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Technical Documents - Documentos Técnicos: tobera, tubo Venturi, tubos de Pitot

Ecuación de Bernoulli

El teorema o ecuación de Bernoulli es una relación fundamental para entender el funcionamiento de la circulación del agua en tuberías o mangueras.

Para deducir el mismo aplicaremos el principio trabajo y energía: "El trabajo aplicado a un sistema por fuerzas externas al mismo se emplea en variar la energía total del mismo"

 

Cuando un fluido está en movimiento, su flujo puede caracterizarse como uno de dos tipos principales: Fluido estable o laminar y fluido no estable o turbulento. Se dice que el flujo será laminar o estable si cada partícula del fluido sigue una trayectoria uniforme, por lo que las trayectorias de diferentes partículas no se cruzan entre sí. Si el flujo es constante la velocidad del fluido en cualquier punto se mantiene constante en el tiempo.

Consideremos un fluido que circula por una tubería de sección variable la cual varia su altura respecto a un plano de referencia desde la altura z1 a z2, tal como se representa en la figura anterior. Considere el flujo incompresible y que circula sin rozamiento. Inicialmente el fluido se encuentra entre los puntos 1 y 2, al cabo de un cierto tiempo Δt, el fluido se habrá movido y estará comprendido entre los puntos 1´ y 2´.

La variación debida al movimiento es como si el volumen de fluido comprendido entre 1 y 1´ que se encontraba a una cota z1 y poseía una velocidad v1, se ha elevado a la altura z2 y ahora posee una velocidad v2.

Es posible demostrar utilizando el hecho que la masa se conserva v1A1=v2A2. Lo cual señala que en el caso de un fluido incompresible, el producto del área y de la velocidad del fluido en todos los puntos a lo largo del tubo, por donde se mueve el fluido, es una constante.

Sea Δm = ρΔV masa de la porción de fluido comprendida entre 1 - 1´ y 2 - 2´.

La variación de energía potencial que ha experimentado Δm, es igual a:

ΔEp = Δm g z2 - Δm g z1 = ρΔV g (z2 - z1)

Y la variación de la energía cinética:

Para que se produzca el movimiento del fluido situado en el volumen 1 - 1´, el fluido situado a la izquierda del mismo ejerce una fuerza F1, hacia la derecha de valor:

F1= P1 A1

Donde:

P1 : es la presión estática en 1

A1 : es la sección del tubo en 1

Al mismo tiempo el fluido que precede al comprendido entre 2 - 2´ ejerce una fuerza F2 hacia la izquierda de valor:

F2= P2A2

Donde:

P2 : es la presión estática en 2

A2 : es la sección del tubo en 2.

Estas fuerzas realizan un trabajo:

W1 = F1 Δx1 = P1 A1 Δx1 = P1 Δ V

W2 = F2 Δx2 = P2 A2 Δx2 = P2 Δ V

El trabajo total:

Wt = W1 - W2 = P1 Δ V - P2 Δ V = (P1 - P2) Δ V

Este trabajo se utiliza en aumentar la energía cinética y potencial de Δm:

Wt = ΔEp + ΔEc

Dividiendo por Δ V y agrupando los subíndices:

O expresándolo en términos de altura de presión:

Este resultado lo posemos escribir como:

Esta expresión establece que en un tubo de corriente:

"La suma de la altura de presión estática más la altura geométrica más la presión dinámica permanece constante a lo largo de un tubo de corriente" (donde el tubo de corriente es una superficie formada por líneas de corriente que pasan por los puntos de una línea cerrada)

Que de forma más sencilla nos dice que las presiones son constantes en un fluido.

TUBO VENTURI

En algunas aplicaciones puede ser deseable usar un productor diferencial distinto a una placa  orificio. En grandes tamaños de tuberías, a veces es deseable utilizar un para reducir la pérdida de presión total. Los costos asociados con el bombeo de grandes caudales, en particular los flujos de vapor, puede ser muy alto. Si, mediante la instalación de un venturi en lugar de una placa de orificios, los costes de bombeo pueden reducirse en gran medida, el coste adicional del   puede bien valer la pena. Cuando un tubo venturi se utiliza, una toma de alta presión se instala justo en el entrada del venturi y la toma de baja presión se instala en el centro de la garganta del mismo (el pasaje más pequeño es el venturi) .

Este elemento primario de medida se inserta en la tubería como si fuera un tramo de la misma. Puede instalarse en todo tipo de tuberías mediante bridas de conexión adecuadas. El tubo clásico está caracterizado por su entrada convergente y salida divergente, tal como se muestra en la figura siguiente :

Figura . Tubo Venturi

La presión interna se mide en su sección de entrada, la cual tiene el mismo diámetro que la tubería.

Luego sigue una sección de transición, en la cual el diámetro interno se reduce hasta el diámetro de la sección de la garganta. La presión estática se mide en la sección de la garganta, la cual se dimensiona para producir un diferencial de presión deseado a una determinada tasa de flujo. En la sección de salida del tubo Venturi, el diámetro de la garganta incrementa gradualmente hasta hacerse igual al diámetro de la tubería. El tubo Venturi se utiliza para medir flujo de líquidos y gases, cuando se quiere minimizar la pérdida de presión. Su medidor puede manejar entre un 25 y 50% mayor flujo que una placa de orificio, para diámetros de tubería y pérdidas de presión comparables.

El Venturi tiene una sección de entrada de diámetro igual al de la conducción 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, fabricada exactamente según las dimensiones establecidas por el cálculo. Dicha garganta 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 servirá para realizar la determinación del caudal.

El tubo Venturi puede fabricarse en materiales diversos según las necesidades de la aplicación a que se destine. El más comúnmente empleado es el acero al carbono, aunque también se utiliza el latón, bronce, acero inoxidable, cemento, y revestimientos de elastómeros para paliar los efectos de la corrosión.

No tiene partes móviles y no existe la posibilidad de que se puedan acumular partículas en la garganta; esto trae como consecuencia un bajo mantenimiento, lo que lo hace atractivo para manejar flujos viscosos o lodos. El coeficiente de descarga para el tubo Venturi clásico oscila entre 0,984 y 0,985. La relación de diámetro recomendable es 0,4 < Β < 0,75. Para fluidos compresibles se tiene la siguiente limitación.

Existen modificaciones del diseño del tubo Venturi clásico, la selección del modelo correcto se debe realizar con el auxilio de las Normas previamente mencionadas.

El Venturi ofrece ciertas ventajas con respecto a otros captadores, como son:

1. Pérdida de carga permanente poco elevada, menor que la del diafragma y la de la , gracias a los conos de entrada y salida.

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

3. En general, el Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otros elementos primarios.

4. Facilidad para la medida de líquidos con sólidos en suspensión.

Generalmente los tubos Venturi se utilizan en conducciones de gran diámetro (de 12" en adelante), donde las placas de orificio producirían pérdidas de carga muy importantes y no conseguirían una buena medida. También se utilizan en conductores de aire o humos con conductos no cilindricos, en grandes tuberías de cemento, para conducción de agua, etc.

Según la naturaleza de los fluidos de medida, se requieren modificaciones en la construcción del tubo Venturi: 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 o más, espaciados uniformemente por la periferia. El fluido, al circular, pasa por estos orificios y por el anillo donde se encuentran los racores que conectan con el transmisor.

Venturi de Inserción

El Venturi de inserción es una versión del elemento primario recién descrito, utilizada en aplicaciones de alta presión. Se mantiene en su lugar entre las bridas mediante una brida suplementaria que hace cuerpo con la tubería y permite eliminar la costosa construcción en materiales especiales que exigiría el Venturi estándar para este tipo de servicio. La perdida de carga permanente es más elevada que la del Venturi estándar, pero inferior a la de la placa orificio.

Tubos de baja pérdida o «Venturi corto»

Los tubos de baja pérdida que se muestran en las figuras se denominan «Venturi corto» y constituyen la más reciente variación de este tipo de elementos primarios. Al igual que el Venturi clásico, pueden utilizarse para medir caudales de líquidos con partículas en suspensión.

La característica más notable del Venturi corto es la de producir la menor pérdida de carga de todos los captadores de este tipo. Es así mismo de volumen más reducido, y de hecho, más fácil de instalar.

Los tubos de baja presión son de construcción bridada,pudiendo fabricarse tanto en fundición como mediante mecanización. Pueden así mismo montarse insertándose en el interior de la tubería. En el caso de construcción bridada, la toma de alta presión se encuentra situada en la propia brida. Los tipos de inserción tienen sus dos tomas en el anillo de fijación.

Los tubos de baja presión son de construcción bridada,pudiendo fabricarse tanto en fundición como mediante mecanización. Pueden así mismo montarse insertándose en el interior de la tubería. En el caso de construcción bridada, la toma de alta presión se encuentra situada en la propia brida. Los tipos de inserción tienen sus dos tomas en el anillo de fijación.

Tubo de baja pérdida (venturi corto) completo, con bridas, realizado en fundición

Tubo de baja pérdida, tipo inserción, realizado en material plástico.

 

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