CAP 1 FLUIDOS PROPIEDADES_2018 2 (7) - Samuel Ferrara

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FLUIDOS Y FLUJOS
 CAPÍTULO 1
Mg. Estela Assureira
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TEMAS A TRATAR
Fluidos y flujos.
Campos de aplicación de la Mecánica de los fluidos.
Propiedades de los fluidos.
Clasificación de los fluidos.
Clasificación de los flujos.
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CAMPOS DE APLICACIÓN ….
Trabajos de fluidos mediante redes de tubería
	Transporte de agua
	Oleoductos
	Aire comprimido
	Relaves y concentrados 
	de minerales
	Aire acondicionado
Generación de Energía
	Bombas, ventiladores, compresores, turbinas hidráulica 	turbinas de vapor.
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Acondicionamiento de ambientes
Sistemas de calefacción y aire acondicionado, el fluido previamente preparado es introducido al recinto.
Deportes
Golf, veleros, ciclismo
Transporte
transporte terrestre: fuerza de resistencia
Transporte aéreo: fuerza de arrastre y sustentación
Transporte Marítimo: fuerza de resistencia.
……CAMPOS DE APLICACIÓN
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Ingeniería de Proceso y Química
Procesos de combustión
Generación de polvos metálicos
Separadores ciclónicos
Escape de humos
Ink jet printers
Intercambiadores de calor
Reactores químicos
CAMPOS DE APLICACIÓN
VIDEOS - APLCACIONES
Instrucciones
Se presentarán 5 videos que muestran aplicaciones de la Mecánica de Fluidos.
El estudiante deberá elaborar un breve comentario sobre cada cada uno de ellos
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SISTEMAS DE TUBERÍAS
7
http://www.businessinsider.com/map-major-us-oil-gas-energy-pipelines-2015-12
The United States is the world's largest consumer of oil, using over 19 million barrels a day in 2014. This high level of consumption wouldn't be possible without the 2.5 million mile network of pipeline used to transport the fuel from its source to the market.
Agua, gas, petróleo, 
aire comprimido, etc
SISTEMA DE TUBERÍAS DE GAS
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https://www.youtube.com/watch?v=_gW6EU0g6ys
GENERACIÓN DE ENERGÍA
Central hidráulica
Central a gas
Central a vapor
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CENTRAL HIDRÁULICA
10
https://www.youtube.com/watch?v=q8HmRLCgDAI
11
CENTRAL
 HIDRÁLUCA
12
ACONDICIONAMIENTO DE AMBIENTES
13
https://www.youtube.com/watch?v=5OWqwGDELiU
14
DEPORTES
15
https://www.youtube.com/watch?v=lq4WSzD7Z40
16
TRANSPORTE
17
https://www.youtube.com/watch?v=jOG6RSjIEEs
PROCESOS INDUSTRIALES
18
https://www.youtube.com/watch?v=jU3IIL_jRmQ
CICLONES / HIDROCICLONES
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En las instalaciones de combustión se presentan problemas MF como:
a) descarga de gases por orificios, formación de chorro, que es la base para el estudio de llamas y quemadores
b) transporte del combustible,
técnicas de medición de caudales, cálculos de pérdidas de carga. 
https://www.youtube.com/watch?v=AEwuamS1YDA
QUEMADORES
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PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Densidad 
Viscosidad
Módulo de compresibilidad volumétrica
Tensión superficial
Presión de saturación
MECÁNICA DE FLUIDOS
FLUIDO 
	Toda sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de los esfuerzos cortantes.
 FLUJO
 Fluido en movimiento
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FLUIDO - FLUJO
Ejemplos:
Fluido: gases de combustión
Flujo: circulación de los gases por la chimenea
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SÓLIDOS
Sólidos
Movimiento molecular restringido
Forma y volumen propio
Soportan todo tipo de esfuerzos
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LÍQUIDOS
Espacio molecular constante.
Volumen propio
Forma: adoptan la del recipiente que lo contiene.
Se deforman bajo la acción de esfuerzos cortantes.
Soportan esfuerzos de compresión.
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GASES
Gran separación intermolecular - ocupan todo el espacio posible.
No tienen forma ni volumen propio
Ligeras variaciones de presión afectan el volumen.
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PULPAS, LODOS (SLURRIES)
Mezclas: 
partículas sólidas + líquido
partículas sólidas + gases
Clases:
Homogéneas: nuevas propiedades
Heterogéneas: cada componente conserva sus propiedades
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29
SISTEMA DE UNIDADES
Unit of length is the meter (m)
 
Time unit is the second (s)
Mass unit is the kilogram (kg)
 
Temperature unit is the kelvin (K)
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SISTEMA DE UNIDADES
The Kelvin temperature scale is an absolute scale and is related to the Celsius (centigrade) scale (°C) through the relationship.
K = °C + 273.15
Although the Celsius scale is not in itself part of SI, it is conmmon practice to specify temperatures in degrees Celsius when using SI units.
Propiedades
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DENSIDAD
			  = Masa/Volumen
agua 	= 1000 kg / m3
aire 	= 1. 23 kg / m3
aceite 	= 800 kg / m3
mercurio 	= 13600 kg / m3
Video densidad
http://www.youtube.com/watch?v=ew3eqB3iS0I&feature=related
33
Pag 17
34
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DENSIMETRO
El densímetro es un sencillo aparato que se basa en el principio de Arquímedes 
Es, en esencia, un flotador de vidrio con un lastre de mercurio en su parte inferior (que le hace sumergirse parcialmente en el líquido) y un extremo graduado directamente en unidades en densidad. 
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GRAVEDAD ESPECÍFICA
La sustancia que se emplea como referencia es el agua en condiciones Standard 4°C y 1 atmósfera de presión
 = 1000 kg/m3
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MÓDULO DE COMPRESIBILIDAD VOLUMÉTRICA
	El esfuerzo unitario es proporcional a la deformación unitaria.
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Pag 19
Acero E= 200 Gpa= 200 x 109 N/m2
Módulo de compresibilidad
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FLUIDS IN THE NEWS
This water jet is a blast Usually liquids can be treated as in compressible fluids. However, in some applications the compressibility of a liquid can play a key role in the operation of a device. For example, a water pulse generator using compressed water has been developed for use in mining operations. It can fracture rock by producing an effect comparable to a conventional explosive such as gunpowder. The device uses the energy stored in a water-filled accumulator to generate an ultrahighpresurre water pulse ejected through a 10-to 25-mm-diameter discharge valve. At the ultrahigh pressures used (300 to 400 Mpa, or 3000 to 4000 atmospheres), the water is compressed (i.e., the volume reduced) by about 10 to 15%.
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El chorro de agua como explosivo
When a fast-opening valve within the pressure vessel is opened, the water expands and produces a jet of water that upon impact with the target material produces an effect similar to the explosive force from conventional explosives. Mining with the water jet can eliminate various hazards that arise with the use of conventional chemical explosives such as those associated with the storage and use of explosives and the generation of toxic gas by products that require extensive ventilation.
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 VISCOSIDAD
	  =  (dV/dy)
	Propiedad exclusiva de los fluidos
	Varia poco con la presión, si con la temperatura.
	Procesos de lubricación
	Sistema de tuberías		
		
Video de viscosidad
http://www.youtube.com/watch?v=pA-Oj4bZQ34
Ref. 1
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	FLUIDO	VISCOSIDAD (Pa.s)
	Aire	1.8 x 10-5
	Agua	1.0 x 10-3
	Sangre (37°C)	2.1 x 10 -3
	Miel	5.0 10-2
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44
VISCOSIDAD
Lubricación:
Evita el desgaste de las piezas en movimiento relativo
Viscosidad – sangre 
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FLUIDS IN THE NEWS
A vital fluid In addition to air and water, another fluid that is essential for human life is blood. Blood is an unusual fluid consisting of red blood cells that are disk-shaped, about 8 microns in a diameter, suspended in plasma. As you would suspect, since blood is a suspension its mechanical behavior is that of a non-Newtonian fluid. Its density is only slightly higher than that of water at the same temperature. It is difficult to measure the viscosity of blood since it is a non-Newtonian fluid and the viscosity is a function of the sheare rate .
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As the sear rate is inscreased from a low value, the apparent viscosity decreases and approaches asymptotically a constant value at high shear rates. The “asymptotic” value of the viscosity of normal blood is three to four times the viscosity of water. The viscosity of blood is not routinely measured like some biochemical properties such as cholesterol and triglycerides, but there is some evidence indicating that the viscosity of blood may play a role in the development of cardiovascular disease. If this proves to be true, viscosity could become a standard variable to be routinely.
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PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
VISCOSIDAD Y PROCESOS
Sistema de tuberías
Ocasiona laspérdidas de energía
El Oleoducto Norperuano va desde la Estación inicial Andoas hasta la Estación 5, con una Estación de rebombeo en Morona. Tiene una longitud de 252 km. La capacidad de diseño de este ramal fue de 105 MBPD para un petróleo crudo de 12.1 cSt @ 70°F y una gravedad específica de 26.6° API.
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VISCOSIDAD CINEMÁTICA
No es una propiedad
Se emplea en la determinación del número de Reynold (Re)
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51
 Si NR<2000 Flujo laminar
 Si NR>3000 Flujo turbulento
 Si 2000<NR<3000 Flujo inestable
CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
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
DV/dy
Newtoniano
Plástico
Seudoplástico
Dilatantes
Newtonianos: agua, aire, aceites lubricantes
No Newtonianos: lodos, leche, cemento
	n=1	Newtoniano
	n=1	Plástico
	n< 1	Seudoplástico
	n>1	Dilatante
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PRESIÓN DE SATURACIÓN
Presión de saturación
Recintos abiertos
Se puede observa pérdida de fluido
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PRESIÓN DE SATURACIÓN
Presión de saturación
Recintos cerrados
Ocurre evaporación y condensación simultánea, esta última violenta:
CAVITACIÓN
	Entrada de bombas
	Salida de turbinas hidráulicas
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CAVITACIÓN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS
Ref. 2
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TENSIÓN SUPERFICIAL
 = Fuerza/Longitud
TENSIÓN SUPERFICIAL
Esta figura muestra el diagrama de fuerzas actuando sobre el cuerpo, nótese que el peso es equilibrado por la tensión superficial del agua 
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COHESIÓN
Video Tensión superficial
http://www.youtube.com/watch?v=hs05-tDcqLM
Ref. 3
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TENSIÓN SUPERFICIAL
La interacción de las partículas en la superficie del agua, hace que esta se presente como una superficie elástica, lo que impide que se pueda ingresar al seno del líquido. 
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EL INSECTO NO SE HUNDE
TENSIÓN SUPERFICIAL
Las fuerzas de tensión superficial tienden a minimizar la energía en la superficie del fluido haciendo que estas tengan una tendencia a una forma esférica 
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GOTA ESFÉRICA
El agua muestra un valor de tensión superficial mayor que otros líquidos comunes a temperatura ambiente. En el diagrama se muestra un valor tres veces mayor que la media de los otros líquidos.
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CAPILARIDAD
La columna de agua en un tubo capilar se eleva hasta que la componente vertical de la tensión superficial se equilibra con el peso de la columna.
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CAPILARIDAD - MENISCO
Cuando las fuerzas adhesivas son mayores que las fuerzas cohesivas, el menisco tiende a ser cóncavo como en el caso de vidrio y agua. 
Por otra parte cuando las fuerzas cohesivas son superiores a las adhesivas, el menisco es convexo como en el caso de mercurio en vidrio.
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TENSIÓN SUPERFICIAL
Diagrama de cuerpo libre del anillo de DuNoy 
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ÁNGULO DE CONTACTO
Cuando las fuerzas de cohesión son grandes en relación a las fuerzas adhesivas los ángulos de contacto tienden a ser grandes. 
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ÁNGULO DE CONTACTO
Cuando las fuerzas de cohesión en relación a las fuerzas de adhesión los ángulos de contacto son pequeños resultando en una tendencia del fluido a mojar la superficie. 
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PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Líquidos-sólidos:
	Humectantes: 
 ángulo de contacto>90°
	No Humectantes
 ángulo de contacto<90°
 = Fuerza/Longitud
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PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
Capilaridad
La acción capilar es el mecanismo por el cual el agua pasa a través del tejido de ropa. 
Impermeable no humectante
Detergentes: materiales tensoactivos
Hg-vidrio
Agua-vidrio
CAPILARIDAD
Hay papeles más absorbentes que otros. La publicidad de servilletas y toallas de papel suelen destacar esta propiedad. Corta tiras de igual ancho pero de distintos papeles y cartones e introduce sus extremos en agua. Después de un rato verás que el agua asciende más en unos que en otros. ¿Qué fenómeno es el que está ocurriendo aquí? ¿Qué tienen los papeles que permiten que esto ocurra? 
70
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
Por la viscosidad
Por la variación de la densidad
Por la variación de la viscosidad con el tiempo
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS: POR LA VISCOSIDAD

DV/dy
Newtoniano
Plástico
Seudoplástico
Dilatantes
Newtonianos: agua, aire, aceites lubricantes
No Newtonianos: lodos, leche, cemento
Ideal
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS
La variación de viscosidad - tiempo
	Fluidos Thixotrópicos:
(-) La miel, la tinta de imprenta
	Fluidos Rheopécticos:
(+) Las grasas lubricantes 
 CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS
Por el grado de orden
Por el lugar de circulación 
Por la variación de la velocidad con la posición
Por la variación de las propiedades y la velocidad en el tiempo
Por el número de coordenadas para describirlo
Por el vector velocidad
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 CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS
FLUJO NO UNIFORME
FLUJO UNIFORME
Turbulento
Laminar
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TIPOS DE FLUJOS
FLUJO BIDEMENSIONAL
UNIDIRECCIONAL
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LODO O PULPA
Mezcla de una fase líquida, generalmente agua con partículas sólidas.
Fluido no Newtoniano: de Binghman
Tipos : Homogéneo o heterogéneo
la proporción de partículas
Tamaño de las partículas
La gravedad específica de los sólidos
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LODOS HOMOGÉNEOS
Distribución uniforme de las partículas
Partículas de diámetro pequeño
Baja concentración
Ej: lodos de alcantarilla, cemento
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LODOS HETEROGÉNEOS
Distribución no uniforme de las partículas
Partículas de diámetros mayores
Cada componente conserva su identidad
Ej: Concentrados de minerales
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GRAVEDAD ESPECÍFICA DEL SÓLIDO
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TAMAÑOS MÁXIMOS
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CARACTERÍSTICAS DE LA PULPA
Densidad de la pulpa
Viscosidad de la pulpa
Concentración en peso
Concentración en volumen
Distribución granulométrica
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DEFINIENDO LA PULPA
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CONCENTRACIONES RECOMENDADAS
Material
CV (%)
CW (%)
Asfalto
39-44
40-45
Carbón
27-37
45-55
Caliza
36-41
60-65
Concentrado de cu
26-30
60-65
Magnetita
23-27
60-65
Arena Fina
--
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Arena Gruesa
--
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EJEMPLO: TRANSPORTE DE RELAVES Y CONCENTRACIÓN
Existen importantes yacimientos mineros en la sierra.
Sobre 2500 metros de altura.
Difícil acceso.
Poco espacio para instalación de plantas concentradoras.
La tendencia actual es separa el yacimiento del concentrador.
Por lo tanto, es necesario diseñar un sistema de transporte adecuado.
Abastecimiento continuo y confiable.
Costos de inversión y operación razonable.
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ALTERNATIVAS DE TRANSPORTE
Las soluciones mas habituales para el transporte de productos mineros son:
Camiones.
Vía Férrea.
Faja transportadora.
Transporte hidráulico.
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MINERALDUCTO
Transporte hidráulico:
Permite transportar grandes cantidades de sólidos a gran distancia y forma continua.
El fluido de base normalmente es agua.
La planta de molienda debe estar cerca del yacimiento.
El sistema más utilizado es transporte hidráulico en presión.
VENTAJAS 
Posibilita desarrollar trazados sinuosos.
Se comporta bien en grandes desniveles.
Adaptable a cualquier topografía.
Mínimo efecto en condiciones climáticas adversas.
Para gran variedad de productos de la industria minera.
En algunos casos permite alejar la planta del yacimiento.
Permite operación continua y comando remoto.
Menores costos de operación.
Requiere minima mano de obra, alta productividad.
Mínimo impacto ambiental.
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CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS
Por el lugar de circulación
	Interno / Externo
Por la trayectoria
	Laminar / turbulento
Por la variación de las propiedades con el tiempo
		Permanente / no permanente
Por la variación de la velocidad con la posición
	Uniforme / no uniforme
Por el número de coordenadas para describirlo: 	unidimensional / bidimensional / tridimensional
REFERENCIA
 
DE
 
SUST.
SUSTANCIA
r
r
=
S
º
º
V
V
p
E
v
D
D
-
=
r
m
u
=
m
r
VD
=
Re
SÓLIDO S
s
 
Asfalto 1.05 
Carbón 1.40 
Fosfatos 2.70 
Caliza 2.70 
Concentrado de cobre 4.30 
Mineral de Hierro 4.90 
 
	SÓLIDO
	Ss
	Asfalto
	1.05
	Carbón
	1.40
	Fosfatos
	2.70
	Caliza
	2.70
	Concentrado de cobre
	4.30
	Mineral de Hierro
	4.90
Sólido Malla Tyler Tamaño 
máximo 
de partícula 
 # 
.m 
mils 
Asfalto 4 4760 18.7 
Carbón 8 2380 93.7 
Caliza 48 297 11.7 
Concentrado de cobre 65 210 8.3 
Concentradode 
hierro 
100 149 5.9 
 
	Sólido
	Malla Tyler
	Tamaño máximo
	de partícula
	
	#
	(.m
	mils
	Asfalto
	4
	4760
	18.7
	Carbón
	8
	2380
	93.7
	Caliza
	48
	297
	11.7
	Concentrado de cobre
	65
	210
	8.3
	Concentrado de hierro
	100
	149
	5.9
)
(
PULPA
r
)
,
(
h
m
)
(
W
C
)
(
V
C
lodo
del
Peso
sólido
del
Peso
C
w
=
lodo
del
volumen
sólido
del
volumen
C
V
=
W
V
s
PULPA
C
C
r
r
=