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Densidad.
Cociente entre la masa de una determinada sustancia y el volumen que ésta ocupa.
neumatica
5.1. Principios y parámetros básicos
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La unidad de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el Kg/m3. También son muy empleadas otras unidades como el g/cm3 o el Kg/l.
A lo largo del tema consideraremos que los fluidos hidráulicos son incompresibles. Es decir, su volumen no variará con los cambios de presión y por lo tanto su densidad será constante. Esta suposición no tendría sentido en el caso de los gases, sin embargo es de aplicación general cuando se estudian líquidos.
En ocasiones el valor de la densidad de un fluido no se indica como un valor absoluto, sino que se compara con el valor de la densidad del agua. En ese caso hablaremos de la densidad relativa. Densidad relativa será el cociente entre la densidad del líquido considerado y la del agua, es por lo tanto una magnitud adimensional.
Otra variante de la densidad es el volumen específico. La densidad representa la cantidad de masa de una sustancia que hay en cada unidad de volumen. Si hacemos el cálculo al revés y dividimos el volumen de un sistema por su masa lo que obtendremos será un número que nos indica la cantidad de volumen que es necesario coger para tener en él la unidad de masa del sistema. Este valor es el volumen específico. Se calculará:
Las unidades de esta magnitud en el S.I. serán pues m3/Kg
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Principio de Pascal
La presión aplicada sobre un fluido confinado en un recipiente, se transmite íntegramente en todas las direcciones y ejerce fuerzas iguales sobre áreas iguales, actuando estas fuerzas perpendicularmente sobre las paredes del recipiente contenedor.
En la imagen inferior puedes ver un ejemplo práctico del Principio de Pascal. Al ejercer una presión con un pistón sobre un fluido confinado en un depósito esférico, esta presión se transmite idénticamente en cada uno de los puntos de las paredes del contenedor.
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Viscosidad
Oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales y se manifiesta solamente cuando el fluido se encuentra en movimiento.
En el caso que nos ocupa, la viscosidad se pone de manifiesto por la fricción y el rozamiento que se produce entre las moléculas de un fluido al circular por una conducción y entre las moléculas del fluido y las paredes interiores de los conductos del circuito.
Se dice que la viscosidad de un fluido es baja cuando este circula con facilidad por una conducción. La viscosidad se suele medir en grados Engler, que indican la velocidad de trasiego de 200 cm3 de fluido a través de un conducto cilíndrico de platino con un diámetro de 2,8 mm
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La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura. La relación entre estas dos magnitudes se mide a través del Índice de viscosidad.
- Se dice que un fluido posee un índice de viscosidad muy bajo cuando es muy viscoso a bajas temperaturas y muy fluido a altas temperaturas.
- Un fluido que presente un elevado índice de viscosidad es aquel que prácticamente se mantiene inalterado desde el punto de vista de la viscosidad, sin que prácticamente le afecte la temperatura del fluido.
En los circuitos hidráulicos, los aceites minerales utilizados deben tener un índice de viscosidad no inferior a 75. Es importante conocer la temperatura mínima a la que un fluido puede circular por un circuito hidráulico.
Viscosidad absoluta o viscosidad dinámica
Isaac Newton descubrió que en muchos fluidos la fuerza tangencial se relaciona con la viscosidad mediante la siguiente ecuación:
La expresión anterior que se conocida con el nombre de ley de newton para la viscosidaddonde:
- τ, tensión tangencial (F/S).
- μ, viscosidad absoluta o dinámica.
- F, fuerza de viscosidad que aparece entre dos láminas de fluido.
- S, superficie.
- Δv, diferencia de velocidad correspondiente a una distancia Δy.
Viscosidad Cinemática, la definimos por la siguiente expresión:
- μ, es la densidad dinámica o absoluta.
- ρ, es la densidad del fluído.
La Resistencia Hidráulica, es aquella que ofrecen los diferentes elementos hidráulicos y tuberías al paso del fluido.
- R, resistencia de la tubería (en St/ m.cm4)
- μ, viscosidad en stokes (St).
- l, longitud de la tubería en metros.
- D, diámetro interior de la tubería en centímetros.
Régimen laminar, turbulento y número de Reynolds
Los fluidos cuando circulan por una conducción están describiendo una trayectoria denominada línea de corriente.
- Tenemos un régimen laminar, cuando la velocidad del fluido no sobrepasa un cierto valor, estando las líneas de corriente no mezcladas, sino superpuestas unas con otras.
- Tenemos un régimen turbulento, cuando a partir de un cierto valor de la velocidad del fluido, las diversas capas del fluido se mezclan formándose remolinos.
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El número de Reynolds (Re), es un valor adimensional (no tiene unidades) que se calcula con la siguiente expresión y determina el régimen de un fluido a lo largo de una conducción.
- Re, número de Reynolds.
- ρ, densidad del fluido (kg/m3).
- D, diámetro de la conducción (m).
- v, velocidad media del fluido (m/s).
- μ, viscosidad dinámica (N.s/m2).
A partir de este número se puede predecir el régimen del fluido:
- Re < 2.100 tendríamos un régimen laminar.
- 2.100 ≤ Re ≤ 10.000 tendríamos un régimen de transición entre el laminar y el turbulento.
- Re ≥ 10.000 tendríamos un régimen turbulento.
Presión de vapor y cavitación
- La presión de vapor es la presión que ejerce el vapor generado por un fluido dentro de un espacio cerrado cuando se equilibran la cantidad de fluido evaporado y el que se vuelve a condensar. La presión de vapor es una magnitud directamente proporcional a la temperatura del fluido.
- Cuando se iguala la presión de vapor de un fluido a la presión del exterior, el líquido entra en ebullición. En esta propiedad se basa el fenómeno de la cavitación que provoca enormes pérdidas y destrozos en las conducciones de fluidos debido a la corrosión ocasionada. La cavitación tiene lugar cuando ciertos fluidos que son conducidos por un circuito, puede ocurrir que haya zonas singulares, en que la presión disminuya, si lo hace por debajo de la presión de vapor del fluido, provocará que parte de este hierva, generándose burbujas que son conducidas hasta zonas donde haya mayores presiones, condensándose de nuevo.
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Potencia hidráulica
La potencia (P) de una bomba hidráulica es la relación entre la energía de flujo proporcionada por la bomba y el tiempo que la misma ha estado en funcionamiento para comunicar dicha energía.
Normalmente esta magnitud se suele expresar como el producto de la presión del fluido por su caudal:
En todas las instalaciones siempre se producen pérdidas, por lo que siempre la potencia de la bomba hidráulica debe ser mayor que la potencia teórica prevista. Se define así el rendimiento, como el cociente entre la potencia útil necesaria y la potencia consumida por la bomba. Este valor siempre será menor que la unidad.
A esta potencia consumida habrá que sumar la pérdida de potencia calculada en el apatado anterior, por lo tanto:
Las expresiones que hemos obtenido son válidas para conducciones rectilíneas o con un gran arco de curvatura. Cuando en las tuberías hay codos, racores, o cualquier otro tipo de obstáculo, el fabricante proporciona unas tablas en las que se indica una longitud equivalente a emplear en caso de cálculo, esta longitud sería la equivalente a una tubería rectilínea que produjese una pérdida de carga de la misma magnitud.
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Pérdida de carga
Debido a las fuerzas de rozamiento que por un lado se producen entre las láminas del fluido y por otro entre éste y las paredes de la tubería, se generan pérdidas energéticas que producen calor, y que dan lugar a una disminución de presión en el fluido hidráulico, es lo que se llama pérdida de carga.