Dinámica de Fluidos compresibles

Introducción a la dinámica de fluidos compresibles

La dinámica de fluidos compresibles es una rama de la mecánica de fluidos que se centra en el estudio del comportamiento de fluidos (generalmente gases) cuya densidad puede variar significativamente debido a cambios en presión y temperatura. A diferencia de los fluidos incompresibles, donde la densidad se considera constante, los fluidos compresibles requieren un análisis más complejo debido a las interacciones entre presión, temperatura y volumen.

Fundamentos:

Los principios de la dinámica de fluidos compresibles se basan en las leyes de la termodinámica y la conservación de la masa, el momento y la energía. En situaciones donde los fluidos se desplazan a altas velocidades, como en el caso de aviones en vuelo supersónico o gases en turbinas, se vuelven críticos los efectos de la compresibilidad.

Importancia

La compresibilidad tiene un impacto significativo en diversas aplicaciones, como la aeronáutica, la meteorología y la ingeniería de motores. Comprender cómo se comportan los gases en condiciones extremas permite a los ingenieros y científicos diseñar sistemas más eficientes y seguros.

Aplicaciones de la dinámica de fluidos compresibles

La dinámica de fluidos compresibles tiene varias aplicaciones importantes en diferentes campos. Aquí te menciono algunas:

Aeronáutica: El diseño de aviones y cohetes involucra el estudio de flujos de aire a altas velocidades, donde los efectos de la compresibilidad son significativos.

Ingeniería de motores: En motores a reacción y turbinas de gas, se analiza el comportamiento de gases a altas temperaturas y presiones, lo que requiere entender la dinámica de fluidos compresibles.

Meteorología: Los modelos de predicción del clima y fenómenos atmosféricos, como tormentas y huracanes, utilizan la dinámica de fluidos para entender la circulación del aire.

Industria automotriz: El diseño de vehículos de alto rendimiento, especialmente aquellos que operan a velocidades altas, se beneficia de la comprensión de los flujos compresibles.

Exploración espacial: Las simulaciones de la reentrada de naves espaciales en la atmósfera terrestre dependen de la dinámica de fluidos compresibles para predecir el comportamiento del aire a altas velocidades.

Transporte de gases: En la industria del gas, la compresibilidad se considera al diseñar sistemas de tuberías y compresores para el transporte de gas natural.

Acústica: El estudio del sonido en medios gaseosos, especialmente a altas frecuencias y en condiciones extremas, requiere la aplicación de la dinámica de fluidos compresibles.

Ingeniería civil: En proyectos de construcción y túneles, se evalúan los efectos de la presión de los gases en espacios confinados.

Ventiladores, sopladores y compresores

Los ventiladores, sopladores y compresores son dispositivos mecánicos utilizados para mover o aumentar la presión de fluidos, principalmente gases. Aunque todos ellos cumplen funciones similares, existen diferencias clave en su diseño, funcionamiento y aplicaciones.

Ventiladores

Definición: Los ventiladores son dispositivos que generan un flujo de aire, generalmente a baja presión y alta capacidad.

Los ventiladores funcionan de una manera bastante sencilla. Cuando un ventilador es enchufado a la corriente eléctrica y activado a través de un interruptor de encendido, la corriente ingresa a su sistema de ventilación, pasa por la bobina y el rotor, luego de esto, y a través de las poleas, la corriente es convertida en energía mecánica para que se movilicen las aspas y generen una corriente de aire que proporcione una sensación de frescor, ya para aliviar el calor o mantener un lugar ventilado.

Funcionamiento: Utilizan un motor eléctrico para hacer girar un impulsor que mueve el aire. La energía cinética generada por el impulsor convierte la energía eléctrica en movimiento de aire.

Aplicación:

Ventilación: En edificios, túneles y vehículos.

Refrigeración: En sistemas de refrigeración y climatización.

Procesos industriales: Para la circulación de aire en fábricas.

Características:

Presión: Baja (generalmente hasta 0.5 psi).

Flujo: Alto caudal de aire.

Sopladores

Definición: Los sopladores son dispositivos que también mueven aire, pero están diseñados para generar presiones más altas que los ventiladores.

Al comienzo, el aire es absorbido por el lado de succión del dispositivo, los rotores y los impulsores giran, el aire entonces se presuriza y se libera. Dependiendo de cómo mueven el aire, los sopladores pueden clasificarse como de desplazamiento positivo o centrífugo:

Desplazamiento positivo: estos tipos de sopladores, que albergan dos rotores, atrapan un cierto volumen de aire, luego lo descargan o lo fuerzan contra la presión del sistema. Una vez en funcionamiento, un soplador gira a la misma velocidad, pero en direcciones opuestas para introducir aire en el elemento soplador. A medida que los rotores giran, el aire es arrastrado hacia el lado de entrada del soplador y pasa a las áreas apretadas entre los rotores y la carcasa del soplador. Este aire se mueve alrededor de los rotores y la carcasa del soplador hacia el lado de salida. Cuando los rotores se abren hacia el lado de salida, la línea de descarga iguala la presión del aire. Dentro del soplador, el volumen de aire no cambia. Más bien, se desplaza de un extremo de la máquina al otro.

Centrífugo: el aire entra en el centro de un impulsor giratorio y se divide entre las palas del impulsor. A medida que el impulsor gira, acelera el aire hacia afuera utilizando la fuerza centrífuga. En el alojamiento del soplador circundante, este aire de alta velocidad se difunde y disminuye la velocidad para crear presión. Debido a que las máquinas centrífugas operan con presión y caudal como variables dependientes, los sopladores centrífugos funcionan mejor como máquinas de carga base o en aplicaciones con presión constante.

Funcionamiento: Pueden utilizar diferentes mecanismos, como desplazamiento positivo o turbinas, para aumentar la presión del aire.

Aplicaciones:

Proceso industrial: Para transportar materiales a granel, como polvo o pellets.

Sistemas de combustión: Para suministrar aire a calderas o hornos.

Sistemas de tratamiento de aguas residuales: Para la aireación.

Características:

Presión: Media (hasta 3 psi).

Flujo: Moderado caudal de aire.

Compresores

Definición: Los compresores son dispositivos diseñados para aumentar significativamente la presión de un gas, reduciendo su volumen. El “funcionamiento de un compresor” comienza con la aspiración de aire del ambiente, que se lleva a cabo a través de un filtro de aire para eliminar impurezas. Una vez filtrado, el aire pasa al área de compresión donde, dependiendo del tipo de compresor, un pistón, tornillo o rotor lo comprime. Durante este proceso, el aire se presuriza y su volumen disminuye significativamente. Este aire comprimido se traslada luego a un tanque de almacenamiento donde se mantiene bajo presión hasta que se necesita.

El funcionamiento de un compresor es fundamental para entender “Compresor de aire ¿Cómo funciona?”, ya que este proceso es el corazón de la eficacia del compresor. En los compresores de pistón, por ejemplo, el aire se comprime mediante un movimiento ascendente y descendente dentro de un cilindro; en los compresores rotativos, un par de tornillos giratorios aprietan y mueven el aire, y en los centrífugos, un rotor giratorio acelera y luego desacelera el aire para aumentar su presión.

Funcionamiento: Pueden operar mediante diferentes principios, como compresión positiva (desplazamiento) o compresión dinámica (centrífuga o axial).

Aplicaciones:

Climatización y refrigeración: En sistemas de aire acondicionado y refrigeradores.

Neumática: Para herramientas y equipos que funcionan con aire comprimido.

Industria química: Para procesos que requieren gases a alta presión.

Características:

Presión: Alta (varios psi, dependiendo del tipo).

Flujo: Bajo caudal de aire en comparación con ventiladores y sopladores.

Bombas de vacío: Funcionamiento y aplicaciones

Las bombas de vacío son dispositivos diseñados para eliminar aire y otros gases de un sistema cerrado, creando un vacío parcial o total. Son fundamentales en diversas industrias y aplicaciones. A continuación, se explica su funcionamiento y aplicaciones.

Funcionamiento de las Bombas de Vacío

Existen varios tipos de bombas de vacío, y su funcionamiento varía según el diseño. Aquí se describen los principales tipos:

Bombas de Desplazamiento positivo

Funcionamiento: Capturan una cantidad fija de gas y lo expulsan del sistema. Funcionan mediante ciclos de compresión y evacuación. Ejemplos incluyen:

Bombas de pistón: Utilizan un pistón que se mueve hacia adelante y hacia atrás para crear un vacío.

Bombas de diafragma: Usan un diafragma flexible que se mueve para comprimir y evacuar el gas.

Aplicaciones:

En laboratorios, sistemas de refrigeración, y en la producción de semiconductores.

Bombas de Difusión

Funcionamiento: Utilizan vapor de aceite u otro fluido que se condensa para capturar y eliminar gas del sistema. El vapor se inyecta en la cámara de vacío, atrapando las moléculas de gas que luego son evacuadas.

Aplicaciones: En aplicaciones de alta vacuidad, como en la fabricación de dispositivos electrónicos.

Bombas Rotativas de Paletas

Funcionamiento: Tienen paletas que se deslizan en un rotor excéntrico. Al girar, las paletas atrapan el gas y lo comprimen, creando un vacío.

Aplicaciones: Comúnmente usadas en laboratorios, procesos de secado y en sistemas de embalaje.

Bombas Turbinas

Funcionamiento: Utilizan un rotor que gira a alta velocidad para acelerar el gas y expulsarlo a través de un difusor, creando vacío.

Aplicaciones: En aplicaciones de investigación y en sistemas de espectrometría de masas.

Aplicaciones de las Bombas de Vacío

Las bombas de vacío tienen una amplia variedad de aplicaciones en diferentes campos:

Industria Alimentaria

Envasado al vacío: Prolonga la vida útil de los alimentos al eliminar el aire.

Electrónica

 Fabricación de semiconductores: Crean ambientes controlados para el ensamblaje de componentes electrónicos.

Laboratorios

Evaporación y destilación: Se utilizan para crear un vacío en procesos químicos y físicos.

Medicina

Equipos de succión: Usadas en procedimientos quirúrgicos y en la fabricación de dispositivos médicos.

Automoción

Pruebas de fugas: Verifican la estanqueidad en componentes de vehículos.

Producción de Vidrio

Formación de vacío: Utilizadas en el proceso de fabricación de vidrio para evitar burbujas.

Ecuaciones para compresores

Los compresores generalmente trabajan con gases en condiciones donde los efectos de compresibilidad son importantes. A continuación, se presentan algunas de las ecuaciones fundamentales que describen su funcionamiento.

Ecuación de la potencia del compresor:

La potencia que requiere un compresor se puede calcular como:

Ley de compresión isotrópica:

La relación entre presiones y temperaturas en un compresor ideal se puede describir por:

Ecuación de Euler para máquinas turbo maquinarias:

El trabajo realizado por una turbo máquina como un compresor se puede calcular por la ecuación de Euler:

Ecuaciones para sopladores

Los sopladores son dispositivos que también aumentan la presión de un gas, pero suelen operar a menores diferencias de presión en comparación con los compresores.

Ley de aforo:

Para determinar el caudal volumétrico que maneja un soplador, se usa la siguiente fórmula:

Ecuación de potencia para sopladores:

La potencia que necesita un soplador se puede calcular de manera similar a los compresores:

Ley de los ventiladores o semejanza de turbo maquinaria

Esta ley se aplica tanto a compresores como a sopladores para relacionar el rendimiento con las condiciones de operación. Las tres relaciones clave son:

Caudal volumétrico: Proporcional a la velocidad del rotor:

Presión: Proporcional al cuadrado de la velocidad del rotor:

Potencia: Proporcional al cubo de la velocidad del rotor:

Referencias

Anderson, J. (2006). Modern Compressible Flow: With Historical Perspective. McGraw- Hill.

Antonio, B., & Miguel, P.-S. (2005). Fundamentos y aplicaciones de la Mecanica de Fluidos.       Mc       Graw            Hill.     Obtenido         de https://www.academia.edu/25669790/Mecanica_de_Fluidos_Fundamentos_y_Ap licaciones_Yunus_Cengel_y_John_Cimbala_Primera_Edicion