Efecto Venturi

Presión reducida causada por una restricción de flujo en un tubo o tubería

La presión estática aguas arriba (1) es mayor que en la constricción (2), y la velocidad del fluido en "1" es menor que en "2", porque el área de la sección transversal en "1" es mayor que en "2".

Un flujo de aire a través de un medidor de tubo de Pitot Venturi, mostrando las columnas conectadas en un manómetro y parcialmente llenas de agua. El medidor se "lee" como una presión diferencial en cm o pulgadas de agua.

Vídeo de un medidor Venturi utilizado en un experimento de laboratorio

Flujo idealizado en un tubo Venturi

El efecto Venturi es la reducción de la presión de un fluido que se produce cuando un fluido en movimiento aumenta su velocidad al pasar por una sección estrecha (o estrangulamiento) de una tubería. El efecto Venturi recibe su nombre de su descubridor, el físico italiano del siglo XVIII Giovanni Battista Venturi .

El efecto tiene diversas aplicaciones de ingeniería, ya que la reducción de presión dentro de la constricción se puede utilizar tanto para medir el flujo de fluido como para mover otros fluidos (por ejemplo, en un eyector de vacío ).

Fondo

En la dinámica de fluidos no viscosos , la velocidad de un fluido incompresible debe aumentar a medida que pasa a través de una constricción de acuerdo con el principio de continuidad de masa , mientras que su presión estática debe disminuir de acuerdo con el principio de conservación de la energía mecánica ( principio de Bernoulli ) o de acuerdo con las ecuaciones de Euler . Por lo tanto, cualquier ganancia en energía cinética que un fluido pueda alcanzar por su mayor velocidad a través de una constricción se equilibra con una caída en la presión debido a su pérdida de energía potencial .

Midiendo la presión se puede determinar el caudal, como en diversos dispositivos de medición de caudal como medidores Venturi, boquillas Venturi y placas de orificio .

Con referencia al diagrama adyacente, utilizando la ecuación de Bernoulli en el caso especial de flujos constantes, incompresibles y no viscosos (como el flujo de agua u otro líquido, o el flujo de gas a baja velocidad) a lo largo de una línea de corriente, la caída de presión teórica en la constricción está dada por

$${\displaystyle p_{1}-p_{2}={\frac {\rho }{2}}(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}),}$$

donde es la densidad del fluido, es la velocidad (más lenta) del fluido donde la tubería es más ancha, y es la velocidad (más rápida) del fluido donde la tubería es más estrecha (como se ve en la figura). ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle v_{1}}$ ${\displaystyle v_{2}}$

Flujo estrangulado

El caso límite del efecto Venturi es cuando un fluido alcanza el estado de flujo estrangulado , donde la velocidad del fluido se aproxima a la velocidad local del sonido . Cuando un sistema de fluido está en un estado de flujo estrangulado, una disminución adicional en el entorno de presión aguas abajo no conducirá a un aumento en la velocidad, a menos que el fluido se comprima.

El caudal másico de un fluido compresible aumentará con el aumento de la presión aguas arriba, lo que aumentará la densidad del fluido a través de la constricción (aunque la velocidad permanecerá constante). Este es el principio de funcionamiento de una boquilla de Laval . El aumento de la temperatura de la fuente también aumentará la velocidad sónica local, lo que permitirá un mayor caudal másico, pero solo si el área de la boquilla también aumenta para compensar la disminución resultante de la densidad.

Ampliación de la sección

La ecuación de Bernoulli es invertible y la presión debería aumentar cuando un fluido disminuye su velocidad. Sin embargo, si hay una expansión de la sección del tubo, aparecerán turbulencias y el teorema no se cumplirá. En todos los tubos Venturi experimentales, la presión en la entrada se compara con la presión en la sección media; la sección de salida nunca se compara con ellas.

Aparato experimental

Aparato de demostración de tubo Venturi construido con tubería de PVC y operado con una bomba de vacío

Tubos Venturi

El aparato más simple es una configuración tubular conocida como tubo Venturi o simplemente Venturi (plural: "Venturis" o, ocasionalmente, "Venturies"). El fluido fluye a través de una longitud de tubería de diámetro variable. Para evitar una resistencia aerodinámica indebida , un tubo Venturi generalmente tiene un cono de entrada de 30 grados y un cono de salida de 5 grados. ^[1]

Los tubos Venturi se utilizan a menudo en procesos donde no se tolera una pérdida de presión permanente y donde se necesita la máxima precisión en caso de líquidos altamente viscosos. ^{[ cita requerida ]}

Placa de orificio

Los tubos Venturi son más costosos de construir que las placas de orificio simples , y ambos funcionan según el mismo principio básico. Sin embargo, para cualquier presión diferencial dada, las placas de orificio causan una pérdida de energía significativamente más permanente. ^[2]

Instrumentación y medición

Tanto los tubos Venturi como las placas de orificio se utilizan en aplicaciones industriales y en laboratorios científicos para medir el caudal de líquidos.

Caudal

Se puede utilizar un Venturi para medir el caudal volumétrico , utilizando el principio de Bernoulli . ${\displaystyle \scriptstyle Q}$

Desde $${\displaystyle {\begin{aligned}Q&=v_{1}A_{1}=v_{2}A_{2}\\[3pt]p_{1}-p_{2}&={\frac {\rho }{2}}\left(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}\right)\end{aligned}}}$$

También se puede utilizar un Venturi para mezclar un líquido con un gas. Si una bomba fuerza el líquido a través de un tubo conectado a un sistema que consta de un Venturi para aumentar la velocidad del líquido (el diámetro disminuye), un trozo corto de tubo con un pequeño orificio y, por último, un Venturi que disminuye la velocidad (de modo que la tubería se vuelve más ancha), el gas será succionado a través del pequeño orificio debido a los cambios de presión. Al final del sistema, aparecerá una mezcla de líquido y gas. Consulte aspirador y cabezal de presión para obtener información sobre este tipo de sifón . $${\displaystyle Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}}$$

Presión diferencial

A medida que el fluido fluye a través de un Venturi, la expansión y la compresión de los fluidos hacen que la presión dentro del Venturi cambie. Este principio se puede utilizar en metrología para medidores calibrados para presiones diferenciales. Este tipo de medición de presión puede ser más conveniente, por ejemplo, para medir las presiones de combustible o de combustión en motores a reacción o de cohetes.

Los primeros medidores Venturi a gran escala para medir flujos de líquidos fueron desarrollados por Clemens Herschel , quien los utilizó para medir flujos pequeños y grandes de agua y aguas residuales a partir de finales del siglo XIX. ^[3] Mientras trabajaba para la Holyoke Water Power Company , Herschel desarrollaría los medios para medir estos flujos para determinar el consumo de energía hidráulica de diferentes molinos en el Holyoke Canal System , comenzando por primera vez el desarrollo del dispositivo en 1886, dos años más tarde describiría su invención del medidor Venturi a William Unwin en una carta fechada el 5 de junio de 1888. ^[4]

Compensación de temperatura, presión y masa.

Básicamente, los medidores basados ​​en presión miden la densidad de energía cinética . La ecuación de Bernoulli (usada anteriormente) relaciona esto con la densidad de masa y el flujo volumétrico:

${\displaystyle \Delta P={\frac {1}{2}}\rho (v_{2}^{2}-v_{1}^{2})={\frac {1}{2}}\rho \left(\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1\right)v_{1}^{2}={\frac {1}{2}}\rho \left({\frac {1}{A_{2}^{2}}}-{\frac {1}{A_{1}^{2}}}\right)Q^{2}=k\,\rho \,Q^{2}}$

donde los términos constantes se absorben en k . Utilizando las definiciones de densidad ( ), concentración molar ( ) y masa molar ( ), también se puede derivar el flujo másico o flujo molar (es decir, flujo volumétrico estándar): ${\displaystyle m=\rho V}$ ${\displaystyle n=CV}$ ${\displaystyle m=Mn}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta P&=k\,\rho \,Q^{2}\\&=k{\frac {1}{\rho }}\,{\dot {m}}^{2}\\&=k{\frac {\rho }{C^{2}}}\,{\dot {n}}^{2}=k{\frac {M}{C}}\,{\dot {n}}^{2}.\end{aligned}}}$

Sin embargo, las mediciones fuera del punto de diseño deben compensar los efectos de la temperatura, la presión y la masa molar sobre la densidad y la concentración. La ley de los gases ideales se utiliza para relacionar los valores reales con los valores de diseño :

${\displaystyle C={\frac {P}{RT}}={\frac {\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}C^{\ominus }}$ ${\displaystyle \rho ={\frac {MP}{RT}}={\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\rho ^{\ominus }.}$

Sustituyendo estas dos relaciones en las ecuaciones de presión-flujo anteriores se obtienen los flujos totalmente compensados:

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta P&=k{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\rho ^{\ominus }\,Q^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {Q}{Q_{\max }}}\right)^{2}\\&=k{\frac {\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)\rho ^{\ominus }}}{\dot {m}}^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {\dot {m}}{{\dot {m}}_{\max }}}\right)^{2}\\&=k{\frac {M\left({\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)C^{\ominus }}}{\dot {n}}^{2}&=\Delta P_{\max }{\frac {\left({\frac {M}{M^{\ominus }}}{\frac {T}{T^{\ominus }}}\right)}{\left({\frac {P}{P^{\ominus }}}\right)}}\left({\frac {\dot {n}}{{\dot {n}}_{\max }}}\right)^{2}.\end{aligned}}}$

Q , m o n se pueden aislar fácilmente dividiendo y sacando la raíz cuadrada . Nótese que se requiere compensación de presión, temperatura y masa para cada flujo, independientemente de las unidades finales o dimensiones. También vemos las relaciones:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {k}{\Delta P_{\max }}}&={\frac {1}{\rho ^{\ominus }Q_{\max }^{2}}}\\&={\frac {\rho ^{\ominus }}{{\dot {m}}_{\max }^{2}}}\\&={\frac {{C^{\ominus }}^{2}}{\rho ^{\ominus }{\dot {n}}_{\max }^{2}}}={\frac {C^{\ominus }}{M^{\ominus }{\dot {n}}_{\max }^{2}}}.\end{aligned}}}$

Ejemplos

El efecto Venturi se puede observar o utilizar en lo siguiente:

Maquinas

• Durante el reabastecimiento en curso, el timonel de cada barco debe mantenerse constantemente alejado del otro barco debido al efecto Venturi, de lo contrario chocarán.
• Eductores de carga en buques cisterna para productos petrolíferos y químicos
• Los inhaladores mezclan aire y gas inflamable en parrillas , estufas de gas y mecheros Bunsen.
• Los aspiradores de agua producen un vacío parcial utilizando la energía cinética de la presión del agua del grifo.
• Los sifones de vapor utilizan la energía cinética de la presión del vapor para crear un vacío parcial.
• Los atomizadores dispersan perfume o pintura en aerosol (es decir, desde una pistola rociadora o un aerógrafo ).
• Los carburadores utilizan el efecto para aspirar gasolina en la corriente de aire de admisión de un motor.
• Las culatas de los motores de pistón tienen múltiples áreas Venturi, como el asiento de la válvula y la entrada del puerto, aunque estas no son parte de la intención del diseño, son simplemente un subproducto y cualquier efecto Venturi no tiene una función específica.
• Los aireadores de vino infunden aire en el vino mientras se vierte en una copa.
• Los skimmers de proteínas filtran los acuarios de agua salada
• Los limpiadores de piscinas automáticos utilizan un flujo de agua del lado de presión para recolectar sedimentos y residuos.
• Los clarinetes utilizan un cono inverso para acelerar el paso del aire por el tubo, lo que permite un mejor tono, respuesta y entonación ^[5].
• El tubo principal de un trombón , que afecta el timbre.
• Las aspiradoras industriales utilizan aire comprimido.
• Los depuradores Venturi se utilizan para limpiar las emisiones de gases de combustión.
• Los inyectores (también llamados eyectores) se utilizan para agregar gas cloro a los sistemas de cloración para el tratamiento del agua.
• Los inyectores de vapor utilizan el efecto Venturi y el calor latente de la evaporación para suministrar agua de alimentación a una caldera de locomotora de vapor .
• Las boquillas de chorro de arena aceleran la mezcla de aire y medios.
• El agua de sentina se puede vaciar de una embarcación en movimiento a través de una pequeña compuerta de descarga situada en el casco. La presión del aire en el interior de la embarcación en movimiento es mayor que la del agua que se desliza por debajo.
• Un regulador de buceo utiliza el efecto Venturi para ayudar a mantener el flujo de gas una vez que comienza a fluir.
• En rifles sin retroceso para disminuir el retroceso del disparo.
• El difusor de un automóvil
• Los autos de carrera utilizan el efecto suelo para aumentar la carga aerodinámica y, por lo tanto, ser capaces de alcanzar velocidades más altas en las curvas.
• Dosificadores de espuma utilizados para introducir concentrado de espuma contra incendios en los sistemas de protección contra incendios
• Los compresores de aire Trompe arrastran aire hacia una columna de agua descendente.
• Los pernos en algunas marcas de marcadores de paintball
• Los túneles de viento de baja velocidad pueden considerarse Venturi muy grandes porque aprovechan el efecto Venturi para aumentar la velocidad y disminuir la presión para simular las condiciones de vuelo esperadas. ^[6]

Arquitectura

• El Hawa Mahal de Jaipur, también utiliza el efecto Venturi, permitiendo que pase el aire fresco, haciendo así toda la zona más agradable durante las altas temperaturas del verano.
• Grandes ciudades donde el viento se ve obligado a atravesar edificios (el hueco entre las Torres Gemelas del World Trade Center original fue un ejemplo extremo de este fenómeno, que hizo que la plaza a nivel del suelo fuera notoriamente azotada por el viento. ^[7] De hecho, algunas ráfagas eran tan fuertes que los peatones tuvieron que ser ayudados a desplazarse con cuerdas. ^[8]
• En el sur de Irak, cerca de la ciudad moderna de Nasiriyah , se ha descubierto una estructura de canal de 4000 años de antigüedad en el antiguo yacimiento de Girsu . Esta construcción de los antiguos sumerios obligaba a pasar el contenido de un canal de diecinueve kilómetros a través de una constricción para permitir la canalización lateral del agua hacia tierras agrícolas desde un origen más elevado del que se habría podido lograr sin el canal. Una excavación reciente realizada por arqueólogos del Museo Británico confirmó el hallazgo.

Naturaleza

• En pasos de montaña con mucho viento, lo que da lugar a lecturas erróneas del altímetro de presión ^[9]
• El viento Mistral en el sur de Francia aumenta su velocidad a través del valle del Ródano .

Véase también

• Efecto Joule-Thomson
• Canal Venturi
• Canal de Parshall

Referencias

1. Nasr, GG; Connor, NE (2014). "5.3 Medición del caudal de gas". Ingeniería del gas natural y desafíos de seguridad: proceso posterior, análisis, utilización y seguridad . Springer. pág. 183. ISBN 9783319089485.
2. "El efecto Venturi". Proyecto de demostraciones Wolfram . Consultado el 3 de noviembre de 2009 .
3. Herschel, Clemens. (1898). Medición del agua. Providence, RI: Builders Iron Foundry.
4. "Invención del medidor Venturi". Nature . 136 (3433): 254. 17 de agosto de 1935. Bibcode :1935Natur.136Q.254.. doi : 10.1038/136254a0 .
5. Blasco, Daniel Cortés. "¿Venturi o circulación de aire?, esa es la cuestión". face2fire . Consultado el 14 de julio de 2019 .
6. Anderson, John (2017). Fundamentos de aerodinámica (6.ª ed.). Nueva York, NY: McGraw-Hill Education. pág. 218. ISBN 978-1-259-12991-9.
7. Dunlap, David W (7 de diciembre de 2006). "En el New Trade Center se buscan calles animadas (pero seguras)". The New York Times .
8. Dunlap, David W (25 de marzo de 2004). "Preparándose para el regreso de la Ciudad del Viento en Manhattan". The New York Times .
9. Del anochecer al amanecer (película educativa). Administración Federal de Aviación. 1971. 17 minutos. AVA20333VNB1.

Enlaces externos

• Animación 3D del principio de medición del caudal por presión diferencial (medidor Venturi)
• UT Austin. "Simulación de tubo Venturi" . Consultado el 3 de noviembre de 2009 .
• Uso del efecto Venturi en los surtidores de gasolina para saber cuándo apagarlos (vídeo)