El efecto Venturi: Importancia y aplicaciones

El efecto Venturi es un fenómeno físico, en el cual, un fluido en movimiento dentro de un ducto cerrado o tubería, disminuye la presión aumentando la velocidad al pasar por una sección con un área mucho menor que la usual. El efecto Venturi fue demostrado por el físico italiano Giovanni Venturi en el año 1797, valiéndose del principio de Bernoulli y el principio de continuidad de las masas.

Tubo Venturi para medir caudal una aplicación del efecto Venturi - Venturi Effect

Aplicación industrial del efecto Venturi. Imagen de parcsi

El efecto Venturi es de vital importancia para el estudio de la ingeniería, ya que permite conocer la velocidad de los fluidos que se transportan a través de sistemas de tuberías a partir de las diferencias de presión que hay en tomas antes y después del efecto Venturi. En este artículo, describiremos la definición de dicho efecto, sus aplicaciones y las ecuaciones que lo rigen.

Tabla de contenidos

Definición de efecto Venturi

Dibujo del funcionamiento del Tubo Venturi y su toma manométrica

Efecto Venturi y su funcionamiento en un tubo. Imagen de chegg

El efecto Venturi es un fenómeno de naturaleza física que consiste en el cambio de velocidad de un fluido que viaja o se transporta dentro de una tubería o un conducto cerrado. Este cambio de velocidad, se debe a que el fluido experimenta una variación de presión dentro de su recorrido en la tubería o ducto, ocasionado por una disminución en el área transversal de la tubería en la que se encuentra.

Al disminuir esta área interna de tubería o ducto (manteniendo el mismo caudal de fluido), la velocidad aumenta, a la vez que experimenta una disminución de la presión que puede ser medida mediante tomas manométricas ubicadas antes de la reducción del área interna de la tubería y después de dicha reducción. En algunos casos, en donde la velocidad que se genera con la disminución del área interna del ducto o tubería es muy superior a la velocidad del fluido antes de la disminución del área, se puede experimentar una presión negativa, permitiendo una aspiración de fluido si se llega a conectar un tubo donde se generó la depresión.

Funcionamiento del efecto Venturi

Una vez definido el efecto Venturi, es fundamental conocer cómo funciona. Lo primero a tener en cuenta es el principio de continuidad de las masas. Este principio nos indica que si el caudal de un fluido se mantiene constante, pero disminuye la sección del conducto que lo contiene, la velocidad del fluido forzosamente aumentará.

Teniendo este principio en cuenta y además recordando la ley de conservación de la energía, se puede concluir que si la energía cinética del fluido aumenta, la energía potencial que se encuentra atada a la presión, necesariamente debe disminuir. Como podemos notar es un razonamiento bastante simple, que toma en cuenta conceptos básicos de termodinámica, física y fenómenos de transporte.

Aplicaciones del efecto Venturi

El efecto Venturi, actualmente es uno de los descubrimientos más importantes dentro de la mecánica de fluidos y la ingeniería, aumentando exponencialmente sus aplicaciones. En la siguiente lista, veremos las principales aplicaciones que se le da al efecto Venturi:

Aplicación hidráulica: La depresión asociada al efecto Venturi es utilizada para la fabricación de máquinas que en una conducción hidráulica permiten obtener ciertos aditivos.
Aplicación aeronáutica: Se utilizan los fundamentos del efecto Venturi para obtener succión en instrumentos que trabajan con vacío, utilizados por lo general en aeronaves. Asimismo, este efecto explica la sustentación de las alas de los aviones en el aire.
Aplicación doméstica: Los equipos domésticos de potabilización de agua que utilizan ozono, se basan en el efecto Venturi para succionar el ozono de su contenedor de vidrio y mezclarlo con el agua que atraviesa el equipo y es suministrada por una tubería fina al usuario doméstico.
Aplicación automotriz: En los motores que utilizan carburación, el efecto Venturi se emplea para mezclar el carburador con el carburante, aspirando a este último y mezclándolo con el aire. El efecto Venturi también es utilizado para mejorar la velocidad de los vehículos, aprovechando las cargas aerodinámicas. En la Fórmula 1 se le conoce como efecto suelo, y es porque aprovechan la altura del vehículo respecto al suelo para generar una succión de aire utilizando el efecto Venturi para mejorar el desempeño del automóvil.
Aplicación petrolera: En la industria del petróleo el efecto Venturi es utilizado para extraer el fluido de los pozos. Para ello, se inyecta aire a presiones muy altas mediante tuberías de sección transversal muy pequeñas, obteniéndose un cambio de energía y convirtiendo la energía potencial del proceso en energía cinética, lo que propicia la salida del petróleo.
Aplicación neumática: El efecto Venturi es utilizado para crear aplicaciones de ventosas y eyectores.
Aplicación acuariofilia: En tomas de bombas de agua o de filtros de agua, este efecto es utilizado para adicionar aire y CO2.
Aplicación odontológica: En la odontología antigua se utilizaba el efecto Venturi para succionar fluidos de la boca del paciente y de los instrumentos dentales.

También podemos destacar aplicaciones médicas en el área de la cardiología y de la neumología.

¿Qué es un tubo Venturi?

Tubos Venturi para ser instalados en una planta industrial. Imagen de amity

El tubo Venturi es un instrumento utilizado para medir la velocidad de los fluidos en tuberías. Se trata de un dispositivo que aprovecha el efecto Venturi para permitir la medición de la caída de presión del fluido, y con este dato calcular su velocidad utilizando la ecuación de Bernoulli. Asimismo, cuando se utiliza un tubo Venturi hay que tener en cuenta que la turbulencia del fluido dentro de éste puede causar cavitación si la presión del fluido dentro del tubo llega a ser menor a la presión de vapor del fluido.

¿Cómo es un tubo Venturi?

El tubo Venturi es un dispositivo que presenta un estrechamiento, ya que de un lado tiene un área de sección transversal igual al de la tubería (A1) en donde se encuentra el fluido, y luego experimenta una reducción del área transversal a una mucho más pequeña que la de la entrada del fluido (A2). Esta reducción se mantiene por unos centímetros para luego aumentar el área, hasta retornar al mismo tamaño de la entrada del fluido (A1) y regresar el fluido al sistema de tubería bajo las mismas condicionas a las cuales ingresó al tubo Venturi.

Estos dispositivos cuentan con tomas manométricas en la entrada del fluido al tubo y en el punto problema (donde la sección transversal es más pequeña), de modo que se puedan medir las presiones (cabe destacar, que la presión de entrada P1 es mayor que la del punto problema P2).

Tomando todo esto en consideración, podemos deducir una ecuación para calcular la velocidad del fluido en cada parte del tubo Venturi, la cual veremos a continuación:

Expresión de velocidad de un fluido utilizando un tubo Venturi

Dibujo de las secciones internas de un Tubo Venturi

Tubo Venturi y sus secciones. Imagen de fluidhandling

Para llegar a una expresión de velocidad para un fluido utilizando el tubo Venturi, hay que considerar las secciones transversales de éste, las medidas manométricas en cada sección del tubo Venturi y la densidad del fluido que va por las tuberías (en el laboratorio de Operaciones Unitarias, es usual realizar prácticas con este tipo de tubos, notándose el cambio de las presiones en las tomas manométricas, que incluso pueden colocarse a lo largo de todo el tubo para poder visualizar el perfil de velocidades de forma más amplia).

Tomando en cuenta la Ley de conservación de las masas, el caudal de fluido dentro del tubo Venturi será el mismo que entra y sale de éste, es por ello, que Q1 = Q2 , tomando en cuenta que el caudal dentro de una tubería es función del área transversal de ésta, tenemos que:

Ecuación de caudal dentro del tubo Venturi

Donde:

Q: Caudal del fluido
v: Velocidad del fluido
A: Área transversal de la tubería

Sabiendo que a la entrada del fluido al tubo Venturi, tenemos A1 y en el punto problema, tenemos A2, podemos decir que:

Ecuación de igualación de caudales en tubo Venturi

Aplicando la Ley de Bernoulli para los dos puntos situados en la misma línea de corriente, tenemos:

Donde:

P1 y P2: Presiones en las tomas manométricas
ρ: Densidad del fluido
g: Aceleración de gravedad
y1, y2: Altura sobre una cota de referencia
v1 y v2: Velocidad del fluido.

Como la altura de ambos puntos es la misma al estar sobre la misma línea de corriente, reducimos a:

Reducción de la Ecuación de Bernoulli para tubo Venturi

Reordenando y colocando las velocidades en función de las presiones, tenemos:

Diferencia de velocidades en tubo Venturi

Despejando de la Ley de conservación de las masas, tenemos:

Velocidad de la sección de Area 2 en función de la velocidad 1 en tubo Venturi

Ahora, sustituyendo en la ecuación en función de las presiones:

Expresión de tubo Venturi en función de una sola velocidad del fluido

Despejando:

Expresión de la velocidad de entrada al venturi en función de Presión, densidad y áreas transversales de la tubería

Como podemos notar, la velocidad a la entrada del tubo Venturi es en función de las medidas de presión y el área transversal de la tubería. De manera similar, se puede calcular la entrada en el punto problema, obteniéndose v2.

Podemos concluir que el efecto Venturi es de gran importancia para varias áreas de la ciencia y de la vida cotidiana, es por ello, que es vital tener conocimiento de su definición, funcionamiento y aplicaciones.