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LA PLACA DE ORIFICIO La placa de orificio es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lamina plana circular con un orificio concéntrico, excéntrico ó segmentado y se fabrica de acero inoxidable, la placa de orificio tiene una dimensión exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje, el espesor del disco depende del tamaño de la tubería y la temperatura de operación, en la cara de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presión, se coloca perpendicular a la tubería y el borde del orificio, se tornea a escuadra con un ángulo de 90 0 grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un chaflán de un ángulo de 45 grados por el lado de baja presión, el biselado afilado del orificio es muy importante, es prácticamente la única línea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba, ó distorsión del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medición, además, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su identificación, el lado de entrada, el número de serie, la capacidad, y la distancia a las tomas de presión alta y baja. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden líquidos. Placa de orificio, concéntrica, excéntrica y segmentada. Con las placas de orificio se producen las mayores perdidas de presión en comparación a los otros elementos primarios para medición de flujo más comunes, con las tomas de presión a

La Placa de Orificio

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DESCRIBE LOS MECANISMOS DE PLACAS DE ORIFICIO

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LA PLACA DE ORIFICIO

La placa de orificio es el elemento primario para la medición de flujo más sencillo, es una lamina plana circular con un orificio concéntrico, excéntrico ó segmentado y se fabrica de acero inoxidable, la placa de orificio tiene una dimensión exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje, el espesor del disco depende del tamaño de la tubería y la temperatura de operación, en la cara de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presión, se coloca perpendicular a la tubería y el borde del orificio, se tornea a escuadra con un ángulo de 900 grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un chaflán de un ángulo de 45 grados por el lado de baja presión, el biselado afilado del orificio es muy importante, es prácticamente la única línea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba, ó distorsión del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medición, además, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su identificación, el lado de entrada, el número de serie, la capacidad, y la distancia a las tomas de presión alta y baja. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden líquidos.

Placa de orificio, concéntrica, excéntrica y segmentada.

 

Con las placas de orificio se producen las mayores perdidas de presión en comparación a los otros elementos primarios para medición de flujo más comunes, con las tomas de presión a distancias de 2 ½ y de 8 diámetros antes y/o después de la placa se mide la perdida total de presión sin recuperación posterior. Se mide la máxima diferencial posible con recuperación de presión posterior y, con tomas en las bridas se mide una diferencial muy cerca de la máxima, también con recuperación de presión posterior.

La exacta localización de tomas de presión antes de la placa de orificio carece relativamente de importancia, ya que la presión en esa sección es bastante constante. En todas las relaciones de diámetros D/d comerciales. Desde ½ D antes de la placa en adelante hasta la placa, la presión aumenta gradualmente en una apreciable magnitud en relaciones d/D arriba de 0.5; debajo de ese valor la diferencia de presiones es despreciable. Pero sí en la toma de alta presión, la localización no es de mayor importancia, si lo es en la toma de baja presión, ya que existe una región muy inestable después de la vena contracta que debe evitarse; es ésta la razón por la que se recomienda colocarlas para tuberías a distancias menores de 2 pulgadas de las tomas de placa. La estabilidad se restaura a 8 diámetros después de la placa pero en este punto las presiones se afectan por una rugosidad anormal en la tubería.

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Desventajas en el uso de la placa de orificio

1. Es inadecuada en la medición de fluidos con sólidos en suspensión.2. No conviene su uso en medición de vapores, se necesita perforar la parte inferior.3. El comportamiento en su uso con fluidos viscosos es errático ya que la placa se

calcula para una temperatura y una viscosidad dada.4. Produce las mayores pérdidas de presión en comparación con otros elementos

primarios de medición de flujos.

 

Cuando el flujo pasa a través de la placa de orificio, disminuye su valor hasta que alcanza una área mínima que se conoce con el nombre de “vena contracta”, en las columnas sombreadas de la figura siguiente, el flujo llega con una presión estática que al pasar por el orificio, las pérdidas de energía de presión se traducen en aumentos de velocidad, en el punto de la vena contracta se obtiene el menor valor de presión que se traduce en un aumento de velocidad, en ese punto se obtiene la mayor velocidad.

 

Más delante de la vena contracta, la presión se incrementa, se genera una perdida de presión constante que ya no se recupera, la diferencia de presión que ocasiona la placa de orificio permite calcular el caudal, el cual es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión diferencial.

Existen dos tipos de placas de orificio segmentadas; fijas y ajustables.

 

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Orificio segmentado fijo:

Se usa para medir flujos pequeños y es una combinación de orificio excéntrico y una parte segmentada, la parte concéntrica se diseña para obtener un diámetro del 98% del diámetro interior de la tubería, se usa para en la medición de flujos como son las pulpas y pastas, no es recomendable para líquidos de alta viscosidad.

 

Orificio segmentado ajustable:

En este caso la relación entre el diámetro interior y exterior (0.25-0.85), se modifica por medio de un segmento móvil, el cuerpo de la placa de orificio se fabrica con bridas de conexión similares a la de una válvula, las guías son de acero al carbón, el material del segmento es de acero inoxidable, se utiliza en tuberías con variaciones de flujo del 10:1 bajo variaciones de presión y temperatura considerables. La relación entre el flujo y la caída de presión es:

 

PLACA ORIFICIO

La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería, el orificioque posee es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye el fluido.

Elorificio es normalizado, la característica de este borde es que el chorro que éstegenera no toca en su salida de nuevo la pared del orificio.

El caudal se puededeterminar por medio de las lecturas de presión diferenciales.

Dos tomasconectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan esta presióndiferencial.La disposición de las tomas se pueden observar con mas claridad en la figura A

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El orificio de la placa, como se muestra en la figura B, puede ser: concéntrico,

excéntrico y segmentada.

La placa concéntrica sirve para líquidos.Excéntrica para los gases donde los cambios de presión implican condensación.Cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos.Segmentada, partículas en suspensión implican turbulencias que limpiarán(paraque no se aglomeren partículas) el lado de alta presión evitando erroresen lamedición.Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido,la placa incorpora como se menciona anteriormente un orificio de purga.Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestraen la figura C , se pueden destacar los siguientes:de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.

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Medidores de caudal sólido:

Los medidores de caudal de sólidos permiten pesar cualquier material seco agranel o granulado, de diámetro de hasta 25 mm, en un rango de 200 Kg./h a2000t/h. La medición puede efectuarse en productos con densidades caudalesmuy diferentes : trigo soplado, mineral de hierro, los polvos fluidificados como laceniza volante, y los productos pegajosos con posibilidad de depósito, como lasvirutas de torno. Los medidores de caudal sólido pueden utilizarse en aplicacionescon productos tan diversos como: cemento, arena, carbón coque, carbón, cal,trigo, arroz, harina, azúcar, productos alimenticios para animales, astillas demadera y virutas de plástico.El principio de funcionamiento es muy sencillo debido a que, el materialsólidoentra en el medidor de caudal por la placa de guía del caudal ypega en la placasensora, generando una fuerza mecánica y continuasin interrumpir el proceso o la producción. La fuerza horizontales convertida en una señal eléctrica, controlada por la unidad electrónicautilizada con el medidor de caudal, para la visualizacióndel caudal instantáneo y de la cantidad de material totalizada.La medición solo se basa en la fuerza horizontal de la fuerza de impacto.

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Sensores de Caudal

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Una placa de orificio es un dispositivo utilizado para medir la velocidad de flujo. Cualquiera de una tasa de flujo volumétrico o de masa se puede determinar, dependiendo de los cálculos asociados con la placa de orificios. Se utiliza el mismo principio como una boquilla Venturi, a saber, el principio de Bernoulli, que establece que existe una relación entre la presión del fluido y la velocidad del fluido. Cuando aumenta la velocidad, la presión disminuye y viceversa.

Descripción

Una placa de orificio es una placa delgada con un agujero en el centro. Normalmente se coloca en un tubo en el que fluye el fluido. Cuando el fluido llega a la placa de orificio, el fluido es forzado a converger para ir a través del pequeño agujero; el punto de máxima convergencia en realidad se produce poco después del orificio física, en el llamado punto de la vena contracta. Como lo hace, la velocidad y los cambios de presión. Más allá de la vena contracta, el líquido se expande y el cambio de velocidad y presión, una vez más. Mediante la medición de la diferencia en la presión del fluido entre la sección normal de la tubería y en la vena contracta, las tasas de flujo volumétrico y la masa pueden obtenerse a partir de la ecuación de Bernoulli.

Utiliza

Placas de orificio son los más utilizados para la medición continua del flujo de fluido en las tuberías. También se utilizan en algunos pequeños sistemas fluviales para medir velocidades de flujo en los lugares donde el río pasa a través de una alcantarilla o drenaje. Sólo un pequeño número de ríos son apropiados para el uso de la tecnología ya que la placa debe quedar completamente sumergido es decir, el tubo de enfoque debe ser completo, y el río debe estar prácticamente libre de residuos.

Flujo incompresible a través de un orificio

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Al asumir el estado estacionario, incompresible, no viscoso, flujo laminar en un tubo horizontal con las pérdidas por fricción insignificantes, la ecuación de Bernoulli se reduce a una ecuación que relacione la conservación de la energía entre dos puntos de la misma racionalizar:

o:

Por ecuación de continuidad:

 o y:

Resolviendo para:

y:

La expresión anterior para da la tasa de flujo de volumen teórico. Introduciendo el factor beta, así como el coeficiente de descarga:

Y, finalmente, la introducción del coeficiente de metro que se define como para obtener la ecuación final para el flujo volumétrico del fluido a través del orificio:

Multiplicando por la densidad del fluido para obtener la ecuación de la velocidad de flujo de masa en cualquier sección de la tubería:

Derivación de las ecuaciones anteriores utiliza la sección transversal de la abertura del orificio y no es tan realista como el uso de la sección transversal mínima en la vena contracta. Además, las pérdidas por fricción no puede ser insignificante y los efectos de viscosidad y turbulencia pueden estar presentes. Por esa razón, se introduce el coeficiente de descarga. Existen métodos para la determinación del coeficiente de descarga como una función del número de Reynolds.

El parámetro se conoce como la velocidad de factor de enfoque y dividiendo el coeficiente de descarga por ese parámetro produce el coeficiente de flujo a menudo. También existen métodos para la determinación del coeficiente de flujo como una función de la función beta y la ubicación del grifo de detección de presión aguas abajo. Para aproximaciones, el coeficiente de flujo se puede suponer que estar entre 0,60 y 0,75 - Para una primera aproximación, un coeficiente de flujo de 0,62 se puede utilizar como este se aproxima al flujo totalmente desarrollado.

Un orificio sólo funciona bien cuando se les suministra un perfil de flujo completamente desarrollado. Esto se consigue mediante una longitud aguas arriba largo o el uso de un acondicionador de flujo. Placas de orificio son pequeños y de bajo costo, pero no se recuperan de la caída de presión, así como una boquilla venturi hace. Si el espacio lo permite, un medidor de Venturi es más eficiente que una placa de orificio.

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El flujo de gases a través de un orificio

En general, la ecuación es aplicable sólo para flujos incompresibles. Puede ser modificado mediante la introducción del factor de expansión para tener en cuenta la compresibilidad de los gases.

 es 1,0 para fluidos incompresibles y se puede calcular para los gases compresibles.

Cálculo del factor de expansión

El factor de expansión, lo que permite el cambio en la densidad de un gas ideal, ya que se expande isoentrópicamente, está dada por:

Sustituyendo la ecuación en la ecuación de caudal másico:

y:

y por lo tanto, la ecuación final para el flujo no obstruido de los gases ideales a través de un orificio para valores de menos de 0,25:

Usando la ley de los gases ideales y el factor de compresibilidad, se obtiene una ecuación práctico para el flujo no obstruido de los gases reales a través de un orificio para valores de menos de 0,25:

Recordando que y

Una explicación detallada de flujo estrangulado y no ahogada de los gases, así como la ecuación para el flujo obstruido de los gases a través de orificios de restricción, está disponible en el flujo estrangulado.

El flujo de los gases reales a través de orificios de placa delgada nunca llega a ser totalmente ahogada. Cunningham primero llamó la atención sobre el hecho de que no se produzca el flujo estrangulado a través de un orificio estándar, delgado, canteada. La tasa de flujo de masa a través del orificio continúa aumentando a medida que la presión aguas abajo se reduce a un vacío perfecto, aunque la tasa de flujo de masa aumenta lentamente a medida que se reduce la presión aguas abajo por debajo de la presión crítica.

Pérdida de carga permanente para fluidos incompresibles

Para una placa de orificio cuadrado de punta con tomas de brida:

donde:

 = Pérdida de carga permanente = caída de presión indicada en las tomas de brida

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El efecto Venturi consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión cuando aumenta la velocidad al pasar por una zona de sección menor. En ciertas condiciones, cuando el aumento de velocidad es muy grande, se llegan a producir presiones negativas y entonces, si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiración del fluido de este conducto, que se mezclará con el que circula por el primer conducto. Este efecto, demostrado en 1797, recibe su nombre del físico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822).

Índice

1 Explicación 2 Tubo de Venturi 3 Aplicaciones del efecto Venturi 4 Véase también 5 Notas y referencias 6 Enlaces externos

Explicación

El efecto Venturi se explica por el Principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, necesariamente la velocidad aumenta tras atravesar esta sección. Por el teorema de la conservación de la energía mecánica, si la energía cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión disminuye forzosamente.

Efectivamente,según el principio de Bernoulli:

donde:

= velocidad del fluido en la sección considerada. = aceleración gravitatoria, g = 9,81 m/s2. = presión en cada punto de la línea de corriente. es el peso específico ( ). Este valor se asume constante a lo largo del

recorrido cuando se trata de un fluido incompresible. = altura, en vertical, sobre una cota de referencia. Los subíndices y indican que los valores se toman en un punto 1 y en otro punto 2,

a lo largo de la conducción.

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Expresado de este modo, cada uno de los sumandos tiene como dimensión una

longitud, por lo que se consideran todos alturas: , altura de velocidad, , altura de presión y altura geométrica.

A igualdad de los demás factores, y teniendo en cuenta el principio de continuidad, que expresa que al disminuir la sección en un conducto, aumenta la velocidad del fluido que lo recorre, puede deducirse que, en un estrechamiento del conducto, si aumenta, necesariamente debe disminuir .

Pero además, si el estrechamiento en el punto es tal, que la velocidad sea suficientemente

grande para que , para que se cumpla Bernoulli, la altura tendrá que ser negativa y por tanto la presión. Cuando por ésta o por otra circunstancia, la presión se hiciera negativa, en teoría traerá consigo la detención del movimiento del fluido o, si se introduce un tubo con otro fluido, este fluido sería aspirado por la corriente del primero.1

Tubo de Venturi

Un tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Efectivamente, conociendo la velocidad antes del estrechamiento y midiendo la diferencia de presiones, se halla fácilmente la velocidad en el punto problema.

La aplicación clásica de medida de velocidad de un fluido consiste en un tubo formado por dos secciones cónicas unidas por un tubo estrecho en el que el fluido se desplaza consecuentemente a mayor velocidad. La presión en el tubo Venturi puede medirse por un tubo vertical en forma de U conectando la región ancha y la canalización estrecha. La diferencia de alturas del líquido en el tubo en U permite medir la presión en ambos puntos y consecuentemente la velocidad.

En otros casos utiliza este efecto para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a atravesar un tubo estrecho con el extremo en forma de cono. Estos modelos se utilizan en numerosos dispositivos en los que la velocidad de un fluido es importante y constituyen la base de aparatos como el carburador.

Cuando se utiliza un tubo de Venturi hay que tener en cuenta un fenómeno que se denomina cavitación. Este fenómeno ocurre si la presión en alguna sección del tubo es menor que la presión de vapor del fluido. Para este tipo particular de tubo, el riesgo de cavitación se encuentra en la garganta del mismo, ya que aquí, al ser mínima el área y máxima la velocidad, la presión es la menor que se puede encontrar en el tubo. Cuando ocurre la cavitación, se generan burbujas localmente, que se trasladan a lo largo del tubo. Si estas burbujas llegan a zonas de presión más elevada, pueden colapsar produciendo así picos de presión local con el riesgo potencial de dañar la pared del tubo.

Aplicaciones del efecto Venturi

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Tubos de Venturi: Medida de velocidad de fluidos en conducciones y aceleración de fluidos.

Hidráulica : La depresión generada en un estrechamiento al aumentar la velocidad del fluido, se utiliza frecuentemente para la fabricación de máquinas que proporcionan aditivos en una conducción hidráulica. Es muy frecuente la utilización de este efecto "Venturi" en los mezcladores del tipo Z para añadir espumógeno en una conducción de agua para la extinción.

Petróleo : La succión o depresión que ocasiona el cambio de área generada por el efecto venturi, se usa para extraer artificialmente fluidos de pozos petroleros; este tipo de bombas Jet funcionan mediante la inyección de un fluido a alta presión pasando por una sección reducida, llamada boquilla donde se produce un cambio de energía potencial a cinética, originado a la salida de una boquilla, lo que provoca una succión del fluido de formación. Estos fluidos entran en otra zona que ocasiona el efecto inverso llamada garganta, luego la mezcla de fluidos sufre un cambio de energía cinética a potencial a la entrada de un área de expansión llamada difusor, donde la energía potencial es la responsable de llevar el fluido hasta la superficie.

Motor : el carburador aspira el carburante por efecto Venturi, mezclándolo con el aire (fluido del conducto principal), al pasar por un estrangulamiento.

Neumática : Para aplicaciones de ventosas y eyectores.

Aeronáutica : Interviene en efectos relacionados con la viscosidad del aire que pueden explicarse con las Ecuaciones de Navier-Stokes. Además, se utiliza un tubo Venturi para proveer succión a los instrumentos que trabajan con vacío, (Coordinador de giro, Horizonte artificial, etc.) en los aviones que no están provistos de bombas mecánicas de vacío. Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en alas de aviones, este efecto realmente no puede explicar la sustentación aérea, pues un perfil alar no actúa como un tubo de Venturi acelerando las partículas de aire: las partículas son aceleradas debido a la conservación de la energía (se explica mediante el principio de Bernoulli, en virtud del cual el aire adquiere mayor velocidad al pasar por la región convexa del ala de un avión), la conservación del momento (se utiliza la tercera ley de Newton para su explicación) y de la masa (se utilizan las Ecuaciones de Euler).

Hogar: En los equipos ozonificadores de agua, se utiliza un pequeño tubo Venturi para efectuar una succión del ozono que se produce en un depósito de vidrio, y así mezclarlo con el flujo de agua que va saliendo del equipo con la idea de destruir las posibles bacterias patógenas y de desactivar los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la desinfección con cloro.

Acuarofilia: En las tomas de bombas de agua o filtros, el efecto Venturi se utiliza para la inyección de aire y/o CO2.

Cardiología : El efecto Venturi se utiliza para explicar la regurgitación mitral que se puede dar en la miocardiopatía hipertrófica, y que es causa de muerte súbita en deportistas. La explicación es que el movimiento sistólico anterior (MSA) que realiza la valva anterior de la válvula mitral, se produce porque la hipertrofia septal y el

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estrechamiento del tracto de salida provocan una corriente de alta velocidad sobre la v. mitral, que debido al efecto Venturi, succiona el extremo de la valva anterior contra el septo, que impide la salida de sangre, por lo que regurgita hacia la aurícula izquierda.

Neumología : El efecto Venturi se utiliza en máscaras para la administración de concentraciones exactas de oxígeno, para controlar la FiO2; se denominan máscaras de Venturi o Ventimask. El oxígeno al 100% suministrado durante cierto periodo de tiempo es tóxico, por lo que se mezcla con aire externo cuya concentración de oxígeno es del 21%, de modo que en función de la cantidad de aire que se mezcle con el oxígeno al 100%, la concentración de oxígeno será mayor o menor, normalmente se suministra entre un 26%-50%. El oxígeno puro al pasar por el conducto con un calibre menor, se produce el efecto Venturi, se genera una presión negativa que permite la entrada del aire procedente del exterior a través de unos orificios circundantes, dependiendo del tamaño de los orificios, entra más o menos aire y por tanto menor o mayor concentración de oxígeno que finalmente el paciente recibirá.

Odontología : el sistema de aspiración de saliva en los equipos dentales antiguos utilizaban tubos finos Venturi. Ahora la aspiración está motorizada.

El Tubo VenturiEl tubo venturi.

El Tubo Venturi lo crea el físico e inventor italiano Giovanni Battista Venturi (1746–1822), fue profesor en Módena y Pavía, en Paris y Berna, ciudades donde vivió mucho tiempo, estudió teorías que se relacionan con el calor, óptica e hidráulica, en éste último campo descubre el tubo que lleva su nombre, “tubo venturi”. Según él, el tubo es un dispositivo para medir el gasto del fluido, es decir, la cantidad de flujo por unidad de tiempo, a partir de una diferencia de presión que existe entre el lugar por donde entra la corriente y el punto, calibrable de mínima sección del tubo, en donde su parte ancha final actúa como difusor.

 

Definición

“El Tubo Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, consta de una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro ó instrumento registrador en la garganta se mide la caída de presión y hace posible calcular el caudal instantáneo”.

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El Tubo Venturi.

 

Este elemento primario de medida se inserta en la tubería como un tramo de la misma, se instala en todo tipo de tuberías mediante bridas de conexión adecuadas. El Venturi tiene una sección de entrada de diámetro igual al diámetro de conducción de la tubería a la cual se conecta. La sección de entrada conduce hacia un cono de convergencia angular fija, terminando en una garganta de un diámetro más reducido, se fabrica exactamente según las dimensiones que establece su cálculo, la garganta se comunica con un cono de salida o de descarga con divergencia angular fija, cuyo diámetro final es habitualmente igual al de entrada. La sección de entrada está provista de tomas de presión que acaban en un racord anular, cuyo fin es el de uniformar la presión de entrada. Es en este punto donde se conecta a la toma de alta presión del transmisor la conexión de la toma de baja presión se realiza en la garganta mediante un dispositivo similar, la diferencia entre ambas presiones sirve para realizar la determinación del caudal. El tubo Venturi se fabrica con materiales diversos según la aplicación de destino, el material más empleado es acero al carbono, también se utiliza el latón, bronce, acero inoxidable, cemento, y revestimientos de elastómeros para paliar los efectos de la corrosión. El tubo Venturi ofrece ventajas con respecto a otros captadores, como son:

 

1. Menor pérdida de carga permanente, que la producida por del diafragma y la tobera de flujo, gracias a los conos de entrada y salida.

2. Medición de caudales superiores a un 60% a los obtenidos por el diafragma para la misma presión diferencial e igual diámetro de tubería.

3. El Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otros elementos primarios.

4. Facilidad para la medición de flujo de líquidos con sólidos en suspensión.

 

El tubo venturi consiste en una reducción de la tubería, esto se logra con un tramo recto, un cono de entrada, la garganta y el cono de salida.

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El Tubo Venturi.

 

El tubo venturi se recomienda en casos donde el flujo es grande y que se requiera una baja caída de presión, o bien, el fluido sea altamente viscoso, se utiliza donde se requiera el máximo de exactitud, en la medición de fluidos altamente viscosos, y cuando se necesite una mínima caída de presión permanente, el tubo venturi es difícil de construir y tiene un costo más alto que otros elementos primarios, su diseño consiste en una sección recta de entrada del mismo diámetro que la tubería, ahí se conecta la toma de alta presión, después contiene una sección cónica convergente que va disminuyendo poco a poco y transversalmente la corriente del fluido, se aumenta la velocidad al disminuir la presión, el diseño además consiste de una garganta cilíndrica, se coloca ahí la toma de baja presión, en esta área el flujo no aumenta ni disminuye, el tubo venturi termina con un cono divergente de recuperación, aquí la velocidad diminuye y se recupera la presión, recupera hasta un 98% de presión para una relación beta del 0.75.

Generalmente los tubos Venturi se utilizan en conducciones de gran diámetro, de 12" en adelante, ahí las placas de orificio producen pérdidas de carga importantes y no se consigue una buena medida, el venturi se utiliza en conductores de aire ó humos con conductos no cilindricos, en tuberías de cemento grandes, para conducción de agua, etc. Según la naturaleza de los fluidos de medida, se requieren modificaciones en la construcción del tubo Venturi como son: eliminación de los anillos de ecualización, inclusión de registros de limpieza, instalación de purgas, etc. En el corte transversal se aprecian los anillos circulares que rodean el tubo Venturi en los puntos de medida. Esos anillos huecos conectan el interior del tubo mediante orificios en número de cuatro ó más, espaciados uniformemente por la periferia. El fluido, al circular, pasa por estos orificios y por el anillo donde se encuentran los racores que se conectan al transmisor.

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Introducción

Esta investigación tiene como objetivo principal estudiar el efecto, funcionamiento y las aplicaciones tecnológicas del Tubo Vénturi, del cual su invención data de los años 1.800, donde su creador luego de muchos cálculos y pruebas logró diseñar un tubo para medir el gasto de un fluido, es decir la cantidad de flujo por unidad de tiempo.

Principalmente su función se basó en esto, y luego con posteriores investigaciones para aprovechar las condiciones que presentaba el mismo, se llegaron a encontrar nuevas aplicaciones como la de crear vacío a través de la caída de presión.

El Tubo Vénturi es una tubería corta, recta o garganta, entre dos tramos cónicos. Luego otro científico mejoró este diseño, deduciendo las relaciones entre las dimensiones y los diámetros para así poder estudiar y calcular un Tubo Vénturi para una aplicación determinada.

El estudiante o científico que conozca los fundamentos básicos y aplicaciones que se presentan en este trabajo debe estar en capacidad para calcular un tubo para sus propias aplicaciones y así aumentar su uso en el mundo real y tecnológico así como con investigaciones y nuevos diseños mejorar su fundamento y crear nuevos usos de acuerdo a sus necesidades.

2. Tubo De Vénturi

El Tubo de Venturi fue creado por el físico e inventor italiano Giovanni Battista Venturi (1.746 – 1.822). Fue profesor en Módena y Pavía. En Paris y Berna, ciudades donde vivió mucho tiempo, estudió cuestiones teóricas relacionadas con el calor, óptica e hidráulica. En este último campo fue que descubrió el tubo que lleva su nombre. Según él este era un dispositivo para medir el gasto de un fluido, es decir, la cantidad de flujo por unidad de tiempo, a partir de una diferencia de presión entre el lugar por donde entra la corriente y el punto, calibrable, de mínima sección del tubo, en donde su parte ancha final actúa como difusor.

Definición

El Tubo de Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, éste es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo, o bien, uniéndola a un depósito carburante, se puede introducir este combustible en la corriente principal.

Las dimensiones del Tubo de Venturi para medición de caudales, tal como las estableció Clemens Herschel, son por lo general las que indica la figura 1. La entrada es una tubería corta recta del mismo diámetro que la tubería a la cual va unida. El cono de entrada, que forma el ángulo a1, conduce por una curva suave a la garganta de diámetro d1. Un largo cono divergente, que tiene un ángulo a2, restaura la presión y hace expansionar el fluido al pleno diámetro de la tubería. El diámetro de la garganta varía desde un tercio a tres cuartos del diámetro de la tubería.

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La presión que precede al cono de entrada se transmite a través de múltiples aberturas a una abertura anular llamada anillo piezométrico. De modo análogo, la presión en la garganta se transmite a otro anillo piezométrico. Una sola línea de presión sale de cada anillo y se conecta con un manómetro o registrador. En algunos diseños los anillos piezométricos se sustituyen por sencillas uniones de presión que conducen a la tubería de entrada y a la garganta.

La principal ventaja del Vénturi estriba en que sólo pierde un 10 - 20% de la diferencia de presión entre la entrada y la garganta. Esto se consigue por el cono divergente que desacelera la corriente.

Es importante conocer la relación que existe entre los distintos diámetros que tiene el tubo, ya que dependiendo de los mismos es que se va a obtener la presión deseada a la entrada y a la salida del mismo para que pueda cumplir la función para la cual está construido.

Esta relación de diámetros y distancias es la base para realizar los cálculos para la construcción de un Tubo de Venturi y con los conocimientos del caudal que se desee pasar por él.

Deduciendo se puede decir que un Tubo de Venturi típico consta, como ya se dijo anteriormente, de una admisión cilíndrica, un cono convergente, una garganta y un cono divergente. La entrada convergente tiene un ángulo incluido de alrededor de 21º, y el cono divergente de 7 a 8º. La finalidad del cono divergente es reducir la pérdida global de presión en el medidor; su eliminación no tendrá efecto sobre el coeficiente de descarga. La presión se detecta a través de una serie de agujeros en la admisión y la garganta; estos agujeros conducen a una cámara angular, y las dos cámaras están conectadas a un sensor de diferencial de presión.

La tabla muestra los coeficientes de descarga para los Tubos Vénturi, según lo establece la American Society of Mechanical Engineers. Los coeficientes de descarga que se salgan de los límites tabulados deben determinarse por medio de calibraciones por separado.

Coeficientes ASME para tubos Venturi

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3. Funcionamiento de un tubo de venturi

En el Tubo de Venturi el flujo desde la tubería principal en la sección 1 se hace acelerar a través de la sección angosta llamada garganta, donde disminuye la presión del fluido. Después se expande el flujo a través de la porción divergente al mismo diámetro que la tubería principal. En la pared de la tubería en la sección 1 y en la pared de la garganta, a la cual llamaremos sección 2, se encuentran ubicados ramificadores de presión. Estos ramificadores de presión se encuentran unidos a los dos lados de un manómetro diferencial de tal forma que la deflexión h es una indicación de la diferencia de presión p1 – p2. Por supuesto, pueden utilizarse otros tipos de medidores de presión diferencial.

La ecuación de la energía y la ecuación de continuidad pueden utilizarse para derivar la relación a través de la cual podemos calcular la velocidad del flujo. Utilizando las secciones 1 y 2 en la formula 2 como puntos de referencia, podemos escribir las siguientes ecuaciones:

1

Q = A1v1 = A2v2 2

Estas ecuaciones son válidas solamente para fluidos incomprensibles, en el caso de los líquidos. Para el flujo de gases, debemos dar especial atención a la variación del peso específico g con la presión. La reducción algebraica de las ecuaciones 1 y 2 es como sigue:

Pero . Por consiguiente tenemos,

(3)

Se pueden llevar a cabo dos simplificaciones en este momento. Primero, la diferencia de elevación (z1-z2) es muy pequeña, aun cuando el medidor se encuentre instalado en forma vertical. Por lo tanto, se desprecia este termino. Segundo, el termino hl es la perdida de la

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energía del fluido conforme este corre de la sección 1 a la sección 2. El valor hl debe determinarse en forma experimental. Pero es más conveniente modificar la ecuación (3) eliminando h1 e introduciendo un coeficiente de descarga C:

(4)

La ecuación (4) puede utilizarse para calcular la velocidad de flujo en la garganta del medidor. Sin embargo, usualmente se desea calcular la velocidad de flujo del volumen.

Puesto que , tenemos:

(5)

El valor del coeficiente C depende del número de Reynolds del flujo y de la geometría real del medidor. La figura 2 muestra una curva típica de C versus número de Reynolds en la tubería principal.

La referencia 3 recomienda que C = 0.984 para un Tubo Vénturi fabricado o fundido con las siguientes condiciones:

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(en la tubería principal)

donde se define como el coeficiente del diámetro de la garganta y el diámetro de la sección

de la tubería principal. Esto es, .

Para un Tubo Vénturi maquinado, se recomienda que C = 0.995 para las condiciones siguientes:

(en la tubería principal)

La referencia 3, 5 y 9 proporcionan información extensa sobre la selección adecuada y la aplicación de los Tubos de Venturi.

La ecuación (14-5) se utiliza para la boquilla de flujo y para el orificio, así como también para el Tubo de Venturi.

4. Aplicaciones tecnológicas de un tubo de venturi

El Tubo Vénturi puede tener muchas aplicaciones entre las cuales se pueden mencionar:

En la Industria Automotriz: en el carburador del carro, el uso de éste se pude observar en lo que es la Alimentación de Combustible.

Los motores requieren aire y combustible para funcionar. Un litro de gasolina necesita aproximadamente 10.000 litros de aire para quemarse, y debe existir algún mecanismo dosificador que permita el ingreso de la mezcla al motor en la proporción correcta. A ese dosificador se le denomina carburador, y se basa en el principio de Vénturi: al variar el diámetro interior de una tubería, se aumenta la velocidad del paso de aire.

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Leyenda

1. Entrada de aire.2. Mariposa del choke.3. Cuerpo del carburador.4. Surtidor de combustible.5. Venturi.6. Mariposa de gases.7. Surtidor de marcha mínima y punzón.8. Chicler de alta.9. Depósito o cuba.10. Flotador.11. Diafragma de inyección.12. Base y punzón.13. Entrada de combustible.14. Emulsionador.15. Inyector.

La carburación tiene por objeto preparar la mezcla de aire con gasolina pulverizada, en proporción tal que su inflamación, por la chispa que salta en las bujías, resulte de combustión tan rápida que sea casi instantánea. Dicha mezcla varía según las condiciones de temperatura del motor y las del terreno por el cual se transita. En el momento del arranque por las mañanas, o cuando se requiere la máxima potencia para adelantar a otro carro, se necesita una mezcla rica en gasolina, mientras que en la marcha normal es suficiente una mezcla pobre, que permita transitar cómodamente y economiza combustible. En ciudades a más de 2.500 metros sobre el nivel del mar la mezcla se enriquece para compensar la falta de oxígeno y evitar que los motores pierdan potencia. Tal procedimiento, si bien mejora la potencia del motor, eleva el consumo y contamina más el aire.

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Los vehículos actuales ya no llevan carburador. La inyección electrónica con cerebro computarizado dejó atrás a los artesanos de la carburación, el flotador y los chicleres, para dar paso a la infalibilidad del microchip. Este sistema supone el uso de un inyector por cada cilindro, con lo que se asegura exactamente la misma cantidad de combustible para todos.

Con el carburador, la cantidad de combustible que pasa a cada cilindro varía según el diseño del múltiple de admisión. Esto hace que a bajas revoluciones algunos cilindros reciban más gasolina que otros, lo que afecta el correcto funcionamiento de la máquina y aumenta el consumo. Según mediciones de la casa alemana Bosch, fabricante de sistemas de inyección, estos utilizan hasta 15% menos combustible que los motores con carburador.

Tanto como el carburador como el sistema de inyección requieren de mantenimiento para funcionar bien. El primero se repara con destornillador y pinzas; el segundo con equipos de igual tecnología que deben ser compatibles con el modelo específico de carro y sistema. El carburador recibe la gasolina de la bomba de combustible. Esta la vierte en un compartimiento especial llamado taza o cuba, que constituye una reserva constante. De ahí pasa por una serie de conductos (chicler de mínima) para mantener el motor en marcha mínima.

Cuando se pisa el acelerador ocurren varios fenómenos simultáneos: uno de ellos es que se fuerza por un conducto milimétrico (o inyector) un poco de gasolina para contribuir en la arrancada. Por otra parte, la mariposa inferior (o de gases) se abre para permitir el rápido acceso de aire que arrastra consigo un volumen de gasolina (el cual ha pasado previamente por un conducto dosificador o chicler de alta), según se haya presionado el pedal. Cuando se aumenta o disminuye el tamaño de ese chicler, las condiciones de rendimiento y consumo varían considerablemente.

Una vez se alcanza la velocidad de crucero (entre 70 y 80 km/h), la mariposa de gases se cierra casi por completo. Es cuando más económica se hace la conducción, puesto que el motor desciende casi al mínimo su velocidad (en revoluciones por minuto) y se deja llevar de la inercia del volante. Si se conduce por encima o por debajo de esa velocidad, el consumo se incrementa.

Quizás la única ventaja que ofrece el carburador es el bajo costo, en el corto plazo, de instalación y mantenimiento. Pero a la vuelta de varias sincronizaciones la situación se revierte y resulta más costosa su operación que el uso de la inyección.

Como se puede observar, en el carburador el Tubo de Venturi cumple una función importantísima como lo es el de permitir el mezclado del aire con el combustible para que se de la combustión, sin lo cual el motor del carro no podría arrancar, de aquí que el principio de este tubo se utiliza como parte importante de la industria automotriz.

En conclusión se puede decir que el Efecto Vénturi en el carburador consiste en hacer pasar una corriente de aire a gran velocidad, provocada por el descenso del pistón por una cantidad de gasolina que esta alimentando por un cuba formándose una masa gaseosa. La riqueza de la gasolina depende del diámetro del surtidor.

En el área de la Limpieza:

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Este tubo también tiene otras aplicaciones como para la limpieza. El aire urbano normal transporta alrededor de 0.0006 granos de materia suspendida por pie cúbico (1.37 mg/m3), lo que constituye un límite práctico para la mayor parte de la limpieza de gases industriales; La cantidad de polvo en el aire normal en las plantas de fabricación con frecuencia es tan elevada como 0.002 g/pie3 (4.58 mg/m3). La cantidad de polvo en el gas de alto horno, después de pasar por el primer captador de polvos es del orden de 10 g/pie3 (22.9 g/m3), al igual que el gas crudo caliente de gasógeno. Todas las cifras de contenido de polvos se basan en volúmenes de aire a 60º F y 1 atm (15.6º C y 101000 N/m2 ).

Aparatos de limpieza

La eliminación de la materia suspendida se realiza mediante lavadores dinámicos de rocío.

El Vénturi de Pease-Anthony. En este sistema, el gas se fuerza a través de la garganta de un Vénturi, en la que se mezcla con rocíos de agua de alta presión. Se necesita un tanque después de Vénturi, para enfriar y eliminar la humedad. Se ha informado de una limpieza de entre 0.1 a 0.3 g/pie3.

Comparativamente, se aplica menos la filtración para limpiar gases; se utiliza de manera extensa para limpiar aire y gases de desecho. Por lo común, los materiales que se utilizan para filtrar gases son tela de algodón o lana de tejido tupido, para temperaturas hasta de 250º F; para temperaturas más altas se recomienda tela metálica o de fibra de vidrio tejida. Los gases que se filtren deben encontrarse bien arriba de su punto de rocío, ya que la condensación en la tela del filtro tapará los poros. De ser necesario, debe recalentarse el gas saturado. A menudo, a la tela se le da forma de "sacos", tubos de 6 a 12 pulg de diámetro y hasta de 40 pie de largo, que se suspenden de un armazón de acero (cámara de sacos). La entrada del gas se encuentra en el extremo inferior, a través de un cabezal al que se conectan los sacos en paralelo; la salida se realiza a través de una cubierta que rodea a todos los sacos. A intervalos frecuentes, se interrumpe la operación de toda la unidad o de parte de ella, para batir o sacudir los sacos, o introducir aire limpio en sentido contrario a través de ellos, para de3aslojar el polvo acumulado, el cual cae hacia el cabezal de admisión de los gases y del cual se remueve mediante un transportador de gusano. Es posible reducir el contenido de polvo hasta 0.01 g/pie3 o menos, a un costo razonable. El aparato también se usa para la recuperación de sólidos valiosos arrastrados por los gases.

Métodos de captación de la energía eólica:

La captación de energía eólica puede dividirse en dos maneras:

Captación directa: La energía se extrae por medio de superficies directamente en contacto con el viento, por ejemplo, molinos de viento y velas.Captación indirecta: Interviene en este caso un elemento intermedio para su captación, por ejemplo la superficie del mar.

Captación Indirecta

La captación indirecta utiliza ya sea máquinas del tipo precedente asociadas a órganos estáticos o bien órganos enteramente estáticos, o bien un fluido intermediario.

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Órgano estático y máquina dinámica: El principio se basa en la utilización de un Tubo de Venturi; Esta disposición permite para una hélice dada y un viento dado, hacer crecer la velocidad de rotación y la potencia, así como también el rendimiento aerodinámico por supresión de las pérdidas marginales. Aplicado directamente a una máquina de eje horizontal el interés es poco, pues este tubo complica considerablemente la instalación. Hay que hacer notar que este Tubo de Venturi en hélices de pocas palas.

Se han propuesto sistemas que utilicen varios Tubos Venturi en serie. Una idea más interesante podría ser la de Nazare que propone un enorme Vénturi vertical que permitiría realizar verdaderas trombas artificiales, sobre todo si esta instalación se hiciese en países cálidos.

Se trata de sistemas que "fabrican el viento" basándose principalmente en las diferencias de temperaturas que existirían en las dos extremidades de la torre. La máquina eólica estaría ubicada en el cuello. Será teóricamente posible desarrollas potencias que irían de los 500 a 1000 MW, empleando torres de 300 a 400 metros de alto. Pareciera que hay muchas dificultades de construir la torre, pero ya en la actualidad en algunas centrales nucleares existen torres de refrigeración aéreas de 150 metros de alto.

Queda por resolver aún los problemas de estabilidad, sobre todo bajo el efecto de los vientos laterales y en particular las interferencias que se producen con los vientos verticales.

Otro tipo de aeromotor que se ha propuesto es una máquina para ser usada con vientos muy fuertes y turbulentos, donde los aeromotores normales fallarían o serían muy caros. Está compuesto por una serie de anillos perforados de forma oval y soportados horizontalmente por una columna vertical central. Los anillos operan de acuerdo al principio de Bernuoilli el cual indica que la presión del fluido a lo largo de una línea de corriente varía inversamente con la velocidad del fluido. Así, por la forma de los anillos, la velocidad del fluido se eleva produciéndose entonces una depresión que produce vacío dentro de la torre, generando una corriente de aire que actúa sobre una turbina acoplada a un generador. Estas máquinas en general son insuficientes, pero servirían en los casos ya indicados. Este tipo de aeromotor es omnidireccional; otros mejorados con perfil alar, no son totalmente omnidireccionales.

Órganos enteramente estáticos

Estos emplean principalmente Tubos de Venturi que modifican la repartición de la presión dinámica y estática. Se han propuesto sistemas que permitan elevar agua agrupando en serie una cierta cantidad de Tubos de Venturi, los que parecerían ser promisorios.

Energía de las olas

Las olas son producidas por los vientos marinos. Es una captación más continua y de mayor potencial por la densidad del fluido. Estimaciones dan que se podría recuperar del orden de 20.000 KWH/año por metro de costa. El principio de la máquina que capta la energía de la ola es fácil de concebir, por ejemplo unos flotadores que al ser levantados transmitan el movimiento alternativo a un eje ubicado a la orilla de la playa por medio de ruedas libres que sólo se puedan mover en un sentido, aunque también podría utilizarse en los dos sentidos complicando el sistema.

Sombrero Vénturi:

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Otra aplicación clara del principio del Tubo de Venturi es el Sombrero de Vénturi.

Principio de funcionamiento:

El aire caliente, que sale por el conducto principal, es arrastrado por el aire frío que ingresa por la parte inferior cuando "choca" contra la tubería produciéndose el efecto de vacío en el extremo del conducto, esta acción logra que este sombrero tenga un alto índice de efectividad, proporcional a la velocidad del viento funcionando en forma óptima con la más leve brisa.

Este tipo de sombrero es especial para zonas muy ventosas como gran parte de nuestro territorio nacional. Largas pruebas fueron realizadas para conseguir efectividad ante condiciones climáticas adversas.

El principio del Tubo de Venturi creando vacío también fue usado creando vacío para un proyecto final de Ingeniería Mecánica que fue titulado "Máquina de corte de Chapas de acero inoxidable por chorro de agua y abrasivos".

Esta aplicación se usó con respecto al sistema de mezclado como dice a continuación: del mezclado del agua y del abrasivo se puede decir: la succión del abrasivo, desde la tolva que lo contiene, se efectúa por vacío (Efecto Vénturi) a través de una placa orificio calibrada, siendo necesaria una depresión de una décima de atmósfera para obtener el caudal adecuado (3,4 gr/s).

{S}El material de construcción más adecuado para el tubo mezclador, con alúmina como abrasivo, es el carburo de boro con carbono 5% (B4C – C 5%). El perfil interior del tubo debe ser suavemente convergente desde la boca de entrada (diámetro 4 mm) hasta la boca de salida (diámetro 0,8 mm). Una mayor longitud del tubo (76 mm) trae aparejado una mejor aceleración de las partículas de abrasivo.

Otra de las aplicaciones que comunmente se ven en la vida diaria pero

no se conocen como tales es en el proceso de pintado por medio de pistolas de pintura. Aquí lo que sucede es igualmente un vacío que al ser creado succiona la pintura a alta presión y permite que salga a la presión adecuada para pintar la superficie deseada.

5. Conclusión

Luego de haber realizado este proyecto se puede decir que el Tubo de Venturi es un dispositivo, el cual puede ser utilizado en muchas aplicaciones tecnológicas y aplicaciones de la vida diaria, en donde conociendo su funcionamiento y su principio de operación se puede entender de una manera más clara la forma en que este nos puede ayudar para solventar o solucionar problemas o situaciones con las cuales nos topamos diariamente.

Para un Ingeniero es importante tener este tipo de conocimientos previos, ya que como por ejemplo con la ayuda de un Tubo de Venturi se pueden diseñar equipos para aplicaciones específicas o hacerle mejoras a equipos ya construidos y que estén siendo utilizados por empresas, en donde se desee mejorar su capacidad de trabajo utilizando menos consumo de energía, menos espacio físico y en general muchos aspectos que le puedan disminuir pérdidas o gastos excesivos a la empresa en donde estos sean necesarios.

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Es indispensable para la parte de diseño tener los conocimientos referidos al cálculo de un Tubo de Venturi, los cuales se pueden realizar haciendo la relación entre los distintos diámetros del tubo, como por ejemplo el de la entrada del tubo, la garganta y la salida del tubo; igualmente teniendo el conocimiento de el caudal que va a entrar en el mismo, o que se desea introducir para cumplir una determinada función (como la de crear vacío) y tomar muy en cuenta las presiones que debe llevar el fluido, ya que esto va a ser el factor más fundamental para que su función se lleve a cabo.

Es fundamental hacer referencia a este trabajo en lo que respecta al diseño de Tubos de Venturi para mejorar la creación y desarrollo de otros proyectos. Esto se puede tener en cuenta, por ejemplo en los proyectos en donde estos puedan ser trancados por problemas ambientales, en donde su diseño cree la proliferación de partículas de polvos, gases o vapores que puedan dañar el medio ambiente y el Ministerio del Ambiente no los apruebe, o que estas mismos gases o partículas dañen a los otro equipos y debido a esto la compañía o empresa no permita la aplicación de dicho proyecto, aun cuando éste produzca mejoras a la misma y una producción más eficaz y eficiente.

Para esto el Tubo de Venturi se puede utilizar, ya que una de las aplicaciones más importantes es la de crear limpieza en el ambiente mediante un mecanismo previamente diseñando.

Finalmente se puede decir que el Tubo de Venturi es un dispositivo que por medio de cambios de presiones puede crear condiciones adecuadas para la realización de actividades que nos mejoren el trabajo diario, como lo son sus aplicaciones tecnológicas.

6. Bibliografía

Avallone, Eugene A. "Manual de Ingeniero Mecánico". Tomo 1 y 2. Novena Edición. Mc Graw Hill. Mexico, 1996.Bolinaga, Juan. "Mecánica elemental de los fluidos". Fundación Polar. "Universidad Católica Andrés". Caracas, 1992.Enciclopedia Salvat, Ciencia y Tecnología. Tomo 12 y 14. Salbat Editores, S.A. Primera Edición. Barcelona, 1964.Mott, Robert. "Mecánica de los Fluidos". Cuarta Edición. Prentice Hall. México, 1996.Vargas, Juan Carlos. "Manual de Mecánica para no Mecánicos". Intermedios Editores. Colombia, 1999.

7. Anexos

El Carburador

La misión del carburador es la de mezclar el aire debidamente filtrado con la gasolina que procede del depósito, formando una mezcla con una proporción adecuada para que pueda quemarse con facilidad en el interior de los cilindros. El carburador debe de formar una mezcla gaseosa, homogénea y bien dosificada. El principio básico de un carburador consiste en hacer pasar aire con una velocidad determinada, produciéndose una depresión que asegura la aspiración por el efecto "VENTURI", una aplicación doméstica de este efecto la tenemos en los antiguos pulverizadores de insecticida. Podemos definir como carburador básico el explicado anteriormente.

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En el interior del carburador la mezcla aire-gasolina se forma por el efecto llamado "VENTURI", que consiste en hacer pasar una corriente de aire a gran velocidad, provocada por el descenso del pistón, por una cantidad de gasolina que está alimentado por una cuba, formándose una masa gaseosa. La riqueza de gasolina depende del diámetro del surtidor.

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos6/tube/tube.shtml#ixzz3JIKkLGRw

MEDIDORES DE CAUDAL

TUBO VENTURI

¿QUÉ ES Y CÓMO FUNCIONA?

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Para medir el gasto que circula en un conducto se utilizan varios procedimientos. Cuando el conducto es un tubo, es frecuente utilizar lo que se llama medidor de agua de Venturi.

Este medidor reemplaza la medida del gasto por la medida de una diferencia de presiones. El medidor de Venturi consiste en dos troncos de cono unidos por un tubo y éste a su vez esta conectado a la conducción por otro tubo, este tubo contiene mercurio y constituye un manómetro diferencial que determina la diferencia de presiones entre esos dos puntos.

Por lo general es una pieza fundida formada por una porción corriente arriba del mismo tamaño que la tubería, forrada de bronce y provista de un anillo piezométrico para medir la presión estática; una región cónica convergente; una garganta cilíndrica forrada de bronce y provista de otro anillo piezométrico; y una sección cónica gradualmente divergente forrada de bronce, la cual desemboca en una sección cilíndrica del tamaño de la tubería. Un manómetro diferencial está conectado a los dos anillos piezométricos. El tamaño del medidor Venturi se da con el diámetro de la tubería y la garganta; por ejemplo, un medidor Venturi de 6 * 4 in puede ser instalado en una tubería de 6” y tiene una garganta de 4”. Para obtener resultados adecuados el medidor Venturi debe ser precedido al menos por una longitud de 10 diámetros de tubería recta. En el flujo de la tubería a la garganta la velocidad aumenta mucho y la presión disminuye en forma correspondiente. Se demuestra que la magnitud de la descarga para flujo incompresible es función de la lectura del manómetro.

Las presiones en la sección corriente arriba y en la garganta son presiones reales y las velocidades de la ecuación de Bernoulli son velocidades teóricas. Si se consideran pérdidas en la ecuación de energía entonces las velocidades serán reales.

FÓRMULAS

En el caso de la hidráulica en donde se tiene en cuenta las pérdidas por fricción, lo más conveniente es desarrollar una ecuación que las contenga.

Después de hacer unos cálculos y unas simplificaciones se puede llegar a las siguientes ecuaciones que hacen

más práctica y rápida la resolución de cierto tipo de problemas.

Q = K ( 12.6 h – Hf )1/2

K = SE [ 2 g / (( dE / dG )4 – 1)]1/2

SE = 0.7854 * dE2

dG = Diámetro en la garganta

dE = Diámetro en la tubería de conducción

h = Diferencia de nivel en el manómetro ( se expresa en metro de mercurio)

Hf = Pérdidas por frotamiento ( se expresa en m )

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Es prudente tener en cuenta que esta ecuación se trabaja en el sistema internacional ( m, s ) y que el líquido manométrico es el mercurio. Las pérdidas de fricción se reportan en unidades de longitud ( m ) puesto que se tratan como una disminución en la cabeza de presión. Esta ecuación se trabaja para flujo incompresible. La descarga depende de la diferencia manométrica sin importar la orientación del medidor de Venturi; no es relevante si el medidor está colocado horizontal, vertical o inclinado.

PRINCIPALES PROBLEMAS

A continuación se presentan dos problema para ilustrar mejor el uso de estas ecuaciones:

DETERMINACIÓN DE CAUDAL

Un medidor de agua de Venturi que tiene un diámetro de 4” en la garganta, está instalado en una tubería de conducción de 12”. En el manómetro diferencial la columna de mercurio sube hasta marcar una diferencia de nivel de 33 cm, habiendo una pérdida por 0.28 m. ¿ cuánto vale el gasto en el medidor ?

Solución:

Como datos se tiene:

dG = 4 pulgadas

dE = 12 pulgadas

h = 0.33 m Hg

Hf = 0.28 m

Se calcula primero el valor de la constante K:

K = SE [ 2 g / (( dE / dG )4 – 1)]1/2

Se tiene : dE / dG = 12 / 4 = 3

Sustituyendo:

(19.6 / (81 –1))1/2 = 0.495

Por otro lado:

SE = 0.7854 * dE2 = 0.073 m2

K = 0.073 * 0.495 = 0.0361

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12.6 h = 12.6 * 0.33 = 4.158 ; ( 4.158 – 0.28)1/2 = 1.97

Por lo tanto :

Q = 0.0361 * 1.97 = 0.0711 m3 / s = 71.1 lt / s

DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS POR FRICCIÓN

Un medidor de agua de Venturi que tiene un diámetro de 4” en la garganta, está instalado en una tubería de conducción de 16”. En el manómetro diferencial la columna de mercurio sube hasta marcar una diferencia de nivel de 42 cm, habiendo un gasto de 0.080 m3 / s. ¿ cuánto vale la pérdida por fricción en el medidor ?

Solución:

Como datos se tiene:

dG = 4 pulgadas

dE = 16 pulgadas

h = 0.42 m Hg

Q = 0.080 m3 / s

Se calcula primero el valor de la constante K:

K = SE [ 2 g / (( dE / dG )4 – 1)]1/2

Se tiene : dE / dG = 16 / 4 = 4

Sustituyendo:

(19.6 / (256 –1))1/2 = 0.277

Por otro lado:

SE = 0.7854 * dE2 = 0.130 m2

K = 0.130 * 0.277 = 0.0360

12.6 h = 12.6 * 0.42 = 5.292

Por lo tanto :

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Q = K ( 12.6 h – Hf )1/2 ; Hf = 12.6 h – (Q / K)2

Hf = 5.292 – 4.938 = 0.354 m

BIOGRAFÍA

GIOVANNI BATTISTA VENTURI

Físico italiano ( Bibiano 1746 – Reggio Emilia 1822). Profesor en Módena y Pavia. En 1813 se dedico a las investigaciones de física. En este ámbito se ocupó en particular de los colores y varias cuestiones de óptica, no obstante, es singularmente reconocido por sus estudios en el campo de la hidráulica.

Mostró en 1797 que la contracción del flujo a la entrada de un tubo cilíndrico, ocasionaba: reducción local de la presión y generación de remolinos. El reemplazo del cilindro por dos secciones cónicas, la cual llamó tobera de conos divergentes y que luego sería llamada como tubo venturi en su honor, elimina los remolinos y por lo tanto incrementa el flujo.

GRÁFICOS

 

Tubo venturi

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Una tobera es un dispositivo que convierte la energía térmica y de presión de un fluido (conocida como entalpía) en energía cinética. Como tal, es utilizado en turbomáquinas y otras máquinas, como inyectores, surtidores, propulsion a chorro, etc. El fluido sufre un aumento de velocidad a medida que la sección de la tobera va disminuyendo, por lo que sufre también una disminución de presión y temperatura al conservarse la energía. Existen diseños y tipos de tobera muy usados en diferentes campos de la ingeniería, como la de Laval, Rateau, Curtis, etc.1

Índice

1 Tobera De Laval 2 Estudio matemático de la tobera ideal 3 Toberas magnéticas 4 Referencias 5 Véase también

Tobera De Laval

Gustav de Laval estudió el flujo supersónico en toberas y resolvió el problema de aceleración máxima dentro de la tobera llegando al diseño de toberas con sección convergente-divergente en las que se logra un flujo sónico M = 1 (M = número de Mach) en la garganta para posteriormente expandir la tobera y lograr flujos supersónicos M > 1.

Estas toberas deben tener una expansión adecuada para evitar la generación de ondas de choque o de contracción dentro del flujo.

La tobera es la encargada de convertir energías, adaptando las presiones y velocidades de los gases eyectados. Son de uso común a régimen de vuelo subsónico (M<1) y supersónico (M>1). En el caso supersónico se hace necesaria la existencia de un sistema de ondas de choque al inicio del difusor de entrada para decelerar el fluido y así producirse la combustión en condiciones óptimas. La tobera que usan los cohetes experimentales se denomina De Laval y los flujos que recorren dicha tobera se consideran compresibles al moverse a velocidades supersónicas, por lo que, las diferentes secciones transversales, producen durante el avance de los gases, variaciones en la densidad y en la velocidad del fluido. Todo ello está supuesto para condiciones de flujo isoentrópico, es decir, condiciones adiabáticas y sin rozamiento. En la práctica, no existe la condición de flujo isentrópico ideal, por lo que se aplica un coeficiente de rendimiento que ajusta el cálculo.

La ley de la conservación de la energía se encarga de aumentar la velocidad en el cono de salida, no por cumplimiento de la dinámica de fluidos, ya que aquí aparecen como compresibles, sino por la conservación del producto «Velocidad x Temperatura».

Estudio matemático de la tobera ideal

Idealmente las transformaciones del fluido en una tobera cumplirían las siguientes condiciones:

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Son isoentrópicas (se trataría de un proceso reversible, sin pérdidas), y por tanto adiabáticas (no hay una transmisión de calor del fluido a la tobera o al exterior).

Se mantendría en régimen estacionario (con lo cual, el flujo másico de fluido (compresible) que se desplaza a lo largo de la tobera permanecería constante todo a lo largo de la misma).

Por tanto se deben cumplir en cualquier punto de la tobera las siguientes dos condiciones:

(1)

donde h es la entalpía y c la velocidad del fluido.

(2)

donde G es el gasto másico en cualquier punto (constante); ρ, la densidad del fluido en ese punto; y A, la sección de paso en ese mismo punto.

De las anteriores ecuaciones se deduce que:

(3)

donde a es la velocidad del sonido:

(4)

donde Cp y Cv son las capacidades caloríficas del fluido a presión y volumen contantes, respectivamente; p es la presión del fluido en ese punto.

La ecuación (3) nos puede dar una indicación del perfil que debe tener la tobera. Si se desea que la velocidad del fluido aumente a lo largo de ella, se debe cumplir que dc>0. Entonces:

Si c<a (lo que ha de ocurrir al principio, en que el fluido empieza teniendo poca velocidad), entonces dA<0, es decir: mientras la velocidad sea menor que la del sonido, para que el fluido siga acelerándose, la sección ha de ir disminuyendo. Es lo que se denomina la parte convergente de la tobera.

Si c>a ( esto ocurrirá si el fluido se acelera lo suficiente como para superar la velocidad del sonido), entonces dA>0. Es decir, si el fluido supera la velocidad del sonido, para que siga acelerándose, la sección de la tobera ha de ser creciente. Es lo que se denomina la parte divergente de la tobera.

Entre la parte convergente y divergente de una tobera, existe un punto en que se cumple que dA=0 (la sección permanecería constante) y en ese punto, denominado garganta de la tobera, la velocidad del fluido es la del sonido c=a (se entiende que para ese fluido en esas condiciones).

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Las conclusiones son que para empezar la aceleración de un fluido, la tobera necesariamente ha de ser convergente en su primera sección, pero si se quiere que la velocidad del fluido supere la del sonido, debe tener una segunda sección divergente. En el punto entre ambas secciones, llamado garganta de la tobera, la velocidad del fluido es la del sonido.

Suponiendo que el fluido cumple la Ley de los gases ideales ( ) podríamos obtener la velocidad en cada punto de la tobera en función de la presión, según la ecuación:

(5)

A partir de la ecuación anterior, podríamos hallar cuál debe ser la presión en la garganta de la tobera:

(6)

donde es la presión inicial del fluido a la entrada de la tobera y γ es característica del fluido en cuestión. De este modo se puede determinar el valor de la presión en la garganta para cualquier fluido. Por ejemplo:

Para el aire:

Para el vapor de agua seco:

Toberas magnéticas

Una alternativa al uso de toberas materiales para la aceleración de un plasma en aplicaciones de propulsión espacial eléctrica y de procesado avanzado de materiales con haces de partículas es emplear un campo magnético que confina, expande y acelera el chorro de plasma que proviene de una fuente adecuada, constituyendo así una tobera magnética.

MEDIDOR DE CAUDAL:

Un medidor de caudal o de tasa es un aparato que determina, generalmente una medida única, la cantidad (peso volumen) por unidad de tiempo que pasa por una sección transversal dada. Dentro de los diferentes medidores de caudal se incluyen los orificios, el medidor venturi, el rotámetro, el vertedero y la tobera.

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flujo interno a través de una tobera generalizada, donde se muestra un volumen de control.

La mayoría de los medidores de caudal (Q) para flujos internos funcionan a base de permitir la aceleración de una corriente de fluido a través de algún tipo de tobera. La separación del flujo en la arista afilada de la garganta de la tobera da lugar a que se forme una zona de recirculación ( señalada con las líneas punteadas) aguas abajo de la tobera. La corriente principal del flujo se acelera aún más después de que pasa a través de la garganta formando una sección contraída (sección 2) y después se expande disminuyendo su velocidad para llenar todo el conducto. En la sección contraída el área del flujo adquiere su valor mínimo, las líneas de corriente del flujo son esencialmente rectilíneas, y en la zona transversal del canal la presión es uniforme.

Siempre que una empresa fabrique un medidor, debe proporcionar información sobre la instalación o funcionamiento de estos equipos comerciales. En su fabricación deben tenerse en cuenta las normas ASME(en estas normas tobera, venturi y orificio son prácticamente sinónimos con el término de medidor de flujo), las VDI las ISO y ISA que proporcionan el índice de calidad de cada una de estas estructuras, como también las restricciones que se deben tener para su comercialización y fabricación.

LA TOBERA

las toberas son de dos tipos , las de radio grande y las de radio pequeño (denominadas toberas ISA 1932 [30, 31]). La tobera, con su entrada suave redondeada, elimina prácticamente la vena contracta y da coeficientes de descarga (Cd) próximos a la unidad. Las pérdidas no recuperables siguen siendo grandes, ya que, no hay difusor para la expansión gradual posterior.

Éstas se pueden utilizar como elementos medidores de caudal tanto en conductos (tuberías) como en cámaras impelentes y se instalan con brindas roscadas con un macho, de acuerdo con las normas ASME o con otras especificaciones de normas.

Si se requiere instalar un medidor de caudal (Q) aguas abajo de una válvula, de un codo o de otro accesorio, se debe colocar también un tramo rectilíneo de tubería entre el accesorio y el medidor; para las toberas se pueden necesitar un tramo de tubería rectilínea hasta de 4 veces el diámetro.

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La tobera cuesta menos que el medidor venturi. Tiene la desventaja de que las pérdidas totales son mucho más grandes debido a la falta de guía del chorro aguas abajo de la abertura de la tobera.

FLUJO EN TOBERAS.

El flujo de cualquier fluido por una tobera, cualquiera que sea el caudal (Q), puede expresarse por:

Q = Cd A (2gn hL)

Este caudal puede tener un considerable efecto en la cantidad descargada a través de una tobera. El factor corrector para éste es:

. 1/ (1- 4)

que prácticamente puede incorporarse a la primera ecuación, de aquí se deduce que:

Q = (Cd A/ (1- 4))*(2gn hL)

donde: . Cd/ (1- 4) = C

definida como coeficiente de flujo.

está dada por D1/D2, donde D1 es el diámetro interno de la tubería y D2

es el diámetro de la abertura de la tobera.

El coeficiente de descarga (Cd) para las toberas de radio grande recomendado por la ISO es:

Cd 0.9965 – 0.00653 1/2 (106 / ReD1)1/2

= 0.9965 – 0.00653 (106 / ReD2)1/2

Para toberas de radio corto, ISA 1932, se recomienda una correlación semejante:

Cd 0.9900 – 0.22624.1 +

+(0.000215– 0.001125 + 0.00249 4.7 )*

*(106 / ReD1)1.15

Las toberas tienen entre 0.2 y 0.8.

Para que tenga un mejor entendimiento en la siguiente figura se muestra una tobera de flujo ISA (Instrument Society America, Sociedad Americana Industrial) (originalmente tobera de flujo VDI).

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Si se va a utilizar el coeficiente C dado por la figura, es importante cumplir con las dimensiones mostradas, particularmente en lo referente a la localización de las aberturas piezométricas para medir la caída de presión.

La siguiente es una tobera suave recomendada por la referencia [31] de ISO:

Los valores del coeficiente de flujo C se pueden hallar utilizando una gráfica que relaciona C, Re (#de Reynolds) y el diámetro de la tubería y de la tobera. *(1 A). El uso de este coeficiente C elimina la necesidad de calcular (Q).

Haciéndose un pequeño paréntesis se agrega que:

(2gn hL) = ( 2(p1 –p2))

Luego de todo el análisis anterior la ecuación se reduce a:

Q = C A (2 P) ... (1)

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COEFICIENTE DE FLUJO C PARA TOBERAS

(GRÁFICA 1A )

Los valores de P es la diferencia de presión entre dos agujeros roscados en la tubería, estos están situados a 1 diámetro antes de 0.5 diámetros después del plano de cara de entrada de la tobera. Esto sucede cuando los valores de C se toman de la gráfica (1A )

El coeficiente del flujo C se representa a partir de los diferentes números de Reynolds, basados en los diámetros internos de la tubería de entrada.

La elección de cualquier medidor ya sea tobera, venturi u orificio, depende de la pérdidas y del costo :

Como ocurre a menudo, el producto de las pérdidas por el coste inicial es aproximadamente constante.

a. Instalación de cámaras impelentes de distribución:

Para este tipo de instalaciones, la velocidad V1 resulta esencialmente cero de tal modo que D1 y =0.

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Las toberas para instalaciones en cámaras impelentes se pueden fabricar utilizando aluminio centrifugado, fibra de vidrio o algún otro material de bajo costo. De este modo resultan simples y baratas de fabricar e instalar. Dado que la presión en la cámara impelente o de distribución es igual a P2, la localización de la tobera para medir la presión en la zona aguas abajo no representa ninguna dificultad. Se pueden instalar varias toberas en una cámara con objeto de obtener mediciones apropiadas para un alto intervalo de (Q). Para caudales pequeños, se pueden tapar la mayor parte de las toberas con pelotas de hule o algún otro objeto similar. Para grandes gastos (Q), se pueden emplear mayor número de toberas.

La gama de valores comunes para coeficientes de velocidad de toberas utilizadas en cámaras impelentes es 0.95<C<0.99; los valores mas grandes corresponden a los números de Reynolds mas altos. Se puede entonces calcular el caudal masivo con una aproximación + 2% utilizando la ecuación (1) con C= 0.97.

b. Instalación de tuberías:

la ecuación (1) se debe utilizar como un valor experimental para C en el cálculo de Q a través de una tobera instalada en una tubería.

El coeficiente de flujo C en este caso, resulta una función tanto de número de Reynolds como razón de diámetros. Así, para caudales (Q) grandes , estos se pueden calcular directamente. Para Q menores, siendo C una función débil del número de Reynolds, puede necesitarse efectuar un proceso de iteración.

En algunas configuraciones, C puede tomar valores mayores que la unidad. La razón para esto, es que, el coeficiente de flujo incluye el factor de

Q. 1/ (1- 4)

el cual siempre es mayor que uno.

Las toberas de medición pueden considerarse como intermedias entre placas con orificios y medidores venturi, tanto en costo como en facilidad de instalación. La perdida de carga que ellos ocasionan resulta menor que la correspondiente a un orificio con la misma razón de diámetros debido a que está presente la vena contracta.

FLUJO DE LÍQUIDOS:

Para las toberas que descargan fluidos incompresibles a la atmósfera, los valores de C pueden tomarse de la gráfica *(1ª) si P se toman como la presión manométrica en la ecuación (1) desarrollada anteriormente.

FLUJO DE GASES Y VAPORES:

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La descarga de fluidos compresibles en toberas puede expresarse mediante la misma ecuación usada para líquidos, excepto que deber incluirse el factor de expansión neto “Y”.

Q = Y C A (2P) ... (2)

El factor de expansión Y es función de:

        la relación de calores específicos (k)

        la relación () entre la tobera o el diámetro de garganta y el diámetro de entrada.

        Relación entre las presiones absolutas de salida y de entrada.

Este factor ha sido determinado experimentalmente para el aire, que tienen una relación de calores específicos de 1.4 * (2 A) y para el vapor de agua, con relaciones de calores específicos aproximados a 1.3 *( 2 B )

FACTOR NETO “y” PARA FLUJO COMPRESIBLE EN TOBERAS

, K = 1.3 aproximadamente

(GRÁFICA 2 A )

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( GRÁFICA 2 B)

 

La relación de calores específicos (K) puede variar ligeramente para diferentes presiones y temperaturas, para la mayor parte de los problemas prácticos los valores dados proporcionan resultados muy aproximados (en la literatura se encuentran valores de (K) para muchos de los vapores y gases mas comunes).

La última ecuación se aplica a toberas que descargan fluidos compresibles a la atmósfera pero sólo si la presión absoluta de entrada es menor que la presión atmosférica absoluta dividida por la relación crítica de presiones rc.

FLUJO MÁXIMO DE FLUIDOS COMPRESIBLES EN UNA TOBERA:

(Para este tema no se hará una gran profundización, ya que no pertenece al caso de trabajos con líquidos.)

Una tobera ligeramente convergente tiene la propiedad de poder conducir un fluido compresible hasta la velocidad del sonido a través de su sección recta mínima o garganta, si la caída de presión disponible es suficientemente alta. La velocidad del sonido es la velocidad máxima que puede alcanzarse en la garganta de una tobera (velocidades supersónicas se consiguen en una sección gradualmente divergente a continuación de la tobera convergente, cuando la velocidad del sonido se alcanza en la garganta).

La relación crítica es la relación mayor entre presiones de salida y entrada capaz de producir la velocidad del sonido. * ( 2 C)

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Las presiones críticas (rc) depende de la relación del diámetro de la tobera al

diámetro de entrada, así como la relación de calores específicos.

El flujo en toberas está limitado por la relación crítica de presiones y los valores mínimos de Y.

RELACIÓN CRÍTICA DE PRESIONES rc PARA FLUJO COMPRESIBLE EN TOBERAS

La ecuación (2) puede usarse para descarga de fluidos compresibles en toberas a la atmósfera, o a una presión corriente abajo inferior a la indicada por la relación crítica de presiones rc, utilizando los valores mínimos de:

Y : mínimo gráfica 2 C

C : de la gráfica 1 A

p: P1(1 – rc); rc de la gráfica 2 C.

: densidad en las condiciones de entrada.

En los tiempos de hoy los medidores de caudal son muy sofisticados y con una alta tecnología, donde los fabricantes deben siempre tener en cuenta las sugerencias básicas de las diferentes normas existentes; muchos de los medidores de caudal tradicionales como el descrito en este artículo, han sido desplazados o mejorados por la tecnología de hoy. Sin embargo, para un análisis muy sencillo de caudales en cierto tramo de tubería (según el alcance del proyecto que tenga cierta institución de investigación o empresarial), es muy fácil hacerlo con los equipos

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tradicionales ya que posee una alta información en libros y revistas, como también su bajo costo en comparación con los mas sofisticados.

Hay que tener en cuenta que para el aprendizaje de estudiantes universitarios las instituciones prefieren este tipo de equipos para su enseñanza; ¿Porqué?, la respuesta es sencilla, por las razones dadas anteriormente: costo, facilidad de información y manejo.

MEDIDORES DE FLUJO

OBJETIVOSMostrar a los alumnos la operación de los medidores de Orificio, Venturi.Analizar la variación del coeficiente de descarga del orificio con el número de Reynolds.

INTRODUCCIÓNEn la actualidad la medición del flujo es la variable más importante en la operación de una planta, sin esta medida el balance de materia, el control de calidad y la operación misma de un proceso continuo serían casi imposibles de realizar.Existen muchos métodos confiables para la medición de flujo, uno de los más comunes es el que se basa en la medición de las caídas de presión causadas por la inserción, en la línea de flujo, de algún mecanismo que reduce la sección; al pasar el fluido a través de la reducción aumenta su velocidad y su energía cinética; las placas de orificio y el Venturi estudiados en esta práctica pertenecen a esta clase.

FUNDAMENTOS TEORICOSMedidores de orificioSon dispositivos que consisten en una reducción en la sección de flujo de una tubería, de modo que se produzca una caída de presión, a consecuencia del aumento de velocidad.

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Haciendo un balance de energía entre el orificio (punto 1) y la sección posterior al orificio (punto 2), despreciando las pérdidas por fricción tenemos:

.....(1)

Para un fluido incomprensible y de la ecuación de continuidad:

.................................(2)

Sustituyendo 2 en 1:

.......(3)

Despejando v1 y sabiendo que D1 = Dorificio

........(4)

En caso de que se consideren las pérdidas de fricción, es necesario agregar el coeficiente de orificio Co, teniendo lo siguiente:

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....(5)

Siendo v1: velocidad en el orificio.Si se requiere conocer el Caudal:

.....(6)

Co: Coeficiente de orificio o coeficiente de descarga para el caudal. Este coeficiente varía entre 0.6 y 0.62 para orificios concéntricos de bordes afilados y si el Número de Reynolds es mayor de 20 000 y si la toma posterior está en la vena contracta.D0: Diámetro de orificio.D2: Diámetro de la tubería.

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Usualmente el diámetro del orificio está entre 50 y 76% del diámetro de la tubería. La toma corriente arriba debe quedar a una distancia correspondiente a un diámetro de la tubería de la cara del orificio y la de corriente abajo a una distancia de 0.5 del mismo diámetro, D2.En los medidores instalados la manera más simple de obtener la caída de presión consiste en el empleo de un manómetro diferencial en “U”.La pérdida de carga o pérdidas permanentes por fricción se obtienen por:

...(7)

Para gases la ecuación debe modificarse mediante un factor empírico que, para el caso de comportamiento ideal es:

....(8)

Siendo K la relación de las capacidades caloríficas a presión y volumen constantes.

....(9)

Por lo tanto:

....(10)

Las ecuaciones anteriores se aplican cuando las tomas de presión están situadas en las bridas, 1 diámetro de la tubería antes de la placa y 0.5 diámetro después, si la toma posterior está situada después de la vena contracta se utiliza un factor K que es función de la relación para Reynolds mayores de 20 000.

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Donde:

....(11)

Tubo Venturi

Este medidor fue inventado por Clemens Herschel en 1881 y lleva el nombre de Venturi por el científico italiano que fue el primero en experimentar en tubos divergentes.Este medidor es el más exacto teniendo una mínima pérdida de presión perma-nente y permitiendo el paso de 1.6 veces más el flujo que la placa de orificio.El aparato está formado por tres secciones principales, una convergente con ángulo menor a 7°, una sección intermedia que constituye la garganta o estrechamiento y una divergente.

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La ecuación para obtener la velocidad se deduce de manera similar a la de un medidor de orificio.

...(12)

v1: velocidad en la garganta.D1: Diámetro de la garganta.D2: Diámetro de la tubería.Cv: Coeficiente de descarga; su valor medio es de 0.98.Las pérdidas de presión no recuperables son del 10% de la caída de presión marcada en el manómetro diferencial.

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Existen otros medidores de flujo como:

RotámetroConsiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un tubo vertical ligeramente cónico con el extremo de menor diámetro en la parte inferior.

El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la base del flotador; al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de flujo por el área anular, área formada entre el flotador y la pared del tubo y será tal que la caída de presión en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de gravedad y el peso del flotador, en ese momento el flotador permanece estacionario en algún punto del tubo.

La pérdida de presión se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo.Entonces para cada flujo. El flotador alcanza una altura determinada. El tubo cónico lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo máximo. Los rotámetros no necesitan tramos rectos de tubería antes y después del punto donde se instalan.

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La ecuación correspondiente al flujo ó caudal (Ca) viene dada por:

....(14)

Cada magnitud tiene el significado indicado en la figura anterior y K es el coeficiente del rotámetro.Generalmente el rotámetro se calibra con el fluido para el cual se empleará como medidor del caudal. Sin embargo, si se calibra con un fluido A de densidad A y después se emplea para medir el caudal de otro fluido B de B, la relación de caudales viene dada por:

....(15)

Medidor anular de flujo

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Este medidor es una variable simple del medidor de placa de orificio, que tiene como particularidad permitir que el fluido pase a través de una sección anular, por lo tanto se encuentra entre ambos respecto a su caída de presión permanente.Consiste en un cuerpo agudo localizado en el centro de un tubo de flujo y que permite al fluido pasar a través de un ánulo provocándose una contracción del área de flujo en la tubería. Esta contracción da como resultado una caída de presión, la cual puede ser medida en un manómetro diferencial. Los coeficientes obtenidos en función del número de Reynolds se grafican en la figura 7.

La ecuación fundamental es similar a la de los medidores tradicionales, es decir, basados en un balance de energía entre dos puntos situados, uno en la vena contracta (2) y otro corriente arriba (1).

La ecuación obtenida a partir del balance entre estos puntos es:

....(16)

Donde:v1 : velocidad en la tubería.CA : Coeficiente de descarga del medidor anular.

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DP: Diferencia de presiones entre los puntos (1) y (2).r : densidad del fluido.S1 y S2: Superficie transversal del tubo y del ánulo, respectivamente.gc : factor de conversión.

Técnica de operación

1. Llenar el tanque de alimentación hasta dos terceras partes de su capacidad.2. Acoplar el motor a la bomba que se va a utilizar.3. Verificar que el tanque receptor tenga capacidad de recepción para recibir lo que se va a bombear.4. Alinear la tubería de manera de usar sólo la línea de 2 pulg.5. Poner a funcionar la bomba y medir la cantidad de agua bombeada en un cierto tiempo usando el indicador de nivel del tanque de alimentación y un cronómetro.6. Al mismo tiempo tomar las lecturas de los manómetros diferenciales.7. Medir las distancias a las que se encuentran colocadas las tomas de presión en los medidores orificio y venturi.8. La operación se repite varias veces modificando el flujo con la válvula de descarga de la bomba empleada.

Datos: Diametro del orificio: D0 = 2.635 cmDiametro de la garganta del Venturi Dv = 2.0 cm

Precauciones

Verificar que durante el llenado de los tanques de alimentación y descarga no ocurran derrames de agua.Cualquier maniobra en las proximidades de los tubos de nivel o de los tubos de los manómetros diferenciales instalados junto a los medidores de flujo, debe hacerse cuidadosamente debido a los riesgos de ruptura de los mismos.

Contenido del informe

El alumno entregará al profesor lo siguiente:a. El cuestionario resuelto.b. Los datos obtenidos durante la práctica.c. A partir de los datos experimentales el valor de los coeficientes de Orificio y Venturi.d. El coeficiente de orificio y venturi a partir de correlaciones y su comparaciones con los experimentales.e. Las pérdidas permanentes de presión para los medidores de Orificio y Venturi.f. Conclusiones y recomendaciones.

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Se tienen los siguientes datos en un tubo de Venturi. El radio del tramo izquierdo de la tubería es 15 centímetros, el radio del tramo derecho de la tubería es igual a 5 centímetros, y no existe desnivel entre ambos tramos. El manómetro indica una diferencia de presión de 1275 Pa. Determino la velocidad del fluido en ambos tramos de la tubería.

Solución:

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Aplicaremos la ecuación del contador de Venturí para calcular la velocidad en un tramo del tubo.

Ahora utilizaremos la ecuación de la continuidad para el cálculo de la velocidad en la otra parte del tubo.

Problema de Transferencia

1- En un tubo de Venturi se tiene que un área de la sección transversal es de 45 cm2 en la sección más ancha y de 10 cm2 en la parte más angosta. Por el tubo fluye agua y su descarga es de 5 x 1 n-3 m3js, o sea 5L/s. Calculo:

a) Las velocidades en los dos tramos, en la parte ancha y en el estrecho. b) la diferencia de presión entre los dos tramos.

Conclusión

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos66/efecto-venturi/efecto-venturi2.shtml#ixzz3JKhwsWp8

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