Contenido
La tasa de flujo de volumen es un término en física que describe cuánta materia, en términos de dimensiones físicas, no de masa, se mueve a través del espacio por unidad de tiempo. Por ejemplo, cuando usa un grifo de cocina, una cantidad determinada de agua (que puede medir en onzas líquidas, litros u otra cosa) sale de la abertura del grifo en un período de tiempo determinado (generalmente segundos o minutos). Esta cantidad se considera el caudal volumétrico.
El término "caudal volumétrico" casi siempre se aplica a líquidos y gases; los sólidos no "fluyen", aunque también pueden moverse a un ritmo constante a través del espacio.
La ecuación del caudal volumétrico
La ecuación básica para problemas de este tipo es
Q = AV
dónde Q es el caudal volumétrico UNA es el área de la sección transversal ocupada por el material que fluye, y V es la velocidad promedio de flujo. V se considera un promedio porque no todas las partes de un fluido que fluye se mueven a la misma velocidad. Por ejemplo, cuando observa las aguas de un río que avanzan de manera constante aguas abajo a un número determinado de galones por segundo, observa que la superficie tiene corrientes más lentas aquí y más rápidas allá.
La sección transversal es a menudo un círculo en problemas de caudal volumétrico, porque estos problemas a menudo se refieren a tuberías circulares. En estos casos, encuentras el área UNA cuadrando el radio de la tubería (que es la mitad del diámetro) y multiplicando el resultado por la constante pi (π), que tiene un valor de aproximadamente 3.14159.
Las unidades habituales de SI (del francés para "sistema internacional", equivalente a "métrica") son litros por segundo (L / s) o mililitros por minuto (ml / min). Sin embargo, debido a que EE. UU. Ha usado durante mucho tiempo unidades imperiales (inglesas), todavía es mucho más común ver las tasas de flujo de volumen expresadas en galones / día, galones / min (gpm) o pies cúbicos por segundo (cfs). Para encontrar las tasas de flujo de volumen en unidades que no se usan comúnmente para este propósito, puede usar una calculadora de tasa de flujo en línea como la de los Recursos.
Caudal másico
A veces, querrá saber no solo el volumen de líquido que se mueve por unidad de tiempo, sino la cantidad de masa que esto representa. Esto es obviamente crítico en ingeniería, cuando se debe saber cuánto peso puede soportar con seguridad una tubería u otro conducto o depósito de fluido.
La fórmula del caudal másico se puede derivar de la fórmula del caudal volumétrico multiplicando toda la ecuación por la densidad del fluido, ρ. Esto se deduce del hecho de que la densidad es la masa dividida por el volumen, lo que también significa que la masa es igual a la densidad por el volumen. La ecuación de flujo de volumen ya tiene unidades de volumen por unidad de tiempo, por lo que para obtener masa por unidad de tiempo, simplemente necesita multiplicar por densidad.
La ecuación del caudal másico es, por lo tanto,
ṁ = ρAV
ṁ, o "punto m", es el símbolo habitual para el caudal másico.
Problemas de caudal de volumen
Digamos que le dieron una tubería con un radio de 0.1 m (10 cm, aproximadamente 4 pulgadas) y le dijeron que necesitaba usar esta tubería para drenar un tanque de agua lleno en menos de una hora. El tanque es un cilindro con una altura (h) de 3 metros y un diámetro de 5 metros. ¿Qué tan rápido necesitará moverse la corriente de agua a través de la tubería, en m3/ s, para hacer este trabajo? La fórmula para el volumen de un cilindro es π_r_2h.
La ecuación de interés es Q = AV, y la variable que está resolviendo es V.
Primero, calcule el volumen de agua en el tanque, recordando que el radio es la mitad del diámetro:
π × (2,5 m)2 × 3 m = 58,9 m3
Luego, determine la cantidad de segundos en una hora:
60 s / min × 60 min / h = 3600 s
Determine el caudal requerido:
Q = 58,9 m3/ 3600 s = 0.01636 m3/ s
Ahora determina el área UNA de su tubería de drenaje:
π × (0.1)2 = 0.0314 m2
Así, de la ecuación para el caudal volumétrico que tiene
V = Q/UNA
= 0.01636 m3/ s ÷ 0.0314 m2
= 0,52 m / s = 52 cm / s
El agua debe ser forzada a través de la tubería con una velocidad rápida pero plausible de aproximadamente medio metro, o un poco más de 1.5 pies, por segundo para drenar adecuadamente el tanque.