Pérdida de carga y resistencia hidráulica
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Calcular caídas de presión y resistencias hidráulicas
La pérdida de energía en el flujo de fluidos está relacionada con la viscosidad del líquido, pero la viscosidad en sí no es el único factor que determina la caída de presión. Pero se puede argumentar que la magnitud de la caída de presión es casi siempre proporcional al cuadrado de la velocidad media del fluido.
Esta hipótesis se ve confirmada por los resultados de la mayoría de los trabajos experimentales y de los experimentos especialmente realizados. Por esta razón, las pérdidas de carga suelen calcularse en función de la carga de velocidad (energía cinética específica del flujo). Así que..:
Naturalmente, las paredes sólidas impiden la libre circulación del líquido. Por lo tanto, con el movimiento relativo de las superficies fluidas y sólidas surgen inevitablemente resistencias hidráulicas. Parte de la energía del flujo se gasta para vencer la resistencia resultante.
Esta pérdida de energía se denomina pérdida hidráulica específica o pérdidas de carga. Las pérdidas hidráulicas están asociadas principalmente a la superación de las fuerzas de rozamiento en el flujo y dependen de una serie de factores, siendo los principales
- La forma geométrica del tubo
- La velocidad del fluido
- La rugosidad de las paredes sólidas del flujo
- El tipo de flujo
- La viscosidad del líquido
- Otras propiedades operativas del líquido
Las pérdidas son prácticamente independientes de la presión en el líquido.
Si consideramos una tubería con dos secciones transversales 1 y 2 con la misma аrea de sección transversal, la diferencia de altura de nivelación Z1 y Z2la pérdida de energía específica puede tomarse como
Los experimentos demuestran que en muchos casos las pérdidas de energía son directamente proporcionales al cuadrado del caudal del fluido, por lo que en hidráulica es habitual expresar la energía perdida como fracciones de la energía cinética atribuida a la unidad de peso del líquido.
Donde Ɛ̧ es el coeficiente de fricción.
Así, el coeficiente de resistencia puede definirse como la relación entre la altura libre y la altura de velocidad.
Pérdidas de carga singulares en las resistencias hidráulicas locales
Resistencia hidráulica singular
Las resistencias hidráulicas locales son las secciones del sistema hidráulico en las que hay curvas, obstáculos, dilataciones o contracciones, que provocan un cambio brusco en el perfil del flujo. Ejemplos de resistencias locales pueden ser curvas en el eje de la tubería, cambios en las áreas transversales de cualquier aparato hidráulico, juntas de tuberías, etc.
Ensanchamiento repentino de una tubería :
A menudo se observa una expansión repentina del canal en la unión de tramos de tuberías. El valor del coeficiente de pérdida de carga se determina con suficiente precisión a nivel teórico.
El líquido que fluye por una tubería de menor diámetro d, al caer en una tubería de mayor diámetro, no toca inmediatamente las paredes de la nueva sección de tubería, sino sólo en una sección transversal de 2-2′.
En la zona comprendida entre las secciones 1 – G y 2-2′, se forma una zona en la que el líquido apenas participa en el movimiento a través de las tuberías, formando un flujo de vórtice local, donde sufre deformaciones. Por este motivo, parte de la energía cinética del fluido en movimiento se gasta en mantener la fusión y deformación «parásitas» del líquido. Los valores de las velocidades medias del líquido en las secciones pueden determinarse a partir de la condición de continuidad.
Así, puede decirse que la pérdida de altura durante una expansión repentina del flujo es igual a la altura de velocidad correspondiente a la velocidad perdida.
Expansión suave de un tubo (difusor) :
La expansión suave de la tubería se denomina difusor. El flujo del fluido en el difusor es complejo. A medida que la sección transversal viva del flujo aumenta gradualmente, la velocidad del fluido disminuye en consecuencia y la presión aumenta.
Estrechamiento repentino de una tubería :
Con un estrechamiento repentino del canal, el flujo de líquido se desprende de las paredes.
En esta región de flujo se forman dos zonas intensas de formación de vórtices (tanto en una sección ancha de la tubería como en una estrecha), lo que, como en el caso anterior, da lugar a pérdidas de presión. Se compone de dos elementos (pérdidas por fricción y pérdidas por contracción).
Estrechamiento suave de una tubería
El estrechamiento suave del conducto se consigue con una sección cónica denominada confusor. Las pérdidas de carga en el confusor se forman casi por fricción, ya que la formación de vórtices en el confusor es prácticamente inexistente. El coeficiente de pérdida de carga en el confusor puede determinarse mediante la fórmula
Para un ángulo de cono grande > 50°, el coeficiente de caída de presión puede determinarse introduciendo un coeficiente de corrección km en la fórmula.
Entrada de manguera normal
Desde los depósitos donde se almacenan los líquidos, la tubería de descarga se introduce en la denominada versión normal, es decir, cuando el eje del tubo de derivación de la tubería se encuentra normalmente en la pared lateral del depósito. Este tipo de resistencia hidráulica también puede atribuirse a las resistencias asociadas al cambio de tamaño del canal. Las dimensiones del nuevo canal son infinitesimales comparadas con las dimensiones del canal original con la sección transversal del embalse.
En este caso, dentro de la tubería de derivación de chorro, el líquido que fluye desde el depósito llena toda la sección de la tubería no inmediatamente, sino sólo a cierta distancia de la entrada. En la zona estancada, parte del líquido gira y el vórtice resultante genera g adicional.
La relación de caída de presión es aproximadamente la mitad de la altura de velocidad: Ɛ̧ = 0,5
Salida de la tubería en un líquido en reposo
Se trata de un elemento común en la conexión de la parte de presión de la tubería con el depósito. El tubo de entrada de la tubería suele estar situado en la pared lateral del depósito. Este tipo de resistencia hidráulica también puede verse como una especie de expansión repentina del flujo de fluido a una sección infinitamente grande. El valor del coeficiente de pérdida de carga, en la mayoría de los casos, se considera igual a una altura de velocidad.
Curva rectangular de 90
Bajo tal resistencia hidráulica, entenderemos el lugar de conexión de tuberías del mismo diámetro, al que las líneas centrales de las tuberías no coinciden, por lo que forman un cierto ángulo entre ellas. Este ángulo se denomina ángulo de rotación del canal, porque aquí cambia la dirección de movimiento del líquido. La base física del proceso de conversión de la energía cinética durante la rotación del flujo es bastante compleja y sólo debe considerarse el resultado de estos procesos. Así, durante el paso, se forma un patrón de flujo complejo con dos zonas de movimiento de fluido en vórtice. Cabe señalar que este codo como elemento de conexión es extremadamente indeseable debido a la elevada caída de presión en este tipo de conexión.
Rotación suave de los canales
Este tipo de resistencia hidráulica puede considerarse más favorable desde el punto de vista económico en cuanto a la magnitud de la caída de presión, ya que en este caso prácticamente no existen zonas peligrosas para la formación de un movimiento intenso del fluido. Sin embargo, bajo la influencia del hecho de que al girar el flujo se producen fuerzas centrífugas que contribuyen a la separación de las partículas líquidas de la pared de la tubería, siempre se producen zonas de vórtice. Además, en este caso, se producen reflujos de líquido desde la pared interior de la tubería hacia la pared exterior de la misma.
Válvula
Las válvulas de compuerta se utilizan a menudo como medio para regular las características de flujo del fluido (caudal, altura, velocidad). Si hay una válvula en la tubería, el flujo alrededor de la válvula se ralentiza mucho. Este flujo provoca la aparición de vórtices cerca de las matrices de las válvulas. El coeficiente de pérdida de carga depende del grado de cierre de la válvula: a/d
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Las válvulas de compuerta se utilizan a menudo como medio para regular las características de flujo del fluido (caudal, altura, velocidad). Si hay una válvula en la tubería, el flujo alrededor de la válvula se ralentiza mucho. Este flujo provoca la aparición de vórtices cerca de las matrices de las válvulas. El coeficiente de pérdida de carga depende del grado de cierre de la válvula
Válvulas de retención y filtros
Los coeficientes de pérdida de carga suelen determinarse experimentalmente.
