Efecto Venturi

El caso límite del efecto Venturi se produce cuando un fluido alcanza el estado de flujo crítico , donde su velocidad se aproxima a la velocidad local del sonido. En un sistema de fluidos en estado de flujo crítico, una disminución adicional de la presión aguas abajo no provocará un aumento de la velocidad, a menos que el fluido se comprima.

El caudal másico de un fluido compresible aumenta con la presión aguas arriba, lo que incrementa la densidad del fluido a través de la constricción (aunque la velocidad se mantiene constante). Este es el principio de funcionamiento de una boquilla de Laval . El aumento de la temperatura de la fuente también puede incrementar la velocidad sónica local, permitiendo así un mayor caudal másico.

La ecuación de Bernoulli es invertible, y la presión debería aumentar cuando un fluido disminuye su velocidad. Sin embargo, si existe una dilatación que reduce el diámetro del tubo, es más probable que aparezca turbulencia, y la desviación del teorema aumentará. Generalmente, en los tubos Venturi, la presión en la entrada se compara con la presión en la sección media, pero no con la de la salida.

El aparato más sencillo es un dispositivo tubular conocido como tubo Venturi o simplemente Venturi (plural: "Venturis" o, en ocasiones, "Venturies"). El fluido fluye primero a través de un tramo de tubo convergente y luego, a menudo, fluye hacia un tubo divergente. Para evitar una resistencia aerodinámica excesiva , un tubo Venturi suele tener un cono de entrada de 30 grados y un cono de salida de 5 grados. ^{[ 1 ]}

Los tubos Venturi se utilizan con frecuencia en procesos donde la pérdida permanente de presión no es tolerable y donde se necesita la máxima precisión en el caso de líquidos de alta viscosidad.

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

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

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

entonces $${\displaystyle Q=A_{1}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{\left({\frac {A_{1}}{A_{2}}}\right)^{2}-1}}}}=A_{2}{\sqrt {{\frac {2}{\rho }}\cdot {\frac {p_{1}-p_{2}}{1-\left({\frac {A_{2}}{A_{1}}}\right)^{2}}}}}}$$ Un Venturi también puede utilizarse para mezclar un líquido con un gas. Si una bomba impulsa el líquido a través de un tubo conectado a un sistema compuesto por un Venturi que aumenta la velocidad del líquido (disminuyendo su diámetro), un tramo corto de tubo con un pequeño orificio y, finalmente, un Venturi que disminuye la velocidad (abriendo el tubo), el gas será aspirado a través del orificio debido a los cambios de presión. Al final del sistema, se obtendrá una mezcla de líquido y gas. Consulte la sección sobre aspiradores y cabezales de presión para obtener más información sobre este tipo de sifón .

Cuando un fluido fluye a través de un Venturi, la expansión y compresión del mismo provocan cambios en la presión dentro del Venturi. Este principio se puede utilizar en metrología para manómetros calibrados para presiones diferenciales. Este tipo de medición de presión puede resultar más conveniente, por ejemplo, para medir la presión del combustible o de la combustión en motores a reacción o de cohetes.

Los primeros medidores Venturi a gran escala para medir flujos de líquidos fueron desarrollados por Clemens Herschel, quien los utilizó para medir flujos pequeños y grandes de agua y aguas residuales a partir de finales del siglo XIX. ^{[ 3 ]} Mientras trabajaba para la Holyoke Water Power Company , Herschel desarrolló 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 después describiría su invención del medidor Venturi a William Unwin en una carta fechada el 5 de junio de 1888. ^{[ 4 ]}

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

• Durante el reabastecimiento en alta mar, el timonel de cada barco debe mantenerse constantemente alejado del otro debido al efecto Venturi; de lo contrario, colisionarán.
• Eductores de carga en buques tanque para productos petrolíferos y químicos
• Los respiradores mezclan aire y gas inflamable en parrillas , estufas de gas y mecheros Bunsen.
• Los aspiradores de agua producen un vacío parcial utilizando la energía cinética de la presión del agua del grifo.
• Los sifones de vapor utilizan la energía cinética de la presión del vapor para crear un vacío parcial.
• Los atomizadores dispersan perfume o pintura en aerosol (es decir, proveniente de una pistola pulverizadora o un aerógrafo ).
• Los carburadores pueden aprovechar este efecto para forzar la entrada de gasolina en la corriente de aire de admisión del motor, aprovechando la diferencia de presión entre ese punto y el inicio de la pared convergente (que alimenta la cuba del flotador). En otros carburadores, la presión del aire ambiente puede alimentarse a la cuba del flotador, en cuyo caso el efecto se basa en el principio de Bernoulli .
• Las culatas de los motores de pistón tienen múltiples zonas Venturi, como el asiento de la válvula y la entrada del puerto, aunque estas no forman parte de la intención del diseño, sino que son simplemente un subproducto y cualquier efecto Venturi carece de una función específica.
• Los aireadores de vino infunden aire en el vino al servirlo en una copa.
• Los skimmers de proteínas filtran los acuarios de agua salada.
• Los limpiafondos automáticos utilizan el flujo de agua a presión para recoger sedimentos y residuos.
• Los clarinetes utilizan una conicidad inversa para acelerar el aire a través del tubo, lo que permite un mejor tono, respuesta e entonación ^{[ 5 ].}
• El tubo principal de un trombón , que afecta al timbre.
• Las aspiradoras industriales utilizan aire comprimido.
• Los depuradores Venturi se utilizan para limpiar las emisiones de gases de combustión.
• Los inyectores (también llamados eyectores) se utilizan para añadir gas cloro a los sistemas de cloración para el tratamiento del agua.
• Los inyectores de vapor utilizan el efecto Venturi y el calor latente de evaporación para suministrar agua de alimentación a la caldera de una locomotora de vapor .
• Las boquillas de chorro de arena aceleran una mezcla de aire y abrasivo.
• El agua de sentina se puede vaciar de una embarcación en movimiento a través de una pequeña compuerta en el casco. La presión del aire dentro de la embarcación en movimiento es mayor que la del agua que se desliza por debajo.
• Un regulador de buceo utiliza el efecto Venturi para ayudar a mantener el flujo de gas una vez que comienza a fluir.
• En los rifles sin retroceso para disminuir el retroceso del disparo
• El difusor de un automóvil
• Los coches de carreras utilizan el efecto suelo para aumentar la carga aerodinámica y, por lo tanto, ser capaces de alcanzar mayores velocidades en las curvas.
• Dosificadores de espuma utilizados para introducir concentrado de espuma extintora en los sistemas de protección contra incendios.
• Los compresores de aire Trompe introducen aire en una columna de agua descendente.
• Los tornillos en algunas marcas de marcadores de paintball
• Los túneles de viento de baja velocidad pueden considerarse Venturi muy grandes porque aprovechan el efecto Venturi para aumentar la velocidad y disminuir la presión para simular las condiciones de vuelo previstas. ^{[ 6 ]}

• El Hawa Mahal de Jaipur también utiliza el efecto Venturi, permitiendo el paso del aire fresco y haciendo que toda la zona sea más agradable durante las altas temperaturas del verano.
• Grandes ciudades donde el viento se cuela entre los edificios: el espacio entre las Torres Gemelas del World Trade Center original fue un ejemplo extremo de este fenómeno, que hizo que la plaza a nivel del suelo fuera notoriamente azotada por el viento. ^{[ 7 ]} De hecho, algunas ráfagas eran tan fuertes que el tránsito peatonal requería la ayuda de cuerdas. ^{[ 8 ]}
• En el sur de Irak, cerca de la moderna ciudad de Nasiriyah , se ha descubierto una estructura de canalización de 4000 años de antigüedad en el yacimiento arqueológico de Girsu . Esta construcción, obra de los antiguos sumerios, canalizaba el contenido de un canal de diecinueve kilómetros a través de un estrechamiento para desviar el agua hacia tierras agrícolas desde una fuente más elevada de la que habría sido posible sin el canal. Una excavación reciente realizada por arqueólogos del Museo Británico confirmó el hallazgo.

• En pasos de montaña ventosos, lo que da lugar a lecturas erróneas del altímetro de presión ^{[ 9 ].}
• El viento mistral en el sur de Francia aumenta su velocidad a su paso por el valle del Ródano .