Tema 1.1 Conceptos de hidráulica. Concepto de flujo en tuberías.-

Flujo Turbulento.

En mecánica de fluidos, se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al 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

aperiódicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente.

Distribución de velocidades al interior de un tubo con flujo turbulento

Flujo laminar. Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido Se llama flujo laminar o corriente

laminar, al tipo de movimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado,

estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin

entremezclarse si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos, o en capas cilíndricas

coaxiales como, por ejemplo la glicerina en un tubo de sección circular. Las capas no se

mezclan entre sí.

Flujo laminar de un fluido perfecto en torno al perfil de un objeto

DEFINICIÓN DE CAUDAL O FLUJO. CAUDAL

Se define el caudal como el volumen de fluido que fluye en la unidad de tiempo. En el

sistema internacional S.I., la unidad de medida es el m3 /s, pero se utilizan también otras

unidades de menor magnitud como el l /min o en el sistema inglés el pie3 /min o cfm.

Los medidores de flujo se utilizan para indicar la cantidad de flujo de un fluido. Se emplean

para indicar el flujo de potencia hidráulica que se requiere en las máquinas.

VOLUMEN CAUDAL = TIEMPO PRESION

Se define como la FUERZA POR UNIDAD DE AREA. Por ejemplo, dentro de una jeringa

que contenga aire, la presión a la que este estará sometido, es la relación entre la fuerza

que se aplica sobre el émbolo y el área del mismo, es decir:

PRESION = Fuerza/Área

Gráfica de las diferentes presiones

Clasificación de la presión:

Presión Atmosférica se origina por el peso de las capas de aire de la atmósfera. Varía

según las condiciones climáticas y según la altura sobre el nivel del mar. Su valor allí es de

LITROS / MINUTO, METRO3 / HORA,

PIE3 / MINUTO

GALONES / MINUTO

1.013 bar o 760 mm de Hg (mercurio), se mide con un aparato llamado Barómetro por lo

que se le llama también Presión Barométrica.

Presión Relativa o Sobre Presión, es la que se origina en una tubería por compresión del

fluido allí conducido. Es la presión que comúnmente se mide y controla en un sistema

neumático o hidráulico. Para medirla se utiliza el manómetro de allí que también se le llama

Presión Manométrica.

Presión Absoluta es la que se toma como punto de referencia al cero absoluto y

corresponde a la suma algebraica de la Presión Atmosférica y la Presión Relativa.

Subpresión o Presión de Vacío, cuando el valor de la Presión Relativa está por debajo de

la atmosférica. En este caso corresponde a la presión de succión en un compresor, en un

ventilador o en una bomba hidráulica.

Físicamente hay solamente una clase de Presión y esa es la que comienza desde 0 ó

vacío absoluto. Todo por encima de cero ( 0 ) es presión y correctamente llamada presión

absoluta.

La presión atmosférica normal es usada como factor de referencia, por lo cual, se usan las

palabras presión positiva ó presión negativa. El vacío se emplea como técnica para el

transporte de materiales.

La presión que comúnmente se utiliza es la relativa o manométrica. Para medirla se usa

entre otros el manómetro de tipo tubo Bourdon.

Densidad: La densidad de una sustancia D expresa la masa contenida en la unidad de volumen. Su

valor se determina dividiendo la masa de la sustancia entre el volumen que ocupa:

D = m / V

Donde: D = densidad de la sustancia en g / cm3, Kg / m3, lbm / ft 3, lbm / pulg 3

m= masa contenida en g o Kg, libra

V= volumen que ocupa esa sustancia en cm3, m3, ft 3, pulg 3

Peso específico: El peso específico de una sustancia se determina dividiendo su peso entre el volumen que

ocupa:

Pe = P / V

Pe = peso específico de la sustancia, en N / m3, Lbf / ft 3, Lbf / pulg 3

P = peso de esa sustancia, en N, Lbf

V = volumen que ocupa esa sustancia en cm3, m3, ft 3, pulg 3

Trabajo: Su definición más simple es fuerza X distancia = N X m = Joule Potencia: Se define como el resultado de dividir el trabajo entre la unidad de tiempo respectivo. Potencia = trabajo / tiempo También muy importante es definir: Potencia = Presión X caudal Medición del volumen total; algunos medidores son diseñados para indicar directamente

el volumen total, V, que pasa a través del medidor. El volumen, V, es derivado del flujo

volumétrico en un cierto tiempo. Estas operaciones normalmente afectan la incertidumbre

de la medición.

Gasto másico; se define como la relación de cambio de la masa con respecto al tiempo.

m = m

t

Joule / seg

Btu / min Kcal / hr.

= N m3 N X m joule

___ X ___ = ________ = ______ = watt m2 seg seg seg

Factores de Conversión de Caudal. Presión, Peso Específico, Densidad, Trabajo,

Gasto, Volumen.

Factores de Conversión de Caudal:

1 cm cúbico/seg. cm3/s = 0.000035300000000000004 pie cúbico/seg. Ft3/s

1 cm cúbico/seg. cm3/s = 0.001 litro segundo l/s

1 cm cúbico/seg. cm3/s = 0.000001 metro cúbico/seg. m3/s

1 pie cúbico/seg. Ft3/s = 28300 cm cúbico/seg. cm3/s

1 pie cúbico/seg. Ft3/s = 1 pie cúbico/seg. Ft3/s

1 pie cúbico/seg. Ft3/s = 28.32 litro segundo l/s

1 pie cúbico/seg. Ft3/s = 0.028300000000000002 metro cúbico/seg. m3/s

1 litro segundo l/s = 1000 cm cúbico/seg. cm3/s

1 litro segundo l/s = 0.0353 pie cúbico/seg. Ft3/s

1 litro segundo l/s = 0.001 metro cúbico/seg. m3/s

1 metro cúbico/seg. m3/s = 1000000 cm cúbico/seg. cm3/

Factores de Conversión de Presión.

1 Pascal (Pa) = 1 N / m2

1 bar = 10 000 Pa

1 bar = 1.019716 kg/cm2

1 bar = 14.50 PSI

1 kg/cm2 = 0.980 bar

1 kg/cm2 = 98066.5 Pa

1 kg/cm2 = 14.22334 PSI

1 PSI = 0.06894757 bar

1 PSI = 0.07030696 kg/cm2

1 PSI = 6894.757 Pascal

Factores de Conversión de Peso Específico:

1 lb/pie3 =157.1 N/m3 1KN/m3= 6.366

lb/pie3

I lb/plg3=0.2714 MN/m3 - 1MN/m3= 3.684

lb/plg3

1 N/m3 =0.0063658826658753 lbf/ft3

1kgf/cm³ = 1000 gf/cm³

1gf/cm³= 9806.65N/m³

Factores de Conversión de: Densidad.

1 gramo/cm3 = 1000 1 Kilogramo/m3

1 Kilogramo/m3 = 0.001 gramo/cm3

1 Kilogramo/m3 = 0.06242796 pound/foot3

1 Kilogramo/m3 = 3.612729e-005 pound/inches3

Factores de Conversión de Trabajo:

1 lb/plg= 0.113 J 1 J= 8.851 lb/plg

1 lb/pie= 1.356 J 1 J=0.7376 lb/pie

1 BTU= 1055J 1 J=9.478*10-4 BTU

1 KW/Hr=3.6 M J 1 J=0.2778*10-6 KW/Hr

1 W/s= 1 J 1 J =1 W/s

Factores de Conversión de Gasto:

1 metro3/minuto = 35.31467 pie3/ minuto

1 metro3/minuto = 15850.32 galón/hora

1 metro3/minuto = 264.1721 galón por minuto

1 pie3/ minuto = 28.31685 litros/minuto

1 galón por minuto = 3.785412 litros/minuto

Factores de Conversión de Volumen:

1 metro3 = 1 000 litros

1 galón = 3.785412 litros

1 litro = 0.2641721 galón

1 pie3= 28.31685 litros

1 metro3 = 264.1721 galones

1 metro3 = 35.31467 pie cubico

Ejercicios Resueltos de Conversión de Unidades.

CAUDAL

225 cm3 /seg A ft3/seg = 0.007942500000000002 ft3/s

1 cm3/s = 0.000035300000000000004 Ft3/s

225 cm3/s = X

382 l/s A m3/s = 0.382 m3/s

1 l/s = 0.001 m3/s

382 l/s= X

PRESIÓN

26 bar a Pa = 2600000 Pa 45 psi a Pa= 310264 pascal Pa

1 bar = 100 000 Pa 1 PSI = 6894.757 Pascal

26 bar = x 45 PSI = X

PESO ESPECÍFICO

56 gf/cm³ a N/m³ = 549172.4 N/m³ 40 lb/ft3 a N/m3 = 6284 N/m3

1 gf/cm³ = 9806.65 N/m³ 1 lb/ft3 = 157.1

56 gf/cm³ = x 40 lb/ft3 = x

DENSIDAD

36 g/cm3 A kg/m3= 36000 kg/m3 90 kg/dm3 A g/l = 90000 g/l

1 g/cm3 = 1000 Kilogramo/m3 1 kg/dm3 = 1000 gramo litro g/l

36 g/cm3 = X 90 kg/ dm3 = X

TRABAJO

78 lb/pie A J= 105.768 J 21 BTU A J= 22155

1 lb/pie= 1.356 J 1 BTU= 1055J

78 lb/pie = X 21 BTU= X

GASTO

56 metro3/minuto A pie3/ minuto = 1977.62152 pie3/ minuto

1 metro3/minuto = 35.31467 pie3/ minuto

56 metro3/minuto = X

20 galones por minuto A litros/minuto = 75.70824 litros/minuto

1 galón por minuto = 3.785412 litros/minuto

20 galones por minuto = X

VOLUMEN

84 galones a litros = 317.9746 l

1 galón = 3.785412 litros

84 galones = x

49 pie3 a l = 1387.52565 l

1 pie3 = 28.31685 litros

49 pie3 = x

Saber hacer. Realizar conversiones con las unidades de Caudal. Presión, Peso específico, densidad,

Trabajo, Gasto, Volumen y Densidad.

Ejercicios Propuestos de Conversión de Unidades.

Realiza las siguientes conversiones: 10 bares a PSI 25 Kg/cm2 a PSI 160 000 Pa a bar

Tema 1.3 Características de los fluidos.

Saber.

Características de los Fluidos Hidráulicos.

En principio, cualquier líquido es apropiado para transmitir energía de presión. No

obstante, el líquido utilizado en un sistema hidráulico tiene que cumplir con ciertas

condiciones adicionales, por lo que no hay muchas alternativas.

El agua genera problemas de corrosión, ebullición, congelación y viscosidad.

Los líquidos elaborados en base a aceites minerales (también llamados aceites

hidráulicos) cumplen con prácticamente todos los requisitos normales (que se plantean,

por ejemplo, en las máquinas-herramientas). En consecuencia, son los más difundidos en

los sistemas hidráulicos.

Es necesario utilizar líquidos difícilmente inflamables. Todas estas aplicaciones

albergan el peligro de provocar un incendio si un fluido de aceite mineral escapa por una

fuga o rotura de conducto y entra en contacto con partes metálicas muy calientes.

Funciones de los Fluidos.

Los fluidos utilizados en sistemas hidráulicos tienen que cumplir funciones muy

diversas:

Transmitir la presión

Lubricar las partes móviles de los equipos

Refrigerar, es decir, derivar el calor producto de la transformación de energía (pérdidas

de presión)

Amortiguar vibraciones causadas por picos de presión

Proteger contra la corrosión

Eliminar partículas abrasivas

Transmitir señales

La selección que se haga y el cuidado que se tenga del fluido hidráulico de una

máquina, ejercerán un efecto importante sobre el rendimiento de ésta, así como por lo que

respecta a la duración de los elementos hidráulicos. Con la palabra fluido daremos a

entender el fluido hidráulico, ya que se trata de un petróleo de composición especial o de

alguno de los fluidos también especiales, resistentes a la combustión, que son a veces

compuestos sintéticos.

Transmisión de potencia.

Como medio de transmisión de potencia, el líquido debe fluir con facilidad a través

de las líneas y orificios de los elementos. La excesiva resistencia al flujo crea pérdidas de

potencia considerables. El fluido debe ser también tan incomprensible como sea posible,

a fin de que cuando se arranque una bomba o se conmute de posición una válvula, la acción

sea instantánea.

Lubricación.

En la mayoría de los elementos hidráulicos la lubricación interna la proporciona el

fluido. Los elementos de la bomba y otras piezas sujetas a desgaste se deslizan entre sí

con una película de aceite de por medio. A fin de que el elemento tenga una larga duración

el aceite debe contener los aditivos necesarios para garantizar buenas características

contra el desgaste. No todos los aceites hidráulicos contienen dichos aditivos.

Sellamiento.

En muchos casos, el fluido es el único sello contra la presión en el interior de un

componente hidráulico. No se cuenta con ningún anillo sellador entre el carrete cuerpo de

la válvula, que reduzca la fuga de aceite desde el paso de alta presión hacia el paso de baja

presión. Son el estrecho ajuste mecánico y la viscosidad del aceite los factores que

determinan el porcentaje de fuga que existirá.

Enfriamiento.

La circulación del aceite a través de las líneas y alrededor de las paredes del

depósito, hace que ceda el calor que se genera en el sistema.

Requisitos de calidad.

Además de estas funciones primarias, al fluido hidráulico se le puede exigir un gran

número de otros requisitos de calidad. He aquí algunos de ellos:

Evitar la oxidación

Evitar la formación de sedimentos, gomosidades y barnices,

Inhibir la espuma,

Mantener su propia estabilidad y por ende, reducir el costo de¡ cambio de aceite,

Mantener un cuerpo relativamente estable en todo un amplio porcentaje de

temperaturas,

Evitar la corrosión y la picadura,

Separar el agua,

Compatibilidad con sellos y empaques.

Estos requisitos de calidad son a menudo resultado de composiciones especiales y

pueden no estar presentes en todos los fluidos.

Definición de fluido. Un fluido es un medio continuo, homogéneo y que se deforma continuamente cuando se le

sujeta a un esfuerzo cortante, sin importar la magnitud de este.

Así se reúne bajo el término de fluidos, materiales de apariencia muy diferente, como el

agua, aceite, aire, gas natural en condiciones normales.

Sus propiedades comunes son:

Toman casi inmediatamente la forma del recipiente que los contiene.

Las fuerzas de atracción provocan que se suelden casi instantáneamente.

Viscosidad.

La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido que fluye; o bien, la medida inversa

de su fluidez. Si un líquido fluye con facilidad, su viscosidad es baja, se puede decir

también que el fluido es delgado o que tiene poco cuerpo.

Un líquido que fluye con dificultad posee una alta viscosidad, Se dice que es grueso o de

mucho cuerpo.

Viscosidad absoluta (Poise)

El método de laboratorio para medir la viscosidad absoluta se basa en considerar a ésta

como la resistencia que ofrece cuando se mueve una capa de líquido al desplazarla sobre

otra capa del mismo fluido. (En el sistema métrico la fuerza se expresa en dinas y el área

en centímetros cuadrados).

Viscosidad cinemática. (Centistokes)

El concepto de viscosidad cinemática ha surgido del uso de la potencia de un líquido para

producir un flujo a través de un tubo capilar. Al dividir el coeficiente de viscosidad absoluta

entre la densidad del líquido se obtiene lo que se denomina viscosidad cinemática. En el

sistema métrico la unidad de viscosidad se llama Stoke y tiene las unidades de centímetros

cuadrados por segundo. A la centésima parte de un Stoke se le llama centistoke.

He aquí las conversiones entre viscosidad absoluta y cinemática:

DensidadCentistokeCentipoise

Densidad

CentipoiseCentistoke

Viscosidad Relativa o SUS (Segundos Saybolt Universal)

Para la mayor parte de los fines prácticos bastará conocer la viscosidad relativa del fluido.

Esta se determina midiendo el tiempo que tarda en fluir una cantidad específica del fluido a

través de un orificio estándar de dimensiones también específicas, a una temperatura

establecida. Se utilizan diversos métodos, pero el comúnmente aceptado en este país es

el viscosímetro Saybolt.

El tiempo que tarda la cantidad medida de líquido en fluir por el orificio se determina

mediante un cronómetro. La viscosidad en Segundos Saybolt Universales (SUS) es igual

al tiempo en segundos que transcurre en la operación.

Punto de fluidez.

El punto de fluidez es la temperatura más baja a la que puede fluir un líquido. Esta es una

especificación muy importante en los casos en que el sistema hidráulico va a quedar

expuesto a temperaturas sumamente bajas. Como regla general, el punto de fluidez debe

estar 20 grados F- abajo de la temperatura más baja que se espera encontrar.

Resistencia a la inflamación.

El punto de inflamación es la temperatura a la cual el aceite despide suficientes vapores

que se inflaman cuando una llama abierta es aplicable. Cuando la concentración de

vapores en la superficie es lo suficientemente grande a la exposición de una llama,

resultará fuego tan pronto como los vapores se enciendan.

Ley de Pascal.

Enuncia que la presión dentro de un recipiente cerrado es la misma, independientemente

de su forma y tamaño.

Principio de Bernoulli.

El principio de Bernoulli afirma que la presión interna de un líquido disminuye a medida

que su velocidad aumenta.