Curso: Principios de Medidas Código: INST 3601

Tema: Variable Física - Flujo Lección: 11

Sub-Tema: Definiciones, Unidades y Fórmulas Profesor: James Robles

VARIABLE FÍISICA - FLUJO

La variable flujo se define como la cantidad de volumen o masa que pasa por in punto en un tiempo

determinado. El símbolo que representa al flujo es la letra Q mayúscula. Este símbolo proviene de la

palabra “quantity”.

UNIDADES DE MEDIDA DE FLUJO

Las unidades básicas utilizadas en la industria son: GPM (galones por minuto), lpm (litros por minuto) y

in3/s (pulgadas cúbicas por segundo). Las primeras dos son utilizadas en la industria mientras que la

unidad in3/s es más utilizada en la ciencia dentro del laboratorio.

ECUACIONES BÁSICAS DE CALCULO DE FLUJO

El flujo se puede calcular si medimos el volumen transitado y el tiempo transcurrido. Es decir, si

sabemos el volumen desplazado y el tiempo transcurrido, podemos calcular el flujo con esta ecuación

básica:

Por ejemplo, si una cantidad de seis (6) galones de un fluido transita por una tubería en 3 minutos,

entonces el flujo será:

⁄

Si conocemos solamente las dimensiones de la sección de tubería examinada, primero tendremos que

calcular el volumen y luego calcular el flujo. En este ejemplo conocemos el diámetro y el largo de la

tubería y el tiempo transcurrido:

⁄

Al no tener el volumen directamente, se calcula:

El área tampoco está directamente, por lo tanto también hay que calcularlo:

Volviendo al volumen:

Retomamos el cómputo de flujo:

⁄

⁄

Esto presenta el problema ya que la unidad de flujo más utilizada en la industria es GPM y el resultado

está en in3/s. Recurrimos a los factores de conversión de in3 a galón y segundos a minutos. Estos

factores de conversión son:

&

En este caso:

En resumen, si queremos convertir de in3/s a gpm, primero dividimos entre 231 in3 para cancelar los in3

y luego multiplicamos por 60 s para cancelar los segundos.

Si analizamos la ecuación básica de flujo, podemos recordar que el volumen es igual al área multiplicada

por el largo de la tubería. Por lo tanto también se desprende la siguiente ecuación:

Recordemos que distancia entre tiempo es velocidad; por lo tanto:

Entonces, podemos concluir que:

ó

Podemos entones analizar el cómputo de flujo conociendo cualquiera de las variables en cualquiera de

las dos ecuaciones.

PRINCIPIO DE CONTINUIDAD

La cantidad de volumen o masa que entra a una tubería tiene que ser la misma que sale de ella si no hay

bifurcaciones o escapes. Esto es uno de los conceptos fundamentales en el cálculo de flujo. Si a una

tubería entran 100 galones, tienen que salir 100 galones. Y si esos 100 galones pasaron por un punto en

un minuto, pasarán 100 galones por cualquier punto en un minuto. O sea, el flujo se mantendrá igual en

cualquier punto de la tubería, independientemente del cambio en diámetro o el largo.

Si el flujo es constante durante su recorrido, se presenta el caso de que en un diámetro menor la

velocidad tiene que aumentar para hacer cierto el principio de la continuidad.

Área ↑ Área ↓

Velocodad ↓ Velocodad ↑

Flujo = Q Flujo = Q

El físico y matemático suizo Daniel Bernoulli descubrió que hay una relación entre cambios de velocidad

con cambios en presión en los fluidos. A menor velocidad, mayor presión y a mayor velocidad, menor

presión. Esto hace que podemos computar el flujo utilizando el diferencial de presión. Esto lo veremos

en la próxima lección.

TIPOS DE FLUJO

Hay que hacer la aclaración de que los cómputos de flujo son válidos si este flujo es laminar. Flujo

laminar significa que el fluido avanza a la misma velocidad a lo largo de toda su área y que hay poca o

ninguna turbulencia. Podemos decir que existen dos tipos de flujo: el flujo laminar y el flujo turbulento.

Para que el flujo sea laminar basta con tener una distancia de tubería derecha (sin curvas ni válvulas). La

distancia requerida para que el flujo sea laminar depende del diámetro de la tubería. A mayor diámetro,

mayor distancia y vice-versa. También existen acondicionadores de flujo para enderezar el flujo para

que sea laminar en caso de que no sea posible el requerimiento de las distancias.

área ↑ área ↓

velocodad ↓ velocodad ↑

flujo = Q flujo = Q

presión ↑ presión ↓

P1↑

P2↓

Flujo Laminar Flujo Turbulento

Acondicionador de Flujo

FLUJO VOLUMÉTRICO & FLUJO MÁSICO

Hasta ahora hemos visto el cómputo de flujo volumétrico. Lo cierto es que este cómputo es bastante

bueno para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, cuando se necesita más precisión, es necesario

hacer el cómputo de flujo másico (de masa). Recordemos que un cambio en temperatura ocasiona un

cambio en densidad y por lo tanto se afecta la lectura. El cómputo de flujo másico se realiza de la

siguiente manera:

El cómputo de flujo másico es científicamente más exacto y compensa por cambios en temperatura o

densidad. Para calcular el flujo másico, se debe entonces incorporar la relación de volumen con masa.

Recordemos que densidad es masa dividido entre volumen:

y por lo tanto:

Si sustituimos el término volumen en la ecuación básica con (vol. x ρ), entonces obtenemos:

Lo único diferente es que tenemos que conocer la densidad del fluido. En este ejemplo, los datos son:

⁄

Al no tener el volumen directamente, se calcula:

El área tampoco está directamente, por lo tanto también hay que calcularlo:

Volviendo al volumen:

Computamos la masa:

Retomamos el cómputo de flujo:

⁄