Contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1

RESUMEN .................................................................................................................. 2

TUBO DE VENTURI ................................................................................................... 3

1.1. HISTORIA DEL TUBO VENTURI ..................................................................... 3

1.2. GIOVANNI BATTISTA VENTURI ..................................................................... 3

1.3. EFECTO VÉNTURI........................................................................................... 5

1.3.1. ¿COMO SE EXPLICA ESTE FENÓMENO? ............................................. 7

1.4. MEDIDORES DE FLUJO VOLUMETRICO ...................................................... 8

1.5 DEFINICIÓN DEL TUBO DE VENTURI ............................................................ 8

1.6 APLICACIONES DEL TUBO DE VENTURI .................................................... 10

CONCLUSIONES ..................................................................................................... 13

RECOMENDACIONES. ............................................................................................ 14

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ......................................................................... 15

1

INTRODUCCIÓN

Un Venturi es un dispositivo que incorpora una simple convergencia y divergencia a través de una sección, usando los principios de Bernoulli para relacionar la velocidad con la presión del fluido. Este principio se basa en que cuando el gas o líquido en movimiento baja su presión aumenta su velocidad.

Origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, si colocamos 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.

2

RESUMEN En el transcurso de toda la vida el hombre, este ha utilizado su ingenio a favor de su sociedad, es así como ha mejorado la calidad de vida (agricultura, construcción, ganadería, urbanismo) pues en esta ocasión vemos como el ingenio del ser humano nos trae una aplicación en la mecánica de fluidos.

Este trabajo monográfico presentara de una manera breve y sencilla el tema del tubo de Venturi, sus características y las aplicaciones que este tiene.

3

TUBO DE VENTURI 1.1. HISTORIA DEL TUBO VENTURI Este dispositivo es nombrado por el italiano Venturi, quien fue el primero en tener la concepción del mismo en 1796, donde hace la relación entre la velocidad y presión del fluido cuando fluye a través de tubos que convergen y divergen. Consta de dos partes: el tubo, a través del cual fluye agua; un registro, que suma e indica la cantidad de agua diaria que pasa por el tubo.

1.2. GIOVANNI BATTISTA VENTURI Nació en 1746 en Reggio (Italia), de una familia en circunstancias fáciles, contemporáneo de Leonhard Euler y Daniel Bernoulli, Figura 1. Allí recibió buena educación, y mientras todavía joven demostró que poseía un agudo intelecto y maravillosa memoria. A los 23 años fue ordenado sacerdote y fue profesor en el seminario donde pasó su juventud.

Pronto fue reconocido el valor del tubo Venturi, y fue llamado a la Universidad de Módena, donde enseñó filosofía y geometría. Más tarde su extenso conocimiento obtuvo para él, el Marqués de Rangone, Ministro del duque de Módena, los puestos de auditor, ingeniero del Estado y matemático ducal, Rouse (1980). Como técnico fue contratado en muchas obras, tales como la construcción de puentes; rectificación de los cursos de agua; drenaje de tierras pantanosas; y el establecimiento de normas estatales para la construcción de las represas en ríos.

Debido a su gran reputación como ingeniero, Venturi se convirtió en una autoridad en cuestiones hidráulicas y a menudo fue aplicado en casos de arbitraje.

En 1786 se le dio el puesto de profesor de Física Experimental en la Universidad de Módena, que le dio la oportunidad de organizar un laboratorio con los aparatos más

Figura 1 – Retrato de Giovanni Battista Venturi

Fuente: http://www.revistatlaloc.org.mx/

4

modernos en su momento. Estas numerosas ocupaciones no impidieron que estudiara literatura y poesía; con lo cual logró terminar la publicación de Memorias históricas de la ciudad de Módena.

Cuando el duque de Módena emprendió negociaciones con el Consejo Ejecutivo Supremo de la República francesa, Venturi se convirtió en Secretario de la Legación y fue enviado a París donde se estableció durante un tiempo, lo que le permitió mejorar sus conocimientos de física y química. Allí hizo amistad con personas del ámbito científico de la época, como Cuvier, Hauy, Biot, Lalande, Monge y Laplace.

Durante su estancia en París, Venturi publicó varios tratados, como “Las investigaciones experimentales sobre el principio de la comunicación lateral del movimiento en fluidos aplicado a los diferentes fenómenos hidráulicos", en donde propone y demuestra la ley natural que ahora conocemos con el nombre de Venturi.

En su estancia de año y medio en París, fue elogiado por el General Bonaparte en una carta dirigida por medio de Lalande, Director del Observatorio de París, expresándose dela siguiente manera “como uno de los hombres más competentes para lograr renombre en Italia, constructor de obras hidráulicas útiles y como un buen profesor en las matemáticas y física” y en otra carta es elogiado por su habilidad en el arte de la Ingeniería Civil y Arquitectura Militar. Después Bonaparte lo nombra miembro del cuerpo dela Legislatif y profesor en la escuela militar de Módena, así como caballero de la Legión de honor. (1)

El trabajo realizado en 1797, titulado: "Recherches Expérimentales sur le Principe de la Communication Latérale du Mouvement dans les Fluides appliqué a l’Explication de Différens Phénomenes Hydrauliques," en donde describe los experimentos realizados paso a paso sus proposiciones y teorías en relación al flujo del agua, Tredgold (1836), como se muestra en las Figuras 2 y 3 las ilustraciones de sus diversos experimentos.

Figura 2 – Experimentos realizados por Venturi

Fuente: http://www.revistatlaloc.org.mx/

5

Sin embargo, posterior a esto, debido a influencias políticas adversas Venturi fue incluso privado de su libertad hasta después de la conquista de Italia, el primer cónsul le dio una cátedra en la Universidad de Pavía. Durante este período, Venturi encontró tiempo para participar en la construcción de una mina y obras hidráulicas; más tarde fue nombrado diplomático de la Confederación Helvética, que le obligó a estudiar cuestiones muy diferentes a las que había dedicado toda su vida.

Pasó doce años en Suiza, y finalmente se retiró en 1813, debido a problemas de salud. A su regreso a Reggio emprendió la publicación de una serie de obras científicas y literarias.

Era un hombre de notable talento y actividad extraordinaria, que lo llevó a estudiar numerosas cosas; él siempre mostró un gran sentido de la observación y una gran capacidad para tratar problemas técnicos. Por su forma de ser ingeniosa, franca y leal hizo que Clemens Herschel reviviera sus grandes tratados y agregarle un nuevo lustre a su nombre.

Venturi fue el primero que mostró la importancia de Leonardo da Vinci como científico, compiló y publicó muchos de los manuscritos y cartas de Galileo. Murió en Reggio Emilia, Italia en 1822 a la edad de 76 años. (2)

1.3. EFECTO VÉNTURI El efecto Venturi es una consecuencia de la ecuación de Bernoulli y se produce cuando un fluido circula por un tubo que tiene un estrechamiento, y se refiere a la disminución de la presión estática sobre las paredes del tubo en la zona del estrechamiento debido a que el fluido aumenta la velocidad en esa zona.

Figura 3 – Experimentos realizados por Venturi

Fuente: http://www.revistatlaloc.org.mx/

6

En la figura 4 se muestra un esquema que sirve para entender el efecto, se trata del llamado tubo Venturi que como puede apreciarse tiene en el centro un estrechamiento.

Por el dispositivo circula un flujo, que en la sección mayor A1 tiene una velocidad 1, menor que la velocidad 2 en la sección del estrechamiento. Los dos tubos perpendiculares colocados en ambas secciones, dan el valor de la presión en cada zona en forma de altura del fluido, note que en la zona del estrechamiento la presión es menor que en la sección amplia del tubo. Y la diferencia está acotada como h.(3)

La rapidez de flujo v1 en términos de las áreas transversales A1 y A2 y la diferencia de altura h del líquido en los tubos verticales:

Los dos puntos tienen la misma coordenada vertical (y1=y2), así que por la ecuación de Bernoulli1: (4)

𝑝1 +1

2𝜌𝑣1

2 = 𝑝2 +1

2𝜌𝑣2

2…………………(1)

Por la ecuación de continuidad, v2=(A1/A2)v1, sustituyendo y reacomodando, obtenemos:

𝑝1 − 𝑝2 =1

2𝜌𝑣1

2 (𝐴1

2

𝐴22 − 1) (𝑃𝑎𝑠)………(2)

La diferencia de presión p1 –p2 también es igual a ρgh, donde h es la diferencia de nivel del líquido en los dos tubos. Combinando esto con el resultado anterior y despejando v1, obtenemos:

1 La ecuación de Bernoulli se aplica a fluidos ideales en movimiento, las unidades son las de presión (Pascales) o Psi.

Figura 4 – Diagrama esquemático de un tubo de Venturi

Fuente: http://www.sabelotodo.org/

7

𝑣1 = √2𝑔ℎ

(𝐴1𝐴2

)2

−1 (

𝑚

𝑠)…………….(3)

1.3.1. ¿COMO SE EXPLICA ESTE FENÓMENO?

Observamos que el volumen de fluido por unidad de tiempo que circula por un tubo en un punto determinado de su longitud, no puede desaparecer ni aparecer, esa misma cantidad tiene que circular por el resto del tubo, lo que implica que la cantidad de fluido que circula por un punto dado de la longitud de un tubo tiene que ser la misma que la que circula por todos los demás puntos de manera obligatoria.

¿Cómo se logra hacer pasar la misma cantidad de fluido en una parte estrecha del tubo? Aumentando su velocidad. En nuestra vida cotidiana observamos que si le ponemos el dedo cerrando parcialmente la boca de una manguera, la velocidad del agua de salida aumenta, y que por supuesto el agua que sale es la misma que circula por el resto de la manguera. Esta cuestión evidente se le llama ley de conservación de la masa.

Pero hay otra ley de la física que se aplica a este caso, la ley de la conservación de la energía, es decir en un sistema cualquiera, tampoco la energía aparece y desaparece por arte de magia, solo se transforma de unos tipos de energía a otros. Para el caso de los fluidos la energía que poseen puede ser de dos tipos:

-Energía potencial.

-Energía cinética.

La energía potencial se manifiesta como presión estática en la tubería cerrada y conectada a un tanque elevado, por ejemplo, en una represa llena de agua sería fatal que se rompiera el muro de contención, el agua comienza a fluir cuesta abajo arrasando a su paso con todo lo que encuentra; toda la energía estaba contenida como energía potencial en la gran columna de agua retenida por el muro. Cuando este se rompe, el agua deja de estar estática y comienza a moverse cuesta abajo, la energía potencial de la parte del agua que fluye se convierte en energía cinética y al mismo tiempo comienza a bajar el nivel del agua en la represa, baja su energía potencial.

Extendiendo el ejemplo de la presa al tubo Venturi, tendremos que como la energía solo se puede transformar, si la velocidad del fluido aumenta en el estrechamiento, implica que también aumentará su energía cinética, esto obliga a que necesariamente tendrá que disminuir su energía potencial en la misma cantidad, y como ya hemos apuntado arriba que la energía potencial se manifiesta como presión también necesariamente tendrá que disminuir la presión. (5)

Bajo este razonamiento tendremos una regla invariable, si un fluido en una parte de un tubo aumenta su velocidad, al mismo tiempo disminuye su presión estática.

8

1.4. MEDIDORES DE FLUJO VOLUMETRICO La medición de flujo en los procesos industriales se hace necesaria por dos razones principales:

1.- Para determinar las proporciones en masa o en volumen de los fluidos introducidos en un proceso.

2.- Para determinar la cantidad de fluido consumido por el proceso con el fin de computar costos.

El flujo de fluidos en tuberías cerradas se define como la cantidad de fluido que pasa por una sección transversal de la tubería por unidad de tiempo. Esta cantidad de fluido se puede medir en volumen o en masa. De acuerdo a esto se tiene flujo volumétrico o flujo másico.

Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen de fluido, bien sea directamente (desplazamiento) o indirectamente (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino).

1.5 DEFINICIÓN DEL TUBO DE VENTURI Es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. Formado por una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; si colocamos un manómetro podemos medir la variación de presión.

La principal ventaja del Venturi 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. (6)

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.

Figura 5 - Tubo Venturi tipo Herschell y boquilla con extremos con bridas y soldadura

Fuente: http://www.tecsa.es/

9

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. (7)

Figura 6 – Corte seccional de un tubo de Venturi

Fuente: http://www.monografias.com/

Figura 7 – Representación en 3D de un tubo de Venturi

Fuente: Elaboración propia

10

1.6 APLICACIONES DEL TUBO DE VENTURI Algunas de las aplicaciones del efecto Venturi son:

El carburador.-En un auto el combustible debe mezclarse con aire para producir la combustión dentro de los pistones. La gasolina es llevada desde el estanque donde mediante una bomba de alimentación. En la figura 9 se muestra el sistema de bomba de alimentación. Este puede variar según el tipo de motor, pero por lo general está conformada por los elementos que se muestran.

Figura 9 – Bomba de alimentación de un automóvil y sus partes

Fuente: http://www.almuro.net/

Figura 8– Representación en 3D de un tubo de Venturi

Fuente: Elaboración propia

11

Una vez que el combustible es inyectado por la bomba de alimentación, ésta sale hacia el carburador.

El carburador es el sistema de regulación de mezcla y de cantidad de mezcla que será utilizada en los cilindros del motor. Es lógico pensar que si entregamos más mezcla a los cilindros, la combustión genera más potencia y viceversa. Pero es necesario entregar la mezcla justa de manera que no se detenga el motor. La razón entre aire y combustible en los motores debe ser alrededor de 10.000 litros de aire por uno de gasolina, que además debe estar libre de impurezas que puedan afectar negativamente la combustión.

Cuando la proporción es mayor, se dice que la mezcla es demasiado rica y cuando es más baja, se dice que la mezcla es pobre.

Partes del carburador

Cuba:

El depósito llamado cuba (figura 10) sirve para mantener constante el nivel de gasolina en el carburador, el cual es a su vez alimentada por la bomba de alimentación.

Este nivel constante se mantiene gracias a un flotador con aguja que abre o cierra el conducto de comunicación de la alimentación entre la cuba y el depósito de gasolina.

Surtidor:

Es un orificio al final del conducto que conecta la cuba con el conducto de aire (figura 10), donde se lleva a cabo la mezcla que va a parar a los cilindros. Además de este surtidor, está el surtidor de ralentí, que mantiene enviando combustible para mezclarlo con el aire de manera de no apagar el motor cuando no está en marcha.

Difusor:

El conducto de aire es el ya estudiado tubo Venturi. La idea es que el estrechamiento de éste genera una diferencia de presión que saca combustible de la cuba para mezclarlo con el aire. El aire, que es impulsado dentro del tubo, es provocado por los pistones durante el tiempo de admisión de mezcla( succión de aire) entra a través del colector de admisión que a su vez contiene un filtro (típicamente de papel) que elimina las impurezas el aire para que, al ser mezclado con el combustible, la mezcla sea más pura. A la altura del difusor, entonces, se realiza la mezcla que va a ser combustionada. (8)

Si se quiere aumentar la potencia, el conductor pisa el acelerador abriendo más la válvula de mariposa, dejando pasar más mezcla.

En la figura 10 se muestra un esquema básico de un carburador.

12

- 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.

- 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.

- 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.

- Odontología.- El sistema de aspiración de saliva en los equipos dentales antiguos utilizaba tubos finos Venturi. Ahora la aspiración está motorizada.

- Aeronáutica.- Aunque el efecto Venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en alas de aviones.

Figura 10 – Carburador de un automóvil y sus partes

Fuente: http://www.almuro.net/

13

CONCLUSIONES

Luego de haber realizado este trabajo 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.

Es fundamental 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 del 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.

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.

14

RECOMENDACIONES.

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.

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 o humos con conductos no cilíndricos, en tuberías de cemento grandes, para conducción de agua, etc.

15

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS (1). http://www.revistatlaloc.org.mx/ Historia del tubo Venturi

(2).http://www.revistatlaloc.org.mx/Historiadeltuboventuri/UniversidadNacional AutónomadeMéxico

(3). http://www.sabelotodo.org/fluidos/efectoventuri.html

(4). Física Universitaria, Young Freedman 11° Edición.

(5). http://www.sabelotodo.org/fluidos/efectoventuri.html

(6). http://www.monografias.com/trabajos6/tube/tube.shtml

(7).http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2852/

(8). http://www.almuro.net/sitios/Mecanica/carburacion.asp?sw05=1