Las líneas de energía (o de altura) son herramientas gráficas de la mecánica de fluidos, que expresan visualmente la representación del comportamiento energético del flujo de un fluido a través de una tubería o canal. Ya vimos esto en las tres publicaciones anteriores, que se pueden encontrar en los enlaces al final.
Introducción
En las Parte II y III de esta serie de publicaciones, vimos el efecto de los accesorios en la línea de energía, los cuales generan caídas o saltos verticales hacia abajo en las líneas de altura total y piezométrica, debido a que estos representan pérdidas puntuales de energía en el flujo. En esta publicación, veremos el caso contrario, es decir, donde se le agrega energía al flujo, a través de una bomba hidráulica, generando un salto hacia arriba en las líneas de energía.
La finalidad de añadir energía al flujo, es simplemente, hacer que pueda alcanzar puntos más altos o más lejanos, ya que la energía que el flujo tiene por si solo no es suficiente para llevar el fluido al punto deseado. Es por ello que se coloca una bomba para añadir energía al flujo, lo cual es lo que hacen las bombas hidroneumáticas en edificios o casas para llevar agua a las piezas sanitarias, o para llevar agua a través de un acueducto de una fuente de agua hasta una población que se encuentra a una elevación mayor.
En esta publicación veremos lo que sucede, gráficamente a través de las líneas de energía, lo que sucede a la energía del flujo por una tubería al añadir una bomba.
Saltos hacia arriba en la línea de altura total
Si se añade energía al flujo, el salto en la línea de energía total será hacia arriba, ya que el flujo incrementará su carga energética. Esto se puede lograr mediante una bomba, utilizada en casos donde se requiere añadir energía a un flujo para poder hacer llegar un líquido de un punto a otro.
Suponiendo el caso de una tubería horizontal que posee un diámetro constante, el comportamiento de las líneas de energía al agregar una bomba que le da impulso al flujo es el siguiente:
Podemos utilizar la ecuación de Bernoulli para analizar lo que sucede con el flujo de un lado a otro de la bomba. Se establecerán tres puntos: un punto "1" ubicado antes de la bomba; un punto "B" que representa a la bomba; y un punto "2" ubicado después de la bomba.
La velocidad, como ya se demostró en las partes anteriores, solo depende del caudal y del diámetro de la tubería. El caudal permanece constante, ya que no hay pérdida de flujo o aumento de volumen de agua. Al ser el diámetro igual en la tubería a ambos lados de la bomba, la velocidad del flujo es igual tanto para el punto "1" como el punto "2". La bomba hidráulica, no aumenta la energía cinética del fluido en la tubería (sin tomar en cuenta lo que sucede dentro de la bomba).
Se realiza el balance de energía entre el punto "1" y el punto "B" y posteriormente entre el punto "B" y el punto "2". Las cargas de velocidades se cancelan. Las cotas (Z) son iguales para todos los puntos de la tubería por lo que se también se cancelan. Tomaremos un punto "B1" antes de la bomba, y un punto "B2" luego de la bomba para distinguir la presión que existe en ambos puntos.
De la figura anterior, podemos deducir que la energía suministrada por la bomba ("HB"), es igual a la diferencia entre las energías de presión que hay a la salida y a la entrada de la bomba, es decir, entre los puntos "B2" y "B1". Esta expresión la podemos sustituir en las expresiones anteriores para hallar la energía que suministra la bomba en función de los parámetros de los puntos "1" y "2":
Por otro lado, se observa que la energía que suministra la bomba "HB", es completamente dependiente de la diferencia de presión entre los puntos "1" y "2", sumado a las pérdidas de energía por fricción entre ellos. Se demuestra entonces que, la bomba hidráulica se encarga de incrementar la carga energética de presión del fluido dentro de la tubería.
Cabe mencionar que esto se trata del ejemplo básico de una única bomba común en operación. Existen arreglos mucho más complejos, en los que las bombas en conjunto pueden tener diferentes efectos sobre el caudal y la energía del flujo.
Líneas de energía en acueductos con una bomba
La línea de energía sirve, además, para mostrar gráficamente el punto en donde el flujo se quedaría sin energía para poder continuar su recorrido. En la animación mostrada abajo, la línea de energía debe de llegar a la población para poder satisfacer la demanda de agua, pero al no hacerlo, se hace necesario añadir energía al sistema, de manera que la línea de energía se eleve lo suficiente para cumplir el objetivo. La bomba cumple esta función, elevando la línea de energía, y por lo tanto haciendo llegar el líquido.
La animación representa un ejemplo en donde un tanque por gravedad no puede por sí solo hacer llegar el agua hasta la población. La bomba hace llegar el agua a la población, y una vez allí debe de respetar presiones mínimas y máximas según Normas. Este mismo principio es lo que rige la utilización de bombas hidroneumáticas en edificios para poder hacer llegar el líquido de la planta baja hasta los pisos superiores, en casos donde la energía que llega al edificio no sea suficiente.
Si bien la línea de altura total también toma en cuenta la energía cinética (carga de velocidad), esta suele ser muy pequeña en comparación a la carga de presión.
Al mismo tiempo, se observa que es posible que se necesite de accesorios como válvulas que permitan regular la presión dentro de la tubería en ciertos tramos, ya que las tuberías, dependiendo de su diámetro y material tienen cierto rango de operación en cuanto a presión para evitar daños en ellas.
Aquí se ve la utilidad de las líneas de energía, las cuales permiten expresar gráficamente los puntos donde la presión máxima que soporta la tubería podría ser excedida. También puede ser posible que la presión del fluido al llegar a la población sea mayor a la recomendada según Normativas sanitarias, lo cual puede ser dañino para instalaciones domiciliarias, por lo que las válvulas en acueductos son importantes para regular la presión del flujo.
Aportes de esta publicación
| Se ilustra el efecto de una bomba sobre las líneas de energía, estando esta ubicada sobre una tubería de diámetro constante. Se muestra además una aplicación de las bombas en acueductos, las cuales se encargan de darle elevación a las líneas de energía para que así se tenga una altura total suficiente en el sitio deseado, en este caso, la población. |
Referencias
•Ranald V. Giles. (1991). Mecánica de los fluidos e hidráulica. McGraw-Hill. (p. 74).Fuente
•Saldarriaga, J. (1998). Hidráulica de tuberías. McGraw-Hill. (p. 155-157).
•Principios de la Hidráulica Que Necesitas Conocer: El Principio de Energía
Material recomendado
•Las líneas de energía total y piezométrica en mecánica de fluidos - Parte I (principios básicos)
Imágenes de autoría propia realizadas mediante LibreCAD y PowerPoint. Gifs creados mediante Photoscape.
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