Las líneas de energía son herramientas gráficas de la mecánica de fluidos e hidráulica que nos permiten ver de manera cualitativa la energía total y piezométrica del flujo de un líquido. Ya pudimos observar esto en la publicación anterior, donde desarrollamos sus conceptos básicos.
Producto de la fricción entre el flujo y las rugosidades en las paredes de cualquier tubería, las líneas de energía presentan una pendiente descendiente ya que se pierde energía por fricción a medida que el flujo avanza. "H" representa la energía total en determinado punto del flujo dentro de la tubería.
Ahora, vamos a ir un poco más allá del caso general, y vamos a analizar lo que sucede cuando el flujo se encuentra con un elemento obstaculizante que puede provocar cambios en la energía dentro del mismo.
De acuerdo a lo observado en la publicación anterior, la energía total se puede medir mediante una conexión vertical a una tubería abierta a la atmósfera en el extremo superior. De acuerdo a un datum o eje de referencia preestablecido, se puede medir la altura total del flujo. Esta altura total "H" a su vez se subdivide en las siguientes componentes, de acuerdo a la ecuación de Bernoulli:
Teniendo esto en cuenta, ahora imaginemos un obstáculo, o cualquier cosa que interrumpa el flujo continuo dentro de la tubería, ya sea una curva, una variación de diámetro o un obstáculo. Como ejemplo, consideraremos un obstáculo en forma de placa que obstaculiza el flujo parcialmente.
Esto genera que el flujo se vea interrumpido en ciertos puntos. Partículas del líquido se ven obligadas a cambiar su trayectoria, chocando a su vez con las paredes del obstáculo. Se ha planteado que, el diámetro del tubo es el mismo antes y después del obstáculo, por lo que la velocidad general del flujo se mantiene igual antes y después, a pesar de que en ciertos puntos alrededor del obstáculo aparezcan vórtices y pérdida de velocidad de solo ciertas partículas.
Realizando un análisis antes y después del obstáculo, es evidente que, el nivel de agua vertical total luego del obstáculo será menor, ya que se perdió energía al tratar de sortearlo. Es por ello que, elementos como válvulas y otros accesorios pueden generar saltos verticales hacia abajo en las líneas de energía total.
Por lo tanto, la energía total (H) será menor luego de pasar el obstáculo. Realizando un análisis a través de la ecuación de Bernoulli, podemos llegar a la conclusión de que, si la cota (Z) y la velocidad es la misma en puntos a ambos lados del obstáculo, entonces la componente de presión es la que presenta disminución en magnitud:
Podría pensarse que la velocidad general del flujo disminuye debido al obstáculo, pero en realidad, la magnitud de la velocidad del flujo solo depende del diámetro y del caudal, y ambos se han mantenido iguales en ambos lados del obstáculo en el ejemplo dado. En realidad, el obstáculo genera un aumento momentáneo en la velocidad del flujo, ya que se se reduce el diámetro, tal como lo demuestra la ecuación de continuidad:
Los obstáculos, ya sean válvulas, curvas, o cambios de diámetro, generan pérdidas en la presión interna del flujo, haciendo que la altura/energía total del flujo (H) disminuya, producto de la reducción de la componente de presión en la ecuación de Bernoulli. Esta es la energía que impulsa al flujo producto del confinamiento que brinda la tubería.
Un accesorio fijo, como un obstáculo, una curva o un cambio de diámetro, va a generar pérdidas de energía determinadas dependiendo de que tanto obstruyan al flujo. Un tapón sería un accesorio que brinda una pérdida de energía suficientemente grande como para impedir que se desarrolle el flujo.
Una válvula, en cambio, permite regular que tanto se va a disminuir la presión dentro de la tubería, ya que brinda una restricción gradual del flujo hasta impedirlo totalmente. Esto es útil no solo en lavamanos o duchas, sino en casos donde regular la presión puede ser crucial para evitar daños en la tubería, por ejemplo, en redes de abastecimiento de agua potable, donde la presión puede llegar a valores muy altos ya que como vimos anteriormente, los accesorios reducen la carga de presión.
En la animación, la línea de energía total presenta un ligero salto al inicio de la tubería, ya que se presenta un a abertura del tanque donde el área pasa de un valor muy grande a otro reducido, generando ciertas pérdidas de energía. Las válvulas pueden incluso introducir ciertas pérdidas de energía estando abiertas al 100%, ya que internamente poseen protuberancias y mecanismos para poder abrir y cerrar.
Hasta aquí llegamos en esta publicación explicando el comportamiento de las líneas de energía en la mecánica de fluidos e hidráulica. En la próxima publicación abordaremos cómo se agrega energía al sistema para que la línea de altura total presente un salto hacia arriba. He tratado de explicar este tema de la manera más intuitiva posible, para lograr un enfoque en la importancia de la representación gráfica de la línea de energía.
| Los accesorios tienen infinidad de utilidades en los sistemas de tubería, por ello se hace necesario entender su efecto en la energía del sistema y como alteran la mecánica del flujo. Las líneas de energía y sus componentes geométrica (cota), de presión y cinética, nos sirve para representar gráficamente el comportamiento de la energía del sistema de manera cualitativa, ante la introducción de estos accesorios. |
•Ranald V. Giles. (1991). Mecánica de los fluidos e hidráulica. McGraw-Hill. (p. 71-74).Fuente
•Principios de la Hidráulica Que Necesitas Conocer: El Principio de Energía
Imágenes de autoría propia realizadas mediante LibreCAD. Ecuaciones creadas mediante PowerPoint. Gifs creados mediante Photoscape.
Publicado mediante la dApp STEMsocial |
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