Sección I: Aplicaciones de la Ecuación de la Energía y Potencia

A continuación, se presentan problemas enfocados en el cálculo de presión, flujo volumétrico y potencia en sistemas hidráulicos.

1. Calcule la presión del aire en el tanque sellado que aparece en la figura, que provocaría que la velocidad del flujo fuera de 20 pies/s a la salida de la tobera. La profundidad h es de 10 pies.
2. Para el sifón de la figura, calcule (a) el flujo volumétrico de aceite que sale del tanque, y (b) las presiones en los puntos A a D.
3. En la figura mostramos un manómetro empleado para indicar la diferencia de presión entre dos puntos en un sistema de tubería. Calcule el flujo volumétrico del agua en el sistema, si la deflexión del manómetro h es de 250 mm.
4. ¿Qué altura alcanzará el chorro de agua, en las condiciones mostradas en la figura?
5. En la figura mostramos una bomba que envía 840 L/min de petróleo crudo (sg=0.85), desde un tanque de almacenamiento subterráneo a la primera etapa de un sistema de procesamiento. (a) Si la pérdida total de energía en el sistema es de 4.2 N·m/N de aceite que fluye, calcule la potencia que transmite la bomba; (b) Si la pérdida de energía en la tubería de succión es de 1.4 N·m/N de aceite que fluye, calcule la presión en la entrada de la bomba.
6. La figura muestra el arreglo de un circuito para un sistema hidráulico. La bomba extrae desde un depósito aceite cuya gravedad específica es de 0.90 y lo transmite al cilindro hidráulico. El cilindro tiene un diámetro interno de 5.0 pulg, y el pistón debe recorrer 20 pulg en 15 s mientras ejerce una fuerza de 11000 lb. Se estima que en la tubería de succión hay pérdida de energía de 11.5 lb·pie/lb y de 35.0 lb·pie/lb en la tubería de descarga. Ambas tuberías son de acero de 3/8 de pulg cédula 80. Calcule lo siguiente: flujo volumétrico, presión en el cilindro, presión a la salida de la bomba, presión en la entrada de la bomba, potencia que la bomba transmite al aceite.
7. Calcule la potencia que transmite el aceite al motor de fluido de la figura, si el flujo volumétrico es de 0.25 m³/s. En el sistema de tubería hay una pérdida de energía de 1.4 N·m/N. Si el motor tiene una eficiencia de 75%, calcule la potencia de salida.
8. En la figura ilustramos el flujo de keroseno a 25 °C, a razón de 500 L/min, desde el tanque inferior al superior a través de un tubo de cobre de 2 pulg tipo K y una válvula. Si la presión sobre el fluido es de 15.0 psig, ¿Cuánta energía se pierde en el sistema?
9. El profesor construye una cabaña en una colina y propone el sistema hidráulico mostrado en la figura. El tanque de distribución en la cabaña mantiene una presión de 30.0 psig sobre el agua, en la tubería hay una pérdida de energía de 15.5 lb·pie/lb. Calcule los caballos de fuerza que la bomba transmite al agua cuando impulsa 40 gal/min.

Sección II: Cálculo del Número de Reynolds y Pérdidas por Fricción

Los siguientes problemas se centran en la determinación del número de Reynolds y la inclusión de pérdidas de energía por fricción en los cálculos de sistemas de tuberías.

1. Calcule el número de Reynolds para la circulación de cada uno de los fluidos siguientes, en una tubería de 2 pulg, cédula 40, si el flujo volumétrico es de 0.25 pie³/s: a) agua a 60 °F, b) acetona a 77 °F, c) aceite de ricino a 77 °F.
2. El sistema de lubricación de una prensa troqueladora transporta 1.65 gal/min de un aceite lubricante ligero (consulte el apéndice C), a través de tubos de acero de 1/4 pulg, con espesor de pared de 0.049 pulg. Poco después de que la prensa arranca, la temperatura del aceite es de 104 °F. Calcule el número de Reynolds para el flujo del aceite.
3. En una lechería se informa que la leche a 100 °F tiene una viscosidad cinemática de 1.30 centistokes. Calcule el número de Reynolds para un flujo de 45 gal/min que circula en un tubo de acero de 1.5 pulg con espesor de pared de 0.065 pulg.
4. La figura 8.11 muestra una parte de un sistema de protección contra incendios donde una bomba impulsa agua a 60 °F desde un depósito y la lleva al punto B a razón de 1500 gal/min. a) Calcule la altura h que se requiere para el nivel del agua en el tanque, con el fin de mantener una presión de 5.0 psig en el punto A. b) Si suponemos que la presión en A es de 5.0 psig, calcule la potencia que transmite la bomba al agua con objeto de conservar una presión de 85 psig en el punto B. Incluya la pérdida de energía debido a la fricción, pero ignore las demás.
5. Una bomba sumergible de pozo profundo mueve 745 gal/h de agua a 60 °F, a través de una tubería de acero de 1 pulg. cédula 40, cuando opera en el sistema de la figura 8.12. Si la longitud total de la tubería es de 140 pies, calcule la potencia que la bomba transmite al agua.
6. Desde el depósito de la figura 8.15 y por el tubo que se aprecia, fluye agua a 10 °C, a razón de 900 L/min. Calcule la presión en el punto B; tome en cuenta la pérdida de energía debido a la fricción, pero ignore las demás.
7. Se bombea agua a 60 °F desde una corriente hacia un almacenamiento cuya superficie está a 210 pies por arriba de la bomba. (Consulte la figura 8.18.) La tubería que va de la bomba al almacenamiento mide 2500 pies de largo, es de acero de 8 pulg, cédula 40. Si se bombean 4.00 pie³/s, calcule la presión en la salida de la bomba. Considere la pérdida por fricción en la línea de descarga e ignore las demás.