta en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. La radiación electromagnética que se considera aquí es la radiación térmica. La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta y de la naturaleza de la superficie. Un radiador perfecto o cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie por unidad de tiempo qr dada por la ecuación
Para evaluar la transferencia neta de energía radiante requiere una diferencia en la temperatura superficial de dos o mas cuerpos entre los cuales tiene lugar el intercambio. Si un cuerpo negro irradia a un recinto que lo rodea completamente y cuya superficie es también negra (es decir absorbe toda la energía radiante que incide sobre él, la transferencia neta de energía radiante por unidad de tiempo viene dada por
T1: Temperatura del cuerpo negro en KelvinT2: Temperatura superficial del recinto en Kelvin
Si a una temperatura igual a la de un cuerpo negro emiten una fracción constante de la emisión del cuerpo negro para cada longitud de onda, se llaman cuerpos grises. Un cuerpo gris emite radiación según la expresión
El calor radiante neto transferido por unidad de tiempo por un cuerpo gris a la temperatura T1 a un cuerpo negro que le rodea a la temperatura T2 es
donde 1 es la emitancia de la superficie gris, igual a la relación entre la emisión de la superficie gris y la emisión de un radiador perfecto a la misma temperatura.Si ninguno de los dos cuerpos es un radiador perfecto, pero poseen entre sí una determinada relación geométrica, el calor radiante neto transferido entre ellos viene dado por
donde F1-2 es un módulo que modifica la ecuación de los radiadores perfectos para tener en cuenta las emitancias y las geometrías relativas de los cuerpos reales.
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Los intercambiadores están diseñados para realizar una función específica. Las plantas de generación a vapor usan condensadores, economizadores, calentadores de agua de alimentación, recalentadores, etc. En los intercambiadores la temperatura de uno o ambos fluidos varía en forma continua a medida que los fluidos se transportan a través del intercambiador de calor.
Para los intercambiadores de calor, la ley de Newton del enfriamiento es
U : Coeficiente de transferencia de calor totalA : Superficie de transferencia de calor Tm : Diferencia de temperatura media
Fig. 4.21 Intercambiadores de calor
Como el coeficiente U no es constante para todas las partes del intercambiador, conviene evaluarlo con base en la media aritmética de las temperaturas de los fluidos. Por analogía con la convección, se tiene 1/UA igual a la resistencia. La diferencia de temperatura media logarítmica se expresa como
Fig. 4.22 Otros intercambiadores de calor
El problema de calcular la transferencia de calor en los intercambiadores de calor, es que la temperatura de uno o ambos fluidos varía en forma continua a medida que los fluidos se transportan a través del intercambiador de calor. Esto puede observarse en la Figura 4.23, en la que se han trazado en forma gráfica las temperaturas del fluido como una función de la superficie de transferencia de calor para los casos mas comunes de flujo paralelo, contraflujo y para un fluido a temperatura constante. El subíndice h denota fluido caliente y el subíndice c, fluido frío. El subíndice 1 denota la temperatura a la entrada de un fluido al
intercambiador de calor y 2 representa la temperatura del fluido a la salida del mismo. La dirección de flujo de cada fluido a través del intercambiador se muestra mediante flechas sobre las curvas de temperatura. La diferencia de temperatura mas grande entre los fluidos en la unidad (tanto a la entrada como a la salida) se designa como A, y la diferencia de temperatura menor entre los fluidos (tanto a la entrada como a la salida) se designa como B .
Fig. 4.23 Temperatura de los fluidos en diferentes intercambiadores de calor
