Pérdidas menores o locales

Pérdidas Menores en Sistemas Hidráulicos

Introducción a las Pérdidas Menores

• Bienvenida a la clase de hidráulica 1, enfocándose en la unidad 2 sobre pérdidas menores o locales, que son cruciales para la evaluación del primer parcial.

• Se abordarán las pérdidas de energía en expansiones y contracciones, así como en entradas y salidas de tuberías y válvulas.

Concepto de Pérdidas por Fricción

• Las pérdidas de energía en conducciones bajo presión se conocen como pérdidas por fricción; este tema fue discutido anteriormente.

• Las pérdidas menores son aquellas producidas por accesorios y piezas complementarias dentro del sistema hidráulico.

Ecuación de Energía

• La ecuación de energía relaciona la carga de presión, velocidad y elevación entre dos puntos (punto 1 y punto 2).

• Al mover un fluido desde el punto 1 al punto 2, se generan pérdidas debido a fricción y otros elementos complementarios.

Importancia de los Accesorios

• Los accesorios como válvulas y codos son esenciales para dirigir el flujo hacia su destino final.

• Es fundamental considerar todas las piezas entre los puntos al calcular las pérdidas energéticas, ya que cada elemento contribuye a estas.

Cálculo de Pérdidas Menores

• La pérdida menor tiene una ecuación general que incluye una constante relacionada con la carga de velocidad del elemento evaluado.

• Esta constante (k), también llamada factor de corrección, varía según el tipo específico del accesorio utilizado.

Constante de Resistencia

• La constante k determina la magnitud de la pérdida generada por cada elemento; su valor depende del diseño del accesorio.

• Durante esta clase se explorará cómo determinar esta constante para diferentes elementos comunes en sistemas hidráulicos.

Expansiones y Contracciones

• Se discutirán específicamente las pérdidas menores asociadas con expansiones (cambio a mayor diámetro rápidamente) y contracciones (cambio a menor diámetro).

• El cambio súbito en el diámetro provoca variaciones rápidas en la velocidad del fluido, lo que puede generar vórtices que afectan el flujo.

Análisis del Flujo

• En situaciones donde hay cambios bruscos en el diámetro, se producen cambios significativos en las velocidades del fluido.

Cálculo de Pérdidas de Carga en Sistemas de Tuberías

Introducción a la Velocidad y Pérdidas de Carga

• La mayor velocidad se produce en el punto 1, lo que permite usar esta carga para determinar las pérdidas de carga. Se utilizarán fórmulas empíricas para calcular la constante k.

Expansión Súbita

• Para la expansión súbita, la constante k se calcula como k = 1 - left( D_1^2/D_2^2 right)^2 , donde D_1 es el diámetro menor y D_2 el mayor.

• La relación entre los diámetros se denomina beta, permitiendo encontrar la constante k que acompaña a la carga de velocidad mayor.

Contracción Súbita

• En una contracción súbita, hay un cambio brusco del diámetro mayor a uno menor, generando vórtices y pérdidas de energía debido al cambio de velocidad.

• La constante k para esta contracción se calcula como k = 0.50 (1 - beta^2) , donde beta es nuevamente la relación entre diámetros.

Expansión Gradual

• La expansión gradual implica un cambio suave entre diámetros mediante un cono de transición. Los vórtices son menores en este caso.

• Para ángulos menores o iguales a 45 grados, k = 2.6 cdot sin(theta)/2(1 - beta^2)^2. Para ángulos entre 45 y 180 grados, k = (1 - beta^2)^2.

Contracción Gradual

• Similarmente a la expansión gradual, en una contracción gradual también se considera el ángulo del cono para calcular las pérdidas.

• Para ángulos menores o iguales a 45 grados, k = 0.8 cdot sin(theta)/2(1 - beta^2). Entre 45 y 180 grados, k = 0.5sqrtsin(theta)/(1 - beta^2).

Pérdidas Menores en Entradas y Salidas

• Las entradas a conductos pueden variar; por ejemplo, si una tubería entra directamente al depósito o está acoplada a su pared.

• Dependiendo del tipo de entrada (entrante o acoplada), las constantes de resistencia varían: por ejemplo, una entrada entrante tiene una constante igual a 0.80.

Análisis de Pérdidas de Carga en Tuberías

Constantes y Resistencia al Flujo

• Se establece una constante de 0.5 para el cálculo del radio de curvatura en la entrada, que se relaciona con el diámetro del conducto.

• Un menor radio respecto al diámetro incrementa la resistencia al flujo; un mayor radio suaviza la entrada, reduciendo la constante k y las pérdidas de carga.

Comportamiento en Salidas de Tuberías

• La salida de las tuberías tiene una constante igual a 1, independientemente de su forma o ángulo, lo que implica que las pérdidas energéticas son equivalentes a la carga de velocidad.

• Las constantes varían según el tipo de entrada, pero para salidas siempre se considera un coeficiente unitario.

Pérdidas Locales y Válvulas

• Para válvulas CO2 y T, se determina la constante de resistencia usando el concepto de longitud equivalente para calcular pérdidas energéticas.

• La pérdida de carga depende del factor ft (fricción en turbulencia), multiplicado por la carga de velocidad.

Factor de Fricción y Rugosidad

• El factor ft se obtiene buscando en un diagrama específico basado en la rugosidad relativa del tubo; esto es crucial para determinar velocidades relativas.

• La longitud equivalente se presenta como una relación significativa entre elementos que causan pérdidas por fricción.

Ejemplos Prácticos: Válvulas Comunes

• Se analizan diferentes tipos de válvulas comunes como compuertas y retención, cada una con valores específicos para l/d (longitud sobre diámetro).

• En válvulas retención con disco pivotante, si hay conexión roscada, l/d es 100; si es atornillada, l/d es 50.

Comparación entre Tipos de Válvulas

• Las válvulas con obturador ascendente presentan mayores pérdidas debido a su diseño; l/d puede ser hasta 600 dependiendo del funcionamiento.

¿Cómo afecta el diámetro y la inclinación en el flujo de fluidos?

Resistencia al flujo

• La resistencia al flujo aumenta con un diámetro menor, ya que hay menos espacio para que pase el fluido. Un ángulo de 15 grados también incrementa la resistencia debido a la inclinación.

Válvulas y pérdidas de carga

• Se discute la válvula de globo, que tiene una bola que controla el paso del fluido. Al cerrarla, se producen más pérdidas de carga.

• El mecanismo de cierre provoca una pérdida elevada con un valor específico (l sobre l = 340), lo cual es importante para entender su funcionamiento.

Tipos de válvulas

• Se menciona la válvula de ángulo, donde el cierre se realiza mediante un eje que permite un paso más rápido del fluido, resultando en menor resistencia.

• Las válvulas de aguja permiten controlar el flujo a 90 grados; su diseño influye en las pérdidas energéticas.

¿Qué tipos de conexiones existen y cómo afectan al flujo?

Conexiones y sistemas

• Se presentan diferentes tipos de válvulas como las válvulas de retención y sus características operativas. Estas tienen sensores que cierran cuando baja la presión.

Efecto del diseño en la energía

• En las válvulas tipo pie, se observa cómo el disco oscila permitiendo el paso del fluido. Esto puede provocar variaciones en las pérdidas energéticas dependiendo del diseño.

¿Cómo influyen los codos y bifurcaciones en el movimiento del fluido?

Codos estándar

• Los codos a 90 grados generan mayor resistencia al cambio en dirección del fluido comparado con codos a 45 grados, donde el paso es más suave.

Bifurcaciones

• En bifurcaciones o cambios a 90 grados, hay mayor oposición al movimiento del fluido debido al cambio brusco en dirección.

Referencias y conceptos adicionales sobre mecánica de fluidos

Tabla referencial

• Se menciona una tabla (10.4) del libro "Mecánica de Fluidos" por Robert H. McCabe donde se listan piezas comunes utilizadas en sistemas hidráulicos.

Longitud equivalente

Análisis de la Pérdida de Carga en Válvulas

Proceso de Prueba de Válvulas

• La válvula se somete a pruebas en un banco, donde se mide el caudal y la presión antes y después de la válvula para determinar su rendimiento.

• Se utiliza la ecuación de energía para calcular la pérdida de carga, que se obtiene a partir de la diferencia de presión medida entre dos puntos.

Longitud Equivalente

• La longitud equivalente es una forma de representar las pérdidas por fricción causadas por una válvula, utilizando parámetros como el diámetro y la constante del fluido.

• Al conocer el caudal y el tamaño, se puede calcular fácilmente la longitud equivalente que representa las pérdidas energéticas generadas por la válvula.

Comparación con Sistemas Sin Válvulas

• La variación de presión en una válvula puede ser reflejada como una longitud que produce pérdidas en un conducto del mismo diámetro.

• Un sistema sin válvulas puede ser considerado equivalente al sistema con válvulas si se toma en cuenta esta longitud equivalente para las pérdidas.

Aplicaciones Prácticas

• En sistemas complejos (ej. tuberías con codos y válvulas), es posible convertir todas las pérdidas en longitudes equivalentes para simplificar los cálculos.

• Esto permite tratar todo el sistema como un solo elemento, facilitando así los cálculos necesarios para evaluar las pérdidas totales.

Conclusiones sobre Evaluaciones Parciales

• Se concluye que este método simplifica los cálculos al evitar tener que considerar cada elemento individualmente dentro del sistema.