Conceptos Básicos

Sistema y Entorno

Un sistema es la porción de materia que se estudia, como un fluido en una máquina térmica o hidráulica. El límite o frontera es la superficie que lo envuelve, y el medio exterior o entorno es el conjunto de sistemas que influyen en él. Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente bajo un esfuerzo tangencial.

Tipos de Sistemas

Los sistemas se clasifican según su masa y transferencia de calor:

• Sistema cerrado: Su masa permanece constante, como un gas en un cilindro.
• Sistema abierto o flujo: El fluido fluye a través de un contorno, como en una tubería.
• Sistema adiabático: No permite el paso de calor, común en sistemas hidráulicos.

Flujo de Fluidos

Características del Flujo

El movimiento de un fluido se describe mediante:

• Trayectoria: Lugar geométrico de las posiciones de una partícula a lo largo del tiempo.
• Línea de flujo: Línea formada por la posición instantánea de varias partículas, indicando la dirección del vector velocidad.
• Tubo de flujo: Superficie tubular formada por líneas de flujo alrededor de una superficie.
• Caudal: Volumen de fluido que atraviesa una sección por unidad de tiempo.

Regímenes de Flujo

El flujo puede ser:

• Permanente o estacionario: Las características medias (velocidad, presión, densidad) no varían en el tiempo.
• Variable o transitorio: Las características medias cambian con el tiempo.
• Uniforme: La velocidad media es la misma en todas las secciones transversales.
• Laminar: El fluido se mueve en capas ordenadas.
• Turbulento: El movimiento es desordenado, con partículas moviéndose en todas direcciones.

Viscosidad

La viscosidad es la resistencia de un fluido a la deformación. El esfuerzo constante (τ) es la resistencia por unidad de superficie entre dos láminas deslizantes, proporcional a la viscosidad y al gradiente de velocidad.

Cavitación

La cavitación ocurre cuando los impactos del fluido generan presiones locales elevadas, arrancando partículas de material y causando daños.

Estática de Fluidos

Equilibrio

Un fluido está en equilibrio cuando no hay movimiento relativo entre sus partículas. En un líquido en reposo, la energía total (presión + posición) es constante en todos los puntos.

Medición de Presión

Se utilizan instrumentos como:

• Tubo piezométrico: Mide pequeñas presiones.
• Manómetro diferencial: Mide la diferencia de presión entre dos puntos.
• Transformador diferencial lineal variable: Utiliza un tubo bourdon para medir la presión.

Aplicaciones

Ejemplos de aplicaciones incluyen:

• Estatorreactores: Motores térmicos simples sin partes móviles.
• Turborreactores: Estatorreactores con un turbocompresor-turbina.

Resistencia de Flujos Externos

Capa Límite

La capa límite es la capa delgada de fluido junto al contorno donde ocurre el gradiente de velocidad, afectando la resistencia en flujos subsónicos.

Número de Reynolds

El número de Reynolds determina el tipo de flujo (laminar o turbulento) y depende del diámetro, velocidad y viscosidad.

Longitud Equivalente

Se utiliza para calcular la pérdida de carga en accesorios, sustituyéndolos por una longitud equivalente de tubería.

Elementos de Control de Flujo

Algunos elementos comunes son:

• Tubo Venturi: Endereza el flujo y reduce la perturbación.
• Sifón: Conducto de descarga con una parte por encima del nivel del líquido.

Análisis de Redes de Tuberías

Se utilizan conceptos como:

• Nudo de caudal: Caudal externo definido, generalmente en puntos de consumo.
• Nudo de presión: Altura piezométrica conocida.
• Nudo de paso: Solo confluencia de caudales.

Resistencia de Forma

La forma de un cuerpo puede causar desprendimientos de la capa límite, generando resistencia al avance en un fluido.

Golpe de Ariete

El golpe de ariete es un aumento brusco de presión en una tubería cuando se interrumpe el flujo, pudiendo causar daños. Se utilizan dispositivos como volantes de inercia, chimeneas de equilibrio, calderines de aire y amortiguadores de aire para mitigarlo.

Turbomáquinas

Principios de Funcionamiento

Una turbomáquina utiliza una rueda de álabes (rodete) para convertir la energía del fluido en trabajo mecánico. Se clasifican en:

• Turbinas de acción: La transformación de energía ocurre en órganos fijos antes del rodete.
• Turbinas de reacción: La transformación de energía ocurre en el rodete.

Pérdidas

Las turbomáquinas experimentan pérdidas de energía:

• Pérdidas internas: Pérdidas en el flujo entre la entrada y salida.
• Pérdidas volumétricas: Parte del caudal circula por intersticios.
• Pérdidas mecánicas: Rozamientos en prensaestopas y cojinetes.