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¿Qué es la energía potencial?

La energía potencial , U, se define como la energía almacenada en un objeto sometido a una fuerza conservadora. Los tipos comunes incluyen la energía potencial gravitacional , la energía potencial elástica de un resorte extendido y la energía potencial eléctrica de una carga eléctrica en un campo eléctrico, etc.

Supongamos la  energía mecánica  (E _mech ), que es la energía asociada con el  movimiento  y la  posición  de un objeto, generalmente en algún campo de fuerza (por ejemplo, campo gravitacional). M energía echanical  (y también la energía térmica) se pueden separar en dos categorías, transitorios y almacenados. La energía transitoria es energía en movimiento, es decir, energía que se transfiere de un lugar a otro. La energía almacenada es la energía contenida dentro de una sustancia u objeto. La energía mecánica transitoria se conoce comúnmente como  trabajo . La energía mecánica almacenada existe en una de dos formas:  cinética  o  potencial :

• La energía potencial . La energía potencial, U, se define como la energía almacenada en un objeto sometido a una fuerza conservadora. Los tipos comunes incluyen la energía potencial gravitacional de un objeto que depende de su masa y su distancia desde el centro de masa de otro objeto.
• La energía cinética . La energía cinética,  K , se define como la energía almacenada en un objeto debido a su movimiento. Depende de la velocidad de un objeto y es la capacidad de un objeto en movimiento para trabajar en otros objetos cuando choca con ellos.

Ejemplos de energía potencial

Energía potencial gravitacional:

En la mecánica clásica, la energía potencial gravitacional (U) es la energía que posee un objeto debido a su posición en un campo gravitacional. El potencial gravitacional (V; la energía gravitacional por unidad de masa) en una ubicación es igual al trabajo (energía transferida) por unidad de masa que sería necesario para mover el objeto desde una ubicación de referencia fija a la ubicación del objeto. El uso más común de la energía potencial gravitacional es para un objeto cerca de la superficie de la Tierra donde se puede suponer que la aceleración gravitacional es constante a aproximadamente 9.8 m / s ² .

U = mgh

Energía potencial elástica :

La energía potencial elástica es la energía potencial almacenada como resultado de la deformación de un objeto elástico, como el estiramiento de un resorte. Depende de la constante de resorte k, así como de la distancia estirada.

U = 1/2 kx ²

Potencia al freno

La potencia requerida para conducir una bomba centrífuga se conoce generalmente como la potencia de frenado . Se puede expresar en términos de la potencia del agua dividida por la eficiencia.

En el sistema métrico  se utilizan kilovatios (kW) . Debido a las pérdidas hidráulicas, mecánicas y volumétricas en una bomba, la potencia real o de agua disponible para trabajar en el fluido es menor que la potencia total suministrada.

Eficiencia de la bomba

La eficiencia de la bomba es la relación entre la potencia de agua entregada por la bomba y la potencia de freno entregada al eje de la bomba. Al seleccionar una bomba, una preocupación clave es optimizar la eficiencia del bombeo . El uso de energía en una instalación de bombeo está determinado por el flujo requerido, la altura elevada y las características de longitud y fricción de la tubería. La potencia requerida para conducir una bomba se define simplemente usando unidades SI mediante:

dónde:

• P es la potencia de entrada requerida (W)
• BHP es la potencia de freno
• ρ es la densidad del fluido (kg / m ³ )
• g es la aceleración estándar de la gravedad (9.81 m / s ² )
• H es la altura neta de la bomba agregada al flujo (m)
• Q es el caudal (m ³ / s)
• η es la eficiencia de la bomba

¿Qué es la energía mecánica?

En física, la energía mecánica (E _mech ) es la energía asociada con el movimiento y la posición de un objeto, generalmente en algún campo de fuerza (por ejemplo, campo gravitacional). La energía mecánica (y también la energía térmica) se pueden separar en dos categorías, transitorias y almacenadas. La energía transitoria es energía en movimiento, es decir, energía que se transfiere de un lugar a otro. La energía almacenada es la energía contenida dentro de una sustancia u objeto. La energía mecánica transitoria se conoce comúnmente como trabajo . La energía mecánica almacenada existe en una de dos formas: cinética o potencial :

• La energía potencial . La energía potencial, U, se define como la energía almacenada en un objeto sometido a una fuerza conservadora. Los tipos comunes incluyen la energía potencial gravitacional de un objeto que depende de su masa y su distancia desde el centro de masa de otro objeto.
• La energía cinética . La energía cinética, K , se define como la energía almacenada en un objeto debido a su movimiento. Depende de la velocidad de un objeto y es la capacidad de un objeto en movimiento para trabajar en otros objetos cuando choca con ellos.

Ejemplo: bloque deslizándose por una pendiente inclinada sin fricción

El bloque de 1 kg comienza a una altura H (digamos 1 m) sobre el suelo, con energía potencial mgH y energía cinética que es igual a 0. Se desliza hacia el suelo (sin fricción) y llega sin energía potencial y energía cinética. K = ½ mv ² . Calcule la velocidad del bloque en el suelo y su energía cinética.

E _mech = U + K = constante

=> ½ mv ² = mgH

=> v = √2gH = 4.43 m / s

=> K ₂ = ½ x 1 kg x (4.43 m / s) ² = 19.62 kg.m ² .s ^-2 = 19.62 J

Ejemplo: Péndulo

Suponga un péndulo (bola de masa m suspendida en una cuerda de longitud L que hemos levantado para que la bola esté a una altura H <L por encima de su punto más bajo en el arco de su movimiento de cuerda estirada. El péndulo está sujeto al conservador fuerza gravitacional donde las fuerzas de fricción como el arrastre de aire y la fricción en el pivote son insignificantes.

Lo liberamos del reposo. ¿Qué tan rápido va en la parte inferior?

El péndulo alcanza la mayor energía cinética y la menor energía potencial cuando está en posición vertical , porque tendrá la mayor velocidad y estará más cerca de la Tierra en este punto. Por otro lado, tendrá la menor energía cinética y la mayor energía potencial en las posiciones extremas de su oscilación, porque tiene velocidad cero y está más lejos de la Tierra en estos puntos.

Si la amplitud se limita a pequeñas oscilaciones, el período T de un péndulo simple, el tiempo necesario para un ciclo completo, es:

donde L es la longitud del péndulo yg es la aceleración local de la gravedad. Para columpios pequeños, el período de columpio es aproximadamente el mismo para columpios de diferentes tamaños. Es decir,  el período es independiente de la amplitud .

Eficiencia de la bomba

La eficiencia de la bomba es la relación entre la potencia de agua entregada por la bomba y la potencia de freno entregada al eje de la bomba. Al seleccionar una bomba, una preocupación clave es optimizar la eficiencia del bombeo . El uso de energía en una instalación de bombeo está determinado por el flujo requerido, la altura elevada y las características de longitud y fricción de la tubería. La potencia requerida para conducir una bomba se define simplemente usando unidades SI mediante:

dónde:

• P es la potencia de entrada requerida (W)
• BHP es la potencia de freno
• ρ es la densidad del fluido (kg / m ³ )
• g es la aceleración estándar de la gravedad (9.81 m / s ² )
• H es la altura neta de la bomba agregada al flujo (m)
• Q es el caudal (m ³ / s)
• η es la eficiencia de la bomba

Mejor punto de eficiencia

El mejor punto de eficiencia (BEP) es el punto de mayor eficiencia de la bomba . Es una característica interna de cada bomba centrífuga . Cabe señalar que cualquier bomba no convierte completamente la energía cinética en energía de presión. Parte de la energía siempre se pierde interna o externamente.

Las pérdidas internas son causadas por la fricción del fluido en el impulsor debido al cambio rápido en la dirección del flujo y el cambio en las velocidades en toda la bomba. Las pérdidas externas son causadas por pérdidas mecánicas en sellos y rodamientos. Todos los puntos a la derecha o izquierda del BEP tienen una menor eficiencia. Las bombas deben dimensionarse lo más cerca posible de su mejor punto de eficiencia o caudal. Esto no solo hace que la bomba sea más eficiente, sino que también mejora la confiabilidad de la bomba . Tenga en cuenta que la eficiencia total nunca se logra debido a las pérdidas mecánicas e hidráulicas incurridas en la bomba.

El diseño del impulsor es el factor más importante para determinar la BEP de una bomba porque determina la eficacia con que se transmite la potencia (potencia de frenado o BHP) al líquido que se bombea. Un impulsor diseñado adecuadamente optimiza el flujo mientras minimiza la turbulencia y maximiza la eficiencia .

Eficiencia de la bomba

La eficiencia de la bomba es la relación entre la potencia de agua entregada por una bomba centrífuga y la potencia de frenado entregada al eje de la bomba. Al seleccionar una bomba, una preocupación clave es optimizar la eficiencia del bombeo . El uso de energía en una instalación de bombeo está determinado por el flujo requerido, la altura elevada y las características de longitud y fricción de la tubería. La potencia requerida para conducir una bomba se define simplemente usando unidades SI mediante:

dónde:

• P es la potencia de entrada requerida (W)
• BHP es la potencia de freno
• ρ es la densidad del fluido (kg / m ³ )
• g es la aceleración estándar de la gravedad (9.81 m / s ² )
• H es la altura neta de la bomba agregada al flujo (m)
• Q es el caudal (m ³ / s)
• η es la eficiencia de la bomba

Cabeza de cierre

En la curva de rendimiento de una bomba centrífuga, el cabezal de cierre es el punto en el gráfico donde el caudal es cero. La altura de cierre es la elevación vertical en altura, generalmente medida en metros de columna de agua, en la cual una bomba ya no puede ejercer suficiente presión para mover el agua .

Características de operación de un circuito hidráulico

Cuando reunimos las características de fricción  ( cabeza del sistema ) de un circuito hidráulico y la curva de rendimiento, el resultado describirá las características de todo el sistema (por ejemplo, un circuito de circuito primario ). La siguiente figura muestra la curva de rendimiento típica para una bomba centrífuga relacionada con el cabezal de fricción del sistema.

El cabezal de la bomba , en el eje vertical, es la  diferencia entre la contrapresión del sistema y la presión de entrada de la bomba ( _bomba ΔP ). La velocidad de flujo volumétrico (Q) , en el eje horizontal, es la velocidad a la que fluye el fluido a través de la bomba. Como se puede ver, la altura es aproximadamente constante a baja descarga y luego cae a cero a Q _máx . A baja descarga, las características pueden ser inestables (con pendiente positiva del cabezal de la bomba). Estas son características indeseables, porque una bomba inestable puede comenzar a oscilar entre las dos combinaciones posibles de caudal y la tubería puede vibrar.

Al caudal Q1, la bomba gana más altura que la que consume las pérdidas por fricción, por lo tanto, el caudal a través del sistema aumentará . El caudal se estabilizará en el punto, donde las pérdidas por fricción se cruzan con las características de la bomba .

Cabezal de bomba: curva de rendimiento

En dinámica de fluidos, el término cabezal de bomba se usa para medir la energía cinética que crea una bomba. La altura es una medida de la altura de la columna de fluido incompresible que la bomba podría crear a partir de la energía cinética que la bomba le da al líquido. La altura y el caudal determinan el rendimiento de una bomba, que se muestra gráficamente en la figura como la curva de rendimiento o la curva característica de la bomba . La razón principalpara usar la cabeza en lugar de la presión para determinar el rendimiento de una bomba centrífuga es que elLa altura de la columna de fluido no depende de la gravedad específica (peso) del líquido , mientras que la presión de una bomba cambiará. En términos de presión, el cabezal de la bomba ( _bomba ΔP ) es la diferencia entre la contrapresión del sistema y la presión de entrada de la bomba.

La altura máxima de la bomba de una bomba centrífuga está determinada principalmente por el diámetro exterior del impulsor de la bomba y la velocidad angular del eje, es decir  , la velocidad del eje giratorio. El cabezal también cambiará a medida que aumente el caudal volumétrico a través de la bomba.

Cuando una bomba centrífuga funciona a una velocidad angular constante , un aumento en la carga del sistema (contrapresión) en la corriente de flujo provoca una reducción en el caudal volumétrico que la bomba centrífuga puede mantener.

La relación entre el cabezal de la bomba y el caudal volumétrico (Q) , que una bomba centrífuga puede mantener, depende de varias características físicas de la bomba como:

• la potencia suministrada a la bomba
• la velocidad angular del eje
• El tipo y diámetro del impulsor

y el fluido usado:

• densidad de fluido
• viscosidad fluida

Esta relación es muy complicada y su análisis radica en extensas pruebas hidráulicas de ciertas bombas centrífugas. Como se puede ver en la imagen a continuación.

Operación en serie de bombas centrífugas (Booster)

Para aumentar el caudal volumétrico en un sistema o para compensar grandes pérdidas mayores o menores , las bombas centrífugas a menudo se utilizan en paralelo o en serie .

El funcionamiento en serie de las bombas centrífugas se utiliza para superar la pérdida de carga del sistema grande o para aumentar la presión cuando se inyecta líquido en un sistema de alta presión (por ejemplo, sistemas de inyección de seguridad de alta presión en PWR , donde se usan bombas de etapas múltiples).

Cuando una bomba centrífuga se opera en un circuito cerrado, la presión de descarga resultante será simplemente la suma de la presión de succión y la presión normalmente desarrollada por la bomba cuando funciona a presión de succión cero. Por lo tanto, es muy adecuado para su uso como bomba de refuerzo cuando se opera en serie. El cabezal producido por dos o más bombas es igual a la suma de los cabezales individuales . El caudal volumétrico desde la entrada de la primera bomba hasta la salida de la segunda permanece igual. En la aplicación práctica, las bombas de etapas múltiples ( bomba de impulsor múltiple ) se construyen para alcanzar una altura de bomba más alta.

Operación paralela de bombas centrífugas

Para aumentar el caudal volumétrico en un sistema o para compensar grandes pérdidas mayores o menores, las bombas centrífugas a menudo se utilizan en paralelo o en serie .

El funcionamiento en paralelo de las bombas centrífugas se utiliza para aumentar el caudal a través del sistema. Las bombas que funcionan en paralelo toman su succión de un cabezal común y descargan en una descarga común . Si bien la cabeza cambia solo ligeramente, el flujo casi se duplica en cualquier punto dado. Debe tenerse en cuenta que el caudal volumétrico es en realidad menos del doble del caudal alcanzado mediante el uso de una sola bomba. Esto es causado por una mayor pérdida de carga del sistema como resultado de un mayor caudal.

Presiones en turbinas de vapor de condensación

Típicamente, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) desde un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (punto D ) El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el vapor de baja calidad. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%.

Ver también: vapor húmedo

Ver también: Tablas de vapor

Jefe del sistema

En el capítulo de pérdida de carga , se determinó que ambos grandes pérdidas y pérdidas menores en los sistemas de tuberías son proporcionales al cuadrado de la velocidad de flujo . Es obvio que la pérdida de carga del sistema debe ser directamente proporcional al cuadrado del caudal volumétrico, porque el caudal volumétrico es directamente proporcional a la velocidad del flujo.

Debe agregarse que los sistemas hidráulicos abiertos contienen no solo el cabezal de fricción, sino también el cabezal de elevación , que debe considerarse. La altura de elevación (altura estática) representa la energía potencial de un fluido debido a su elevación por encima de un nivel de referencia.

En muchos casos, la altura total de un sistema es una combinación de altura de elevación y altura de fricción como se muestra en la figura.

En ingeniería nuclear, la mayoría de los sistemas hidráulicos son circuitos hidráulicos cerrados y estos sistemas solo tienen cabeza de fricción (sin cabeza estática).