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 Venturi de tubo de Pitot , que muestra 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 del fluido que se produce cuando un fluido en movimiento se acelera a medida que fluye a través de una sección estrecha (o estrangulamiento) de una tubería. El efecto Venturi lleva el nombre de su descubridor, el físico italiano del siglo XVIII Giovanni Battista Venturi .

El efecto tiene varias aplicaciones de ingeniería, ya que la reducción de la 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 ). Por tanto, cualquier ganancia de energía cinética que pueda alcanzar un fluido por su mayor velocidad a través de una constricción se equilibra con una caída de presión.

Al medir la presión, se puede determinar el caudal, como en varios dispositivos de medición de flujo , 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 estacionarios, 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 es dado por

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

donde es la densidad del fluido, es la velocidad del fluido (más lenta) donde la tubería es más ancha y es la velocidad del fluido (más rápida) 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 obstruido , donde la velocidad del fluido se aproxima a la velocidad local del sonido . Cuando un sistema de fluido se encuentra en un estado de flujo obstruido, una disminución adicional en el entorno de presión aguas abajo no conducirá a un aumento en la velocidad, a menos que el fluido esté comprimido.

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, permitiendo así un mayor caudal másico, pero sólo si el área de la boquilla también aumenta para compensar la disminución resultante en 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 ellos.

Aparato experimental

Aparato de demostración con 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" u ocasionalmente "Venturies"). El fluido fluye a través de un tramo de tubería de diámetro variable. Para evitar una resistencia aerodinámica indebida , un tubo Venturi normalmente 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 la pérdida de presión permanente no es tolerable y donde se necesita la máxima precisión en el caso de líquidos muy viscosos. ^{[ cita necesaria ]}

Placa de orificio

Los tubos Venturi son más caros de construir que las simples placas de orificio 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.

Tasa de flujo

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

Desde

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

entonces

$${\displaystyle Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}}$$

aspiradorcabezal de presiónsifón

Presión diferencial

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

Los primeros medidores Venturi a gran escala para medir flujos líquidos fueron desarrollados por Clemens Herschel , quien los utilizó para medir flujos grandes y pequeños de agua y aguas residuales a partir de finales del siglo XIX. ^[3] Mientras trabajaba para Holyoke Water Power Company , Herschel desarrollaría los medios para medir estos flujos para determinar el consumo de energía hidráulica de diferentes molinos en el Sistema de Canales de Holyoke , comenzando el desarrollo del dispositivo en 1886, dos años más tarde describe 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 la presión miden la densidad de energía cinética . La ecuación de Bernoulli (usada arriba) 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 el flujo molar (es decir, el 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 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 aíslan fácilmente dividiendo y sacando la raíz cuadrada . Tenga en cuenta que se requiere compensación de presión, temperatura y masa para cada flujo, independientemente de las unidades finales o las 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:

Máquinas

• Durante el reabastecimiento en marcha, el timonel de cada barco debe alejarse constantemente del otro barco debido al efecto Venturi, de lo contrario chocarán.
• Eductores de carga en buques cisterna para productos petrolíferos y productos químicos
• Los inhaladores mezclan aire y gas inflamable en parrillas , estufas de gas , mecheros Bunsen y aerógrafos.
• 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)
• Los carburadores utilizan este efecto para aspirar gasolina hacia la corriente de aire de admisión del motor.
• Las culatas de los motores de pistón tienen múltiples áreas Venturi, como el asiento de la válvula y la entrada del puerto.
• Los aireadores de vino infunden aire al vino mientras se vierte en un vaso.
• Los skimmers de proteínas filtran los acuarios de agua salada
• Los limpiadores de piscinas automatizados utilizan un flujo de agua del lado de presión para recolectar sedimentos y desechos.
• Los clarinetes utilizan una conicidad inversa para acelerar el paso del aire por el tubo, lo que permite un mejor tono, respuesta y entonación ^[5]
• El tudel 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 cloro gaseoso a los sistemas de cloración de tratamiento de agua.
• Los inyectores de vapor utilizan el efecto Venturi y el calor latente de la evaporación para suministrar agua de alimentación a la caldera de una locomotora de vapor .
• Las boquillas de chorro de arena aceleran la mezcla de aire y medios.
• El agua de sentina se puede vaciar desde un barco en movimiento a través de una pequeña compuerta de desechos situada en el casco. La presión del aire dentro del barco 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 carreras utilizan el efecto suelo para aumentar la carga aerodinámica y así ser capaces de tomar curvas a mayor velocidad.
• Dosificadores de espuma utilizados para inducir concentrado de espuma contra incendios en sistemas de protección contra incendios.
• Los compresores de aire Trompe arrastran aire hacia una columna de agua que cae
• Los tornillos de 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

• Hawa Mahal de Jaipur también utiliza el efecto Venturi, al permitir el paso del aire fresco, haciendo así toda la zona más agradable durante las altas temperaturas del verano.
• Grandes ciudades donde el viento se fuerza entre los edificios: la brecha entre las Torres Gemelas del World Trade Center original fue un ejemplo extremo del 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 con cuerdas. ^[8]
• En el sur de Irak, cerca de la moderna ciudad de Nasiriyah , se ha descubierto una estructura de canal de 4.000 años de antigüedad en el antiguo sitio de Girsu . Esta construcción de los antiguos sumerios forzó 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 alto de lo que habría sido el caso sin el canal. Una reciente excavación 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 .

Ver también

• Efecto Joule-Thomson

Referencias

1. Nasr, GG; Connor, NE (2014). "5.3 Medición del flujo de gas". Desafíos de seguridad e ingeniería del gas natural: proceso, análisis, utilización y seguridad posteriores . Saltador. pag. 183.ISBN _ 9783319089485.
2. "El efecto Venturi". Proyecto de demostraciones de Wolfram . Consultado el 3 de noviembre de 2009 .
3. Herschel, Clemens. (1898). Medición de agua. Providence, RI: Constructores de fundición de hierro.
4. "Invención del medidor Venturi". Naturaleza . 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 (en español) . Consultado el 14 de julio de 2019 .
6. Anderson, John (2017). Fundamentos de aerodinámica (6ª ed.). Nueva York, NY: McGraw-Hill Education. pag. 218.ISBN _ 978-1-259-12991-9.
7. Dunlap, David W (7 de diciembre de 2006). "En New Trade Center, buscando calles animadas (pero seguras)". Los New York Times .
8. Dunlap, David W (25 de marzo de 2004). "Preparándose contra el regreso de la ciudad de los vientos en Manhattan". Los New York Times .
9. Dusk to Dawn (película educativa). Administración Federal de Aviación. 1971. 17 minutos. AVA20333VNB1.

enlaces externos

• Animación 3D del Principio de Medición de Caudal por Presión Diferencial (Medidor Venturi)
• UT Austin. "Simulación de tubo Venturi" . Consultado el 3 de noviembre de 2009 .
• Uso del efecto Venturi para que los surtidores de gasolina sepan cuándo apagar (vídeo)