VISCOSIDAD
La viscosidad es la
propiedad de un fluido que da lugar a fuerzas que se oponen al movimiento
relativo de capas adyacentes en el fluido. Estas fuerzas viscosas se originan
en las que existen entre las moléculas del fluido y son de carácter similar a
las fuerzas cortantes de los sólidos.
Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en
movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la
que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por ello por
lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del mismo permanece
plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la
gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.
La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto
líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser
despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.
Esto indica que la velocidad con que
se desplaza la placa superior es proporcional a la fuerza aplicada, y fue un
principio descubierto por Newton.
-
En un fluido
ideal la viscosidad es cero μ = 0
-
En un fluido
real la viscosidad toma un valor finito μ > 0
-
En un sólido la
viscosidad tiende al infinito μ ≈ 0
REYNOLDS
El
número de Reynolds es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos,
diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento
de un fluido.
Por
medio de diversos estudios se ha podido demostrar que la transición del flujo
laminar al turbulento en tuberías no es solo función de la velocidad, sino
también de la densidad y viscosidad del fluido y del diámetro de la tubería por
donde circula dicho fluido. Estas variables se combinan en la expresión del
número de Reynolds, el cual es adimensional :
Cuando
el número de Reynolds es menor de 2300 para una tubería circular recta, el
flujo siempre es laminar, cuando el valor es superior a 10000, el flujo
será turbulento excepto en algunos casos especiales, en transferencia de
calor.
FLUJO
LAMINAR
El Flujo Laminar se basa en modelos
matemáticos ya determinados para su cálculo.
Régimen
laminar: las partículas del líquido se
mueven siempre a lo largo de trayectorias uniformes, en capas o láminas, con el
mismo sentido, dirección y magnitud. Suele presentarse en los extremos finales
de los laterales de riego y en micro tubos de riego.
En
tuberías de sección circular, si hacemos un corte transversal, las capas de
igual velocidad se disponen de forma concéntrica, con v > 0 junto a las
paredes de la tubería y velocidad máxima en el centro.
FLUJO
TURBULENTO
El Flujo turbulento se basa en la experiencia y relaciones, como la CFD
(Dinámica de fluidos computacional) que diseña programas como ANSYS (La mayoría
con experiencia en elemento finito y dinámica de fluido computacional) y SOLIDWORKS
para volúmenes finitos.
Régimen
turbulento: las partículas
se mueven siguiendo trayectorias erráticas, desordenadas, con formación de
torbellinos. Cuando aumenta la velocidad del flujo, y por tanto el número de
Reynolds, la tendencia al desorden crece. Ninguna capa de fluido avanza más
rápido que las demás, y sólo existe un fuerte gradiente de velocidad en las
proximidades de las paredes de la tubería, ya que las partículas en contacto
con la pared han de tener forzosamente velocidad nula.
El
paso de régimen laminar a turbulento no se produce de manera instantánea.
Cuando se trabaja en régimen laminar, a velocidades bajas, y se fuerza al
fluido para que adquiera mayor velocidad, comienzan a aparecer ondulaciones
(régimen crítico-laminar), y de persistir este aumento llevará al fluido a
alcanzar el régimen turbulento.
Velocidad
promedio
En general, la velocidad en una línea de
corriente depende de su posición radial siendo máxima en el centro del conducto y cero en las paredes del
mismo.
Colocando el instrumento en distintas
posiciones radiales podemos determinar el perfil de velocidades para esa
condición de operación. La forma de este perfil depende de la condición de
régimen laminar o turbulento del flujo.
Para el cálculo del caudal nos interesa
la velocidad media que es la velocidad supuesta constante a lo largo del
radio del conducto, que nos brindaría el mismo caudal que el perfil de
velocidades obtenido Si colocamos el instrumento en el centro del conducto,
estaremos determinando la velocidad máxima.
CAIDA
DE PRESIÓN (∆P)
La
cual es la diferencia entre las presiones en la admisión y a la salida del
banco. Es una medida de la resistencia que los tubos ofrecen al flujo sobre
ellos y se expresa como:
Donde f es el factor de fricción, L
la longitud, D el diámetro, ρ la densidad y v es la velocidad.
Nota: la caída de presión es menor cuando hay menos factor de fricción,
es decir, que en una tubería circular va a ser menor la caída de presión porque
hay menos fricción en sus paredes y por lo tanto hay mejor la transferencia de
calor en el fluido.
DENSIDAD
DE FLUJO MÁSICO
Se
la conoce con la letra (G):
Donde
(п r2) es el área de la tubería.
FLUJO NO
ISOTÉRMICO DE FLUIDOS EN EL INTERIOR DE CAÑERIAS
La razón de la transferencia de
calor hacia un banco de tubos o desde éste se determina a partir de:
Análisis
de la Ecuación de Transferencia de calor
Para
problemas de intercambio de calor:
Donde
coeficiente de convección local:
CORRELACIONES
EXPERIMENTALES
FLUJO LAMINAR
-
Para Flujo Laminar se va a utilizar la correlación experimental de SIEDER
Y TATE, que esa ecuación es válida para la transmisión de calor a
temperatura de pared constante (Tw):
-
Todas las propiedades termofísicas se deben tomar a la
temperatura de la mezcla de la sección o un promedio entre las temperatura de
mezclas de las secciones de entradas y salidas.
-
La ecuación de Sieder y Tate tiene un error máximo del 20% para Re*Prant* D/L) > 10 entonces hay error.
-
Para velocidades de flujos menores, los valores que se obtienen para hLoc son demasiados bajos. Q se determinará con el
valor de Tw.
FLUJO TURBULENTO
-
Para flujo turbulento el número de Nusselt:
-
Para flujo turbulento Reynolds > 10000
-
El coeficiente (h) es independiente de la L/D porque el perfil de
temperatura es el mismo para el flujo turbulento.
REGIMEN EN TRANSICIÓN
-
Para régimen de transición el flujo puede ser inestable y por lo tanto
no puede predecirse el valor del # de Nusselt.
Nota: No diseñar en esta
zona debido a la gran incertidumbre de los resultados (régimen transitorio).
No hay comentarios.:
Publicar un comentario