Hidrodinámica

La hidrodinámica es la rama de la física que estudia el movimiento y la acción del agua y otros líquidos. En cualquier sistema de flujo de líquidos, diversas fuerzas actúan sobre el fluido, lo que provoca su desplazamiento y comportamiento dinámico.

La altura de carga dinámica es una altura virtual que representa la presión necesaria para impulsar el agua desde un punto hasta una determinada elevación, superando toda resistencia de fricción. Este concepto se divide en tres partes fundamentales:

1. Altura de carga de velocidad: Representa la altura a la que un cuerpo debe caer en el vacío para adquirir la misma velocidad con la que el agua fluye dentro de una tubería. Se calcula mediante la ecuación:

   

   donde V es la velocidad en metros por segundo, y g es la aceleración de la gravedad (9.81 m/s²).

2. Altura de carga de entrada: Es la energía requerida para superar la resistencia de fricción al ingreso del líquido en la tubería. En una entrada afilada, equivale aproximadamente a la mitad de la altura de carga de velocidad, mientras que en una entrada suavizada es despreciable.

3. Altura de carga por fricción: Es la pérdida de energía debido a la fricción interna del fluido con la tubería. En sistemas de conducción largos, este factor es crucial y puede calcularse mediante tablas especializadas que correlacionan el diámetro de la tubería, el caudal y la rugosidad del material.

La elevación dinámica es un concepto análogo a la altura de carga dinámica, pero aplicado a la elevación real del agua en movimiento. Se refiere a la presión necesaria para elevar el agua a una altura específica superando la resistencia de fricción (ver Figura 17).

Figura 17. Altura de elevación teórica (izquierda) para una bomba, que corresponde a una elevación estática para una lectura del barómetro dado, pero que no se obtiene realmente en la práctica, la elevación dinámica (a la derecha) es elevación real, además de toda la resistencia friccional.

El límite práctico de elevación de una bomba en condiciones normales se encuentra entre 6,10 y 7,62 metros (20 a 25 pies). Sin embargo, este valor disminuye cuando:

• Aumenta la longitud de la tubería de succión.
• Existen numerosos codos o válvulas que generan pérdida de carga.
• La tubería es demasiado estrecha.
• Se opera a altitudes elevadas, donde la presión atmosférica es menor.

En la Figura 17, se ilustra la diferencia entre la altura de elevación teórica y la elevación dinámica real. Mientras la elevación teórica corresponde a la altura máxima que el agua podría alcanzar en un sistema ideal sin pérdidas, la elevación dinámica representa la altura real alcanzada al considerar las resistencias del sistema.

En la Figura 18, se muestra el funcionamiento de una bomba de vacío utilizada para la elevación de agua. Cuando la presión atmosférica es de 14,74 psi (30 pulgadas de mercurio o 76,20 cmHg), la altura máxima teórica de succión es de 10,37 metros (34,04 pies). Sin embargo, en condiciones reales, el rendimiento es inferior debido a:

• Fugas de aire en las válvulas.
• Presencia de aire disuelto en el agua.
• Formación de vapor dentro de la bomba.

Por lo tanto, la elevación práctica máxima para un funcionamiento eficiente de la bomba es de 7,62 metros (25 pies).

Figura 18. Principio de operación de una bomba de elevación común de tipo vacío, medida en pulgadas de mercurio y pies de agua. La distancia de 31.76 pies (968.04 cm) es la altura aproximada a la que el agua puede ser elevada con una presión atmosférica de 14.74 psi (1.03 kg/cm²), equivalente a 30 pulgadas de mercurio (76.20 cmHg). En la práctica real, la elevación máxima efectiva es de aproximadamente 25 pies (762.00 cm) para garantizar una operación satisfactoria.

Figura 19. Elevación negativa ("negative lift" en Inglés),  a veces llamada altura de carga de aspiración ("suction head"). La bomba mostrada es de doble acción, pero el segundo conjunto de válvulas no se muestra para mejorar la simplicidad.

El término elevación negativa se emplea cuando el nivel del suministro de agua se encuentra por encima de la entrada de la bomba. En este caso, la bomba no necesita generar succión activa, sino que el fluido se desplaza por efecto de la gravedad. La Figura 19 ilustra este concepto, mostrando la medida estándar de la elevación negativa desde la superficie del suministro de agua hasta el punto central inferior de la bomba.

El aumento de la temperatura del agua afecta la capacidad de elevación debido a la presión de vapor del líquido. A medida que la temperatura aumenta, la presión de vapor también lo hace, lo que disminuye la altura máxima teórica de elevación.

Por ejemplo, una bomba de alimentación de caldera operando con agua a 94,42°C (201,96°F) no podría generar un vacío superior a 13,94 cmHg (5,49 pulgadas de mercurio), ya que a esta temperatura el agua comienza a evaporarse dentro de la bomba, reduciendo su efectividad.

En la Figura 20, se observa cómo la expansión térmica afecta la elevación teórica.

Figura 20 El aumento en la elevación máxima teórica con un aumento de la temperatura del agua. A 62 °F (16.67 °C), la presión atmosférica puede soportar una columna de agua de 34 pies (1,036.32 cm) con una lectura barométrica de 30 pulgadas (76.20 cm) de mercurio. A medida que la temperatura del agua aumenta, su densidad disminuye y el volumen se expande, lo que alarga la columna de agua dentro del tubo.

Como se muestra en la Figura 20, una columna de agua de 34 pies (1,036.32 cm) a una temperatura de 60 °F (15.56 °C) se encuentra en un tubo cerrado en la parte inferior y abierto en la parte superior. Si el agua se calienta a 180 °F (82.22 °C), su densidad disminuye, pasando de 62.36 libras por pie cúbico (28.29 kg/m³) a 60.57 libras por pie cúbico (27.47 kg/m³). Esta expansión térmica provoca que la columna de agua se alargue hasta 35.02 pies (1,066.95 cm), aproximadamente.

Este fenómeno ilustra cómo la temperatura afecta la densidad y el volumen de los líquidos en sistemas confinados, lo que debe ser considerado en aplicaciones de ingeniería hidráulica y termodinámica.

Términos destacados :

La hidrodinámica es fundamental para entender el comportamiento de los fluidos en movimiento. Factores como la altura de carga dinámica, la elevación negativa, la pérdida por fricción y la temperatura influyen en el diseño y operación de sistemas hidráulicos. Un correcto análisis de estos parámetros permite optimizar la eficiencia en aplicaciones industriales, desde el bombeo de agua hasta el diseño de redes de tuberías.