Efecto venturi - Venturi effect

La presión estática en el primer tubo de medición (1) es mayor que en el segundo (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 a las 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 altura de presión diferencial en cm o pulgadas de agua.

Reproducir medios

Video 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 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 .

Fondo

En la dinámica de fluidos no viscosos , la velocidad de un fluido incompresible debe aumentar a medida que pasa por 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 lo tanto, cualquier ganancia de energía cinética que un fluido pueda alcanzar por su mayor velocidad a través de una constricción se equilibra con una caída de presión.

Al medir la presión, se puede determinar la tasa de flujo, como en varios dispositivos de medición de flujo , como medidores Venturi, boquillas Venturi y placas de orificio .

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

${\ Displaystyle p_ {1} -p_ {2} = {\ frac {\ rho} {2}} \ left (v_ {2} ^ {2} -v_ {1} ^ {2} \ right)}$

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

Flujo ahogado

El caso límite del efecto Venturi es cuando un fluido alcanza el estado de flujo ahogado , donde la velocidad del fluido se acerca a la velocidad local del sonido . Cuando un sistema de fluido se encuentra en un estado de flujo ahogado, 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, lo que permitirá un mayor caudal másico, pero solo 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 se ralentiza. Sin embargo, si hay una expansión de la sección del tubo, aparecerán turbulencias y el teorema no se mantendrá. 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 de tubo Venturi construido con tubería de PVC y operado con una bomba de vacío

Un par de tubos Venturi en un avión ligero, utilizados para proporcionar flujo de aire para instrumentos giroscópicos impulsados ​​por aire.

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.

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.

Placa de orificio

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

Instrumentación y medida

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

Un Venturi se puede utilizar para medir la velocidad de flujo volumétrico , utilizando el principio de Bernoulli . ${\ Displaystyle \ scriptstyle Q}$

Ya que

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

luego

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

Un Venturi también se puede utilizar para mezclar un líquido con un gas. Si una bomba fuerza el líquido a través de un tubo conectado a un sistema que consiste en un Venturi para aumentar la velocidad del líquido (el diámetro disminuye), un trozo corto de tubo con un pequeño orificio en él, y por último un Venturi que disminuye la velocidad (por lo que el tubería se ensancha nuevamente), el gas será aspirado 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 .

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 ser más conveniente, por ejemplo, para medir las presiones de combustión o combustible en motores a reacción o cohetes.

Los primeros medidores Venturi a gran escala para medir flujos de 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. Mientras trabajaba para Holyoke Water Power Company , Herschel desarrollaría los medios para medir estos flujos para determinar el consumo de energía del agua de diferentes molinos en el Sistema de Canal de Holyoke , comenzando el desarrollo del dispositivo en 1886, dos años después describiría su invención. del medidor Venturi a William Unwin en una carta fechada el 5 de junio de 1888.

Compensación por temperatura, presión y masa

Básicamente, los medidores basados ​​en 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 . Usando las definiciones de densidad ( ), concentración molar ( ) y masa molar ( ), también se puede derivar flujo másico o flujo molar (es decir, flujo volumétrico estándar), ${\ Displaystyle m = \ rho V}$${\ Displaystyle n = CV}$${\ Displaystyle m = Mn}$

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

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,

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

Q , m , o n son fácilmente aislado dividiendo y tomando la raíz cuadrada . Tenga en cuenta que se requiere compensación de presión, temperatura y masa para cada flujo, independientemente de las unidades o dimensiones finales. También vemos las relaciones,

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

Ejemplos de

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

Máquinas

• Eductores de carga en buques cisterna de productos petrolíferos y químicos
• Los inspiradores 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 el perfume o la pintura en aerosol (es decir, de una pistola rociadora)
• Los carburadores utilizan el efecto para succionar gasolina en la corriente de aire de admisión de un motor.
• La culata del motor de pistón tiene múltiples áreas Venturi como el asiento de la válvula y la entrada del puerto
• Los aireadores de vino infunden aire en el vino cuando se vierte en un vaso.
• Los skimmers de proteínas filtran acuarios de agua salada
• Los limpiafondos automáticos utilizan el flujo de agua del lado de la presión para recolectar sedimentos y escombros
• Los clarinetes utilizan un cono inverso para acelerar el aire por el tubo, lo que permite un mejor tono, respuesta y entonación.
• La tubería de un trombón , afectando 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 se aceleran y el aire y la mezcla de medios
• El agua de sentina se puede vaciar desde un barco en movimiento a través de una pequeña compuerta de desechos en el casco. La presión del aire dentro del bote en movimiento es mayor que el 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 de los disparos
• El difusor de un automóvil
• Autos de carreras que 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 inducir el concentrado de espuma contra incendios en los sistemas de protección contra incendios.
• Los compresores de aire Trompe incorporan aire a una columna de agua que cae
• Los tornillos en algunas marcas de marcadores de paintball.

En naturaleza

• Hawa Mahal de Jaipur, también utiliza el efecto Venturi, al permitir que pase el aire fresco, haciendo que toda la zona sea más agradable durante las altas temperaturas del verano.
• Grandes ciudades donde el viento es forzado 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. De hecho, algunas ráfagas fueron tan fuertes que los peatones tuvieron que ser ayudados por cuerdas.
• En pasos de montaña con viento, lo que resulta en lecturas erróneas del altímetro de presión
• El viento Mistral en el sur de Francia aumenta de velocidad a través del valle del Ródano .
• 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.

Ver también

• Efecto Joule-Thomson

Referencias

enlaces externos

• Animación 3D del principio de medición de flujo de presión diferencial (medidor Venturi)
• UT Austin. "Simulación de tubo Venturi" . Consultado el 3 de noviembre de 2009 .