La tasa de flujo volumétrico 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 abre el grifo de la cocina, una determinada cantidad de agua (que puede medir en onzas líquidas, litros o algo más) sale por 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
dóndeQes el caudal volumétrico,Aes el área de la sección transversal ocupada por el material que fluye, yVes la velocidad media de flujo.Vse considera un promedio porque no todas las partes de un fluido que fluye se mueven al mismo ritmo. Por ejemplo, cuando observa cómo las aguas de un río se abren paso constantemente río abajo a una cantidad determinada de galones por segundo, se da cuenta de que la superficie tiene corrientes más lentas aquí y más rápidas allá.
La sección transversal es a menudo un círculo en los problemas de caudal volumétrico, porque estos problemas a menudo se refieren a tuberías circulares. En estos casos, encuentra el áreaAcuadrando 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 de caudal SI (del francés para "sistema internacional", equivalente a "métrico") habituales son litros por segundo (L / s) o mililitros por minuto (mL / min). Sin embargo, debido a que EE. UU. Ha utilizado 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 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 que se encuentra en Recursos.
Tasa de flujo másico
A veces, querrá saber no solo el volumen de fluido que se mueve por unidad de tiempo, sino también la cantidad de masa que esto representa. Obviamente, esto es crítico en ingeniería, cuando se debe saber cuánto peso puede sostener con seguridad una tubería u otro conducto de fluido o depósito determinado.
La fórmula del caudal másico se puede derivar de la fórmula del caudal volumétrico multiplicando la ecuación completa por la densidad del fluido,ρ. Esto se deriva del hecho de que la densidad es masa dividida por volumen, lo que también significa que la masa es igual a la densidad por el volumen. La ecuación de flujo volumétrico ya tiene unidades de volumen por unidad de tiempo, por lo que para obtener masa por unidad de tiempo, simplemente necesita multiplicar por densidad.
Por tanto, la ecuación de caudal másico es
\ dot {m} = \ rho AV
ṁ, o "m-dot", es el símbolo habitual para el caudal másico.
Problemas de caudal volumétrico
Supongamos 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 todo 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 deberá moverse la corriente de agua a través de la tubería, en m?3/ s, para hacer este trabajo? La fórmula para el volumen de un cilindro es:
V = \ pi r ^ 2 h
La ecuación de interés esQ = AV, y la variable que está resolviendo esV.
Primero, calcule el volumen de agua en el tanque, recordando que el radio es la mitad del diámetro:
V = \ pi (2.5 \ text {m}) ^ 2 (3 \ text {m}) = 58.9 \ text {m} ^ 3
Luego, determine la cantidad de segundos en una hora:
60 \ text {s / min} \ times 60 \ text {min / hr} = 3600 \ text {s}
Determine el caudal volumétrico requerido:
Q = \ frac {58.9 \ text {m} ^ 3} {3600 \ text {s}} = 0.01636 \ text {m} ^ 3 \ text {/ s}
Ahora determina el áreaAde su tubería de drenaje:
A = \ pi (0.1) ^ 2 = 0.0314 \ text {m} ^ 2
Por lo tanto, a partir de la ecuación para el caudal volumétrico, tiene
V = \ frac {Q} {A} = \ frac {0.01636 \ text {m} ^ 3 \ text {/ s}} {0.0314 \ text {m} ^ 2} = 0.52 \ text {m / s} = 52 \ text {cm / s}
Se debe forzar el agua 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 correctamente el tanque.