Todos los sensores Los puntos de presión son consejos de aplicación para simplificar el diseño con sensores de presión de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y evitar los errores más comunes.
Punto de presión 11: Cálculo de la velocidad de flujo a partir de mediciones de presión
El flujo de fluidos se produce con el movimiento de materiales líquidos y gaseosos y los sensores de presión desempeñan un papel fundamental en la determinación de muchos aspectos del flujo de fluidos. La dinámica de fluidos proporciona los medios para entender los parámetros que impactan en el flujo de fluidos. Los enlaces activos en las siguientes secciones proporcionan más detalles.
Conceptos básicos de dinámica de fluidos
El número de Reynolds (Re) es un valor adimensional de la velocidad utilizado para predecir los patrones de flujo. Es una función de la fuerza de inercia (ρ u L), y de la fuerza viscosa o de fricción (μ).
Flujo viscoso frente a flujo no viscoso
El flujo viscoso da lugar a una pérdida de energía (y posteriormente a un aumento de la temperatura), pero los fluidos ideales tienen un flujo no viscoso sin pérdida de energía.
Flujo laminar (constante) frente a flujo turbulento
En el flujo laminar, el movimiento de las partículas es muy uniforme/ordenado y da lugar a líneas rectas paralelas a las paredes del recinto y es muy predecible. Con el flujo turbulento, el movimiento aleatorio puede dar lugar a remolinos y otros comportamientos menos predecibles. En las tuberías y otros recintos se produce una mezcla de flujo laminar y turbulento, denominada flujo de transición, con turbulencia en el centro del recinto y flujo laminar cerca de los bordes. Los fluidos más viscosos tienden a tener un flujo laminar y un número de Reynolds más bajo.
Flujo compresible o incompresible
A diferencia del flujo compresible en el que la densidad cambia con la presión aplicada, con el flujo incompresible, la densidad es constante en el espacio y en el tiempo.
La ecuación de Bernoulli se utiliza para determinar las velocidades de los fluidos a través de las medidas de presión. Parte de calificaciones de flujo no viscoso, constante e incompresible a temperatura constante.
P + ½ρv2 + ρgy = constante
P = presión
v = velocidad
ρ = densidad del fluido
g = gravedad
y = altura
El efecto Venturi es el aumento de velocidad que se produce cuando se restringe el flujo del fluido. El medidor de Venturi es una aplicación de la ecuación de Bernoulli. Los tipos comunes de restricciones incluyen placas de orificio, tubos de Venturi, boquillas y cualquier estructura que tenga un diferencial de presión fácilmente medible.
Flujo en una tubería/tubo. Varios factores determinan la caída de presión que se produce en las aplicaciones de flujo de fluidos, incluyendo el flujo laminar frente al turbulento, la velocidad de flujo, la viscosidad cinemática y el número de Reynolds del fluido, la rugosidad interna del interior de la tubería, así como su diámetro, longitud y factor de forma. Las placas de orificio, los tubos de Venturi y las toberas simplifican la situación. En estos casos (véase la figura 1), el flujo está relacionado con ΔP (P1-P2) mediante la ecuación:
q = cd π/4 D22 1/2
Donde:
q es el caudal en m3/s
cD es el coeficiente de descarga, la relación de áreas = A2 / A1
P1 y P2 están en N/m2
ρ es la densidad del fluido en kg/m3
D2 es el orificio, venturi o diámetro interior de la tobera (en m)
p1″> D1 es el diámetro de la tubería aguas arriba y aguas abajo (en m)
y d = relación de diámetros D2 / D1
Figura 1. Elementos de una medición de flujo ΔP.
Los tubos de Pitot utilizan la diferencia entre la presión total y la presión estática para calcular la velocidad del avión o del fluido que fluye en la tubería o recinto. En la figura 2 se muestra un tubo de Pitot-estático para medir la velocidad de un avión.
Figura 2. Un tubo de Pitot-estático o de Prandtl utilizado para medir la velocidad de las aeronaves.
El golpe de ariete es el choque provocado por la disminución brusca de la velocidad de un fluido que fluye y el tiempo que tarda la onda de presión en realizar un recorrido de ida y vuelta en la tubería. La ecuación de impulso de Joukowski se utiliza para calcular la presión resultante cuando la velocidad del líquido que cae a cero al entrar en contacto con una válvula cerrada.
∆P = ρ-c-∆V
En psf
Para tuberías rígidas, la celeridad de la onda de presión o velocidad de la onda, c, se halla mediante:
c = √ EB/ρ
donde EB es el módulo aparente del fluido en psf y ρ es la densidad del fluido.
Mediciones en aplicaciones específicas
En el área médica, los problemas respiratorios requieren mediciones del flujo de aire para el flujo/control del ventilador, y el análisis, como los espirómetros, así como mediciones del flujo de gases y líquidos para el tratamiento. Por ejemplo, la presión diferencial en un espirómetro o respirador es nominalmente de 4 kPa y en un ventilador es nominalmente de 25 cm H2O. En cualquiera de los dos casos, los valores son bastante bajos y la medición de la presión requiere una consideración especial en el sensor de presión para lograr la exactitud y la precisión deseadas.
HVAC
La limpieza y el bajo consumo de energía en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) requieren los filtros de aire adecuados y una supervisión frecuente para identificar un filtro que requiere ser cambiado. Las presiones normales de funcionamiento suelen estar en el rango de 0,1 a 1″ H2O. El valor mínimo de eficiencia de la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE), o clasificación MERV, mide la eficacia de los filtros de aire. La detección de la caída de presión a través de un filtro de aire minimiza el consumo innecesario de energía de los motores.
Herramientas de cálculo y simulación de fluidos
Las herramientas de cálculo en línea de efunda, KAHN, LMNO Engineering, valvias, Pressure Drop Online-Calculator y otras pueden proporcionar algunas herramientas rápidas para implementar los cálculos mostrados anteriormente. Además, varias empresas ofrecen herramientas avanzadas de simulación de dinámica de fluidos computacional y servicios de consultoría para profundizar mucho más en las cuestiones más sofisticadas y complejas relacionadas con el flujo de fluidos, entre ellas: ANSYS, Applied Flow Technology, Autodesk, MathWorks, SOLIDWORKS, y otras.