MECÁNICA DE FLUIDOS Y TERMODINÁMICA INGENIERIA DE SISTEMAS
Aprovechamiento de LA ENERGÍA
Aprovechamiento de LA ENERGÍA
Aprovechamiento de LA ENERGÍA
Transmisión de energía
Objetivos del curso Identificar y describir el comportamiento de los fluidos en reposo y movimiento. Relacionar y aplicar los fundamentos de los fluidos y leyes termodinámicas en procesos energéticos industriales. Evaluar y optimizar sistemas térmicos, teniendo presente el ahorro de energía y su implicancia en el medio ambiente. Analizar los procesos aplicados a máquinas industriales, que utilizan las leyes de la mecánica de fluidos y termodinámica.
Resultados a los que aporta • b) Los estudiantes aplican conocimientos actuales y emergentes de ciencia, matemática y tecnología. • i) Los estudiantes aplican y promueven la calidad, la seguridad en el trabajo, el aprendizaje permanente y practican principios éticos
Evaluación del curso Nota F in al = 0,30 E + 0,30 E + 0,40 P 1 2 A
• • •
E1 = Examen 1 E2 = Examen 2 PA = Promedio de prácticas calificadas y otros ( 7 notas) – – – – –
Práctica calificada 01. Práctica calificada 02. Práctica calificada 03. Práctica calificada 04. Práctica calificada 05. • Portafolio/cuaderno del alumno. • Participación en clase. • Ejercicios propuestos.
– Práctica calificada 06. • Rúbrica: Selecciona componentes para un sistema de transferencia de calor, utilizando las leyes de la Mecánica de Fluidos y Termodinámica • Rúbrica: Realiza cálculos aplicando matemática superior para analizar sistemas mecánicos y de fluidos
– Práctica calificada 07. • Proyecto final: diseño de un sistema • Nota de sustentación.
Evaluación del curso Nota F in al = (EP (E ) + 2EF (E )+ PP)/4 1 2
• • •
E1 = Examen PARCIAL E2 = Examen FINAL PP = Promedio de prácticas calificadas y otros ( 7 notas) – Práctica calificada 03. – Práctica calificada 04. – Práctica calificada 05. • Portafolio/cuaderno del alumno. • Participación en clase. • Ejercicios propuestos. LECTURAS
– Práctica calificada 06. • Rúbrica: Selecciona componentes para un sistema de transferencia de calor, utilizando las leyes de la Mecánica de Fluidos y Termodinámica • Rúbrica: Realiza cálculos aplicando matemática superior para analizar sistemas mecánicos y de fluidos
– Práctica calificada 07. • Proyecto final: diseño de un sistema • Nota de sustentación.
Sesión 01 Propiedades de los fluidos
Concepto de Fluido • Es un estado de la materia en el que la forma de los cuerpos no es constante, sino que se adapta a la del recipiente que los contiene.
Los fluidos y sus propiedades • Líquidos y gases son fluidos por que tienen la capacidad de fluir : pueden deslizarse a través de canales u orificios adaptando su forma al recipiente que los contiene.
Mecánica de Fluidos • Estudia y describe el comportamiento de los fluidos:
– En reposo -------------- (Hidrostática)
– En movimiento ------- (Hidrodinámica)
Propiedades de los fluidos • Densidad • Peso específico • Gravedad específica • Viscosidad • Tensión superficial • Capilaridad • Presión de vapor
Densidad • La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.
Densidad de algunas sustancias
Peso especifico • Cantidad de peso que contiene cada unidad de volumen de una determinada sustancia o materia.
N volumen m3 peso
En los líquidos, puede considerarse constante para las variaciones ordinarias de presión.
Ejercicio resuelto (ER-01) • Si 15m3 de un aceite tienen una masa de 12000 kg, calcular: – Su densidad – Su peso específico – Su densidad relativa • Rpta: 800kg/m3; 7848N/m3; 0,8
ER-02 • ¿Qué volumen ocupan 3850 kg de un aceite que tiene una gravedad especifica de 0,85?. • Rpta. 4,53m3
ER-03 • ¿Calcule el peso y la gravedad específica de un metro cúbico de kerosene, si este fluido tiene una masa de 825 kg. • Rpta. 8093,25N; 0,825
ER-04 • Encontrar la masa y el peso del aire contenido en el salón de clases. Supongamos que el salón tiene las siguiente dimensiones: 4m x 5m de piso y 3m de alto. ¿Cuál sería la masa y peso de un volumen igual de agua?. • Rpta. 72kg; 706,32N; 6000kg; 588,60kN
ER-05 • ¿Cuál será la densidad relativa de un aceite si su volumen es el equivalente al peso de 13270 N de agua y el peso del aceite es de 9955 N.? • Rpta: 0,75
Viscosidad • Es la propiedad que representa la resistencia interna al movimiento de un fluido. • La magnitud de la resistencia al flujo de un fluido que atraviesa un cuerpo depende de la viscosidad • Permite diferenciar Fluidos Newtonianos de Fluidos No Newtonianos.
VISCOSIDAD VISCOSIDAD DINAMICA: ALTO ESFUERZO DE CORTE Unidad: Poise o Centipoise Cp
VISCOSIDAD CINEMATICA: BAJO ESFUERZO DE CORTE Unidad: Stoke o Centistoke cSt.
VISCOSIDAD ABSOLUTA
=
VISCOSIDAD CINEMATICA
DENSIDAD DEL FLUIDO
RELACION VALIDA PARA LOS FLUIDOS NEWTONIANOS
Unidades de la viscosidad dinámica UNIDADES SISTEMA INTERNACIO NAL N F 2 N s m A Pa s V V m m2 s Y Y m
OTRAS UNIDADES 1 Poise
1 P 0.1 Pa s
1centi Poise
1cP
1 Poise 100
0.001 Pa s
Viscosidad cinemática “
“
UNIDADES SISTEMA INTERNACIO NAL Pa s kg
N
s 2
m kg
m3
kg .m s
m3
s
kg
2 m s m m kg kg s 3 3 m m
2
2
UNIDADES SISTEMA INGLES lb s
lb s
lb s
2 lb s pie pie pie pie pie 2 2 2 lb slug lb s pie lb s s 3 2 4 pie pie / s pie 3 pie 2
4
2
2
SISTEMA TECNICO 1 Stoke 1 St
cm2 s
10
1 centi Stoke 1cSt
4
m2 s
1 Stoke 100
0 ,01 Stoke 10
2
Stoke 10
6
m2 s
mm2 s
Factores que Afectan a la Viscosidad Temperatura
Mayor Temperatura implica Menor Viscosidad
Presión
Mayor Presión implica Mayor Viscosidad
Índice de Viscosidad • Una medida de que tanto cambia la viscosidad de un fluido con la temperatura está dada por su índice de viscosidad (I.V.) • Un fluido con un alto índice de viscosidad muestra un cambio pequeño de viscosidad con respecto a la temperatura. Un fluido con un bajo índice de viscosidad exhibe un cambio grande en su viscosidad con respecto a la temperatura.
Índice de viscosidad Viscosity
XHVI
HVI
LVI
MVI
Temperature
Effect of Temperature on Viscosity low VI - below 35; medium VI - 35 to 80; high VI - 80 to 110; very high VI - above 110.
Índice de viscosidad IV = 100 x (Vis. 0 – Vis. X) @ 100°F (Vis. 0 – Vis. 100) • Vis. 0 = IV 0 del aceite nafténico del golfo de México. • Vis. 100 = IV 100 del aceite parafínico de Pensilvania. • Vis. X = IV el aceite en análisis. • El IV 0 y IV 100 tienen la misma viscosidad a 210°F
Grado de viscosidad ISO •
• •
Los lubricantes que se utilizan en aplicaciones industriales deben estar disponibles en un amplio intervalo de viscosidades, para cumplir con las necesidades de las diferentes maquinarias y equipos. Para cumplir con tales requerimientos y la norma ASTM ha definido un conjunto de 18 grados de viscosidad ISO. La designación estándar incluye el prefijo ISO VG seguido por un número que representa la viscosidad nominal en centistoke “cSt” (mm2/s) para una temperatura 40ºC en la tabla siguiente se representan los diferentes grados de viscosidad ISO.
Clasificación API CE
C CGF CF-2 4
CF-4
CH-4
CJ-4
CI-4
SL
1985
SF
S G
1988 1990
1993
SH
1994
1995
1996
SJ
1998
2001
SM
2002
2004 2006
Viscosidad • La viscosidad cumple un rol importante en la generación de turbulencia. • Las pérdidas de energía en el transporte de los fluidos están asociados con la viscosidad del fluido. • La viscosidad varía con la temperatura. – Ejm: la miel al ser calentada a 40°C fluye más ráido que a temperatura ambiente.
• La viscosidad hace que un fluido se adhiera a las superficies. • Fluidos no newtonianos (taxitropia?) – la viscosidad varia con el tiempo, es decir con la duración del esfuerzo aplicado sobre el fluido (cambia la tensión del fluido ). • ejemplo: una solución de 4 kg de maizena y 5 kg de agua • ejm: el ketchup (hay que golpear la botella para fluir).
ER-06 • Convierta una medición de viscosidad dinámica de 4500 cP en: – Pa-s – lb-s/pie2
• Rta 4.5Pa-s
ER-07 •
Convierta una medición de viscosidad cinemática de 5,6 cSt en: – m2/s – Pie2/s
Tensión superficial
• Propiedad derivada de las fuerzas de atracción entre moléculas. • Se presenta en una interfaz: liquido – gas. • La tensión superficial evita que las gotas se desprendan en un caño mal cerrado. • La tensión superficial determina el ángulo de contacto entre una gota de líquido y una superficie sólida.
CAPILARIDAD •
La elevación o descenso de un líquido en un tubo capilar (0 en situaciones físicas análogas, tales como en medios porosos) vienen producidos por la tensión superficial, dependiendo de las magnitudes relativas de la cohesión del liquido y de la adhesión del líquido a las paredes del tubo. • Los líquidos ascienden en tubos que mojan (adhesión> cohesión) y descienden en tubos a los que no mojan (cohesión> adhesión). La capilaridad tiene importancia en tubos de diámetros aproximadamente menores de 10 mm.
Presión de vapor • Comúnmente conocida como presión de saturación.
• Es la presión a la que a cada temperatura las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio. • Condición de equilibrio: liquido saturado y vapor saturado.
La presión atmosférica • El barómetro • El peso de la columna de aire determina la presión atmosférica
Relación de presiones
Presión - Tabla de equivalencias
ER-08 • Calcular la fuerza total sobre el piso del salón de clase descrito en el ER-04 si la presión del aire es de 1 atm.
• Rta 2020KN • Rta 205912.3Kg
ER-09 • En una planta procesadora de alimentos, el caldero de vapor genera vapor de agua a 50psi y es utilizado en el secado de fideo. Se pide determinar el valor absoluto de la presión del caldero a fin de entrar a tablas termodinámicas y determinar el valor de la temperatura con que el fideo está siendo secado.
ER-10 – Se tiene un balón de gas a una temperatura T . El manómetro mostrado indica una presión P. Si este balón es elevado a 6000 m de altura, manteniéndose la misma cantidad de gas y a la misma temperatura, la lectura del manómetro: “
”
Manómetro
“
•
Permanecer á invariable.
•
Aumentará.
•
Disminuirá.
Gas
