Hidrodinámica Flujos Incomprensibles

Potencia, Bombas y turbinas

Un sistema típico en el que se bombea un líquido es 

La potencia (P) de una bomba hidráulica es la relación entre la energía de flujo proporcionada por la bomba y el tiempo que la misma ha estado en funcionamiento para comunicar dicha energía.

Normalmente esta magnitud se suele expresar como el producto de la presión del fluido por su caudal:

En todas las instalaciones siempre se producen pérdidas, por lo que siempre la potencia de la bomba hidráulica debe ser mayor que la potencia teórica prevista.

Se define así el rendimiento, como el cociente entre la potencia útil necesaria y la potencia consumida por la bomba. Este valor siempre será menor que la unidad.

A esta potencia consumida habrá que sumar la pérdida de potencia calculada en el apatado anterior, por lo tanto:

Las expresiones que hemos obtenido son válidas para conducciones rectilíneas o con un gran arco de curvatura. Cuando en las tuberías hay codos, racores, o cualquier otro tipo de obstáculo, el fabricante proporciona unas tablas en las que se indica una longitud equivalente a emplear en caso de cálculo, esta longitud sería la equivalente a una tubería rectilínea que produjese una pérdida de carga de la misma magnitud.

Perdida de carga en accesorios

En tuberías ocurren pérdidas de energía provocada por obstrucciones, cambios locales de la sección o cambios abruptos de dirección en la trayectoria del flujo. En los sistemas de riego estas obstrucciones pueden ser accesorios propios de la red, como: filtros, válvulas, medidores, tees, codos, accesorios de cruceros o cualquier obstrucción que encuentre el agua que le impida seguir circulando en línea recta.

Las pérdidas de carga por fricción en accesorio ocurren en tramos cortos, e hidráulicamente se consideran que ocurren en un punto y usualmente son conocidas como pérdidas de carga localizadas, locales o pérdidas menores. Para estas pérdidas de carga  localizadas existen pocos resultados de validez, debido principalmente a que el carácter del flujo de los accesorios es bastante complicado y la forma para determinar el valor de las pérdidas es experimental.

La magnitud de la pérdida de carga local se expresa como una fracción de la carga de velocidad, inmediatamente aguas abajo del sitio donde se produjo la pérdida. La velocidad del flujo dentro del accesorio se estima en base al caudal y diámetro interno del accesorio. 

Donde: 
hi= es la pérdida local de carga hidráulica  por accesorio (m) 
Ki=: es un factor que depende del accidente u obstrucción en el flujo (adimensional) 
v : es la velocidad media en el tramo de tubería aguas abajo de la obstrucción (m/s) 
g : es la aceleración de la gravedad (m/s^2).

El coeficiente Ki es adimensional y depende de parámetros adicionales, tales como el número de Reynolds, rugosidad relativa, relaciones geométricas y del tipo de singularidad o accesorio hidráulico que se esté analizando. Mucho de los valores de coeficiente de accesorios Ki se pueden obtener de tablas (Tabla 1), sin embargo, suele suceder que los valores de Ki proporcionados por diferentes fuentes son dispares, por lo que se recomienda precaución en su utilización. En otros casos, los valores de pérdida por válvulas, filtros, entre otros, varían de acuerdo con el tipo, por lo que los fabricante en lugar de valores de Ki proporcionan curvas para estimar directamente la perdida de carga que va producir el accesorio bajo ciertas condiciones. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de curvas de pérdida de carga en el cual solo se debe conocer el caudal que va circular sobre estos accesorios y en base a este valor se determina la pérdida de carga que produce dicho accesorio.

En la práctica, es común considerar a las pérdidas de carga localizadas como un porcentaje de la suma total de las pérdidas de carga por fricción. Este porcentaje varía en proporción al número de obstrucciones o cambios de dirección significativos en la ruta de conducción, y se considera de un 5 a un 10% dependiendo del tipo de sistema y de las velocidades de diseño. Si el promedio de la velocidad es cercana a 2 m/s se considera el 10% y sí es menor de 1 m/s se considera un 5 por ciento.

Tuberías en serie, paralelo y redes de tuberías

El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor resistencia estructural sino también mayor sección transversal para el mismo perímetro exterior que cualquier otra forma. 

El manejo de los fluidos en superficie provenientes de un yacimiento de petróleo o gas, requieren de la aplicación de conceptos básicos  relacionado con el flujo de fluidos en tuberías en sistemas sencillos y en red de tuberías, el uso de válvulas  accesorios y las técnicas necesarias para diseñar y especificar equipos utilizados en operaciones de superficie.

Los fluidos de un yacimiento de petróleo son transportados a los separadores, donde se separan las fases  líquidas y gaseosas. El gas debe ser comprimido y tratado para su uso posterior y el líquido formado por petróleo agua y emulsiones debe ser tratado para remover el agua y luego ser bombeado para transportarlo a su destino.

El estudio del flujo en sistemas de tuberías es una de las aplicaciones más comunes de la mecánica de fluidos, esto ya  que en la mayoría de las actividades humanas se ha hecho común el uso de sistemas de tuberías. Por ejemplo la  distribución de agua y de gas en las viviendas, el flujo de refrigerante en neveras y sistemas de refrigeración, el flujo de  aire por ductos de refrigeración, flujo de gasolina, aceite, y refrigerante en automóviles, flujo de aceite en los sistemas  hidráulicos de maquinarias, el flujo de de gas y petróleo en la industria petrolera, flujo de aire comprimido y otros  fluidos que la mayoría de las industrias requieren para su funcionamiento, ya sean líquidos o gases. El transporte de estos fluidos requiere entonces de la elaboración de redes de distribución que pueden ser de varios tipos: 

• Tuberías en serie. 

• Tuberías en paralelo. 

• Redes de tuberías

SISTEMAS DE TUBERÍAS

Los sistemas de tuberías están formados por tramos de tuberías y aditamentos  que se  alimentan aguas arriba por un depósito o una bomba y descargan aguas abajo libremente  a la atmósfera o a otro depósito. En cualquier sistema de tuberías se pueden presentar los tres problemas hidráulicos  vistos anteriormente: cálculo de pérdidas, comprobación de diseño y diseño de la tubería. Siempre se trata de llegar a sistemas determinados en que a partir de unos datos se tienen inequívocamente n incógnitas para n ecuaciones.

SISTEMAS SENCILLOS 

Están compuestos por un conducto único alimentado en el extremo de aguas arriba por  un depósito o por una bomba y descargan a otro depósito o a la atmósfera. El conducto tiene una longitud determinada y accesorios que producen pérdidas de energía. Las ecuaciones básicas son la de la energía y la de continuidad para una vena líquida:

ECUACIÓN 25. ECUACIÓN DE LA ENERGÍA PARA SISTEMAS SENCILLOS

ECUACIÓN 26.FORMULA DE CONTINUIDAD PARA SISTEMAS SENCILLOS

IMAGEN 14. SISTEMA DE TUBERÍA SENCILLO

Instrumentos de medicion de flujo y perdidas

¿Qué son los medidores de flujo?
Un flujometro es un instrumento que se usa para medir el caudal lineal, no lineal, de masa o volumétrico de un líquido o gas.

Cómo seleccionar un flujometro
La base de una buena selección de un flujometro es una comprensión clara de los requisitos de la aplicación en particular. Por lo tanto, se deberá invertir tiempo en evaluar por completo la naturaleza del fluido de proceso y de la instalación en general.

Rotámetro o flujometro de área variable para gases y líquidos.

El rotámetro es un tubo ahusado y un flotador. Es el flujometro de área variable más ampliamente usado debido a su bajo costo, simplicidad, baja caída de presión, rango de medida relativamente amplio, y salida lineal.

Más medidores de flujo variables: medidores de flujo de resorte y pistón para gases y líquidos.

Los medidores de flujo de tipo de pistón usan un orificio anular formado por un pistón y un cono ahusado. El pistón se mantiene en su lugar en la base del cono (en la "posición sin flujo") mediante un resorte calibrado. Las escalas se basen en gravedades específicas de 0.84 para medidores de aceite, y 1.0 para medidores de agua. Su simplicidad de diseño y la facilidad con la que se pueden equipar para transmitir señales eléctricas los ha convertido en una alternativa económica a los rotámetros para indicación y control de caudal.

medidores de flujo de gas másicos.

Los medidores de flujo másicos de tipo térmico funcionan con una dependencia menor de densidad, presión y viscosidad del fluido. Este estilo de flujometro usa, bien un transductor y sensor de temperatura de presión diferencial o bien un elemento detector calentado y principios de conducción térmica para determinar el caudal másico verdadero. Muchos de estos medidores de flujo másicos tienen pantallas y salidas analógicas incorporadas para registro de datos. Entre las aplicaciones populares están la prueba de fuga y las mediciones de flujo básico en el rango de mililitros por minuto.

medidores de flujo ultrasónicos (no intrusivos o Doppler) para líquidos.

Los medidores de flujo Doppler ultrasónicos normalmente se usan en aplicaciones sucias como aguas residuales y otros fluidos y lodos sucios que normalmente causan daño a los sensores convencionales. El principio de funcionamiento básico emplea el cambio de frecuencia (efecto Doppler) de una señal ultrasónica cuando la reflejan partículas suspendidas o burbujas de gas (discontinuidades) en movimiento.

medidores de flujo de desplazamiento positivo.

Estos medidores se usan para aplicaciones de agua cuando no hay tubería recta disponible y los medidores de turbina y el sensor de rueda de paletas verían demasiada turbulencia. El desplazamiento positivo también se usa para líquidos viscosos.

Medidores de vórtice.

Las principales ventajas de los medidores de vórtice son su baja sensibilidad a las variaciones en las condiciones de proceso y su bajo desgaste en comparación con los medidores de orificio y de turbina. Además, los costos iniciales y de mantenimiento son bajos. Por eso, han estado ganando más aceptación entre los usuarios. Los medidores de vórtice requieren dimensionamiento; comuníquese con nuestro departamento de ingeniería de flujo.

Tubos Pitot o sensor de presión diferencial para líquidos y gases.

Los tubos Pitot ofrecen las ventajas de instalación fácil y de bajo costo, mucho menor pérdida de presión permanente, bajo mantenimiento y buena resistencia al desgaste. Los tubos Pitot requieren dimensionamiento; comuníquese con nuestro departamento de ingeniería de flujo.

Medidores de flujo magnéticos para líquidos conductores.

Disponible en estilo en línea o de inserción. Los medidores de flujo magnéticos no tienen piezas móviles y son ideales para aplicaciones en aguas residuales o cualquier líquido sucio que sea conductor. Las pantallas están incorporadas o se puede usar una salida analógica para monitoreo remoto o registro de datos.

Anemómetros para medición de flujo de aire

Los anemómetros de alambre caliente son sondas sin piezas móviles. El flujo de aire se puede medir en tuberías y ductos con un instrumento manual o de montura permanente. También hay disponibles anemómetros de álabes. Los anemómetros de álabes normalmente son más grandes que un alambre caliente pero son más resistentes y económicos. Hay modelos disponibles con medición de temperatura y humedad.

CONAGUA. (2002). Manual para la elaboración y revisión de proyectos ejecutivos de sistemas de riego parcelario. Comisión Nacional del Agua, Subdirección General de Operación Gerencia de Distritos y Unidades de Riego. México: Comisión Nacional del Agua.

White, F. (2003), Mecánica de fluidos, Aravaca España, Amelia Nivea.