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Agua como fluido de transmisión de potencia

En el estudio de la hidráulica y las bombas, es importante que el agua y sus características sean entendidas. El agua es una sustancia muy notable. Por definición, el agua es un compuesto de hidrógeno y oxígeno en una proporción de 2 partes en peso de hidrógeno a 16 partes en peso de oxígeno.

El comportamiento del agua bajo la influencia de la temperatura es extraordinario. Cuando se la somete a bajas temperaturas, el agua se convierte en un sólido (hielo), el que, debido a su peculiar característica de expansión durante un cambio de estado, hace que revienten las tuberías y otros tipos de daños. A temperaturas más altas, el agua se convierte en un gas (vapor). Así, el agua se utiliza como un medio para desarrollar la potencia (como vapor para una máquina de vapor).

A densidad máxima (39,1 ºF) el agua se expande cuando se añade calor y también se expande ligeramente cuando la temperatura desciende desde este punto, como se muestra en la figura 1. El agua se congela a 32 ºF ( 0 ºC) y hierve a 212 ºF (100 ºC), cuando el barómetro indica 29,921 pulgadas de mercurio (76 centímetros de mercurio), que es la atmósfera estándar. El equivalente de 29,921 pulgadas de mercurio es 14,696 psi.

El agua contiene aproximadamente 5 por ciento en volumen de aire (véase la figura ), mezclado mecánicamente con el mismo. Esta es la razón por la que los motores de vapor que condensan la humedad deban tener bombas de aire conectados al condensador. De lo contrario, el vacío necesario no se puede mantener.

En el funcionamiento de centrales de calefacción a vapor, el aire es liberado cuando el agua hierve y pasa a los radiadores con el vapor. Por lo tanto, deben ser proporcionadas válvulas de aire automáticas para eliminar el aire del sistema. Si no se  proporcionan válvulas automáticas de aire (o si se obstruyen debido a la corrosión), los radiadores pueden llegar a quedar llenos de aire e ineficaces.

El punto de ebullición del agua aumenta a medida que la presión aumenta. Por lo tanto, el punto de ebullición es 212 ºF (100 ºC) a la presión atmosférica estándar al nivel del mar. El punto de ebullición es de 327,8 ◦F a 100 libras (45,36 Kg) (absolutas) de presión.

Figura 1. Una propiedad notable de agua (expansión a temperaturas tanto por encima como por debajo de su temperatura en el punto de máxima densidad (39,1 ºF)). (A) Si una libra de agua se coloca en un cilindro que tiene una sección transversal área de 1 pulgada cuadrada a 39,1 ºF, el agua se eleva a una altura de 27,68 pulgadas; (B) cuando la temperatura desciende a 32 ◦ F, el agua sube a una altura de 27,7 pulgadas, y (C) cuando la temperatura aumenta a 212 ºF el agua se eleva a una altura de 28,88 pulgadas en el tubo.

Figura 2.  Ebullición del agua para liberar el aire que está mezclado mecánicamente en el agua.

La figura 3 muestra agua en ebullición (como en una pava de té) con la adición de calor. Si el recipiente estuviera cerrado, el agua seguiría en ebullición, haciendo que la presión aumente. Si no se añadiera más calor, cuando la presión alcanzara las 100 libras, por ejemplo, el agua dejaría de hervir y la presión se mantendría constante si no se perdiera calor. La temperatura del agua, el vapor, y la presión se dice que están en un estado de equilibrio. La menor variación de la temperatura, ya sea  hacia arriba o hacia abajo,  destruye el estado de equilibrio y provoca un cambio. Al permitir que parte del vapor confinado se escape (véase figura ), el agua se puede poner a hervir de nuevo. Esto es debido a la reducción en la presión, que hace que el equilibrio del sistema sea alterado. El agua (que contiene un exceso de calor) comienza inmediatamente a hervir y tiende a mantener constante la presión. Si el proceso continua, resultara una reducción gradual de la temperatura y presión hasta que todo el calor originalmente introducido en el sistema se agote.

Figura 3. El efecto de la presión sobre la temperatura al cual hierve el agua: (a) a presión atmosférica; (b) a 100 libras (presión absoluta).

Figura 4. Estado de equilibrio (a la izquierda) entre la temperatura y la presión. El equilibrio se altera (a la derecha) mediante la reducción de la presión, resultando en ebullición.

El punto de ebullición del agua se reduce a medida que aumenta la elevación, debido a la menor presión de la atmósfera. En una elevación de 5000 pies, el agua hierve a 202 ºF. Los huevos no se pueden hervir a elevadas altitudes. El hornear de pasteles y pan a veces supone un problema a gran altura.

No es esencial que el agua sea calentada antes de que pueda ser llevada al hervor. Por ejemplo, el agua a 28 pulgadas de presión de vacío hierve a 100 ºF. Sin embargo, si la presión de vacío se incrementa a 29,74 pulgadas (75,54 cm), el agua hierve a 32 ºF ( 0 ºC) (ver Figura 5).

Figura 5. El punto de ebullición (temperatura) del agua varía con un cambio en la presión. Valores completamente diferentes son obtenidos para otros líquidos.

Para un funcionamiento eficiente de las calderas, el agua utilizada debe ser tan pura como sea posible. El agua impura a menudo contiene ingredientes que forman incrustaciones, que se precipitan al ser calentadas y se adhieren a las superficies de calefacción de las calderas. Las incrustaciones en calderas pueden ser duras como una roca en la naturaleza, o pueden ser suaves, grasas, o en polvo en naturaleza, dependiendo de su composición química y mecánica o formación.

La incrustación es un conductor muy pobre del calor, lo que resulta en una pérdida de combustible y en el sobrecalentamiento del metal en la superficie de calentamiento. Las calderas deben limpiarse con frecuencia y, en muchos casos, se debe aplicar un tratamiento químico especial al agua de alimentación antes de que se pase a la caldera.

El funcionamiento básico de un sistema de calefacción de agua caliente es dependiente de la propiedad de agua que provoca la expansión y contracción a causa de la elevación o descenso de la temperatura, respectivamente. En un tubo de vidrio con forma de U, por ejemplo (véase la figura ), el agua vertida en el tubo se eleva al mismo nivel en cada pierna del tubo, porque el agua está a la misma temperatura en cada pierna del mismo. Cuando el agua se calienta en una pierna del tubo y se enfría en la otra, como se muestra, el agua caliente en la pierna calentada del tubo se expande y se eleva por encima el nivel AB, mientras que el agua fría en la pierna opuesta se contrae y retrocede por debajo del nivel normal AB.

Figura 6.  Expansión y contracción de agua con la variación en la temperatura, resultando en un cambio en el peso por unidad de volumen.

El equilibrio puede ocurrir dentro del tubo, aunque el agua esté en diferentes niveles, ya que la columna C más larga (véase la figura 6), que consiste en agua expandida y más ligera, pesa lo mismo que la columna más corta que consiste en agua contraída y más pesada.

En el sistema de calefacción de agua caliente, el peso del agua caliente y expandida en la columna C  de flujo ascendente (véase la figura 7), siendo menos que la del agua fría y contraída en la columna de flujo descendente, altera el equilibrio del sistema y da como resultado una circulación continua de agua, como se indica por las flechas. Este tipo de circulación se conoce como termocirculación .

Figura 7. Termocirculación en un sistema de calefacción de agua caliente.

En la figura 8, no hay circulación de agua a pesar de que el calor es aplicado. Si esto sucediera en una caldera, prácticamente ninguna generación de vapor tendría lugar, a excepción de una película de vapor de agua que separaría el agua de la superficie de calentamiento. La superficie de esta última se pondría al rojo vivo y la caldera podría ser dañada o destruida. Tal situación es conocida como el estado esferoidal (véase la figura 9). Como en la ilustración, una pequeña cantidad de agua se vertida en un plato al rojo vivo se separa en gotas y se mueve alrededor de la placa, estando apoyada en una delgada película de vapor. Puesto que el agua, después que el vapor se ha formado, no está en contacto con la placa, prácticamente no hay efecto de enfriamiento en la placa.

La figura 10 muestra el enfriamiento por re-evaporación. Algunos consideran a la re-evaporación como una pérdida, que, de hecho, es incorrecta. Puesto que el área del diagrama indicador de punto L (véase la figura 10 ) a un punto de liberación se incrementa, la re-evaporación representa una ganancia.

Figura 8. Experimento ilustrando el  efecto de la no circulación. Si se coloca hielo en el fondo del tubo de ensayo y se aplica calor cerca de la superficie del agua, el agua hierve en ese punto. Sin embargo, el calor no derrite el hielo, debido a que el agua fría alrededor del hielo es más pesada que el agua caliente en la parte superior, lo que impide la termocirculación. Si el calor es aplicado a la parte inferior del tubo, el hielo se derrite y toda el agua es vaporizada si se aplica el calor suficiente.

La razón por la que el concepto de pérdida es incorrecto es que es el costo de la re-evaporación lo que es una pérdida, y no el proceso de re-evaporación en sí mismo. Es decir, la re-evaporación roba las paredes de los cilindros de una cantidad de calor correspondiente al calor latente de re-evaporación. Este enfriamiento adicional de las paredes del cilindro incrementa la condensación durante la primera parte de la carrera, que es la pérdida. Puesto que esta pérdida excede la ganancia debido a la evaporación, la re-evaporación se consideró erróneamente una pérdida.

Figura 9. El estado esferoidal en el que una gota de agua sobre una de plancha al rojo vivo cambia a vapor.

Figura 10. Un cilindro en un motor de vapor, que ilustra la acción de refrigeración por cambio de estado. La línea (MS) representa la temperatura promedio de las paredes del cilindro. En la  operación real, cuando el vapor es admitido al cilindro y durante una parte de su recorrido, su temperatura es mayor que la de las paredes del cilindro (a la izquierda). Si el punto (L) se supone que es la posición del pistón a iguales temperaturas  (en el centro), la condensación se lleva a cabo. Como el pistón avanza más allá del punto (L), la temperatura del vapor es menor que la de las paredes del cilindro. El exceso de calor en las paredes del cilindro hace que el condensado hierva (es decir, ocurra re-evaporación), lo que roba a las paredes del cilindro parte de su calor.

Propiedades del agua con respecto al diseño de una bomba

La experiencia en el diseño de las bombas ha demostrado que el agua es casi una sustancia inflexible cuando está confinado en tuberías y conductos de la bomba, la que requiere un material resistente para soportar la presión (sobre todo de los choques periódicos o golpes de ariete). Por consiguiente, en el diseño de una bomba, un factor liberal de seguridad debe ser utilizado.

 

 

 

 

 

 

 
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