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TODO SORE PLACA DE ORIFICIO
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ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA“MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” BOLIVIA
TECNOLOGÍA DEL GAS I
“MEDIDORES DE FLUJO DE GAS”
YARA KATERIN IBÁÑEZ PEÑA
SANTA CRUZ – 2014
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ESCUELA MILITAR DE INGENIERÍA“MCAL. ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” BOLIVIA
TECNOLOGÍA DEL GAS I
“MEDIDORES DE FLUJO DE GAS”
YARA KATERIN IBÁÑEZ PEÑA
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PARA EL SEPTIMO SEMESTRE DE INGENIERÍA PETROLERA
DOCENTE: Ing. ORLANDO MELGAR Q.
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CAPITULO 1. GENERALIDADES1.1 INTRODUCCIÓN.21.2.OBJETIVO GENERAL1.3.OBJETIVO ESPECIFICO2.1.RAZÓN DE FLUJO DE VOLUMEN2.2.MEDIDORES DE DIFERENCIA DE PRESIÓN2.2.1.PLACA DE ORIFICIO2.2.1.1.Instalación de la Placa en la tubería2.2.1.1.1.Tomas de Presión2.2.1.1.2.Tomas en D y D/22.2.1.1.3. Tomas en las bridas (flange taps).2.2.1.1.4. Tomas en las esquinas de la placa (corner taps).2.2.1.1.5.Tomas en la vena contracta (vana contracta taps)2.2.1.1.6.Tomas en la tuberia (pipe taps)2.2.1.2.Forma del borde de la placa2.2.1.3.Las ventajas y desventajas de la placa de orificio2.2.1.4Ecuación de placa de orificio2.2.2.BOQUILLA DE FLUJO2.2.2.1.Las ventajas y desventajas que se obtienen al usar una tobera2.2.3.EL TUBO VENTURI2.2.3.1.Ventajas y desventajas del tubo de Venturi2.2.3.2.Ecuación tubo venturi2.2.4.TUBO DALL2.2.4.1.Ventajas y desventajas del tubo de Dall2.3.OTROS TIPO DE MEDIDORES DE FLUJO2.3.1.MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE2.3.2. Medidor de desplazamiento positivo2.3.3.Medidores de turbina2.3.4.MEDIDORES DE FLUJO ELECTROMAGNÉTICOS2.3.5.MEDIDORES DE DESPRENDIMIENTO DE VÓRTICES.2.3.6.Medidores ultrasónicos2.3.7.Medidores ultrasónicos Doppler2.3.9.MEDIDOR ANULAR DE FLUJOCAPITULO 3. CONCLUSIÓN3.1CONCLUSIÓNBIBLIOGRAFIA
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CAPITULO 1. GENERALIDADES
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CAPITULO 1. GENERALIDADES
1.1. INTRODUCCIÓN
En las tuberías a presión es generalmente necesario conocer el caudal que está pasando
en un momento dado. Con base en principios hidráulicos muy sencillos se construyen
dispositivos que debidamente instalados, pueden medir el caudal con bastante precisión.
Este informe va estudiar, el funcionamiento y las aplicaciones tecnológicas de algunos
aparatos medidores, uno de los medidores más utilizados es el Tubo Vénturi, este mide
el gasto de un fluido, es decir la cantidad de flujo por unidad de tiempo.
Principalmente su función se basó en esto, y luego con posteriores investigaciones para
aprovechar las condiciones que presentaba el mismo, se llegaron a encontrar nuevas
aplicaciones como la de crear vacío a través de la caída de presión.
Luego a través de los años se crearon aparatos como los rotámetros y los fluxómetros
que en la actualidad cuenta con la mayor tecnología para ser más precisos en la medición
del flujo.
También hay que tener siempre presente la selección del tipo de medidor, como los
factores comerciales, económicos, para el tipo de necesidad que se tiene.
Los orificios y toberas se usan principalmente para medir caudales. El fabricante de los
medidores proporciona información sobre instalación o funcionamiento de los medidores
comerciales.
Los orificios también se utilizan para restringir el flujo o reducir la presión.
Cuando se trata de líquidos, a veces se instalan varios orificios para reducir la presión de
forma escalonada y evitar la cavitación.
Las medidas de flujo son muy importantes en todos los procesos industriales.
La manera en la que la razón de flujo se cuantifica depende de si la cantidad fluido es un
sólido, líquido o gas. En el caso de sólidos, es apropiado medir la razón de flujo de la
masa, mientras que en el caso de líquidos y gases, se mide el flujo normalmente en
cuanto a razón de volumen. En unos casos, tal como medir la cantidad de combustible
usado en un cohete, es necesario medir la masa del líquido.
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1.2. OBJETIVO GENERAL
Conocer los medidores de flujo de fluido en tuberías de gas.
1.3. OBJETIVO ESPECIFICO
Determinar las ecuaciones que determinan las aplicaciones de los medidores de
flujo.
Identificar los tipos de medidores de flujo.
Evaluar cuál es el medidor más óptimo.
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CAPITULO 2. MARCO TEORICO
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CAPITULO 2. MARCO TEORICO
2.1. RAZÓN DE FLUJO DE VOLUMEN
La razón de flujo de volumen es la forma apropiada de cuantificar el flujo de los materiales
gaseosos, líquidos o semi-líquidos (cuando partículas sólidas van suspendidas en un
medio líquido). Los materiales en estas formas son conducidos mediante tuberías, y los
instrumentos más comunes usados para medir dicho flujo de volumen son los siguientes:
- medidor de diferencia de presión
- medidor de área variable
- medidor de desplazamiento positivo
- medidor de flujo de turbina
- medidor de flujo electromagnético
- medidor de emisión de torbellinos
- medidor de ultrasonido
2.2.Medidores de diferencia de presión
Los medidores de diferencia de presión incluyen la inserción de algún dispositivo en una
tubería de fluido la cual causa una obstrucción y crea una diferencia de presión entre
ambos lados del dispositivo. Tales medidores incluyen la placa de orificio, el tubo Venturi,
la boquilla, la tubería Dall y el tubo Pilot. Cuando se pone tal obstrucción en una tubería, la
velocidad del fluido por la obstrucción aumenta y la presión disminuye. La razón de flujo
de volumen es proporcional a la raíz cuadrada de la diferencia de presión a través de la
obstrucción. La forma en que esta diferencia de presión es medida es importante. Medir
las dos presiones con instrumentos distintos y calcular la diferencia de estas medidas no
es muy satisfactorio debido al gran error que se puede cometer cuando la diferencia de
presión es pequeña. El procedimiento normal es, por lo tanto, usar un transductor de
diferencia de presión de diafragma.
Todas la aplicaciones de este método de medición de flujo asumen que las condiciones
del flujo aguas arriba del dispositivo de obstrucción están en estado estable, y una cierta
mínima longitud de tramo recto de la tubería por delante del punto de medida es necesario
para asegurar esto. Si las restricciones físicas impiden utilizar esto, se pueden insertar
inmediatamente delante del punto de medida unas aspas especiales para calmar el fluido.
8
Los instrumentos de tipo de restricción de flujo son populares porque no tienen partes
móviles y por ello son robustos, fiables y fáciles de mantener. Un inconveniente de este
método es que la obstrucción causa una permanente pérdida de presión en el flujo de
fluido. La magnitud y de ahí la importancia de esta pérdida depende del tipo de elemento
de obstrucción usado, pero donde la pérdida de presión es grande, es algunas veces
necesaria recuperar la presión perdida mediante una bomba auxiliar hacia delante de la
línea de flujo.
La figura 16.2 ilustra aproximadamente la forma en que el modelo de
Figura 16.2 Perfil del flujo a través de una placa de orificio
flujo es interrumpido cuando una placa de orificio se inserta en una tubería. El otro
dispositivo de obstrucción tiene también un efecto similar a este. Un interés particular
tiene el hecho de que la mínima área de la sección del flujo no ocurre sin la obstrucción
pero en un punto aguas debajo de allí. El conocimiento del modelo de la variación de
presión a lo largo de la tubería, que se muestra en la figura 16.3, tiene bastante
importancia en esta técnica de medición del flujo de volumen. Esto muestra que el punto
de mínima presión coincide con el punto de la mínima sección del flujo, un poco más
delante de la obstrucción. La figura 16.3 también muestra que existe un pequeño aumento
de la presión inmediatamente antes de la obstrucción. Es por tanto importante, no sólo
posicionar el instrumento de medida P2 exactamente en el punto de mínima presión, sino
medir la presión P1 en el punto aguas arriba del punto donde la presión empieza a subir
tras la obstrucción.
En ausencia de ningún mecanismo de transferencia de calor y asumiendo la fricción del
flujo de un fluido incompresible por la tubería, la razón de flujo de volumen teórico, Q es
dado por (ver Bentley (1983)):
9
Figura 16.3 Modelo de la variación de la presión en una tubería con una placa de
Orificio
Q=A2
√1−( A2
A1)
2 √ 2 (P1−P2 )~n 16.1
donde A1 y P1 son la sección y la presión del fluido antes de la obstrucción, A2 y P2
son la sección y la presión del fluido en el punto de la estrechez del flujo más allá de la
obstrucción, y la densidad del fluido.
La ecuación 16.1 no se aplica en la práctica por diferentes razones. Primero, la fricción del
flujo no se obtiene. Sin embargo, en el caso de flujos agitados en tuberías lisas, la fricción
es baja y puede ser englobada por una variable llamada número de
Reynolds, la cual es una función mensurable de la velocidad del flujo y de la fricción
viscosa. La otra razón para no aplicar la ecuación 16.1 es que la sección inicial del fluido
es menor que el diámetro de la tubería que lo contiene y la mínima sección del fluido es
menor que el diámetro de la obstrucción. Por lo tanto, ni A1 ni A2 pueden ser obtenidos.
Estos problemas son resueltos mediante la modificación de la fórmula anterior a la
siguiente:
Q=CD∗A2
,
√1−( A2,
A1, )
2∗√ 2 (P1−P2 )
~n
16.2
donde A´1 y A´2 son los diámetros de la tubería antes y en la obstrucción y CD es una
constante, conocida como coeficiente de descarga, el cual explica el número de
10
Reynolds y la diferencia entre la tubería y el diámetro del flujo.
Antes de que la ecuación 16.2 sea evaluada, el coeficiente de descarga debe ser
calculado. Como éste varía entre cada situación de medida, podría parecer que este
coeficiente debe ser determinado experimentalmente en cada caso. Sin embargo, con tal
de que se tengan ciertas condiciones, tablas estandarizadas pueden ser usadas para
obtener el coeficiente de descarga apropiado para cada diámetro de tubería y fluido
involucrado.
Es particularmente importante en aplicaciones de flujo métodos restrictivos para elegir
instrumentos cuyo rango de medida sea apropiado a las magnitudes de flujo a medir. Este
requerimiento se origina a causa de la relación cuadrática entre la diferencia de presión y
la razón de flujo, lo cual significa que como la diferencia de presión disminuye, el error
cometido en la medida del flujo puede llegar a ser muy grande. Como consecuencia, la
restricción de medidores es sólo satisfactoria para mediciones de flujo entre 30% y 100%
del rango del instrumento.
2.2.1. PLACA DE ORIFICIO
La placa de orificio es un disco metálico con un agujero, como muestra la figura 16.4,
insertada en la tubería que porta el flujo de fluido. Este agujero es normalmente
concéntrico con el disco. Más del 50% de los instrumentos usados en la industria para la
medida del flujo de volumen son de este tipo. El uso de esta placa de orificio está muy
extendido a causa de su simplicidad, reduciendo costo y disponibilidad en un gran número
de tamaños. Sin embargo, la mejor exactitud obtenida con este tipo de dispositivo de
obstrucción es sólo del +- 2% y la permanente pérdida de presión causada en el flujo es
muy alta, estando entre el 50% y el 90% de la diferencia de presión (P1-P2). Otros
problemas con la placa de orificio son
Figura 16.4 Placa de orificio
11
los cambios graduales en el coeficiente de descarga después de un periodo de tiempo
como los bordes afilados del agujero se van gastando, y una tendencia de las partículas
del fluido a adherirse en la placa y hacer que su diámetro disminuya. Este último problema
puede ser reducido usando una placa de orificio con un agujero excéntrico.
Si este agujero está cerca del fondo de la tubería, los sólidos del fluido tienden a ser
barridos, y los sólidos que se adhieren son mínimos.
Un problema muy similar surge si hay burbujas de vapor o gas en el fluido.
Éstas también tienden a adherirse detrás de la placa de orificio y distorsionar el modelo de
flujo. Esta dificultad puede ser evitada insertando la placa de orificio en un tramo vertical
de la tubería.
Consiste en una placa metalica delgada que se perfora en el centro y se instala en la
tuberia. Se hacen luego dos tomas de presion, una aguas arriba y otra aguas debajo de la
placa, captando asi la presion diferencial que es proporcional al caudal.
Se conocen tres formas de hacer orificio en la placa, que se pueden apreciar en la
siguiente figura:
Concentrico Excentrico Segmental
Los orificios excentricos y segmental permiten medir el flujo de fluidos que contengan una
pequena cantidad de sólidos y gases.
La norma ISO-5167 se refiere solo a orificios concentricos.
El pequeno agujero que aparece en la placa se usa para evitar que se acumulen
liquidos o gases en la tuberia.
12
2.2.1.1. Instalación de la Placa en la tubería
Ordinariamente la placa queda sostenida en la tuberia por dos bridas, cada una de las
cuales esta unida a la parte correspondiente de la tuberia. Entre las placas y las bridas se
usan empacaduras para sellar los escapes de fluido. Los diferentes tipos de brida difieren
en la forma como la placa queda sostenida.
2.2.1.1.1. Tomas de Presión
Las tomas de presión se hacen antes (aguas arriba) y después de la placa (aguas abajo).
A través de estas se puede medir la presión diferencial que permite obtener el flujo. Los
lugares donde se realizan las tomas de presiones son muy importantes pues de estos
depende en gran parte el coeficiente de descarga C. Esto debido principalmente a la
distribución de presiones dentro de la tubería, la cual se puede apreciar en la siguiente
figura:
13
En la figura se aprecia que el
area de flujo varia en la longitud
de la tuberia, y con este la
presion en la pared donde se
realizan las tomas, y la ecuacion
basica se basa en el area del
agujero, de alli la importancia del
coeficiente de descarga y su relacion con la posicion de las tomas de presion.
Existen diversas forma de hacer las tomas de presion, la norma ISO 5167 considera solo
tres de ellas a saber:
2.2.1.1.2.Tomas en D y D/2.
Las tomas se hacen en la tuberia a unas distancias fijas de 1 D antes de la placa orificio y.
1/2D despues de la placa orificio. Existe sin embargo una tolerancia de 0.9 D a 1.1 D para
la toma aguas arriba, de 0.48 D a 0.52 D para la toma aguas abajo si β <=0.6 y de 0.49 D
a 0.51 D si β > 0.6.
2.2.1.1.3. Tomas en las bridas (flange taps).
Se usan con más frecuencia porque es una de las configuraciones más simple y no es
necesario perforar la tuberia. La toma de alta presion (H) se localiza 1 pulgada (25.4 mm)
antes de la placa y de la baja presion (L) 1 pulgada (25.4 mm) despues de la placa. Con
una tolerancia de ± 0.5 mm cuando b > 0.6 y D < 150 mm y de ± 1 mm en otros casos.
En los dos casos anteriores el diametro del agujero de las tomas debe ser inferior a 0.13
D e inferior a 13 mm.
2.2.1.1.4. Tomas en las esquinas de la placa (corner taps).
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En este caso las tomas de presion se hacen directamente en el borde de la placa
perforando la brida. La figura ilustra dos de las forma de realizar las tomas de presion, la
primera mediante una camara anular alrededor de la placa (1) y la segunda mediante
agujeros independientes realizados con una pequeña inclinacion (2). En el segundo caso
el diametro de los agujeros a debe estar entre 0.005 D y 0.03 D par β <= 0.65, y entre 0.1
D y 0.02 D para β > 0.65. En todo caso este diametro oscila entre 1 y 10 mm.
En cualquiera de las configuraciones antes mencionadas las tomas pueden hacerse con
tomas individuales en una misma posicion del tubo o mediante multiples tomas alrededor
del tubo, La configuracion mas comun para las tomas multiples es la denominada triple T,
que se muestra en la figura.
2.2.1.2. Forma del borde de la placa
El borde de la placa orificio lleva por lo general una forma especial con la finalidad de
llevar al minimo el contacto entre el fluido y la placa orificio. Esto se hace por lo general
haciendo un chaflan a un angulo de aproximadamente 45o en el borde del orificio de
manera que el borde sea lo mas estrecho posible, guardando la resistencia de la placa.
El diametro del orifico debe ser lo mas exacto posible, ya que de esta depende la
exactitud del instrumento. Se admite generalmente una tolerancia del 0.1% del diametro
del orificio.
2.2.1.3. Las ventajas y desventajas de la placa de orificio son:
Ventajas:
- Bajo costo.
- Facil de fabricar.
- Facil de instalar.
- No requiere de mantenimiento excesivo.
Desventajas:
- Su exactitud no es muy elevada, del orden del 1 a 21%,
- Sufren permanente desgaste debido a la erosion del fluido.
2.2.1.4Ecuación de placa de orificio
15
Haciendo un balance de energía entre el orificio (punto 1) y la sección posterior al orificio
(punto 2), despreciando las pérdidas por fricción tenemos:
.....(1)
Para un fluido incomprensible y de la ecuación de continuidad:
.................................(2)
Sustituyendo 2 en 1:
.......(3)
Despejando v1 y sabiendo que D1 = Dorificio
........(4)
En caso de que se consideren las pérdidas de fricción, es necesario agregar el coeficiente
de orificio Co, teniendo lo siguiente:
16
....(5)
Siendo v1: velocidad en el orificio.
Si se requiere conocer el Caudal:
.....(6)
Co: Coeficiente de orificio o coeficiente de descarga para el caudal. Este coeficiente varía
entre 0.6 y 0.62 para orificios concéntricos de bordes afilados y si el Número de Reynolds
es mayor de 20 000 y si la toma posterior está en la vena contracta.
D0: Diámetro de orificio.
D2: Diámetro de la tubería.
17
Usualmente el diámetro del orificio está entre 50 y 76% del diámetro de la tubería. La
toma corriente arriba debe quedar a una distancia correspondiente a un diámetro de la
tubería de la cara del orificio y la de corriente abajo a una distancia de 0.5 del mismo
diámetro, D2.
En los medidores instalados la manera más simple de obtener la caída de presión
consiste en el empleo de un manómetro diferencial en “U”.
La pérdida de carga o pérdidas permanentes por fricción se obtienen por:
...(7)
Para gases la ecuación debe modificarse mediante un factor empírico que, para el caso
de comportamiento ideal es:
....(8)
Siendo K la relación de las capacidades caloríficas a presión y volumen constantes.
....(9)
Por lo tanto:
....(10)
18
Las ecuaciones anteriores se aplican cuando las tomas de presión están situadas en las
bridas, 1 diámetro de la tubería antes de la placa y 0.5 diámetro después, si la toma
posterior está situada después de la vena contracta se utiliza un factor K que es función
de la relación para Reynolds mayores de 20 000.
Donde:
....(11)
19
2.2.2. BOQUILLA DE FLUJO
La forma de una boquilla de flujo se muestra en la figura 16.5. Esta
Figura 16.5 Boquilla de flujo
no está inclinada para partículas sólidas o burbujas de gas y no está restringida por
adherirse las partículas, por lo que, en este aspecto, es superior a la placa de orificio.
Su vida de funcionamiento útil también es mayor porque no se desgasta. Estos factores
contribuyen a dar al instrumento una mayor exactitud de medida. Sin embargo, como la
fabricación de una boquilla de flujo es más compleja que la de la placa de orificio, es
también más costosa. En términos de pérdidas permanentes de presión es similar a la
placa de orificio. Un aplicación típica de la boquilla de flujo es la medida de flujo de vapor.
La tobera consiste en una entrada de forma conica y restringida mientras que la salida es
una expansion abrupta. En este caso la toma de alta presión se ubica en la tuberia a 1
diametro de la entrada aguas arriba y la toma de baja presion se ubica en la tuberia al
final de la garganta.
Este tipo de sensor de flujo permite flujos hasta 60% superiores a los de la placa orificio,
siendo la caida de presion del orden del 30 a 80% de la presion diferencial medida. Estos
instrumentos se utilizan en aplicaciones donde el fluido trae consigo solidos en
suspension, aunque si estos son abrasivos pueden afectar la precision del instrumento.
20
2.2.2.1.Las ventajas y desventajas que se obtienen al usar una tobera son:
Ventajas:
- Gran exactitud, del orden } 0.9 a 1.5 %.�- El mantenimiento que se requiere es minimo.
- Para un mismo diferencial de presión, el flujo que pasa es 1.3 veces mayor que el
pasaría por una placa de orificio.
Desventajas:
- Alto costo De 8 a 16 veces mayor que el de, una placa de orificio.
- Su instalación es más complicada que la de una placa de orificio.
2.2.3. EL TUBO VENTURI
“El Tubo Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un
fluido. En esencia, consta de una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos
cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un
manómetro o instrumento registrador en la garganta se mide la caída de presión y hace
posible calcular el caudal instantáneo”.
21
El Tubo Venturi.
Este elemento primario de medida se inserta en la tubería como un tramo de la misma, se
instala en todo tipo de tuberías mediante bridas de conexión adecuadas. El Venturi tiene
una sección de entrada de diámetro igual al diámetro de conducción de la tubería a la
cual se conecta. La sección de entrada conduce hacia un cono de convergencia angular
fija, terminando en una garganta de un diámetro más reducido, se fabrica exactamente
según las dimensiones que establece su cálculo, la garganta se comunica con un cono de
salida o de descarga con divergencia angular fija, cuyo diámetro final es habitualmente
igual al de entrada. La sección de entrada está provista de tomas de presión que acaban
en un racord anular, cuyo fin es el de uniformar la presión de entrada. Es en este punto
donde se conecta a la toma de alta presión del transmisor la conexión de la toma de baja
presión se realiza en la garganta mediante un dispositivo similar, la diferencia entre ambas
presiones sirve para realizar la determinación del caudal. El tubo Venturi se fabrica con
materiales diversos según la aplicación de destino, el material más empleado es acero al
carbono, también se utiliza el latón, bronce, acero inoxidable, cemento, y revestimientos
de elastómeros para paliar los efectos de la corrosión. El tubo Venturi ofrece ventajas con
respecto a otros captadores, como son:
1. Menor pérdida de carga permanente, que la producida por del diafragma y la tobera
de flujo, gracias a los conos de entrada y salida.
2. Medición de caudales superiores a un 60% a los obtenidos por el diafragma para la
misma presión diferencial e igual diámetro de tubería.
3. El Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otros elementos
primarios.
4. Facilidad para la medición de flujo de líquidos con sólidos en suspensión.
22
El tubo Venturi consiste en una reducción de la tubería, esto se logra con un tramo recto,
un cono de entrada, la garganta y el cono de salida.
El Tubo Venturi.
El tubo Venturi se recomienda en casos donde el flujo es grande y que se requiera una
baja caída de presión, o bien, el fluido sea altamente viscoso, se utiliza donde se requiera
el máximo de exactitud, en la medición de fluidos altamente viscosos, y cuando se
necesite una mínima caída de presión permanente, el tubo Venturi es difícil de construir y
tiene un costo más alto que otros elementos primarios, su diseño consiste en una sección
recta de entrada del mismo diámetro que la tubería, ahí se conecta la toma de alta
presión, después contiene una sección cónica convergente que va disminuyendo poco a
poco y transversalmente la corriente del fluido, se aumenta la velocidad al disminuir la
presión, el diseño además consiste de una garganta cilíndrica, se coloca ahí la toma de
baja presión, en esta área el flujo no aumenta ni disminuye, el tubo Venturi termina con un
cono divergente de recuperación, aquí la velocidad disminuye y se recupera la presión,
recupera hasta un 98% de presión para una relación beta del 0.75.
Generalmente los tubos Venturi se utilizan en conducciones de gran diámetro, de 12" en
adelante, ahí las placas de orificio producen pérdidas de carga importantes y no se
consigue una buena medida, el Venturi se utiliza en conductores de aire o humos con
conductos no cilíndricos, en tuberías de cemento grandes, para conducción de agua, etc.
Según la naturaleza de los fluidos de medida, se requieren modificaciones en la
construcción del tubo Venturi como son: eliminación de los anillos de ecualización,
inclusión de registros de limpieza, instalación de purgas, etc. En el corte transversal se
23
aprecian los anillos circulares que rodean el tubo Venturi en los puntos de medida. Esos
anillos huecos conectan el interior del tubo mediante orificios en número de cuatro o más,
espaciados uniformemente por la periferia. El fluido, al circular, pasa por estos orificios y
por el anillo donde se encuentran los racores que se conectan al transmisor.
El Venturi es un tubo de precisión con una especial forma, como se muestra en la figura
16.6. Es un instrumento muy caro pero ofrece una gran exactitud y causa una pérdida de
presión de sólo 10-15% de la diferencia de presión (P1-P2). La forma interna lisa que
posee hace que no sea afectada
Figura 16.6 Venturi
Por partículas sólidas o burbujas del fluido, y de hecho puede incluso hacer frente a
disolución de sedimentos. Apenas necesita mantenimiento y tiene una vida muy larga.
La tobera Venturi es una tobera cuya parte convergente es idéntica a las toberas ISA
1932 y donde se le ha agregado una parte divergente similar a la de los tubos
Venturi, tal como se aprecia en la figura siguiente.
El ángulo de la sección divergente debe ser inferior o igual a 30o.
Las tomas de presión en estos elementos se realizan en las esquinas aguas arriba en
forma similar a una tobera y en la mitad de la sección cilíndrica de la garganta para la
toma de baja presión aguas abajo.
El tubo de Venturi consiste de un conjunto de bridas y tuberías con un cono de entrada
convergente y un cono de salida divergente los cuales guían el flujo hacia la continuación
de la tubería. La garganta es la unión de los dos conos y es la parte más estrecha del
tubo.
Al comienzo del cono de entrada se conecta la toma de alta presión. Esta toma es
promedio ya que se obtiene para varias perforaciones alrededor del tubo, a este conjunto
de conexiones se le llama anillo piezómetro, equivalente a la configuración triple T
24
mencionada en las placas orificio. La toma de baja presión se coloca en la garganta del
tubo y también se puede hacer en forma piezometrica.
El cono de salida se dice que es de recuperación porque recupera hasta un cierto punto
gran porcentaje de la caída de presión provocada por la restricción.
En la siguiente figura se pueden apreciar los elementos de un tubo de Ventura.
1. Sección de salida cono divergente (7o <= ∅ <= 15o)
2. Garganta cilíndrica, longitud d ± 0.03d
3. Sección de entrada cono convergente (21o ± 1o)
4. Cilindro de entrada
5. Planos de conexión de garganta con conos de entrada y salida
El diámetro de las tomas de presión suele ser entre 4 y 10 mm para d > 33,3 mm y 0,1d a
0,13d para la toma aguas arriba y 0,1d a 0,1D para d < 33,3mm.
La distancia c entre la toma aguas arriba y la entrada del cono es para tubos de fundición:
0,5D ± 0,25D para 100 mm < D < 150 mm, y 0,5D+0
-0,25D para 150 mm < D < 800 mm
Para tubos de fundición maquinada y chapa soldada: 0,5D ± 0,05D
Para todo tipo de tubos la distancia entre las tomas de baja presión y la entrada de la
garganta es: 0,5D ± 0,02D
El tubo de Venturi puede manejar flujos que traen consigo gran cantidad de sólidos en
suspensión, con la condición de que no sean abrasivos.
La construcción de los tubos de Venturi está normalizada y se presentan varios tipos
según su construcción. La forma típica, que toma la norma ISO-5167 es la mostrada en la
figura. La construcción de los tubos Venturi puede realizarse de varias formas y
materiales. La norma ISO-5167 toma en cuenta tres tipos de construcción:
· Tubos de fundición en arena. Para diámetros de 100 a 800 mm, y b de 0,3 a 0,75.
· Tubos de fundición con la tobera convergente maquinada. Para diámetros de 50 a 250
mm y b de 0,4 a 0,75.
· Tubos de chapa soldada. Para diámetros de 200 a 1200 mm y b de 0,4 a 0,7.
25
2.2.3.1. Ventajas y desventajas del tubo de Venturi
Ventajas:
- Alta exactitud, del orden de } 0.75 %�- El mantenimiento que requiere es mínimo.
- La caída de presión es pequeña, permitiendo la medición de flujos 60 % mayores que los
de la placa de orificio con la misma restricción.
- Se puede usar en la medición de grandes flujos.
Desventajas:
- Alto costo. El costo de fabricación de un tubo de Venturi es alrededor de 20 veces de
una placa de orificio que se use para medir el mismo flujo.
- Más difícil de instalar.
26
2.2.4. TUBO DALL
El tubo Dall, mostrado en la figura 16.7, consiste en dos reductores cónicos insertados en
la tubería que porta el líquido. Tiene una forma interna muy similar al tubo de Venturi,
excepto porque falta una garganta. Esta construcción es mucho más fácil que la de
Venturi (que requiere complejos mecanismos) y esto da al tubo Dall una ventaja en costo,
aunque la exactitud de la medida no sea tan buena. Otra ventaja del tubo Dall es su
pequeña longitud, lo que hace más fácil introducirlo en la línea del fluido. El tubo Dall tiene
además otra ventaja operacional, la pérdida permanente de presión es del 5%, y así es
sólo la mitad que la debida al Venturi. En los otros aspectos, los dos instrumentos son
muy similares con su escaso mantenimiento y larga vida.
Figura 16.7 Tubo Dall
Es un tubo de Venturi especial. La caída de presión de este elemento es menor que con
cualquier otro elemento, pero es mayor que la generada por un tubo de Venturi.
En el cono de convergencia, la entrada es un cono clásico, pero la parte inclinada es más
corta. E1 cono de divergencia es más corto que la salida de un tubo de Venturi normal.
Debido a la forma del tubo, el flujo se adhiere a sus paredes en toda su extensión,
evitando así los remolinos. De esta forma se elimina casi por completo la turbulencia y
siendo el cono de salida más corto se recobra rápidamente y casi por completo la caída
de presión.
El tubo de Dall queda instalado en el interior de la tubería. Como este no tiene que
soportar la presión de la línea, sus paredes no necesitan ser muy gruesas y su costo, por
consiguiente, es menor que el de un tubo de Venturi normal.
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2.2.4.1. Ventajas y desventajas del tubo de Dall
Ventajas:
- El mantenimiento que se requiere es mínimo.
- La caída de presión es pequeña.
Desventajas:
- Alto costo.
- Difícil de instalar.
2.2.5. TUBO PILOT
El tubo Pilot se usa principalmente para hacer medidas temporales de flujo, aunque es
también usado para medidas permanentes. El instrumento se basa en el
principio por el cual un tubo con su extremo abierto en una corriente de fluido, como
muestra la figura 16.8, pondrá a reposar esa parte del líquido que lo afecta, y la pérdida
de energía cinética se convertirá en un incremento de presión medible dentro de dicho
tubo.
La velocidad del flujo puede ser calculada por la siguiente fórmula:
V=C √2g (P1−P2 )
La constante C, conocida como el coeficiente del tubo de Pilot, es un factor que corrige el
hecho de que no todo el fluido incidente en el final del tubo será llevado al resto: una
proporción se obtendrá según el diseño de la
28
Figura 16.8 Tubo Pilot
Tubería. Habiendo calculado v, el flujo de volumen puede ser calculado sin más que
multiplicar v por la sección de la tubería, A.
Deducir la medida del flujo de volumen a partir de la velocidad del flujo en un punto del
fluido, obviamente, requiere que el flujo sea muy uniforme. Si esta condición no se
cumple, se pueden usar múltiples tubo de Pilot para medir la velocidad del flujo en la
sección.
Los tubos de Pilot tienen la ventaja de que produce una pérdida de presión despreciable.
Son también baratos, y su instalación simplemente consiste en un simple proceso de
ponerlo en un pequeño agujero taladrado en la tubería.
Su principal fallo es que la exactitud de la medida es sólo del 5% y los dispositivos de
medida de presión tienen que alcanzar algo más de exactitud, sobre todo si la diferencia
de presión creada es muy pequeña.
2.3.OTROS TIPO DE MEDIDORES DE FLUJO
2.3.1.MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE
En esta clase de medidores de flujo, la diferencia de presión por una apertura variable es
usada para ajustar el área de la apertura. El área de apertura es entonces una medida del
flujo de volumen. Este tipo de instrumentos sólo da una indicación visual del flujo y no es
utilizada en esquemas de control automático. Sin embargo, es fiable y barato y por ello se
utiliza bastante en toda industria. De hecho, los medidores de área variable justifican el
20% de los medidores vendidos.
En su forma más simple, mostrada en la figura 16.9, el instrumento consiste en un tubo de
cristal con un flotador que toma una posición estable donde su peso sumergido es
balanceado por el solevantamiento debido a la diferencia de presión en él. La posición del
flotador es una medida del área eficaz del paso del fluido, y con este, de la razón de flujo.
La exactitud del instrumento más barato es solo del 3%, la versión más cara puede
llegar hasta 0.2% de exactitud. El rango normal de medida está entre el 10 y el 100% de
la escala total.
29
Figura 16.9 Medidor de área variable
2.3.2. Medidor de desplazamiento positivo
Todos los medidores de desplazamiento positivo operan mediante el uso de divisiones
mecánicas para cambiar de sitio volúmenes discretos de fluido sucesivamente. Todas las
versiones de los medidores de desplazamiento positivo son dispositivos de bajo
rozamiento, bajo mantenimiento y larga vida, aunque provocan una pequeña pérdida de
presión en el fluido. Las bajas fricciones son especialmente importantes para medir flujo
de gases, y los medidores han sido diseñados con arreglos especiales para satisfacer
este requerimiento.
Figura 16.10 Medidor de flujo de pistón rotatorio
30
El medidor de pistón rotatorio es el más común de los este tipo de medidores, y está
ilustrado en la figura 16.10. Éste usa un pistón cilíndrico el cual es desplazado en una
cámara también cilíndrica por el fluido. La rotación del pistón se transmite a un eje de
salida. Éste puede ser usado con una escala de indicación para dar una salida visual o
puede ser convertido en una señal eléctrica de salida.
Los medidores de desplazamiento positivo cuentan con cerca del 10% del número total de
medidores de flujo utilizados en la industria. Tales dispositivos son usados en gran
número para medir consumiciones domésticas de gas o agua. El instrumento más barato
de este tipo tiene una exactitud de 1.5%, pero en los más costosos puede ser incluso de
0.2%. Estos mejores instrumentos se usan dentro de la industria de refinerías, ya que
tales aplicaciones justifican su elevado coste.
2.3.3.Medidores de turbina
El caudalímetro a turbina mide caudal de líquidos claros mediante la detección de la
rotación de un alabe de turbina colocada en la corriente de flujo.
Las partes básicas de un medidor a turbina son el rotor de turbina y el detector magnético.
El fluido que circula sobre los álabes del rotor lo hace girar y la velocidad rotacional es
proporcional al caudal volumétrico. El detector magnético consiste de un imán permanente
con devanados de bobina que capta el pasaje de los álabes de turbina. El paso de los
álabes delante del detector hace interrumpir el campo magnético y produce una tensión
en la bobina.
Un medidor de turbina consiste en un conjunto de paletas de hélice montadas a lo largo
de un eje paralelo a la dirección del fluido en la tubería, como muestra la figura 16.11. El
flujo de fluido hace que estas paletas giren a un determinado ritmo, el cual es proporcional
al volumen de flujo que circula. Este ritmo de rotación es medido por la construcción de un
31
medidor tal que se comporta como un tacogenerador de reluctancia variable. Esto se
consigue fabricando las paletas de la turbina con un
Figura 16.11 Medidor de turbina
material ferromagnético y utilizando un imán permanente y una bobina dentro del aparato
de medida. Un pulso de tensión es inducido en la bobina cada vez que una paleta pasa
por él, y si estos pulsos son medidos son medidos por un contador de pulsos, la
frecuencia de estos y su flujo pueden ser deducidos. Con tal de que el giro de la turbina
tenga poca fricción, la exactitud de la medida puede llegar a ser de 0.1%. Sin embargo,
los medidores de turbina son muy afectados por las partículas del fluido. Este deterioro
debido al uso es un particular problema que conlleva una permanente pérdida de presión
del sistema de medida.
Los medidores de turbina tienen un coste similar y unas ventajas muy parecidas a los
medidores de desplazamiento positivo, y compiten en muchas aplicaciones,
particularmente en las refinerías. Los medidores de turbina son más pequeños y más
ligeros, y son preferidos para fluidos de baja viscosidad. Los medidores de
desplazamiento positivo son mayores, sin embargo, preferibles para grandes viscosidades
y pequeños flujos.
2.3.4.MEDIDORES DE FLUJO ELECTROMAGNÉTICOS
El funcionamiento de un caudalímetro magnético se basa en la Ley de Faraday de
inducción magnética. Una partícula cargada eléctricamente que pasa a través de un
campo magnético produce una tensión que es perpendicular tanto al campo magnético
como al vector velocidad y esta tensión es proporcional a la velocidad de la partícula.
Puesto que un líquido conductivo contiene partículas cargadas, al pasar a través de un
campo magnético, producirá una tensión (Ley de
Faraday). Los caudalímetros magnéticos generan un campo magnético perpendicular a la
corriente de flujo y miden la tensión producida por el fluido que pasa a través del
instrumento. La tensión producida es proporcional a la velocidad media del fluido.
32
Los medidores electromagnéticos están limitados a medidas de flujo de líquidos
conductores de la electricidad. Se obtiene una razonable exactitud en la medida, de
1.5%, aunque es instrumento es caro tanto por el coste inicial, tanto como por el
mantenimiento, sobre todo por su elevado consumo de electricidad. Una de las razones
de su elevado precio es la necesidad de su minuciosa calibración durante su fabricación,
pues hay una considerable variación de las propiedades de los materiales magnéticos
usados.
El instrumento, mostrado en la figura 16.12, consiste en tubo cilíndrico de acero
inoxidable, atacado con una capa aislante, el cual transporta el fluido a medir.
Los materiales típicos de aislantes usados son neopreno, politetrafluoritileno (PTFE) y
poliuretano. Una capa magnética es creada en el tubo mediante la polarización de dos
electrodos insertados a ambos lados del tubo. Los extremos de estos electrodos están
usualmente al mismo nivel que la superficie interior del cilindro. Los electrodos están
fabricados con un material que no es afectado por la mayoría de los fluidos, como el acero
inoxidable, aleación de platino e iridio, Hastelloy, titanio y tántalo. En el caso de metales
inusuales, como los de la lista, los electrodos se llevan la mayor parte del coste del
instrumento.
Por las leyes de inducción magnética de Faraday, la tensión E inducida en la longitud L
del fluido, moviéndose a una velocidad v en un campo magnético de densidad de flujo B,
es dada por:
E = B L v
L es la distancia entre los electrodos, la cual es el diámetro del tubo, y B es una constante
conocida. Por consiguiente, la medida de la tensión E inducida en los electrodos permite
deducir la velocidad v del fluido mediante la ecuación anterior.
Calculando v se multiplica por la sección del tubo, obteniendo así el valor del flujo.
Un valor típico de tensión medida en los electrodos es de 1mV para un flujo de 1 m/s.
33
Figura 16.12 Medidor electromagnético
El diámetro interno del medidor de flujo magnético es normalmente el mismo que el del
resto del conducto del sistema. Por lo tanto, no hay obstrucción del fluido y
consecuentemente, no hay pérdida de presión asociada a la medida. Al igual que otras
formas de medida, este instrumento requiere un tramo recto inmediatamente antes del
punto donde se realiza la medida para cierta exactitud en la medida, aunque una longitud
igual a cinco veces del diámetro puede ser suficiente.
Aunque el fluido a medir debe ser conductor, el método se utiliza en muchas aplicaciones
y su principal uso se da en la medición de fluidos conductores con sedimentos. Hasta el
momento, los medidores electromagnéticos cuentan con el 15% de los instrumentos de
medición vendidos, y esta cifra sigue en aumento. Un problema que se presenta a este
tipo de medidores es que la capa aislante que posee el tubo puede dañarse debido a
fluidos abrasivos, y esto puede dar al instrumento una vida limitada.
Los nuevos progresos en los medidores electromagnéticos están reduciendo el tamaño de
éstos y empleando un mejor diseño en las bobinas para un menor consumo. También,
mientras que los medidores electromagnéticos convencionales requieren una
conductividad mínima del fluido de 10 mho/cm3, algunas versiones modernas hacen que
esta conductividad mínima pueda ser incluso de hasta 1 mho/cm3.
2.3.5.MEDIDORES DE DESPRENDIMIENTO DE VÓRTICES.
34
Los caudalímetros de vórtices miden el caudal con la ayuda de un cuerpo que genera
vórtices. El principio básico de un medidor de vórtices es que los remolinos se desprenden
del cuerpo a una frecuencia proporcional al caudal volumétrico. Los vórtices son
detectados por distintos medios. A medida que los vórtices se van desplazando a través
del caudalímetro, crean áreas alternadas de baja y alta presión. Y son estas presiones
alternadas las que hacen responder a los elementos sensores.
El elemento de detección produce una señal eléctrica de la misma frecuencia con que se
generan los vórtices. Esta frecuencia es acondicionada en una salida de pulsos y/o
analógica. La señal de salida es proporcional a la velocidad del fluido.
Los medidores de emisión de torbellinos sólo cuentan con el 1% de los medidores
vendidos hasta el momento, pero este porcentaje tenderá a subir en el futuro, pues sus
características serán más generalmente conocidas. El principio de operación del
instrumento está basado en el fenómeno natural de la emisión de torbellinos, creados por
unos objetos no aerodinámicos (conocidos como objetos abruptos) dispuestos en la
tubería que conduce el fluido, como indica la figura 16.13.
Cuando el fluido circula, pasa por este obstáculo y produce movimientos lentos del fluido
en las superficies externas. Debido a que el objeto no es aerodinámico, el flujo no puede
seguir el contorno del cuerpo hacia aguas abajo, y las capas separadas se vuelven
aisladas y hace que giren en remolinos o torbellinos en la región de baja presión tras el
obstáculo. La frecuencia de emisión de estos torbellinos es proporcional a la velocidad
con que el fluido pasa por el objeto. Varias técnicas de detección de torbellinos son
usadas en los instrumentos, como térmicas, magnéticas, ultrasónicas o capacitivas.
Tales instrumentos no tienen partes móviles, operan en un gran rango de flujos y
requieren mínimo mantenimiento. Pueden medir tanto líquidos como gases y poseen una
exactitud de 1% de la escala medida, aunque puede ser seriamente afectada si existen
turbulencias por delante del punto donde se mide.
35
Figura 16.13 Medidor de emisión de torbellinos
2.3.6.Medidores ultrasónicos
La técnica ultrasónica de medida del flujo de volumen es, como los medidores
electromagnéticos, un método no invasivo. No está restringido para fluidos conductores,
aunque son particularmente usados para medir fluidos corrosivos y con sedimentos. Una
ventaja con respecto a los electromagnéticos es que los ultrasónicos están sujetos
externamente a la tubería y los electromagnéticos deben formar una pieza integral. El
proceso de insertar un instrumento de medida en una tubería puede llegar a ser tan
costoso como el propio instrumento, el medidor ultrasónico tiene enormes ventajas en su
coste. Su modo de operación externa ha significado ventajas de seguridad como por
ejemplo evitar que los que instalan estos medidores tengan que ponerse en contacto con
peligrosos fluidos como venenos, radiactivos, inflamables o explosivos. La introducción de
este tipo de medidores es relativamente reciente y por ello su nivel de ventas es de un
1%. A la vista de sus grandes ventajas este nivel de ventas puede incrementarse en unos
años.
Existen dos diferentes tipos de medidores ultrasónicos, los cuales utilizan distintas
tecnologías, basadas en el efecto Doppler y en el tiempo muerto. En el pasado, esto no
había sido bien entendido, y resultó rechazada la tecnología ultrasónica por completo,
debido a que una de estas dos había sido insatisfactoria en una aplicación particular. Esto
es desafortunado, ya que ambas tecnologías tienen distintas características y áreas de
aplicación, y existen muchas situaciones en las que un tipo vale y el otro no. Rechazar
ambas, habiendo probado sólo con uno, es un serio error.
Un cuidado particular hay que tener para asegurar un perfil de flujo estable en mediciones
ultrasónicas. Es común incrementar las especificaciones normales de los mínimos tramos
36
rectos antes del punto a medir, expresadas con relación al diámetro de la tubería de 10 a
20 veces, o en algunos casos de 5 veces el diámetro. Un análisis de las razones de los
pobres cumplimientos en muchos casos de medidas ultrasónicas, muestra que el no
cumplimiento de este requerimiento es un factor significante.
37
CAPITULO 3. CONCLUSIÓN
38
CAPITULO3. CONCLUSIÓN
CONCLUSIÓN
Una vez finalizado este trabajo se puede decir que los medidores de flujo son dispositivos, los cual
puede ser utilizado en la medición de flujo de fluidos de gas y aplicaciones de la vida diaria, en
donde conociendo sus funcionamientos y sus principio de operación se puede entender de una
manera más clara la forma en que este nos puede ayudar para resolver o solucionar problemas o
situaciones con las cuales nos topamos diariamente.
Es indispensable tener los conocimientos referidos al cálculo de los diferentes medidores, los cuales
se pueden realizar haciendo la relación entre los distintos diámetros del tubo, como el de la entrada
del tubo, la garganta y la salida del tubo; igualmente teniendo el conocimiento del caudal que va a
entrar en el mismo, o que se desea introducir para cumplir una determinada función y tomar muy en
cuenta las presiones que debe llevar el fluido, ya que esto va a ser el factor más fundamental para
que su función se lleve a cabo.
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BIBLIOGRAFÍA
Medicion_de_CaudalSpanish Flowmeters Brochure_A4_5001337_WebMonografías.comD.J. ACHESON, 1990, Elementary Fluid Mechanics (Clarendon Press, Oxford).R. ARIS, 1989, Vectors, Tensors, and the Basic Equations of Fluid Mechanics (Dover, NuevaYork; reimpresi_on).G.K. BATCHELOR, 1967, An Introduction to Fluid Dynamics (Cambridge University Press,Cambridge).R.B. BIRD, W. E. STEWART y E. LIGHTFOOT, 1960, Transport Phenomena (Wiley,Nueva York). Existe traducci_on castellana en la editorial Revert_e.D.E. BOURNE y P.C. KENDALL, 1992, Vector analysis and cartesians tensors (Chapmanand Hall, Londres; tercera edici_on).E. BUTKOV, 1968, Mathematical Physics (Addison-Wesley, Reading, Ma.).A. CHORIN y J.E. MARSDEN, 1993, A mathematical introduction to uid mechanics(Springer-Verlag, Nueva York; 3a edici_on).J.W. DAILY y D.R.F. HARLEMAN, 1975, Din_amica de los uidos (Trillas, M_exico; 2a
edici_on).R. FERN_ANDEZ FERIA, 2005, Mec_anica de uidos (Universidad de M_alaga, M_alaga; 2aedici_on).Medicion_de_CaudalSpanish Flowmeters Brochure_A4_5001337_WebMonografías.com
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