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FLUIDOS Y FLUJOS CAPÍTULO 1 Mg. Estela Assureira 1 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. 2 3 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. 4 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 5 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 6 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 8 https://www.youtube.com/watch?v=_gW6EU0g6ys GENERACIÓN DE ENERGÍA Central hidráulica Central a gas Central a vapor 9 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 19 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 20 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 21 FLUIDO - FLUJO Ejemplos: Fluido: gases de combustión Flujo: circulación de los gases por la chimenea 22 SÓLIDOS Sólidos Movimiento molecular restringido Forma y volumen propio Soportan todo tipo de esfuerzos 23 24 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. 25 GASES Gran separación intermolecular - ocupan todo el espacio posible. No tienen forma ni volumen propio Ligeras variaciones de presión afectan el volumen. 26 PULPAS, LODOS (SLURRIES) Mezclas: partículas sólidas + líquido partículas sólidas + gases Clases: Homogéneas: nuevas propiedades Heterogéneas: cada componente conserva sus propiedades 27 28 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) 30 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 31 32 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 35 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. 36 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 37 MÓDULO DE COMPRESIBILIDAD VOLUMÉTRICA El esfuerzo unitario es proporcional a la deformación unitaria. 38 Pag 19 Acero E= 200 Gpa= 200 x 109 N/m2 Módulo de compresibilidad 39 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%. 40 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. 41 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 42 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 43 44 VISCOSIDAD Lubricación: Evita el desgaste de las piezas en movimiento relativo Viscosidad – sangre 45 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 . 46 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. 47 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. 48 49 VISCOSIDAD CINEMÁTICA No es una propiedad Se emplea en la determinación del número de Reynold (Re) 50 51 Si NR<2000 Flujo laminar Si NR>3000 Flujo turbulento Si 2000<NR<3000 Flujo inestable CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS 52 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 53 PRESIÓN DE SATURACIÓN Presión de saturación Recintos abiertos Se puede observa pérdida de fluido 54 PRESIÓN DE SATURACIÓN Presión de saturación Recintos cerrados Ocurre evaporación y condensación simultánea, esta última violenta: CAVITACIÓN Entrada de bombas Salida de turbinas hidráulicas 55 CAVITACIÓN EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Ref. 2 56 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 57 COHESIÓN Video Tensión superficial http://www.youtube.com/watch?v=hs05-tDcqLM Ref. 3 58 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. 59 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 60 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. 61 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. 62 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. 63 TENSIÓN SUPERFICIAL Diagrama de cuerpo libre del anillo de DuNoy 64 65 ÁNGULO DE CONTACTO Cuando las fuerzas de cohesión son grandes en relación a las fuerzas adhesivas los ángulos de contacto tienden a ser grandes. 66 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. 67 68 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Líquidos-sólidos: Humectantes: ángulo de contacto>90° No Humectantes ángulo de contacto<90° = Fuerza/Longitud 69 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 71 CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS Por la viscosidad Por la variación de la densidad Por la variación de la viscosidad con el tiempo 71 72 CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS: POR LA VISCOSIDAD DV/dy Newtoniano Plástico Seudoplástico Dilatantes Newtonianos: agua, aire, aceites lubricantes No Newtonianos: lodos, leche, cemento Ideal 73 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 74 75 CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS FLUJO NO UNIFORME FLUJO UNIFORME Turbulento Laminar 76 TIPOS DE FLUJOS FLUJO BIDEMENSIONAL UNIDIRECCIONAL 77 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 78 79 LODOS HOMOGÉNEOS Distribución uniforme de las partículas Partículas de diámetro pequeño Baja concentración Ej: lodos de alcantarilla, cemento 80 LODOS HETEROGÉNEOS Distribución no uniforme de las partículas Partículas de diámetros mayores Cada componente conserva su identidad Ej: Concentrados de minerales 81 GRAVEDAD ESPECÍFICA DEL SÓLIDO 82 TAMAÑOS MÁXIMOS 83 CARACTERÍSTICAS DE LA PULPA Densidad de la pulpa Viscosidad de la pulpa Concentración en peso Concentración en volumen Distribución granulométrica 84 DEFINIENDO LA PULPA 85 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 -- 44 Arena Gruesa -- 67 86 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. 87 ALTERNATIVAS DE TRANSPORTE Las soluciones mas habituales para el transporte de productos mineros son: Camiones. Vía Férrea. Faja transportadora. Transporte hidráulico. 88 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. 89 90 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 =
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