¿Por qué aumenta la velocidad del agua en la válvula al disminuir el área de la válvula?

Answer 1

Todos los otros carteles han respondido su pregunta original a fondo. Pero, después de haber diseñado un sistema de válvulas como parte de un equipo de diseño, permítame darle una perspectiva práctica.

Esencialmente, el objetivo de un sistema de válvula es entregar una velocidad de flujo controlada en un rango de velocidad de flujo específico dentro de un presupuesto de energía específico, así como un presupuesto de materiales específico. La válvula tiene elementos actuadores que se abren y cierran que controlan la velocidad de flujo al restringir una ruta de flujo. También puede tener el requisito de abrir y cerrar la válvula dentro de un tiempo específico.

Cuando la válvula está completamente abierta, la ruta de flujo es la más ancha con la resistencia de flujo mínima. Cuando se cierra o se cierra, tiene el camino más estrecho con la máxima resistencia al flujo, dependiendo del sellado. La resistencia puede ser una resistencia de “estado estable”, donde el camino del flujo es fijo y la caída de presión se debe a la viscosidad (es decir, la fricción) o la inercia, es decir, debido a cambios en la dirección del flujo a medida que el fluido rodea la obstrucción. La resistencia se mide mediante la válvula Cv, que es un número estándar utilizado para determinar el rendimiento (ver: coeficiente de flujo).

Además, existe la resistencia de ruta adicional que proviene de los tubos y tuberías que se utilizan para transportar el fluido a la válvula. Ahora, la energía para el flujo en sí mismo puede provenir de una fuente pasiva, como un tanque elevado o un motor primario, como una bomba.

Con una fuente pasiva, como un tanque de agua, la velocidad de flujo del sistema está determinada por la altura diferencial entre el nivel de líquido del tanque y la válvula, así como la resistencia debida a la válvula y la tubería / tubería. Cuando la válvula está completamente abierta, la resistencia es la más baja y el caudal es el más alto. Cuando la válvula está cerca de estar completamente cerrada, la resistencia es la más alta y el caudal es el más bajo.

El caudal dividido por el área abierta efectiva de la válvula determina la velocidad promedio del fluido que sale. Cuando la válvula está abierta, el área es la más grande y generalmente la velocidad promedio es la más baja. Cuando la válvula está casi cerrada, el área es la más baja y la velocidad promedio es la más alta. Cuando la válvula está completamente cerrada, la resistencia es efectivamente infinita, la velocidad de flujo es cero y, por lo tanto, la velocidad promedio es cero.

Answer 2

En los detalles de la pregunta, el póster original dice esto:

Digo que Q disminuye al disminuir A (área). Como resultado, la velocidad debe disminuir porque si cerramos, la velocidad de la válvula se convierte en cero.

Voy a suponer que el póster original está comentando algo que él o ella ha observado antes, específicamente que el flujo disminuye cuando cierra una válvula. En este caso, Q, el caudal volumétrico, disminuye a medida que disminuye el área de la sección transversal del flujo, A. Todos hemos experimentado esto antes. Cuando estás en la ducha o la bañera y cierras el agua, definitivamente ves que el caudal disminuye a medida que la válvula se cierra por completo. Sin embargo, si es muy astuto, es posible que haya notado que la velocidad de flujo no disminuye en proporción a la cantidad que cierra la válvula. En cambio, el flujo parece permanecer aproximadamente constante hasta que finalmente estás muy cerca de cerrar la válvula.

¿Por qué es esto?

Primero, saquemos algo del camino: para un fluido incompresible (uno donde la densidad no depende fuertemente de la presión, como casi todos los líquidos y gases en algunos estados), el caudal volumétrico es constante en todo el sistema de tuberías si estamos no en medio de cambiar algo (es decir, estamos en estado estacionario). Esto es una consecuencia de la conservación de la masa que establece que el flujo de masa a través del sistema debe ser constante para que no acumule nada.

Ahora, en el ejemplo de la bañera, cuando el caudal parece cambiar al cerrar la válvula, observa dos regímenes de flujo diferentes descritos por diferentes fenómenos físicos. Cuando la válvula está mayormente abierta, los efectos viscosos son prácticamente insignificantes. Puede determinar esto calculando el número de Reynolds del flujo donde, si es mucho mayor que 1, los efectos viscosos no son importantes. Este régimen de flujo también se conoce como flujo invisible . En este régimen de flujo, la válvula sirve como una constricción donde la velocidad en la válvula aumenta, pero esa velocidad puede disminuir nuevamente a medida que el líquido fluye más allá de la válvula hacia otro tubo. De cualquier manera, el flujo volumétrico permanece constante.

A medida que cierra la válvula, más y más efectos viscosos comienzan a ser más dominantes y esto comienza a crear más resistencia al flujo. También puede pensar en esto en términos de una caída de presión a través de la válvula de manera similar a la ley de Ohm:

[matemáticas] \ Delta P = QR [/ matemáticas]

donde [matemática] \ Delta P [/ matemática] es el potencial de flujo (la caída de presión), [matemática] Q [/ matemática] es la velocidad de flujo (similar a la corriente) y [matemática] R [/ matemática] es el resistencia al flujo Cuanto mayor es la resistencia, mayor es la caída de presión. Además, si piensa en su sistema de tanque y válvula, la caída de presión en todo el sistema está determinada por la altura del tanque por encima de la válvula ([matemática] \ rho g \ Delta h [/ matemática]), así que necesariamente si su válvula ocupa una porción cada vez mayor de esa caída de presión, la caída de presión a través de las tuberías debe disminuir y, dado que la resistencia al flujo en una tubería es relativamente constante, la velocidad de flujo necesariamente debe disminuir. Incluso si no tiene un tanque, tiene una bomba que está creando una carga de presión estática que es relativamente constante, por lo que se aplica el mismo principio.

Otra forma más matemática de pensar sobre esto es en términos de conservación de la masa y la ecuación de Hagen-Poiseuille. Nuevamente, la conservación de la masa (suponiendo un fluido incompresible) establece que la velocidad de flujo volumétrico es constante en el sistema y, por lo tanto, que la velocidad del flujo es igual al flujo volumétrico dividido por el área de la sección transversal:

[matemáticas] v = \ frac {Q} {A} = \ frac {Q} {\ pi r ^ 2} [/ matemáticas]

Por lo tanto, la velocidad se escala con uno sobre el radio al cuadrado, [math] v \ sim 1 / r ^ 2 [/ math]. Sin embargo, la caída de presión en una constricción puede describirse mediante la ecuación de Hagen-Poiseuille (flujo de Hagen-Poiseuille de las ecuaciones de Navier-Stokes) que nos muestra que la caída de presión escala el caudal volumétrico y uno sobre el cuadrado del radio , [matemáticas] \ Delta P \ sim Q / r ^ 2 [/ matemáticas]. Eso significa que incluso si la velocidad aumenta debido a una constricción, esa constricción disminuirá el flujo general en el sistema simplemente debido a los efectos viscosos.

Por lo tanto, si desea pensar por qué disminuye el flujo volumétrico cuando cierra una válvula, debe pensar en los efectos viscosos que las ecuaciones como la ecuación de Bernoulli ignoran.

¡Gracias a Jeff Kleile por el A2A!

Answer 3

Parece confundido entre Q, velocidad de flujo volumétrico y V, velocidad de flujo. Para fluido incompresible, Q (dado por el área de la sección transversal multiplicada por V) en cualquier sección de la tubería es constante. Por lo tanto, si el área de la sección transversal disminuye, la velocidad del flujo local aumenta. Cuando cierra la válvula, está disminuyendo efectivamente el área de la sección transversal en el área de la válvula. Si el caudal es el mismo, entonces aumenta la velocidad del caudal.

Sin embargo, en el flujo real también debemos tener en cuenta las pérdidas en la tubería, por lo que una válvula puede tener un impacto significativo en las pérdidas menores. Esto afectará el caudal volumétrico en el sistema de tuberías. El caudal volumétrico puede determinarse por la intersección de la curva de rendimiento de la bomba y la curva de pérdida para el sistema de tuberías. Suponiendo que la bomba utilizada sea la misma. Al cerrar la válvula, cambió la curva de pérdida del sistema, haciendo que intersecte la curva de rendimiento de la bomba en Q cada vez más baja. Entonces, si el área de la sección transversal en la válvula es la misma, V disminuye.

Como puede ver, al cerrar la válvula, ambos disminuyen el área en la válvula, lo que aumenta V, y disminuyen Q, que disminuye V. Por lo tanto, diría que la velocidad máxima en la válvula depende mucho del cambio relativo en Q y área desde V = Q / área.

Esta es la primera vez que estoy respondiendo una pregunta sobre Quora. ¡Espero eso ayude!

Answer 4

Entiendo dónde tienes una confusión. No confunda Q con v.

Q es el caudal volumétrico. Volumétrico se refiere al volumen que es cantidad. v es velocidad, que es básicamente velocidad con dirección. La cantidad y la velocidad son cosas muy diferentes y no están directamente relacionadas entre sí.

La regla simple según la ecuación de continuidad es que si el área disminuye, la velocidad aumenta. Inversamente proporcional entre sí . Esto se debe a que el caudal másico en cualquier sección transversal de la tubería debe permanecer igual. Entonces, si disminuye el área, pasará menos masa por segundo. Para compensar esa velocidad aumenta. Entonces, aunque el diámetro de la tubería disminuye, la misma cantidad de masa pasará por segundo.

Espero que ayude.

Answer 5

El caso está a la par del principio de Bernoulli que afirma que “la energía mecánica total del fluido que fluye permanece constante”. Al disminuir el área de la válvula, de hecho disminuimos la velocidad de flujo y, por lo tanto, la presión del fluido que fluye a través de ella. La disminución en la energía de presión se acompaña de un aumento en la energía cinética como resultado de lo cual aumenta la velocidad del fluido que fluye.
Para tener una comprensión práctica, considere hacer fluir el agua del galón a un recipiente. Asegúrese de que la tapa de galón esté completamente dentro de la abertura del contenedor. Cuando el galón está lleno de agua, existe una diferencia de presión entre el galón de agua y el recipiente que tiene presión de vacío. Esto hará que el fluido fluya en el recipiente. Además, cuanto más pequeña sea un área de apertura, mayor será la velocidad del fluido que fluye. Lo contrario ocurrirá cuando el área de apertura del contenedor sea grande.
¡Las boquillas se usan con frecuencia para disminuir la presión del fluido, aumentando así la velocidad del fluido que fluye!

Answer 6

Puedes entenderlo más prácticamente de esta manera.

Dime qué haces para rociar agua sobre las plantas desde la distancia. Simplemente coloque su mano sobre la abertura de la tubería y la velocidad aumenta. En este caso, está disminuyendo el área y aumentando la velocidad.

Siempre hay una conservación de la masa, como la conservación de la energía.

Entonces,

Velocidad de flujo másico de entrada = Velocidad de flujo másico de salida

Rho1 x Área1 x Velocidad1 = Rho2 x Área2 x Velocidad2

Esta ecuación se llama ” Ecuación de continuidad ”

Rho es la densidad.

Ahora para líquidos incompresibles, rho1 = rho2

Entonces

A1 x V1 = A2 x V2

A medida que el área disminuye, la velocidad aumenta y viceversa.

Answer 7

Entonces, primero tenemos que fijar un lugar de referencia y aquí, supongo que tiene la gravedad apuntando hacia abajo y que la válvula está en un nivel inferior en comparación con el tanque de agua.

Ahora considere un punto A justo en la superficie del agua. Deje que la velocidad del agua en ese punto sea [matemática] v_ {A} [/ matemática] y la presión que actúa en ese punto es solo la presión atmosférica [matemática] p_ {atm} [/ matemática]. Deje que la altura de este punto de nuestra referencia sea [math] z_ {A} [/ math].

Luego considere un punto B justo en la punta de la válvula. La velocidad del agua, la presión en ese punto y la altura de ese punto son [matemáticas] v_ {B}, p_ {atm} [/ matemáticas] y [matemáticas] z_ {B} [/ matemáticas] respectivamente.

La presión en ambos casos es la misma porque solo la presión atmosférica actúa sobre la superficie del líquido. En segundo lugar, considerando las condiciones del mundo real, podemos asumir con seguridad que el agua es incompresible y que su densidad [matemática] \ rho [/ matemática] es constante.

Ahora la ecuación de Bernoulli dice lo siguiente:

[matemáticas] \ frac {v_ {A} ^ 2} {2} + g z_ {A} + \ frac {p_ {atm}} {\ rho} = [/ matemáticas] [matemáticas] \ frac {v_ {B} ^ 2} {2} + g z_ {B} + \ frac {p_ {atm}} {\ rho} [/ math]

Ahora podemos eliminar el último término y finalmente terminamos con:

[matemáticas] v_ {B} = \ sqrt {\ left (2g (z_ {A} -z_ {B}) + v_ {A} ^ 2 \ right)} [/ matemáticas]

Como sabemos que [math] z_ {A} \ geq z_ {B} [/ math] sabemos que el primer término es positivo y, por lo tanto, podemos decir que la velocidad en la válvula es más alta que en la superficie del tanque .

Ahora a su pregunta sobre qué sucede cuando cierra la válvula. El flujo de agua se detiene pero hay que notar que aumenta la presión en la válvula. Puede pensar en este aumento de presión como una especie de conversión de la energía cinética del agua en el tanque que se está moviendo a una energía potencial de agua cerca de la válvula. En ese caso, el término de presión no sería solo [math] p_ {atm} [/ math] sino que tendría un término adicional proveniente de la reducción de la altura.

Answer 8

Podemos explicar este fenómeno con la ayuda de una simple ecuación de continuidad, es decir, Q = Av, caudal de volumen = área transversal X velocidad de flujo. Por lo tanto, para que la ecuación de continuidad sea verdadera, la velocidad del flujo aumenta cuando el área de la sección transversal disminuye y la velocidad del flujo disminuye cuando aumenta el área de la sección transversal. El producto de los dos siempre permanece constante.

Answer 9

Aquí diría sobre dos ecuaciones, la primera es la tasa de flujo volumétrico y la segunda es la ecuación de Bernoulli.

En la válvula, el caudal volumétrico del agua viene dado por
F = v. A , donde v es la velocidad promedio del agua y A es el área de la sección transversal de la válvula. Obviamente, a partir de la ecuación, vemos que la velocidad del agua es inversamente proporcional al área de la sección transversal del recipiente. Área más pequeña (válvula): mayor velocidad del flujo de fluido.

En el caso dado, la ecuación de Bernoulli sería (energía de presión + energía cinética + energía potencial) _ punto A = (energía de presión + energía cinética + energía potencial) _ punto B. Tomemos la energía de presión total “nula” ya que tanto el tanque de agua como la válvula no están cerrados y la presión atmosférica los ejerce . Entonces, la presión ejercida sobre el tanque de agua y la válvula está en equilibrio. Hay una diferencia de energía potencial significativa como se muestra en la figura. La altura (X metros) arriba del dato.

(mv ^ 2/2 + mgh) _tank = (mv ^ 2/2 + mgh) _valve

La masa de agua es constante. La aceleración debida a la gravedad es constante. Supongamos que la velocidad de flujo inicial desde el tanque es cero. Entonces la ecuación se puede reducir así,

h_tank = (v ^ 2/2 + h) _valve

(v ^ 2) _valve = (h_tank – h_valve) / 2

v_valve = sqrt [(h_tank – h_valve) / 2]

Answer 10

Piensa simplemente
Porque el caudal es constante a través de toda la tubería.
Q = Av
A y v son inversamente proporcionales entre sí.
Si no confía en que la velocidad de flujo es constante, puede verificar con un balde.

Nota … cuando estaba en la universidad, ya lo había comprobado porque también dudaba sobre el caudal.

Answer 11

Debido a la conversación de masa, el caudal másico debe ser constante de acuerdo con la ecuación Q = A * V

donde Q es la velocidad de flujo (m ^ 3 / s), V es la velocidad del fluido (m / s) y A es el área de flujo (m ^ 2)

Por lo tanto, disminuir el área de flujo da como resultado un aumento de la velocidad para mantener constante la velocidad de flujo.

Answer 12

Parece que llego tarde a la fiesta, y creo que todos los demás encuestados han respondido satisfactoriamente a su pregunta. Todo se reduce a la conservación de la masa (y en el caso de un líquido con un gradiente de baja presión, la conservación del volumen).