Indice1. Introducción 2. Tubo De Vénturi 3. Funcionamiento de un tubo de venturi 4. Aplicaciones tecnológicas de un tubo de venturi 5. Conclusión 6. Bibliografía 7. Anexos
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.
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.
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
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 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:
(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.
Leyenda
- Entrada de aire.
- Mariposa del choke.
- Cuerpo del carburador.
- Surtidor de combustible.
- Venturi.
- Mariposa de gases.
- Surtidor de marcha mínima y punzón.
- Chicler de alta.
- Depósito o cuba.
- Flotador.
- Diafragma de inyección.
- Base y punzón.
- Entrada de combustible.
- Emulsionador.
- 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.
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:
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Autor:
Joanna Fuentes
Emilio Berrizbeitia
Estudiantes de Ingeniería de Mantenimiento Industrial Universidad Gran Mariscal de Ayacucho, Cumaná Estado Sucre. Venezuela