Unidad II

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Unidad II

• Mecánica de fluidos

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Mecánica de fluidos

• Es es una parte de una disciplina más amplia
  llamada mecánica de medios continuos, que
  incluye también el estudio de sólidos sometidos a
  esfuerzos.

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Ramas de la mecánica de fluidos

• La estática de fluidos, que trata los fluidos en
  el estado de equilibrio sin esfuerzo cortante, y
• La dinámica de fluidos, que trata los fluidos
  cuando partes de los mismos se mueven con
  relación a otras.

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• El conocimiento de los fluidos es esencial, no
  solamente para tratar con exactitud los problemas
  de movimiento de fluidos a través de tuberías,
  bombas y otros tipos de aparatos, sino también
  para el estudio del flujo de calor y de muchas
  operaciones de separación que dependen de la
  difusión y la transferencia de materia.

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Caracterización de Fluidos

• Un fluido puede ser caracterizado de diferentes
  maneras
• Espaciamiento molecular
• Actividad molecular
• En un fluido el espaciamiento entre moléculas es
  mayor que en un sólido, como también es mayor el
  rango de movimiento de las moléculas.

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Diferencia entre un sólido y un líquido
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• Un fluido es una sustancia que se deforma
  continuamente bajo la acción de esfuerzos
  cortantes

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Flujo entre placas paralelas
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Fluido real

• Fluido donde existen efectos de fricción entre
  partículas adyacentes
• Para que el flujo ocurra se deben vencer estas
  fuerzas de resistencia
• En dicho procesos se produce una conversión de
  energía de calor

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Fluido ideal

• Fluidos donde no existen efectos de fricción
  entre capas adyacentes
• Capas se deslizarán unas sobre otras sin
  resistencia
• No existe formación de remolinos o disipación de
  energía debido a la fricción

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• Un fluido es una sustancia que no resiste
  permanentemente a la distorsión
• Durante la variación de la forma, se producen
  esfuerzos cortantes, cuya magnitud depende de la
  viscosidad del fluido y de la velocidad de
  deslizamiento
• Un fluido en equilibrio carece de esfuerzos
  cortantes

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Luego resumiendo

• Un fluido es una sustancia que se deforma
  continuamente cuando se somete a un esfuerzo
  cortante, sin importar que tan pequeño sea ese
  esfuerzo cortante.
• Un esfuerzo cortante es el componente de la
  fuerza tangente a una superficie, y esta fuerza
  dividida por el área de la superficie es el
  esfuerzo cortante promedio sobre dicha
  superficie.
• El esfuerzo cortante en un punto es el valor
  limite de la fuerza por unidad de área a medida
  que el área se reduce a un punto.

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• Un fluido ideal es una sustancia que cuando está
  en equilibrio estático, NO SOPORTA fuerzas
  tangenciales o de corte.
• Un fluido sometido a esfuerzos de corte fluye
  inmediatamente, no importa cuan pequeño sea éste
  (fluido ideal).
• Cualquier sustancia que tiene la capacidad de
  fluir es un fluido Liquido, Gas, Plasma

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Propiedades de los fluidos

• Densidad
• Módulo de elasticidad
• Volumen específico y densidad relativa
• Viscosidad
• Tensión Superficial Capilaridad

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Densidad

• La densidad es una de las propiedades más
  habituales y útiles en el estudio de los fluidos
  relaciona la masa de una porción de fluido y el
  volumen que esta porción ocupa
• Se expresa como r m / v
• Sus unidades son
• g / cm3 g / mL
• kg / L 1000 kg / m3
• lb / pie3

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Densidades de algunas substancias (kg/m3)
Aire 1,29 Aluminio 2 700
Helio 0,18 Cobre 8 920
Hidrógeno 0,09 Hierro 7 860
Agua dulce 1 000 Plomo 11 300
Hielo 917 Oro 19 300
Agua salada 1 030 Mercurio 13 600
Alcohol 806 Madera 373
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Módulo de elasticidad

• El módulo de elasticidad es una característica
  del material que caracteriza la compresibilidad
  de un líquido - cuan fácil una unidad del volumen
  fluido puede ser cambiada al cambiar la presión
  que trabaja sobre ella.

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Volumen especifico

• El volumen especifico en el SI es el reciproco de
  la densidad absoluta.

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Densidad relativa

• Es la relación entre la masa del cuerpo a la masa
  de un mismo volumen de agua limpia en condiciones
  normales.
• Esta relación es igual a las de los pesos
  específicos del cuerpo en cuestión y del agua en
  las mismas condiciones.

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VOLUMEN ESPECÍFICO, DENSIDAD RELATIVA
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Escalas de densidad relativa

• Escala API ( Para derivados del petróleo )
• S 141.5 / ( 141.5 ºAPI )
• Escala Baumé ( Para productos menos densos que el
  agua )
• S 140 / ( 130 ºBaumé )
• Escala Baumé ( Para productos más densos que el
  agua )
• S 145 / ( 145 - ºBaumé )

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Viscosidad

• Aunque las moléculas de los líquidos pueden
  deslizarse una sobre otras, esto no ocurre con
  igual facilidad para todos los líquidos esta
  resistencia la da la viscosidad.
• Viscosidad es la propiedad molecular que
  representa la resistencia del fluido a la
  deformación.

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Dentro de un flujo, la viscosidad es la
responsable de las fuerzas de fricción entre
capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se
denominan de esfuerzo cortante (shearing
stress) y dependen del gradiente de velocidades
del fluido.
Esfuerzo cortante
Gradiente de velocidad
Viscosidad dinámica
(Pa sNs/m2)
(1 Pa s 10 Poise)
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Viscosidad

• En los líquidos depende principal-mente de la
  cohesión entre las moléculas del fluido.
• En los gases depende principalmente del grao de
  agitación molecular.

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Tensión Superficial

• Mide la capacidad de soporte de tensiones de la
  superficie de un liquido

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• Las moléculas que se encuentran en la superficie
  de un líquido, son atraídas hacia el volumen.

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Capilaridad

• El contacto de un líquido con las paredes del
  tubo de sección circular que
• lo contiene se realiza formando un menisco o
  ángulo de contacto, ?

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Si el ángulo de contacto es menor que 90, la
adhesión del liquido en la superficie produce una
tensión hacia arriba y el liquido sube por el
tubo.
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Estática de fluidos

• La estática de fluidos estudia los gases y los
  líquidos en equilibrio o reposo. A diferencia de
  los líquidos, los gases tienen la cualidad de
  comprimirse, por lo tanto el estudio de ambos
  filudos presentan algunas características
  diferentes el estudio de los fluidos líquidos
  se llama hidrostática y el estudio de los gases
  se llama aerostática.
• Por tener un movimiento uniforme en sus planos
  adyacentes la estática de fluidos no tiene
  movimiento relativo u otras fuerzas que
  traten de deformarlo. El esfuerzo normal es la
  fuerza que actúa de forma perpendicular al
  cuerpo.
• La estática de fluidos se utiliza para calcular
  las fuerzas que actúan sobre cuerpos flotantes o
  sumergidos. Es utilizada como principio de
  construcción de muchas obras de ingeniería, como
  presas, túneles submarinos, entre otros.

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Esfuerzos de compresión ? Presión

• La propiedad fundamental de un fluido estático es
  la presión.
• La presión es la fuerza superficial que ejerce un
  fluido sobre las paredes del recipiente que lo
  contiene.
• En cualquier punto del interior de un fluido
  existe también una determinada presión.
• En un fluido estático, la presión resulta
  independiente de la orientación de cualquier
  superficie interna sobre la que actúa.

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Principio de Pascal y Arquimedes

• la presión aplicada a un fluido se transmite con
  el mismo valor a todos los puntos del fluido a
  las paredes del recipiente que lo contiene

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Presión en un fluido estático
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Aplicaciones

• Manómetros
• Decantador gravitatorio continuo
• Decantador centrifugo

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Decantador gravitatorio continuo

• Un decantador gravitatorio se utiliza para la
  separación continua de dos líquidos no miscibles
  de densidades diferentes.
• La mezcla de alimentación entra por un extremo
  del separador los dos líquidos fluyen lentamente
  a través del tanque, se separan en dos capas, y
  descargan por los rebosaderos situados al otro
  extremo del separador.

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Decantador gravitatorio continuo
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• Con tal de que los rebosaderos sean lo
  suficientemente grandes, para que la resistencia
  de fricción al flujo de líquidos pueda
  despreciarse, y la descarga se haga a la misma
  presión que existe en el espacio gaseoso situado
  sobre el líquido del tanque, el funcionamiento
  del decantador puede estudiarse según los
  principios de la estática de fluidos.
• El tamaño de un decantador viene dado por el
  tiempo que se requiere para la separación, que a
  su vez depende de la diferencia entre las
  densidades de los dos líquidos y de la viscosidad
  de la fase continua.

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Decantador centrifugo

• Se utiliza cuando la diferencia de densidades de
  los dos líquidos es pequeña, la fuerza de la
  gravedad es demasiado débil para separar los
  líquidos en un tiempo razonable
• Consta de un recipiente metálico cilíndrico, que
  en general se dispone verticalmente, y que gira
  alrededor de su eje a gran velocidad.
• El aparato está en reposo, y contiene una cierta
  cantidad de los dos líquidos no miscibles de
  densidades diferentes. El líquido pesado forma
  una capa sobre el fondo del recipiente, debajo de
  la capa de líquido ligero. Si ahora se hace girar
  el recipiente, el líquido pesado forma una capa,
  que se representa en la figura por la zona A,
  próxima a la pared interior del aparato. En el
  interior de la capa de líquido pesado se forma
  una capa de líquido ligero que se representa por
  la zona B. Las dos capas están separadas por una
  interfase denominada zona neutra.

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Decantador centrifugo
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1. Cono cilindro cónico
2. Tornillo Extracción helicoidal (rotador)
3. Alimentación
4. Distribuidor
5. Espacio entre anillos
6. Producto de sedimentación
7. Nivel liquido
8. Zona de secado
9. Liquido clarificado
10. Limite ajustamiento

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Ventajas

• Se puede utilizar para un mayor rango de usos
  potenciales,
• Operación continua,
• Acepta grandes rangos de concentraciones de
  alimentación al sistema,
• Disponibilidad para una gran variedad de
  capacidades del flujo de alimentación al sistema.

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Aplicaciones

• El decantador centrífugo puede separar la mayoría
  de tipos de liquido/ sólido. Se puede utilizar
  para la clasificación de sólidos en líquidos en
  suspensión o para la clarificación de líquidos.
• Además también se puede utilizar en la
  recuperación de sólidos de valor desde el liquido
  en suspensión lavando el sólido recuperado.
• El decantador también puede desaguar los lodos
  consiguiendo un nivel muy alto de secado y
  finalmente puede ser operado para actuar como un
  espesante, produciendo liquido claro y lodo mas
  concentrado.