El principio del flujo de gases establece que una diferencia de presión mueve el gas mientras se conservan la masa, el momento y la energía. A diferencia de un líquido, un gas cambia de densidad cuando cambian la presión y la temperatura. Ese acoplamiento determina el caudal másico, la velocidad en la línea, la pérdida de presión, el tiempo de respuesta y si una restricción alcanza un límite de flujo sónico.
Esta guía es un método para seleccionar modelos. Explica qué magnitudes definir, qué ecuación se ajusta a cada pregunta de ingeniería y cuándo un cálculo manual debe sustituirse por datos ensayados del componente o por una medición en campo. Para un tratamiento más amplio de la respuesta de la máquina, consulta la guía sobre dinámica de gases en sistemas neumáticos.
Conclusiones clave
- NIST aplica la conservación de la masa al calibrar el flujo de gas a través de un volumen de control definido.
- Para aire ideal con una razón de calores específicos cercana a 1,4, la relación crítica de presión es aproximadamente 0,528.
- Usa presión absoluta, declara las condiciones de referencia del caudal y mide la restricción real antes de cambiar la presión del compresor.
¿Qué principio impulsa realmente el flujo de gases?
La guía de calibración de flujo de gases de NIST parte de la conservación de la masa a través de un volumen de control definido. Mide la densidad a partir de la presión y la temperatura y después tiene en cuenta la masa almacenada tanto en los volúmenes de recogida como en los de conexión (manual de calibración de NIST, consultado el 27-07-2026).
La diferencia de presión proporciona el potencial impulsor, pero la presión por sí sola no indica cuánto gas pasará. El resultado también depende de la densidad del gas, el área de paso, la temperatura, la fricción, la presión aguas abajo y la forma en que cambia el límite con el tiempo.
El caudal másico es la masa de gas que atraviesa una superficie definida por unidad de tiempo. Sigue siendo la magnitud contable estable cuando la presión y la temperatura hacen que el caudal volumétrico cambie de una sección a otra.
Conservación de la masa
Para un flujo estacionario unidimensional sin acumulación ni fugas:
Las variables son ṁ para el caudal másico en kilogramos por segundo, ρ para la densidad local en kilogramos por metro cúbico, A para el área de flujo en metros cuadrados y V para la velocidad local media en metros por segundo. El mismo ṁ atraviesa cada sección de una trayectoria de flujo en serie estacionaria, aunque cambien la densidad, el área y la velocidad.
Entre dos secciones, la continuidad se expresa como:
Por eso un paso más pequeño no siempre produce la relación de velocidades que se esperaría solo por el área. Si la presión estática cae a través de la restricción, la densidad puede disminuir mientras aumenta la velocidad.
Estado del gas, momento y energía
Para un modelo de cribado con gas ideal:
En esta ecuación, pabs es la presión absoluta en pascales, R es la constante específica del gas en julios por kilogramo-kelvin y T es la temperatura absoluta en kelvin. Úsala solo cuando el gas seleccionado y el rango de funcionamiento justifiquen una aproximación de gas ideal.
El momento conecta la fuerza de presión, el esfuerzo cortante en la pared y los cambios de velocidad o dirección. La energía conecta la entalpía, la energía cinética, la transferencia de calor y el trabajo. Por tanto, una ecuación de pérdida en tubería, una curva de caudal de válvula o un modelo de tobera son simplificaciones controladas de esas leyes de conservación, no un principio físico separado.
El límite de ingeniería útil es la trayectoria completa del flujo, no el componente nominal. Dibuja el límite desde la medición de presión aguas arriba hasta la medición aguas abajo e incluye cada filtro, regulador, paso de válvula, racor, tubo, silenciador y cámara. Un cálculo que omite el paso efectivo más pequeño puede ser preciso y aun así responder a la pregunta equivocada.
¿Qué mediciones definen un problema industrial de flujo de gases?
Las normas primarias de flujo de gases de NIST utilizan 2 métodos volumétricos: presión-volumen-temperatura-tiempo y tasa de aumento. Ambos determinan la masa acumulada a partir de la presión, la temperatura, el volumen del recipiente, el tiempo transcurrido y una ecuación de estado medidos (NIST, normas de flujo de gases, actualizado el 18-03-2025; consultado el 27-07-2026).
Ese método metrológico ofrece a los ingenieros de planta una lista de comprobación práctica. Antes de elegir una ecuación, registra el gas, las presiones absolutas de entrada y salida, la temperatura absoluta, la condición de referencia del caudal, la geometría interna y si el evento es estacionario o transitorio.
| Magnitud | Cómo registrarla | Por qué cambia el resultado |
|---|---|---|
| Identidad del gas | Aire, nitrógeno, argón, gas de proceso o mezcla | Define R, la razón de calores específicos, la viscosidad y las correcciones de gas real |
| Presión | Valores absolutos aguas arriba y aguas abajo | Define la densidad y la relación de presión a través de las restricciones |
| Temperatura | Temperatura absoluta del gas en la ubicación definida | Cambia la densidad, la velocidad sónica y la corrección del medidor |
| Base del caudal | Masa, volumen real, volumen estándar o volumen normal por unidad de tiempo | Evita comparaciones hechas con condiciones de referencia distintas |
| Geometría | Diámetro interior, longitud, rugosidad, codos y paso más pequeño | Define el área, la velocidad, la fricción y un posible punto de estrangulamiento |
| Comportamiento temporal | Estacionario, pulsante, llenado, vaciado o cíclico | Determina si una fórmula estacionaria es un modelo aceptable |
La presión manométrica debe convertirse antes de introducirla en una ecuación de densidad o de relación de presión:
En esta conversión, pg es la presión manométrica y patm es la presión atmosférica local expresada en las mismas unidades. La guía sobre PSIA frente a PSIG trata con más detalle la conversión y sus implicaciones por altitud.
Las etiquetas del caudal necesitan la misma disciplina. Un valor indicado como 300 L/min está incompleto salvo que el proveedor especifique si es el volumen real de la línea o un volumen equivalente en condiciones estándar declaradas. La norma PVTt de 26 metros cúbicos de NIST, por ejemplo, informa de condiciones de referencia para aire seco de 293,15 K y 101,325 kPa (NIST, calibraciones de caudalímetros de gas con la norma PVTt de 26 m3, 2009; consultado el 27-07-2026).
El caudal volumétrico estándar es el volumen que ocuparía la misma masa de gas a una presión y temperatura de referencia declaradas. No es el volumen físico que se mueve por un tubo presurizado.
Selección del modelo de flujo de gases adecuado
El resumen de ASME MFC-7 de NIST define el flujo crítico como el caudal másico máximo posible para las condiciones aguas arriba existentes y sitúa la velocidad en la garganta cerca de la velocidad sónica local. ISO 6358-1, en cambio, excluye dispositivos que intercambian energía, como cilindros y acumuladores (NIST; ISO 6358-1:2013, consultado el 27-07-2026).
Ninguna fórmula única de flujo de gases cubre un colector de compresor, un asiento de válvula, un caudalímetro, un recipiente de llenado y un cilindro en movimiento. Elige el modelo a partir del resultado que necesitas y del límite que puedas defender.
| Pregunta de ingeniería | Primer modelo que utilizar | Entradas necesarias | Detente y obtén mejores datos cuando |
|---|---|---|---|
| ¿Qué masa atraviesa una sección? | Continuidad más ecuación de estado | Densidad o presión y temperatura, área, velocidad | El perfil de flujo o las propiedades del gas son inciertos |
| ¿Es razonable la velocidad en un tubo? | Conversión de caudal estándar a real más área | Caudal de referencia, estado de referencia, estado de la línea, diámetro interior | La pérdida de presión ya no es pequeña |
| ¿Es importante la fricción de la tubería? | Número de Reynolds y modelo de caída de presión | Densidad, viscosidad, velocidad, diámetro, longitud, rugosidad | La densidad cambia de forma material a lo largo del recorrido |
| ¿Puede una restricción dejar pasar más masa? | Modelo de restricción compresible o de conductancia ensayada | Relación de presión absoluta, gas, temperatura, área efectiva | La geometría de la válvula difiere de un orificio simple |
| ¿Es válida una instalación de medición? | Norma específica del medidor y método de incertidumbre | Régimen de flujo, geometría de instalación, tomas, calibración | La instalación queda fuera del alcance declarado |
| ¿Cumplirá un cilindro el tiempo de carrera? | Modelo transitorio de cámara y componentes | Presiones de ambas cámaras, volumen, carga, datos de válvula, transferencia de calor | La única entrada disponible es la capacidad nominal estacionaria de un componente |
El número de Mach permite evaluar la importancia de la compresibilidad local:
La velocidad local del sonido para un gas ideal es:
En estas ecuaciones, M es el número de Mach, a es la velocidad sónica local, γ es la razón de calores específicos y las demás variables conservan las definiciones anteriores. Cuando M se aproxima a uno, el cambio de densidad ya no puede separarse del cambio de velocidad y presión en un modelo útil de restricción.
El número de Reynolds permite evaluar el equilibrio entre inercia y viscosidad:
En esta expresión, D es el diámetro hidráulico y μ es la viscosidad dinámica. El número de Reynolds ayuda a seleccionar una correlación de fricción, pero los codos, los efectos de entrada, la rugosidad, las pulsaciones y los pequeños pasos internos aún pueden dominar un conjunto neumático real.
Usa la relación entre caudal de aire y presión para no tratar el caudal y la presión como valores intercambiables. Para comparar válvulas, la guía específica sobre Cv neumático explica por qué un único tamaño nominal de puerto no define la capacidad de caudal.
¿Cuándo limita el flujo estrangulado una restricción?
NIST define el flujo crítico como el caudal másico máximo posible para las condiciones aguas arriba existentes, con una velocidad media en la garganta próxima a la velocidad sónica local. Para aire seco aproximado con γ = 1,4, la ecuación ideal de relación crítica de presión da aproximadamente 0,528 (resumen de ASME MFC-7 de NIST, 2016; consultado el 27-07-2026).
El flujo estrangulado es la condición de caudal másico máximo a través de la restricción que controla el flujo, para un estado de gas aguas arriba y un área efectiva de garganta definidos.
La relación crítica ideal es:
La relación rcrit es la relación crítica entre la presión absoluta aguas abajo y la presión absoluta aguas arriba, y γ es la razón de calores específicos del gas. La ecuación supone un gas ideal y un comportamiento isentrópico a través de una garganta definida. Una válvula real se representa mejor con datos ensayados de conductancia y relación crítica.
Para una comprobación rápida, calcula:
Los términos p1,abs y p2,abs son las presiones absolutas inmediatamente aguas arriba y aguas abajo de la restricción sospechosa. Si r está por debajo de la relación crítica aplicable, reducir aún más la presión aguas abajo no producirá un aumento proporcional del caudal másico a través de esa misma garganta.
Supón que una válvula recibe 7 bar manométricos aguas arriba y 3 bar manométricos aguas abajo cerca de la presión atmosférica al nivel del mar. Los valores absolutos son aproximadamente 8,013 bar y 4,013 bar, por lo que la relación es aproximadamente 0,501. Está por debajo del valor de 0,528 para aire ideal y convierte el comportamiento limitante sónico en un resultado de cribado importante.
La conclusión es local, no de todo el sistema. La garganta puede estar en un resalte de válvula, un silenciador, una aguja, un acoplamiento rápido, un racor o un orificio taladrado. Revisa la secuencia detallada de diagnóstico de flujo estrangulado y la diferencia entre conductancia sónica y relación crítica de presión antes de tratar una estimación de orificio simple como una capacidad nominal del componente.
¿Cómo debe evaluarse la caída de presión en la trayectoria real del flujo?
El Departamento de Energía de Estados Unidos indica que un sistema de aire comprimido correctamente diseñado debería perder bastante menos del 10 % de la presión de descarga del compresor entre la descarga y el punto de uso. Cerca de 100 psig, cada aumento de 2 psi en la presión de descarga eleva aproximadamente un 1 % el consumo de energía a plena producción (Manual del DOE sobre aire comprimido, tercera edición, consultado el 27-07-2026).
Para un tramo recto con un cambio de densidad moderado, la forma de Darcy-Weisbach es una primera comprobación útil:
Las variables de pérdida de presión son Δp para la pérdida por fricción estimada, f para el factor de fricción de Darcy seleccionado, L para la longitud de tubería, D para el diámetro interior y ρ y V para la densidad y la velocidad representativas. Esta forma necesita segmentación o un modelo compresible cuando la presión y la densidad varían materialmente a lo largo del recorrido.
Las pérdidas locales añaden otro término:
El coeficiente adimensional K representa un racor, codo, entrada, posición de válvula u otra característica local en condiciones definidas. Para un componente neumático complejo, los datos de caída de presión o conductancia del catálogo suelen ser más defendibles que un valor K genérico.
Por nuestra experiencia, el diagnóstico más rápido se obtiene con lecturas simultáneas de presión antes y después de una restricción sospechosa durante el movimiento fallido. Los manómetros estáticos pueden recuperarse entre ciclos. Una diferencia dinámica muestra si la pérdida está en el ramal de planta, el FRL, la válvula direccional, el tubo, el regulador de velocidad o la trayectoria de escape.
Usa este orden de medición:
- Registra la presión de entrada de la máquina durante la demanda simultánea más alta.
- Mide la presión a ambos lados del componente sospechoso durante el movimiento.
- Compara por separado las trayectorias de suministro y escape.
- Confirma el diámetro interior, la longitud, los codos, los acoplamientos y el estado del silenciador.
- Compara el punto de funcionamiento medido con los datos de caudal del fabricante.
- Corrige la restricción antes de aumentar el ajuste de presión del compresor.
La guía de diagnóstico del sistema explica qué causa la caída de presión neumática. Una vez conocidos el caudal, la longitud, el diámetro interior, la presión y la longitud equivalente de los racores, usa la calculadora de caída de presión del aire comprimido como comprobación de la línea.
Ejemplo resuelto: convertir el caudal estándar en velocidad de línea
La norma PVTt de 26 metros cúbicos de NIST utiliza condiciones de referencia de 293,15 K y 101,325 kPa para el caudal estándar de aire seco. Con esas condiciones declaradas, una demanda de 300 L/min estándar a 6 bar manométricos y la misma temperatura se convierte en aproximadamente 43,3 L/min reales antes de calcular la velocidad de línea (NIST, 2009).
Para un gas ideal con la misma composición en dos estados:
La variable de caudal de referencia Qref es el caudal volumétrico a la presión y temperatura de referencia declaradas. Los términos Qactual, pabs y Tabs describen el estado de la línea. Todas las presiones y temperaturas deben ser absolutas.
A 6 bar manométricos cerca de la presión atmosférica estándar, la presión de línea es aproximadamente 7,013 bar absolutos. Con temperaturas iguales:
Para un tubo de 8 mm de diámetro interior:
El área A es aproximadamente {5.03} × 10−5 metros cuadrados después de convertir D a metros, y 43,3 L/min equivalen aproximadamente a {7.22} × 10−4 metros cúbicos por segundo. La velocidad resultante es un valor de cribado, no una prueba de que la trayectoria completa pueda pasar 300 L/min estándar a la presión aguas abajo requerida.
Este cálculo también revela un error habitual de catálogo. Dividir directamente 300 L/min por el área del tubo presurizado sobredimensionaría la velocidad de línea aproximadamente según la relación de presión absoluta. El error contrario, tratar 43,3 L/min reales como demanda de aire libre del compresor, subestimaría el suministro necesario.
Datos de medición y RFQ para seleccionar componentes
ISO 6358-1 es una norma de ensayo de componentes en régimen permanente de 61 páginas con 2 enmiendas, incluida una de 2026 sobre incertidumbre de medición. Su alcance declarado excluye los reguladores con realimentación interna y los dispositivos que intercambian energía, como cilindros y acumuladores (ISO 6358-1:2013, consultado el 27-07-2026).
Ese límite debe orientar tanto los ensayos como las compras. Pide al proveedor datos que describan el punto de funcionamiento previsto, no solo un tamaño de rosca o un caudal máximo sin definir.
Incluye estos elementos en una RFQ relacionada con el caudal:
- Identidad del gas, estado de humedad, clase de contaminación y rango de temperatura admisible.
- Presiones absolutas aguas arriba y aguas abajo requeridas durante la demanda máxima.
- Caudal con condiciones de referencia explícitas: estándar, normal, real o másico.
- Diámetros interiores, longitudes, racores, codos y trayectorias de colector de tubos y mangueras.
- Función de la válvula, trayectorias de suministro y escape, ciclo de trabajo y consumidores simultáneos.
- Diámetro, carrera, tiempo de carrera objetivo, carga, amortiguación y presiones de ambas cámaras del cilindro.
- Incertidumbre de medición requerida y norma o método de aceptación.
ISO 5167-1:2022 establece requisitos generales para medir el caudal por presión diferencial en conductos circulares completos, pero su alcance no convierte cada ramal neumático corto en una instalación conforme (ISO 5167-1:2022, consultado el 27-07-2026). Aún deben revisarse las condiciones de tramo recto, las tomas de presión, el rango de Reynolds, el perfil de flujo y la incertidumbre.
Para la instalación, sigue la guía práctica sobre conducción de tubos neumáticos. Un plano claro debe identificar los puntos de medición y el paso interior más pequeño, no solo el diámetro exterior del tubo.
Preguntas frecuentes sobre flujo de gases: ¿qué deben comprobar los ingenieros?
NIST define el flujo crítico como el caudal másico máximo disponible para las condiciones aguas arriba existentes, mientras que sus normas primarias calculan la masa acumulada a partir de la presión, la temperatura, el volumen y el tiempo. Esos 2 límites explican por qué el flujo de gases necesita datos de estado absolutos y un modelo ajustado a la restricción (resumen de flujo crítico de NIST; normas de flujo de gases de NIST).
¿El gas siempre fluye de la presión alta a la baja?
El flujo neto de gas a través de una conexión pasiva va de la presión total más alta hacia la más baja, pero la presión estática local puede aumentar o disminuir cuando cambian el área, la velocidad, la fricción, la transferencia de calor y la elevación. Las bombas, los compresores, los eyectores y los límites móviles aportan trabajo, así que define el volumen de control antes de interpretar dos lecturas de presión.
¿Cuándo se puede tratar la densidad del gas como constante?
Tratar la densidad como constante es solo una aproximación de cribado cuando los cambios de presión, temperatura y número de Mach son pequeños en la sección definida. Si la relación de presión es grande, el paso es pequeño o la velocidad se acerca a las condiciones sónicas, la densidad y la velocidad deben resolverse con un modelo compresible.
¿Por qué son distintos los L/min estándar y los L/min reales?
Describen volúmenes de gas equivalentes en estados distintos de presión y temperatura. La misma masa ocupa menos volumen en una línea presurizada que en la referencia estándar declarada. Convierte con presión y temperatura absolutas y no compares dos valores de caudal de catálogo hasta que ambos proveedores indiquen sus condiciones de referencia.
¿Un puerto roscado más grande garantiza más caudal de gas?
No. La restricción efectiva puede ser un resalte o asiento de válvula, el taladro de un racor, una galería de colector, un silenciador o una aguja de control parcialmente abierta dentro del puerto nominal. Compara las características de caudal ensayadas con la relación de presión requerida. Después confirma la trayectoria montada con mediciones dinámicas de presión durante la demanda máxima.
¿Una fórmula de flujo de gases puede predecir la velocidad de un cilindro neumático?
No. Ninguna ecuación estacionaria única recoge el cambio de volumen de las cámaras, la conductancia de suministro y escape, las presiones de ambas cámaras, la carga, la fricción, las fugas, el tiempo de la válvula, la amortiguación y la transferencia de calor. Usa ecuaciones de continuidad y de estado para el cribado, datos ensayados de los componentes para las restricciones y trazas de presión y posición para aceptar definitivamente el tiempo de carrera.