Conversor de Unidades de Flujo

El concepto de flujo es fundamental en disciplinas que van desde la física y la ingeniería hasta la biología y la economía, representa la transferencia o movimiento de una cantidad física (como masa, energía, partículas o información) a través de un medio o sistema en un tiempo determinado. Su estudio ha permitido avances tecnológicos, mejoras en procesos industriales y una comprensión más profunda de fenómenos naturales.

El flujo volumétrico (o caudal) es una magnitud fundamental en la ingeniería y las ciencias aplicadas, que cuantifica el volumen de un fluido (líquido o gas) que atraviesa una sección transversal (normalmente de una tubería o sección de canal) por unidad de tiempo, su comprensión es crítica para diseñar sistemas de bombeo, redes de distribución, equipos industriales e incluso para modelar fenómenos naturales como el flujo sanguíneo o las corrientes oceánicas.

El flujo volumétrico (Q) se define como:

Donde:

Q: Caudal (m³/s).
V: Volumen del fluido (m³).
t: Tiempo (s).
v: Velocidad promedio del fluido (m/s).
A: Área transversal de la tubería o conducto (m²).

La segunda igualdad también se le conoce como ecuación de continuidad o ecuación de Castelli la cual establece una relación directa entre la velocidad del fluido y el área transversal del conducto. Sin embargo, esta aparente simplicidad esconde una complejidad subyacente cuando consideramos factores como la viscosidad, la densidad, la turbulencia, el perfil y la compresibilidad de los fluidos. Para gases o hidrocarburos y petrolíferos líquidos, la situación es más compleja debido a su naturaleza compresible, requiriendo el uso de ecuaciones termodinámicas que consideran cambios en densidad y temperatura.

La medición precisa del flujo volumétrico ha evolucionado significativamente desde los primeros métodos rudimentarios, actualmente, disponemos de tecnologías como:

Caudalímetros electromagnéticos, ideales para fluidos conductivos como el agua potable. los cuales tienen un muy buen costo-beneficio y su precisión cumple para la mayoría de los procesos industriales no fiscales, su precisión ronda del 0.5% al 1% de la lectura.
Sistemas ultrasónicos de tiempo de tránsito o Doppler que son muy eficientes por su portabilidad y sobre todo por el echo de poder medir flujo de forma no intrusiva, con la desventaja de que si se configura mal o no se respeta la instalación correcta, su precisión puede bajar mucho, su precisión ronda del 1% al 2% de la lectura.
Medidores másicos Coriolis para aplicaciones de alta precisión, muy utilizados en las trasferencia de custodia (medición fiscal), pueden llegar a tener una precisión de 0.025% de la lectura, su mayor desventaja es su precio.

Sin embargo no son las únicas tecnologías ya que existen algunas mas antiguas y otras nuevas que han surgido y que tienen aplicaciones muy especificas, ya sea por diseño o por cultura industrial, por ejemplo, para medición de vapor, el medidor Vortex es lo mas usado, para medición de gas natural, se utiliza la medición de flujo por placa de orificio (principio de presión diferencial), para medición de petrolíferos líquidos, es común aun ver mediciones con equipos de desplazamiento positivo, esto no significa que no exista otra tecnología mejor para medir, si no que la industria busca el mejor costo beneficio en la medición.

Estos principios no solo se aplican para medición de flujo en tubería a presión, sino también a la medición de flujo en superficie libre o a canal abierto, presente en ríos, canales, vertederos y sistemas de drenaje, presenta desafíos únicos para su medición y control, a diferencia del flujo en tuberías a presión, donde el caudal puede calcularse directamente, en estos sistemas el comportamiento irregular del fluido (afectado por pendientes, rugosidad del lecho y condiciones atmosféricas) hace que el enfoque energético resulte más práctico que el volumétrico.

En los sistemas de superficie libre, el fluido (generalmente agua) está en contacto con la atmósfera y su movimiento depende de:

La gravedad: Principal fuerza motriz.
La geometría del canal: Pendiente, sección transversal y rugosidad.
Condiciones externas: Precipitación, evaporación y aportes laterales.

Estos factores generan comportamientos no uniformes o no permanentes, también llamados transitorios:

Si la profundidad del flujo (y) no cambia a lo largo del canal (con respecto a la distancia x): es uniforme

Si la profundidad del flujo (y) sí cambia a lo largo del canal:

Si la profundidad del flujo (y) no cambia con el tiempo (t):

Si la profundidad del flujo (y) sí cambia con el tiempo:

Sin embargo esos cambios en el tirante o profundidad no son los únicos fenómenos asociados. El análisis de estos comportamientos tienen que ver con una combinación de velocidades las cuales son, la celeridad de Lagrange (dinámica), la celeridad de Seddon (cinemática) y la velocidad promedio axial, normalmente la unida velocidad que se mide es la velocidad promedio axial, sin embargo las dos celeridades también afectan en el comportamiento.

Las celeridades son las velocidades a la que viajan las perturbaciones (ondas) en el agua, imagina que lanzas una piedra a un río: las ondas que se forman se mueven a una celeridad específica, que depende de cómo fluye el agua.

1. Celeridad de Lagrange (dinámica) → Ondas rápidas (como las de una piedra), cuando tiras una piedra a un río tranquilo se forman ondas circulares que se expanden la velocidad de esas ondas es la celeridad de Lagrange.

2. Celeridad de Seddon (cinemática) → Ondas lentas (como las de una crecida), ahora imagina que hay una inundación en el río, el agua sube lentamente (no es una onda instantánea como la de la piedra), esta onda de crecida viaja a la celeridad de Seddon.

Debido a que es mas fácil analizar el flujo de un rio o canal como forma de energía, es posible calcular el caudal o flujo sin necesidad de medir la velocidad promedio axial o utilizar la formula de continuidad (Castelli), esto se puede hacer a través de la formula de Manning, sin embargo esto suele ocuparse como una aproximación debido asume un flujo uniforme (no siempre es así) y a que se requiere conocer parámetros muy específicos como la rugosidad del material y la pendiente del canal.

Donde:

v = Velocidad media del agua (m/s).
n = Coeficiente de rugosidad de Manning (adimensional).
R = Radio hidráulico (m), calculado como:
S = Pendiente longitudinal del canal (adimensional)

para calcular el radio hidráulico (R) se utiliza esta formula:

A = Área mojada transversal (m²).
P = Perímetro mojado (m).

El flujo es una magnitud que esta presente, desde las venas de tu cuerpo hasta los grandes embalses que llevan agua a las ciudades, su estudio y comportamiento es complejo pero importante para todos los aspectos de la vida, el hacer las conversiones correctas es crucial para poder entender el mundo que nos rodea.

Si te interesa saber mas sobre este tema, visita nuestros artículos donde explicamos mas a detalle este tema y muchos otros.

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