Pérdidas hidráulicas

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Las pérdidas hidráulicas o resistencia hidráulica son pérdidas irrecuperables de energía específica (su conversión en calor ) en secciones de sistemas hidráulicos (sistemas de accionamiento hidráulico , tuberías , otros equipos hidráulicos) debido a la presencia de fricción viscosa [1] [2] . Aunque la pérdida de energía total es un valor esencialmente positivo, la diferencia de energías totales en los extremos de la sección de flujo también puede ser negativa (por ejemplo, con el efecto de eyección ).

Las pérdidas hidráulicas se suelen dividir en dos tipos:

Las pérdidas por fricción a lo largo - ocurren con flujo uniforme, en su forma pura - en tuberías rectas de sección transversal constante, son proporcionales a la longitud de la tubería;
Pérdidas hidráulicas locales - debido a los llamados. resistencia hidráulica local - cambios en la forma y tamaño del canal, deformando el flujo. Ejemplos de pérdidas locales son: expansión repentina de una tubería, estrechamiento repentino de una tubería, codo, válvula.

Las pérdidas hidráulicas se expresan en pérdidas de carga en unidades lineales de la columna del medio, o en unidades de presión : , donde es la densidad del medio, g es la aceleración de caída libre . $\Delta h$ $\Delta P$ ${\displaystyle \Delta h={\Delta P \over\rho g))$ $\rho$

Índices de siniestralidad

En muchos casos, se puede considerar aproximadamente que la pérdida de energía durante el flujo de un líquido [3] a través de un elemento de un sistema hidráulico es proporcional al cuadrado de la velocidad del líquido [2] . Por esta razón, es conveniente caracterizar la resistencia por una cantidad adimensional ζ [4] , que se denomina coeficiente de pérdida o coeficiente de resistencia local y es tal que

\Delta p=\zeta {\rho w^{2} \over 2}{\mbox{, }}\Delta h=\zeta {w^{2} \over 2g}{\mbox{.} }

Es decir, suponiendo que la velocidad w en toda la sección de flujo es la misma, ζ=Δ p / e torm , donde e torm = ρ w ²/2 es la energía de desaceleración de una unidad de volumen de flujo en relación con el canal. En realidad, la velocidad del fluido en el flujo no es uniforme, en la literatura de referencia en estas fórmulas, se toma el caudal promedio w = Q / F , donde Q es el flujo de volumen, F es el área de la sección transversal para la cual el se calcula la velocidad [1] . Por lo tanto, la energía promedio de estancamiento del flujo suele ser algo mayor que ρ w ²/2, consulte la raíz cuadrática media .

Para pérdidas lineales, se suele utilizar el coeficiente de pérdida por fricción a lo largo de la longitud (también el coeficiente de Darcy ) λ, que aparece en la fórmula de Darcy-Weisbach [2]

\Delta h=\lambda {\frac {L}{d}}\cdot {w^{2} \over 2g}

donde L es la longitud del elemento, d es el tamaño característico de la sección (para tubos redondos es el diámetro). De lo contrario, en unidades de presión.

\Delta p=\lambda {\frac {L}{d}}\cdot {\rho w^{2} \over 2}

;

así, para un elemento lineal de longitud relativa , el coeficiente de resistencia por fricción es . ${\frac{L}{d))$ ${\displaystyle \zeta _{\text{tr))=\lambda {L \over d))$

Influencia del régimen de caudal en tuberías sobre las pérdidas hidráulicas

Dado que, en un régimen de flujo turbulento , la energía del flujo se consume para superar la viscosidad durante las oscilaciones turbulentas, las pérdidas hidráulicas en un régimen de flujo laminar son mucho menores que en uno turbulento . Entonces, por ejemplo, si fuera posible mantener un régimen de flujo laminar en los sistemas de suministro de agua y calefacción a las tasas de flujo de fluido existentes, entonces la cabeza de la bomba podría reducirse entre 5 y 10 veces . . Un cambio en el régimen de flujo de laminar a turbulento provoca un aumento abrupto de la resistencia (a algunas velocidades, es decir, en un cierto rango de números de Reynolds , el flujo laminar es inestable, pero bajo ciertas condiciones puede existir). Al mismo tiempo, el coeficiente de resistencia hidráulica en régimen laminar suele ser mayor que en régimen turbulento, ya que las velocidades más bajas son características de los regímenes laminares. En flujo laminar, la resistencia depende aproximadamente linealmente de la velocidad (en consecuencia, el coeficiente cae aproximadamente linealmente, por ejemplo en tubos redondos ). En el régimen turbulento en tuberías hidráulicamente lisas (con poca rugosidad y pequeña Re), la dependencia tiene un carácter diferente (para tuberías redondas ) y en todos los casos prácticos está por encima de la dependencia para el régimen laminar; a números de Reynolds más altos, bajo la influencia de la rugosidad, el gráfico λ sufre una curvatura compleja y, a partir de un cierto valor crítico en Re>Re cr (región de autosimilitud), λ depende solo de la rugosidad. $\lambda ={\frac {64}{\mathrm {Re} }}$ $\lambda ={\frac {0.3164}{\sqrt[{4}]{\mathrm {Re} }}}.$

Valor en tecnología

Para superar las pérdidas hidráulicas en varios sistemas técnicos, se gasta el trabajo de dispositivos tales como bombas , sopladores .

Para reducir las pérdidas hidráulicas, se recomienda evitar el uso de piezas en los diseños de equipos hidráulicos que contribuyan a un cambio brusco en la dirección del flujo, por ejemplo, para reemplazar la expansión repentina de una tubería con una expansión gradual ( difusor ), para dar a los cuerpos que se mueven en líquidos una forma aerodinámica, etc. Incluso en tuberías absolutamente lisas hay pérdidas hidráulicas [2] ; en el régimen laminar, la rugosidad tiene poco efecto sobre ellos, sin embargo, en los regímenes turbulentos habituales en tecnología, su aumento, por regla general, provoca un aumento de la resistencia hidrodinámica.

A veces, por el contrario, se requiere introducir resistencia hidráulica en el flujo. Para esto, se utilizan arandelas de estrangulación , unidades reductoras de presión, válvulas de control . Midiendo la presión sobre algún elemento, del cual se conoce la gráfica del coeficiente de resistencia hidráulica, se puede averiguar el caudal en algunos tipos comunes de caudalímetros .

Véase también

Enlaces

Notas

↑ 1 2 Idelchik I. E. Manual de resistencia hidráulica / Ed. MO Steinberg. - 3ª ed., revisada. y agregar - M .: Mashinostroenie, 1992. - C. 10
↑ 1 2 3 4 Hidráulica, máquinas hidráulicas y accionamientos hidráulicos: un libro de texto para universidades de ingeniería / T. M. Bashta, S. S. Rudnev, B. B. Nekrasov y otros. - 2ª ed., revisada .. - M. : Mashinostroenie , 1982. - S. 48 -50, 84, 88.
↑ En hidrodinámica, cualquier fluido se denomina líquido, tanto líquido goteante como gas .
↑ También se aplica la notación ξ ; las letras a menudo se confunden, a veces se usan para distinguir si la velocidad en la fórmula se midió en la sección de entrada o salida del elemento (para elementos que se expanden o se estrechan).