Embed Size (px)
Citation preview
I. APLICACIONES DEL PRINCIPIO DE BERNOULLI
A. Chimenea
Las chimeneas son altas para aprovechar que la velocidad del viento es
más constante y elevada a mayores alturas. Cuanto más rápidamente
sopla el viento sobre la boca de una chimenea, más baja es la presión y
mayor es la diferencia de presión entre la base y la boca de la chimenea,
en consecuencia, los gases de combustión se extraen mejor.
B. Tubería
La ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad también nos dicen
que si reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la
velocidad del fluido que pasa por ella, se reducirá la presión.
C. Dispositivos de Venturi
En oxigenoterapia, la mayor parte de sistemas de suministro de débito
alto utilizan dispositivos de tipo Venturi, el cual está basado en el
principio de Bernoulli.
Efecto Venturi.
El efecto Venturi también conocido tubo de Venturi, consiste en que un
fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su
presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de
sección menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo
de otro conducto, se produce una aspiración del fluido contenido en
este segundo conducto. Este efecto, demostrado en 1797, recibe su
nombre del físico italiano Giovanni Battista Venturi (1746-1822).
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 energía si la energía
cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión
disminuye forzosamente.
D. Tobera
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
Página 1
utilizado en turbomáquinas y otras máquinas, como inyectores, surtidores,
propulsión 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
E. APLICACIONES DEL EFECTO VENTURI
Bombas de vacío de varios escalones (Eyectores)
La física de nuestros eyectores-bombas de vacío se caracteriza por los
principios tales como "nivelación-Bernoulli" y el "principio-Venturi".
Fundamentalmente (y contrario a nuestra intuición) un fluido torrentoso
presenta una baja presión en relación a su entorno. Los principios
físicos ya nombrados no sólo se emplean para la construcción de
eyectores de vacío, sino también para la construcción de bombas de
chorros de agua como se los conoce de las clases de química o en
embudos aspiradores de un difusor.
Característico de los eyectores de un escalón es, según la
interpretación de la geometría de boquilla, el alcance de un alto nivel
final de vacío (en bajo rendimiento de aspiración) o un alto rendimiento
de aspiración en bajos niveles de vacío.
Nuestras bombas de vacío "TiVatec" cuentan con escalones de
boquillas integrados gracias a lo cual se puede alcanzar un rendimiento
máximo de aspiración con un bajo consumo energético. La energía que
queda en el aire comprimido, luego del primer escalón de boquilla, es
aprovechada al máximo al contrario de lo que sucede con los eyectores
Página 2
de un solo escalón o las toberas venturi.
Dado que los siguientes escalones de boquilla no pueden generar un
vacío tan alto como el primer escalón, cada uno de los escalones
poseen alas de retroceso que cierran cuando la presión en el sector a
evacuar es más baja que en el escalón siguiente del sector observado.
El ala de retroceso se cierra tan pronto como la presión del escalón
siguiente del sector observado sea más alta (por ejemplo a 40% de
vacío),es decir, la presión en el sector a evacuar. A partir de allí sólo se
evacuará con los escalones de tobera restantes.
Tubo Venturi
Un tubo de Venturi es un dispositivo inicialmente diseñado para medir
la velocidad de un fluido aprovechando el efecto Venturi. Sin embargo,
algunos se utilizan para acelerar la velocidad de un fluido obligándole a
atravesar un tubo estrecho 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.
Página 3
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.
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.
Dónde:
Página 4
D (Es el diámetro del tubo)
A (Es el área del tubo)
F. Tubo de Pitot.
El tubo de Pitot fue inventado por el ingeniero francés Henri Pitot en 1732,
sirve para calcular la presión total, también llamada presión de
estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la
presión estática y de la presión dinámica).
En el punto (1) del esquema, embocadura del tubo, se forma un punto de
estancamiento, la velocidad allí (v1) es nula, y la presión según la ecuación
de Bernoulli aumenta hasta:
Por lo tanto:
Dónde:
V0 Y P0 (presión y velocidad de la corriente in-perturbada o inicial.)
Pt (Presión total o de estancamiento.)
Página 5
G. Tubo de Prandtl
La idea de Ludwig Prandtl fue la de combinar en un solo instrumento
un tubo de Pitot y un tubo piezométrico: El tubo de Pitot mide la presión
total; el tubo piezométrico mide la presión estática, y el tubo de Prandtl
mide la diferencia de las dos, que es la presión dinámica.
El tubo de Prandtl, al igual que el tubo de Pitot, al ser introducido en el
fluido en movimiento, produce una perturbación que se traduce en la
formación en el de un punto de estancamiento, de manera que:
En el punto 0 la corriente no perturbada tiene la presión y la
velocidad que es la que se quiere medir.
El punto 1 es la entrada del tubo de Pitot, y el punto 2, donde se indica en
la figura. En el punto 2 lo que se tiene es un tubo piezométrico, con varias
entradas laterales interconectadas que no perturban la corriente y que por
lo tanto miden la presión estática.
Despreciando las diferencias de altura de velocidad y geodésica entre los
puntos 0 y 2 que suele ser muy pequeña por ser el tubo muy fino, y estar la
corriente en 2 prácticamente normalizada después de la perturbación en 1,
se tiene, despreciando también las pérdidas:
Página 6
Dónde: = velocidad teórica en la sección 0.
La ecuación de Bernoulli entre 0 y 1 ( , - punto de
estancamiento)
y expresado de otra forma:
Por otra parte yendo de 1 a 2 por el interior del manómetro, estando tanto
el fluido principal como el fluido manométrico en reposo, se puede aplicar
la ecuación fundamental de la hidrostática entre 1 y 2 ( ≈ ) de la
siguiente forma:
De las ecuaciones anteriores se deduce:
(presión dinámica teórica, tubo de Prandtl)
Despejando se tiene:
En el caso particular de que la medición de velocidad se efectúe en un flujo
de agua:
(velocidad teórica de la corriente, tubo de Prandtl)
Dónde: - densidad relativa del líquido manométrico.
Página 7
Tubo de Prandtl estandarizado.
En la práctica es algo mayor que , y por lo tanto según la ecuación
general de Bernoulli es algo menor que . Adicionalmente, en el punto
1, si el eje del tubo de Prandtl está inclinado con relación a las líneas de
corriente, puede producirse una velocidad distinta de cero y por lo tanto
una presión . Se debe introducir por lo tanto un coeficiente . ,
llamado coeficiente de velocidad del tubo de Prandtl, que tiene valores
próximos a 1, determinados experimentalmente en laboratorio.
La velocidad real será determinada, para el agua, por la expresión:
Página 8
