¿QUE ES UNA MAQUINA DE FLUIDO?

Concepto y definici´on Una m´aquina es un dispositivo transformador de energ´ıa. Recibe una energ´ıa de una cierta clase y entrega en la salida otro tipo de energ´ıa. Se dice que una m´aquina es una m´aquina de fluido si recibe o entrega energ´ıa de o a un fluido, respectivamente. A este tipo de m´aquinas pertenecen mecanismos tan separados en el tiempo y de caracter´ısticas tan dispares como por ejemplo, el tornillo de Arqu´ımedes y un aerogenerador tripala representados de forma esquem´atica en la figura 1.1. El primero, cuya invenci´on se atribuye a Arqu´ımedes de Alejandr´ıa (287−212a.C.) fue utilizado para el bombeo de agua en las minas y para el riego en la antigua Roma y Egipto. El di´ametro del rotor de un moderno aerogenarador de 4.5MW puede rondar los 130m, (figura 1.1).

Clasificacion

Como ya se ha dicho, las maquinas de fluido comprenden un amplio grupo de dispositivos, por lo que existen diversos criterios para su clasificacion, [10]. Es com´unmente aceptado que los criterios m´as relevantes que dividen a las m´aquinas de fluido en grupos diferenciados tanto para su estudio como constructivamente, son:

• las variaciones de densidad del fluido.
• el principio de funcionamiento. 
• el sentido del flujo de energıa.

Según las variaciones de densidad del fluido 

La clasificación primaria de las máquinas de fluido atiende a las variaciones de densidad del fluido en la máquina, criterio según el cual se separan en máquinas hidráulicas y máquinas térmicas [12, 20]. 

• Máquinas hidráulicas son aquellas en las que la densidad del fluido no varía de forma apreciable a su paso a través de la máquina, y, por tanto, en su diseño y estudio puede suponerse que la densidad del fluido es constante, siendo válida la hipótesis de incompresibilidad1. Bombas, ventiladores, turbinas hidráulicas, cilindros y motores hidráulicos pertenecen este grupo [12]. 
• Máquinas térmicas son aquellas en las que el fluido en su paso a través de la máquina varía sensiblemente su densidad. Turbinas de gas, turbinas de vapor, motores de combustión interna alternativos, soplantes y compresores forman parte del grupo de las máquinas térmicas. 

De la definición del coeficiente de compresibilidad κ de un fluido:

Se deduce que las variaciones de densidad en la máquina dependen de la densidad y compresibilidad del fluido y de las diferencias de presión. La definición anterior explica la clasificación del compresor como máquina térmica y la del ventilador como máquina hidráulica aun cuando ambas son máquinas de fluido que operan con aire.

Según el principio de funcionamiento 

Considerando su principio de funcionamiento, las máquinas de fluido se clasifican en máquinas de desplazamiento positivo, turbomáquinas y máquinas gravimétricas. 

• Las Máquinas de Desplazamiento Positivo, también llamadas Máquinas Volumétricas basan su funcionamiento en el Principio de Desplazamiento Positivo (PDP), según el cual, la variación de volumen de una cámara en la que se confina al fluido, produce el movimiento del mismo. En lo que sigue, utilizaremos las siglas MDP para referirnos a ellas. La inmersión de un sólido en un recipiente con líquido y la utilización de una jeringuilla (figura 1.2) son ejemplos cotidianos de aplicación de este principio.

Las Turbomáquinas (abreviadamente, TM) basan su funcionamiento en el teorema de conservación del momento cinético o ecuación de Euler de las turbomáquinas. El fluido, a su paso por los conductos de un ´órgano que rota, denominado rotor o rodete, varía su momento cinético (figura 1.3).

En las Máquinas gravimétricas el intercambio de energía entre máquina y fluido se realiza en forma de energía potencial gravitatoria. Ejemplos de máquinas gravimétricas son el tornillo de Arquímedes, la noria y la rueda hidráulica. Por motivos obvios, todas ellas son máquinas hidráulicas, no existiendo sus homólogos como máquinas térmicas.

Según el sentido del flujo de energía 

En función del sentido del flujo de energía, las máquinas de fluido pueden ser generadoras o motoras. 

• Las Máquinas generadoras absorben energía mecánica y, de forma más o menos eficiente, se la entregan al fluido que las atraviesa. A este grupo pertenecen bombas, ventiladores, soplantes y compresores. 
• Las Máquinas motoras son máquinas que extraen la energía del fluido y entregan energía mecánica. Máquinas motoras son los cilindros hidráulicos y neumáticos, motores, turbinas y aerogeneradores. 

Atendiendo a estos tres criterios, la figura 1.4 muestra la clasificación de las máquinas de fluidos recuadrando las maquinas objeto de esta monografía.

Otras máquinas de fluido 

Las máquinas de fluido pueden estar constituidas por más de un elemento simple (motor y/o generador), de alguno de los grupos descritos en la sección precedente.

• Se denominan máquinas de múltiples escalonamientos o multietapa a aquellas que presentan más de un elemento simple del mismo tipo (motor o generador) dispuestos en serie en un mismo eje, con la finalidad de aumentar la altura ´útil con el mismo caudal. 
• Las maquinas compuestas están formadas por un elemento motor y uno generador. Se emplean para transmitir potencia entre dos ejes con un fluido como intermediario. Dentro de esta categoría se encuentran los turbocompresores y las transmisiones hidráulicas. Estas ´ultimas, a su vez, son de dos tipos: si ambos elementos, generador y motor, son maquinas volumétricas, constituyen una transmisión hidrostática; mientras que, si ambos son turbomáquinas, el conjunto se denomina transmisión hidrodinámica. 
• A las máquinas de fluido que pueden funcionar, ora como generador, ora como motor, se les denomina reversibles. Las máquinas de desplazamiento positivo son, casi todas, reversibles. Por el contrario, una turbomáquina que presente buen rendimiento en ambas condiciones de funcionamiento requiere de un cuidadoso diseño. Estas son utilizadas desde mediados del siglo XX en las centrales de acumulación por bombeo, para el bombeo entre dos embalses situados a diferentes niveles en los periodos de baja demanda energética. En horas punta, pueden funcionar como turbina utilizando la energía potencial previamente almacenada. 

Otros criterios más específicos que suelen emplearse en la clasificación de las máquinas de fluido son: según la inclinación del eje, según la velocidad específica, según el tipo de fluido, etc. A modo de presentación se muestran ejemplos de máquinas de fluido hidráulicas en la figura 1.5.