Todo lo que debes saber sobre fluidos

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Conocer sus características primarias es fundamental para trabajar con sistemas mecánicos o térmicos complejos, ya que su comportamiento depende enteramente de sus características inherentes y de las leyes universales de la hidráulica

Ámbar Herrera, con información e imágenes proporcionadas por José Luis Frías Lavalle, director general de Dhimex

Los fluidos están presentes en todos los ámbitos de nuestra vida, desde el agua que tomamos, hasta los dispositivos y máquinas que utilizamos. En la industria HVAC sus aplicaciones son más sofisticadas, de modo que los diseñadores deben entender a fondo su comportamiento para llevar a cabo una correcta selección de los materiales, equipos y máquinas, como es el caso de la elección de bombas, por ejemplo.

Con este propósito, la empresa Dhimex, especialista en sistemas hidráulicos e hidrónicos, realizó el webinar “Principios hidráulicos”, impartido por el ingeniero José Luis Frías Lavalle, quien cuenta con una amplia trayectoria como expositor en este rubro a nivel internacional.

Con la finalidad de contribuir a la ampliación del conocimiento de los técnicos de la industria, Cero Grados Celsius presenta una compilación de los puntos más relevantes de este curso.

Conceptos básicos
La hidráulica es la rama de la mecánica que analiza las leyes que rigen el comportamiento de los fluidos. Se divide en dos partes que estudian la presión que ejercen en su estado de reposo (hidrostática), así como durante su movimiento (hidrodinámica/hidrocinética), explicó el ingeniero Frías Lavalle.

Los fluidos pueden ser líquidos o gaseosos. Algunas de sus características son el peso, peso específico, la masa y su relación obligada con la gravedad específica (GE), que es la relación del líquido en cuestión referida a la densidad estándar del agua (60 °F), enlistó el especialista. Un dato relevante, agregó, es que la GE es proporcional a la presión que desarrolla una bomba y, por lo tanto, directamente proporcional a la energía consumida por la misma.

Otro concepto indispensable para el manejo de los fluidos es el de la viscosidad, que el ponente definió como “la resistencia que ofrece un fluido al cambio de forma bajo muy pequeñas fuerzas exteriores constantes que terminan por transformarlo”. Señaló que esta propiedad puede hacer que los distintos tipos de fluidos, como el aceite, se asemejen al estado sólido, lo cual puede estudiarse en varias expresiones:

  1. Viscosidad absoluta o dinámica: fuerza unitaria ejercida sobre un área unitaria dividida o alejada a una distancia unitaria de otra área también unitaria
  2. Viscosidad relativa: referenciada al líquido estándar (agua a 60 °F)
  3. Viscosidad cinemática: líquidos en estado de flujo o escurrimiento. Su fórmula es:

Ésta última es la de mayor interés para el caso del comportamiento de los líquidos en los distintos tipos de bombas. El líquido viscoso, apuntó Frías Lavalle, tiene dos repercusiones en estos equipos:

  1. Mayor fricción o pérdida de energía cuando circula por tuberías
  2. Afecta el rendimiento de la bomba, tanto en la relación de flujo y carga, como en la potencia y eficiencia

Otra condición importante para la estabilidad de los sistemas mecánicos hidráulicos y los mecánicos térmicos es la presión de vapor, la cual depende del tipo de fluido, de la temperatura y de la presión sobre la superficie libre de líquido. Para estabilizar un sistema y ponerlo en operación es necesario equilibrar estos tres puntos, afirmó el especialista de Dhimex.

También se debe garantizar que en ningún punto de la instalación se tengan cambios de fase, de líquido a vapor, ya sea por alta temperatura o la baja presión.

Fricción y caída de presión
Durante su exposición, el ingeniero José Luis Frías Lavalle compartió la siguiente máxima: “por donde pasa el fluido siempre hay caída de presión”. Esta cita tiene su razón de ser en el teorema de Bernoulli, cuya base está en el principio de conservación de la energía y postula que “las condiciones de entrada de un fluido son iguales a las de salida, sólo diferenciadas por la pérdida de carga”.

El segundo ejemplo tiene mayor pérdida

Cuantificar la caída de presión / pérdida de energía es necesario para poder diseñar sistemas. Hoy en día, existen dos fórmulas para ello, la de Darcy-Weisbach (fórmula 1), que incluye el efecto de viscosidad a través del factor de fricción, y la de Hazen-Williams (fórmula 2).

Fórmula 1 Darcy-Weisbach

Fórmula 2 Hazen-Williams

Otra consideración importante es la velocidad, cuya ecuación es velocidad promedio del fluido (ft/seg) igual al gasto (ft3/seg) entre el área transversal de la tubería (ft2):

Flujo turbulento versus prerrotación
Uno de los tipos de flujo que existen es el turbulento, el cual depende de la velocidad que tiene el fluido en la tubería. A diferencia de lo que se cree, la turbulencia no ocasiona ningún problema en las tuberías y es, de hecho, el régimen que utilizan todas las aplicaciones de los sistemas comerciales de tubo cerrado.

La prerrotación es un efecto que generan los sistemas en el flujo cuando presentan cambios de diámetro y de dirección. Por ejemplo, cuando un fluido sufre un cambio de dirección de 45 o 90 grados sale girando bruscamente del sistema. Esto afecta el bombeo, los medidores de flujo, intercambiadores de calor y muchas otras máquinas. En la medida de lo posible, la prerrotación se debe evitar en los puntos críticos, para esto, se utilizan estabilizadores de flujo, difusores o crucetas.

El ingeniero Frías concluyó su exposición con varios ejemplos sobre la correcta selección de tuberías, ya que, después de haber definido todos los principios hidráulicos, es posible realizar los cálculos adecuados en la práctica.