Efecto venturi

El Efecto Venturi es la reducción de la presión del fluido que resulta cuando un fluido fluye a través de una sección (o picar) constricta de una tubería. El efecto Venturi es nombrado por su descubridor, el físico italiano del siglo XVIII Giovanni Battista Venturi.

Antecedentes

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.

Refiriéndose 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 está dada por

$${displaystyle ¿Qué?$$

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

Flujo obstruido

El caso límite del efecto Venturi es cuando un fluido alcanza el estado de flujo obstruido, 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 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.

Aparatos experimentales

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

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

Un Venturi se puede utilizar para medir el caudal volumétrico, ${displaystyle scriptstyle Q}$Usando el principio de Bernoulli.

Desde

$${displaystyle {begin{aligned}Q limit=v_{1}A_{1}=v_{2}A_{2}[3pt]p_{1}-p_{2} limit={frac {rho }{2}left} (v_{2} {2}-v_{1} {2}end{aligned}}$$

entonces

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Presión diferencial

A medida que el fluido fluye a través de un Venturi, la expansión y compresión de los fluidos hacen que la presión dentro del Venturi cambie. 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. 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 describiría su invento. del medidor Venturi a William Unwin en una carta fechada el 5 de junio de 1888.

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,

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

donde los términos constantes son absorbidos k. Uso de las definiciones de densidad (${displaystyle m=rho V}$), concentración molar (${displaystyle n=CV}$), y masa molar (${displaystyle m=Mn}$), uno también puede derivar flujo de masa o flujo de molar (es decir, flujo de volumen estándar),

$${displaystyle {begin{aligned} Delta Pró=k,rho ,Q^{2}\ {1} {fn},{dot {m}} {2}\\\\fnK {fnMicroc}\fnh}\\\\\fn}\\fnK}\\fnK}\\\\\fnh00}\\\\\fnMicrocH0}}}}}\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fn}\\\\\\\\\\\\\fn}fn}fn}\\\\\fn}\\\\\fn {fnK} {fnMicrosoft Sans Serif}fnMicrosoft Sans {fn} {fn}} {fnK}} {fn}fn} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}fn}f}fn}fn}}f}f}}f}f}}f}f}fnKfnKfnKfn}f}f}f}f}f}f}f}fnKfnKfnKfnKf}f}f}f}f}f}fnKfnKfnh}f}fnKf}fnKf}f}f}f}fn}fnh}fnh}f}fnh}f}fnh}f}fn {fnMicrosoft Sans Serif}$$

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,

$${displaystyle C={frac {fnK}} {fnMicroc {fnMicroc {fnK}}}}derecho)} {fnunci}}}} {fnMicroc {fnK}}}}}}}}}C^{ominus}}}}}}}} {ominus}}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {m}}}}}}} {ominus} {f}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}}}} {m}}}}}}}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}} {m}}}}}}}}}}} {m}}}$$

$${displaystyle rho ={frac {fnK}= {fnMicroc {fnMicroc {M}{ominus ¿Qué?$$

Al sustituir estas dos relaciones en las ecuaciones de presión-flujo anteriores se obtienen flujos totalmente compensados,

$${displaystyle {begin{aligned} Delta P=k{frac {left({frac {M}{ominus ¿Qué? Delta P_{max ¿Qué? Está bien. {M}{ominus {fnK} {fnK}}rho ^{ominus}}}}{ominus}}} {dot {m}}}{2} {c} {c}} {fn}} {fn}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} Delta P_{max ¿Qué? {M}{ominus {fnMicroc {fnh}}}m}}}m}}m}}}m} {fnMicroc { dot { dot} {m} {máximo }}}derecha)}m}m}m}m}mfnMicroc {fnMicroc}}fnun}}fnun}fnun}fnun}m}m}m}m}m}mm}m}m}mm}mmm}mm}fnun}m}fnun}m}fnun}fnun}mfnun}m}m}m}mmm}mmm}m}fnun}m}m}m}m}m}m}m}m}m}m} {T}{ominus}}derecha)}{left {frac {f}{ominus ¿Qué? Delta P_{max ¿Qué? Está bien.$$

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,

$${displaystyle {begin{aligned}{frac {}{f} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft} {fnK}}} {fnMicroc} {fnMicrosoft}}}} {f}}fnMicroc} {fnMicroc}} {f}}}}}} { Delta P_{max ♪♪♪♪ {1}{rho ^{ominus }Q_{max } {2}\\fnMicroc {rho ^{ominus {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif}}} {fnMicrosoft} {fnMicrosoft}} {fnMicrosoft}}} {fn}}}}} {f}}} {fnK}}} {f}} {f}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f} {f}} {f}f}}} {f} {f} {f} {f}f}f}}}}}}}}}}}}}}}} {f} {f}}} {f}}} {f} {f} {f}f}f}f}f}f}}}f}}}}}f}}}}f}}}}}f}}}}}}}}}} } {2}\\fnMicroc {C^{ominus} {fnh} {fn} {fn}} {fn}máximo - ¿Qué? {C^{ominus} } {M^{ominus } {} {máximo {fnMicrosoft Sans Serif}$$

Ejemplos

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

Máquinas

• Durante la reposición de entrada el helmsman de cada nave debe dirigir constantemente lejos del otro barco debido al efecto Venturi, de lo contrario chocarán.
• Educadores de carga en productos petroleros y buques químicos
• Inspiradores mezclan aire y gas inflamable en parrillas, estufas de gas, quemadores de 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 usan la energía cinética de la presión de vapor para crear un vacío parcial
• Los atomizadores dispersan perfume o pintura de pulverización (es decir, de una pistola de pulverización)
• Los carburadores usan el efecto para chupar gasolina en el flujo de aire de consumo de un motor
• Cabezas de cilindro en motores de pistón tienen múltiples áreas de Venturi como el asiento de la válvula y la entrada del puerto
• Los aeradores de vino infunden el aire en el vino como se vierte en una copa
• Protein skimmers filtro agua salada acuario
• Los limpiadores automáticos de piscina utilizan flujo de agua lado presión para recolectar sedimentos y desechos
• Los clarinetes utilizan un tapiz inverso para acelerar el aire por el tubo, permitiendo un mejor tono, respuesta e intonación
• El plomo de un trombón, afectando el timbre
• aspiradoras industriales utilizan aire comprimido
• Los escrubadores Venturi se utilizan para limpiar las emisiones de gases de gripe
• Los inyectadores (también llamados eyectores) se utilizan para añadir gas cloro a los sistemas de cloración de tratamiento de agua
• Los inyectores de vapor usan el efecto Venturi y el calor latente de evaporación para entregar agua de alimentación a una caldera de locomotora de vapor.
• Aceleración de las boquillas y mezcla de aire y medios
• El agua se puede vaciar desde un barco en movimiento a través de una pequeña puerta de desecho en el casco. La presión del aire dentro del barco en movimiento es mayor que el agua que corre por debajo.
• Un regulador de buceo utiliza el efecto Venturi para ayudar a mantener el flujo de gas una vez que comience a fluir
• En rifles sin retroceso para disminuir el retroceso de disparos
• El difusor en un automóvil
• Los coches de carreras que utilizan el efecto de tierra para aumentar la fuerza y así llegar a ser capaz de velocidades de esquina superior
• Proporcionadores de espuma usados para inducir espuma contra incendios concentrados en sistemas de protección contra incendios
• Compresores de aire de trompe entrenan el aire en una columna de caída del agua
• Los tornillos en algunas marcas de marcadores de paintball
• Los túneles de viento de baja velocidad pueden considerarse muy grandes Venturi porque aprovechan el efecto Venturi para aumentar la velocidad y disminuir la presión para simular las condiciones de vuelo esperadas.

Arquitectura

• Hawa Mahal de Jaipur, también utiliza el efecto Venturi, permitiendo que el aire fresco pase, haciendo que todo el área sea más agradable durante las altas temperaturas del verano.
• Grandes ciudades donde el viento se ve forzado entre los edificios - la brecha entre las Torres Gemelas del Centro de Comercio Mundial original fue un ejemplo extremo del fenómeno, que hizo la plaza de nivel de tierra notablemente vientoswept. De hecho, algunas ráfagas eran tan altas que los viajes peatones tenían que ser ayudados por cuerdas.

Naturaleza

• En pases de montaña ventosos, resultando en lecturas de altímetro de presión erróneas
• El viento mistral en el sur de Francia aumenta la velocidad a través del valle del Ródano.