Línea de corriente

Se entiende por línea de corriente como la envolvente de los vectores velocidad, de tal manera que serán tangentes a la velocidad en cualquiera de sus puntos. El flujo a través de una superficie es la masa que atraviesa la superficie por unidad de Tiempo

Flujo uniforme

Este tipo de flujos son poco comunes y ocurren cuando el vector velocidad en todos los puntos del escurrimiento es idéntico tanto en magnitud como en dirección para un instante dado o expresado matemáticamente.

Flujo no uniforme

Es el caso contrario al flujo uniforme, este tipo de flujo se encuentra cerca de fronteras sólidas por efecto de la viscosidad.

La ecuación de Bernoulli.

La ecuación de Bernoulli es la expresión de la segunda ley de Newton aplicada a las partículas de un fluido, en este primer tema de aproximación al flujo de fluidos, se expondrá la ecuación en ausencia de pérdidas, pero, en temas posteriores de flujo a través de tuberías, tendremos en cuenta dichas pérdidas y se añadirá un término de pérdidas en lo que se denomina ecuación de Bernoulli generalizada.

Principios fundamentales del flujo de fluidos

1. Principios de la conservación de masa ecuación de continuidad.

2. principios de la conservación de energía.

3. principios de la conservación de continuidad de movimiento.(ecu. De las fuerzas dinámicas.)

Ecuación de continuidad

La ecuación de continuidad expresa la conservación de la masa del fluido a través de las distintas secciones de un tubo de corriente. Con arreglo al principio de conservación de la masa, ésta no se crea ni se destruye entre las secciones A1 y A2. Por lo tanto, la ecuación de continuidad será:

Perdidas en tuberías

Los cambios de presión que se tienen en un flujo incompresible a través de un tubo se deben a cambios en el nivel o bien a cambios en la velocidad debido a cambios en el área de la sección transversal y por otra parte al rozamiento.

Pérdidas Mayores: se deben al rozamiento en un flujo completamente desarrollado que pasa a través de segmentos del sistema con área de sección transversal constante.

Pérdidas Menores: se deben a la presencia de válvulas, bifurcaciones, codos y a los efectos de rozamiento en aquellos segmentos del sistema cuya área de sección transversal no es constante.

Flujos internos

  Son los flujos que quedan completamente limitados por superficies sólidas. Ej.: flujo interno en tuberías y en ductos.

Pérdida de energía

También es llamada pérdida de carga, y es la pérdida de energía que experimentan los líquidos que fluyen en tuberías y canales abiertos.

Línea piezométrica

Es la línea que une los puntos hasta los que el líquido podría ascender.

 Línea de energía

También es llamada línea de carga. La energía total del flujo en cualquier sección, con respecto a un plano de referencia determinado, es la suma

de la altura geométrica o de elevación Z, la altura piezométrica o de carga, y, y la altura cinética o de presión dinámica V2/2g.

Tipos de Flujo

Flujo libre

El movimiento del fluido se realiza por conductos abiertos o cerrados parcialmente llenos, de forma que existe una superficie libre que está en contacto con la atmósfera. El movimiento se realiza gracias a la fuerza de la gravedad.

Flujo a presión

El movimiento del agua se realiza por conductos cerrados sobre los que el fluido ejerce una presión distinta a la atmosférica. El movimiento se debe principalmente a la acción de la presión hidráulica.

Según el tiempo y el espacio

Según el tiempo, el flujo se clasifica en permanente (estacionario) y en no permanente (no estacionario). Según el espacio, el flujo se clasifica en uniforme y variado.

Flujo permanente variado

Los parámetros hidráulicos del flujo permanecen constantes en el tiempo pero varían en el espacio.

Flujo permanente gradualmente variado

Los cambios en la velocidad del flujo son graduales en la dirección principal del flujo como cuando existen contracciones o expansiones suaves en las conducciones.

Flujo permanente rápidamente variado.

Los cambios en las características del flujo son abruptos a lo largo de la conducción como cuando ocurren variaciones bruscas en la sección transversal de un conducto, o flujo a través de válvulas y rotores de bombas.

Flujo

La palabra flujo se refiere a algún fluido que está en movimiento y que por esa razón se propaga, por ejemplo todos conocemos los efectos del agua y como se comporta en las diferentes superficies por la cual fluye, de esta manera pueden surgir diferentes tipos flujos en los cuales podemos mencionar:

Flujo Permanente

Se dice que el flujo es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración. Es llamado también flujo estacionario.

Así mismo en cualquier punto de un flujo permanente, no existen cambios en la densidad, presión o temperatura con el tiempo.

Por otro lado el Flujo no permanente es totalmente lo contrario, se dice que el flujo es no permanente si de un punto a otro varía su profundidad, ósea un punto determinado varia de un instante a otro a lo largo del trayecto. Llamado también flujo no estacionario.

Flujo laminar

Se caracteriza porque el movimiento de las partículas del fluido se produce siguiendo trayectorias bastante regulares, separadas y perfectamente definidas dando la impresión de que se tratara de laminas o capas paralelas entre sí, las cuales se deslizan suavemente unas sobre otras, llamadas líneas de corrientes.

Flujo turbulento

Es el movimiento de un fluido que se da en forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos.

Factores que hacen que un flujo se torne turbulento:

La alta rugosidad superficial de la superficie de contacto con el flujo.

Alta turbulencia en el flujo de entrada. Gradientes de presión adversos como los que se generan en

cuerpos gruesos. Calentamiento de la superficie por el fluido,

Ecuación por pérdida de fricción

El termino perdida por fricción, se refiere nada más y nada menos que al roce que se produce entre el fluido y la superficie por la que circula, en la cual la superficie le opone una resistencia que ocasiona que el fluido pierda fuerza, presión, energía, etc.

La ecuación por perdida de fricción, también conocida como la formula de Darcy es una ecuación que calcula dicha perdida en el fluido que le ocasiona la superficie.

Esta ecuación ha caído un poco en desuso, dado a la dificultad que es calcular la fricción “f” en la superficie, Aún así, se puede utilizar para el cálculo de la pérdida de carga en tuberías.

Pero la  La ventaja de esta fórmula es que puede aplicarse a todos los tipos de flujo hidráulico (laminar y turbulento).

- Fórmula general

Siendo:

 = pérdida de carga debida a la fricción. (m) = factor de fricción de Darcy. (a dimensional) = longitud de la tubería. (m) = diámetro de la tubería. (m) = velocidad media del fluido. (m/s) = aceleración de la gravedad ≈ 9,80665 m/s².2

Una vez teniendo todas las incógnitas resueltas solo queda despejar la ecuación y ya conoceremos cuanto perdió ese fluido al cruzar esa tubería por ejemplo.

- Fórmula en función del caudal

La fórmula de Darcy puede ser escrita, en función del caudal , como:

Una vez más cuando ya tengamos todas las incógnitas conocidas solo es despejar la ecuación.

Perdida de cargas en secciones no circulares

El flujo de un líquido de una tubería no circular viene acompañado de una pérdida de energía, y esto se refiere a la perdida de energía por unidad de peso del fluido, denominada habitualmente perdida de de carga.

La dimensión La dimensión característica de secciones no circulares se conoce como “radio hidráulico”.

En este caso siempre nos referiremos a conductos cerrados y completamente llenos, ya que es la situación más general en el análisis de conductos.

Formulas empíricas para determinar el flujo de tubería

Para proyectar instalaciones de transporte de fluidos, tanto si el flujo es a presión como en lámina libre, es preciso conocer:

1. La relación existente entre la pérdida de carga o la pendiente de la línea de energía y el caudal.

2. Las características del fluido.

3. La rugosidad y configuración de la tubería o canal.

Las ecuaciones del flujo de fluidos en conductos cerrados pueden derivarse tanto de consideraciones teóricas como empíricamente.

La ecuación universal de Darcy es ejemplo de una ecuación deducida teóricamente, las formulas de Manning y Hazen-Williams, utilizadas para proyectar alcantarillas y conducciones forzadas, son ejemplos de ecuaciones obtenidas experimentalmente.

Ecuación de Darcy-Weisbach: (1875)

hf = f *(L / D) * (v2 / 2g)

hf = 0,0826 * f * (Q2/D5) * L

Ecuación de Hazen-Williams: (1905)

El método de Hazen-Williams es válido solamente para el agua que fluye en las temperaturas ordinarias (5 ºC - 25 ºC).

Ecuación de Manning: (1890)

Las ecuaciones de Manning se suelen utilizar en canales. Para el caso de las tuberías son válidas cuando el canal es circular y está parcial o totalmente lleno, o cuando el diámetro de la tubería es muy grande.

Corrosión en tuberías hidráulicas

El agua en las instalaciones hidráulicas, está expuesta a muchos metales y a diferentes condiciones de temperatura, velocidad y presión.

En las instalaciones hidráulicas modernas hay docenas de diferentes usos para el líquido: agua fría para beber; agua caliente para baño; agua para protección contra incendios; agua para acuarios, animales domésticos y plantas, y agua para enfriamiento y calefacción. Las diferencias en temperaturas, presiones y velocidades que presentan los diferentes usos del agua afectan las propiedades de ésta en cuanto sus tendencias hacia la corrosión.

Las causas más comunes de los problemas de corrosión en las instalaciones internas son:

La suavización completa de la totalidad del suministro de agua, en general incrementa la corrosividad del suministro. 

La selección de materiales inadecuados para la tubería o una combinación errónea de materiales, lo que produce fallas en los tubos debido a la corrosión.

No instalar equipos adecuados para el tratamiento de aguas ni disponer de un acceso que facilite las reparaciones o reposiciones.

El manejo de agua caliente doméstica a una temperatura demasiado alta.

Rugosidad

La rugosidad de las paredes de los canales y tuberías es función del material con que están construidos, el acabado de la construcción y el tiempo de uso. Los valores son determinados en mediciones tanto de laboratorio como en el campo. No es significativa, como se puede ver a continuación, la variación de este parámetro es fundamental para el cálculo hidráulico por un lado, y para el buen desempeño de las obras hidráulicas por otro.

Numero de Reynolds.

Las características que condicionan el flujo laminar dependen de las propiedades del líquido y de las dimensiones del flujo.

Este número es a dimensional y puede utilizarse para definir las características del flujo dentro de una tubería.

Diagrama de Moody y Nikuradse.

Es la representación gráfica en escala del factor de fricción en función del número de Reynolds y la rugosidad relativa de una tubería.

Pérdidas locales

Además de las Pérdidas por Fricción, el uso de piezas especiales como válvulas o llaves de paso, reducciones, codos, Y , T, entre otros, origina perturbaciones en las líneas de corriente del flujo en su paso a lo largo de la conducción que son denominadas Pérdidas Localizadas y que, de acuerdo a su magnitud, pueden significar una pérdida de energía significativa.

Uno de los método común para determinar las pérdidas de carga a través de un accesorio, es por medio del coeficiente de pérdida KL(conocido también como coeficiente de resistencia):

Expansión repentina o súbita:

Al fluir un fluido de un conducto de menor a uno mayor a través de una dilatación súbita, su velocidad disminuye abruptamente, ocasionando una turbulencia que genera una pérdida de energía. La cantidad de turbulencia, y por consiguiente, la cantidad de pérdida de energía, depende del cociente de los tamaños de los dos conductos.

La pérdida menor se calcula de la ecuación:

h fs=k ( v12

2g )Donde (v1) es la velocidad de flujo promedio en el conducto menor que está delante de la dilatación. Es posible predecir analíticamente el valor de k, gracias a la siguiente ecuación:

Ensanchamiento gradual:

Si la transición de un conducto menor a uno mayor puede hacerse menos abrupta que la dilatación súbita de bordes cuadrados, la perdida de energía se reduce. Esto normalmente se hace colocando una sección cónica entre los dos conductos, como se muestra en la siguiente figura. Las paredes en pendiente del cono tienden a guiar el fluido la desaceleración y expansión de la corriente de flujo.

La magnitud de K depende tanto de la proporción de diámetro D2 / D1 como del ángulo de cono.

Contracción repentina o súbita:

Al aproximarse las líneas de trayectoria a la contracción , asumen una trayectoria curva y la corriente total continua estrechándose durante cierta distancia más allá de la contracción, por lo tanto la sección de cruce mínimo de flujo es menor que la del conducto menor.

La sección donde ocurre esta área de flujo mínimo se denomina “vena contracta”, más allá de esta la corriente de flujo debe desacelerar y dilatarse nuevamente para llenar el conducto. La turbulencia ocasionada por la contracción y la posterior dilatación genere la perdida de energía.

Contracción gradual:

La pérdida de energía en una contracción puede disminuirse sustancialmente haciendo la contracción más gradual. La figura muestra una contracción de este tipo, formada mediante una sección cónica entre los dos diámetros con cambios abruptos en las junturas. El ángulo Ѳ se denomina ángulo de cono.

Pérdidas Menores: Válvulas

Las válvulas controlan el caudal por medio de un mecanismo para ajustar el coeficiente de pérdida global del sistema al valor deseado. Al abrir la válvula se reduce (K) produciendo el caudal deseado.

El método para determinar el coeficiente de resistencia k es diferente. El valor de k se reporta en la forma:

K=( LcD ) f TPerdida de entrada

Un caso especial de contracción sucede cuando un fluido se mueve en un depósito o tanque relativamente grande hacia una tubería. El fluido debe acelerar desde una velocidad despreciable a la velocidad de flujo en la tubería. La facilidad con que la aceleración se lleva a cabo determina la cantidad de la perdida y, por tanto, el

valor coeficiente de resistencia de la entrada depende de la geometría de esta.

Donde v2 es la velocidad del flujo.

Perdida en la salida

Conforme un flujo pasa de una tubería a un depósito o tanque grande como se muestra en la figura, su velocidad disminuye a casi 0. En el proceso se disipa la energía cinética que el fluido tenía en la tubería, indicada por la carga. Por tanto la energía perdida por esta condición es:

A esta se le denomina perdida de salida. El valor de K=1.0 se emplea sin que importe la forme de la salida en el lugar donde el tubo se conecta a la pared del tanque.

Gradiente.

Intensidad de aumento o disminución de una magnitud variable.

Gradiente hidráulico.

Magnitud vectorial determinada por el incremento de potencial del agua por unidad de distancia. Se representa con la letra (i), y se calcula por la relación Δh/L, el cual su resultado es adimensional.

Energía hidráulica.

Se denomina energía hidráulica, energía hídrica a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energía verde cuando su impacto ambiental

es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla; en caso contrario, es considerada solo una forma de energía renovable.

Ventajas.

Se trata de una energía renovable de alto rendimiento energético.

Debido al ciclo del agua su disponibilidad es inagotable. Es una energía totalmente limpia, no emite gases, no produce emisiones tóxicas, y no causa ningún tipo de lluvia ácida y, desde este punto de vista, es ecológica.

Desventajas.

La construcción de grandes embalses puede inundar importantes extensiones de terreno, obviamente en función de la topografía del terreno aguas arriba de la presa, lo que podría significar pérdida de tierras fértiles, dependiendo del lugar donde se construyan.

Obtención de la energía hidráulica.

La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial y cinética de las masas de agua que transportan los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual trasmite la energía a un alternador el cual la convierte en energía eléctrica.

Potencial hidráulico

El potencial hidráulico es la suma de los potenciales métrico y gravitacional, donde el agua se mueve en el suelo en el sentido de los potenciales hidráulicos decrecientes.

Potencial Mátrico

Este solo se presenta en los suelos sub saturados, siendo nulo en los suelos saturados, y se debe a los mecanismos de retención de agua en el suelo. Su valor siempre es negativo, ya que la presión que origina se opone a la expulsión de agua del suelo. Cuanto más seco esta un terreno, mas bajo es este potencial y mayor la presión necesaria para extraer agua.

Potencial gravitacional

Se debe a la altura geométrica del punto considerado respecto al plano de

referencia, coincidiendo su valor con esta distancia.

Formula:

Transmisión Hidráulica

Este es el tipo de transmisión que se ha generalizado en la construcción de tractores, cosechadoras y demás maquinarias agrícolas, y utiliza un líquido que es el aceite para transmitir una Potencia.

Existen dos tipos de transmisión hidráulica:

1. La Transmisión Hidráulica Hidrodinámica se basa en el aprovechamiento de la Energía Cinética del aceite, es decir la Energía originada por el estado de movimiento representada por su caudal.

2. La Transmisión Hidráulica Hidrostática se basa en el aprovechamiento de la Energía Potencial del aceite, ó sea la energía que posee en potencia por su estado de reposo.

Tipos de Bomba

Bomba hidráulica

Dispositivo que transforma la energía mecánica en energía hidráulica, es decir, realizan un trabajo para mantener un líquido en movimiento. Consiguiendo así aumentar la presión o energía cinética de un fluido.

El impulsor crea una corriente de succión en la entrada, introduciendo el fluido en su interior y lo empuja hacia el circuito hidráulico. Según el principio de funcionamiento se clasifican en:

1. Hidrostáticas: bombas de desplazamiento positivo o volumétrica.

2. Hidrodinámicas: Bombas rotodinámicas.

Bombas de desplazamiento positivo o volumétrico.

Bombas rotodinamicas.

Selección de una bomba hidráulica.

Las bombas deben seleccionarse según el concepto del trabajo a realizar:

Presión máxima.

Caudal máximo.

Rendimiento de la bomba.

Fácil mantenimiento.

Energía requerida en la fase de arranque.

Turbinas:

Son dispositivos que convierten energía hidráulica en mecánica. Se pueden agrupar en dos tipos:

1. Turbinas de impulso o acción.

2. Turbinas de reacción.

Turbina de impulso o acción.

Turbina de reacción.

Sistemas simples de tubería.

El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a través de un sistema 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.

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.

• Tuberías ramificadas.

• Redes de tuberías o tubería en varsas.

Tuberías en Serie.

Se habla de tuberías en serie cuando se quiere llevar el fluido de un punto a otro punto por un solo camino. El caudal es el mismo en todas las tuberías (ecuación de continuidad)

Tuberías en Paralelo.

Se habla de tuberías paralelo cuando se establecen varios caminos para llevar el fluido de un punto a otro. Como en el ejemplo de la figura: En este caso se cumplen las leyes siguientes:

Tuberías Ramificadas.

Se habla de tuberías ramificadas cuando el fluido se lleva de un punto a varios puntos diferentes.

Sistema de Tuberías en Mallas.

Se habla de redes de tuberías cuando el fluido se lleva de un punto hacia diversos puntos a través de varios caminos.