REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA

UNEFA NUCLEO FALCÓN

UNIDAD II: MEDIDORES DE FLUJO

Prof. Ing. Roberto Gil

1. Clasificación general de los medidores de flujo

Medidores de flujo volumétrico

Dispositivo que mide la cantidad de volumen que pasa por una sección transversal de la tubería en una unidad de tiempo (es un medidor de caudal). Dentro de esta categoría se encuentran el Tubo Venturi, Placa orificio, Tubo Pitot, Tobera de Flujo, Rotámetro.

Clasificación de los medidores de flujo volumétrico

Presión diferencial:

Estos medidores miden el flujo de un fluido indirectamente, creando y midiendo una presión diferencial por medio de una obstrucción al flujo. El principio de operación se basa en medir la caída de presión que se produce a través de una restricción que se coloca en la línea de un fluido en movimiento. Esta caída de presión está relacionada al flujo, siendo este proporcional a la raíz cuadrada del diferencial de presión.

NOTA: La presión y la velocidad de un fluido que circula por la tubería es casi la misma en cualquier punto del tubo. Cuando en la tubería se coloca una restricción se observa claramente que hay una caída de presión a través de dicha restricción y un aumento en la velocidad del fluido. Esto es conocido como el teorema de Bernoulli.

Los medidores de flujo de tipo diferencial generalmente están constituidos por dos componentes:

Elemento primario: Es el dispositivo que se coloca en la tubería para obstruir el flujo y generar una caída de presión

Elemento secundario: Mide la caída de presión y proporciona una indicación o señal de transmisión a un sistema de indicación o control.

El elemento primario se calcula y se selecciona de acuerdo al fluido y las características del proceso. Se han desarrollado ecuaciones que toman en cuenta casi todos los factores que afectan la medición de flujo a través de una restricción, la ecuación básica a partir de la cual fueron desarrolladas estas ecuaciones, es la ecuación de Bernoulli.

Dentro de este grupo se ubican la Placa Orificio, el Tubo Pitot, y Tubo venturi. (Fig 1).

Figura 1. Medidores de flujo por presión diferencial a) Placa orificio b) Tubo Venturi c) Tubo Pitot

Área variable

Son medidores de flujo volumétrico en los que varía el área, para mantener una caída de presión relativamente constante. De estos medidores el más conocido es el Rotámetro.

Un rotámetro está constituido por un tubo vertical de área interna variable, a través del cual se mueve el flujo en sentido ascendente y un flotado, bien sea esférico o cónico que tiene una densidad mayor que la del fluido. El flotador crea una abertura anular entre su máxima circunferencia y el interior del tubo. A medida que el flujo varia, el flotador sube o baja para variar el área de flujo. La caída de presión permanece constante, y la posición del flotador indica la tasa de flujo. (Figura 2)

Fig 2. Rotámetro

De desplazamiento positivo

Son dispositivos que separan la corriente de flujo en segmentos volumétricos individuales. Un volumen conocido de fluido se aísla mecánicamente en el elemento del medidor, y es transportado desde la entrada de éste hasta su salida, llenando y vaciando alternadamente los compartimientos o cámara del medidor. Las partes mecánicas del medidor se mueven aprovechando la energía del fluido. El volumen total del fluido que pasa a través del medidor en un periodo de tiempo dado es el producto del volumen de la muestra por el número de muestras.

Los medidores de desplazamiento positivo se adaptan excelentemente a aplicaciones de procesos discontinuos y a aquellos que requieren una totalización del volumen que pasa a través del medidor.

Los usos comunes de los medidores dedesplazamiento positivo son la distribución de agua de los sistemas municipales a los hogares o negocios, el gas natural que se entrega a los consumidores y la gasolina que se vende en las estaciones de servicio.

Este medidor encuentra su mayor aplicación en agua y en servicios donde la precisión no es de mayor importancia.

Los medidores de desplazamiento positivo pueden clasificarse, de acuerdo al movimiento del elemento de medición en: Disco oscilante, pistón oscilante, tipo rotación, pistón reciprocante.

De velocidad

Es un medidor en el cual la señal del elemento primario es proporcional a la velocidad del fluido. La señal generada es lineal con respecto al flujo volumétrico según

Q= A*V

Son medidores menos sensibles a las variaciones del perfil de velocidad del fluido cuando se les compara con los medidores de flujo tipo diferencial, es decir no existe una relación de raíz cuadrada si no lineal, lo cual explica su mayor relación de flujo máximo a flujo mínimo, tienen una amplia aplicación industrial.

Ejemplo: Tipo Turbina, Tipo Electromagnético, Ultrasónico de flujo, (onda ultrasónico mide

Tiempo de viaje de la onda) y tipo Doppler y Tipo Torbellino Vortex.

Tipo Turbina: Es adecuado para medir flujos de líquidos, gases y vapores y es especialmente útil en sistemas de mezclas en la industria del petróleo. Es uno de los medidores más exactos para servicio de líquidos.

Electromagnético: Es capaz de medir los fluidos mas erosivos. Son muy adecuados para medir químicos, lodos, sólidos en suspensión y otros fluidos extremadamente difíciles de medir. La única limitación que tienen es que el fluido debe ser eléctricamente conductor y no magnético. El principio de operación de un medidor de flujo magnético está basado en la ley de Faraday.

Ultrasónico de flujo: Se utiliza principalmente en fluidos limpios ya que es recordable que el fluido esté libre de partículas que pueden producir la dispersión de las ondas del sonido.

Tipo Doppler: Normalmente no se utilizan en fluidos limpios, ya que se requiere que una mínima cantidad de partículas o burbujas de gas estén presentes en la corriente del fluido.

Medidor de flujo másico

Dispositivo que mide la cantidad de masa que pasa por una sección transversal de la tubería en una unidad de tiempo. Se ubican dentro de esta clasificación el Medidor Térmico y el Medidor de Coriolis.

Clasificación de los medidores de flujo másico

Medidor térmico:

Los hay de dos tipos, uno mide la velocidad de pérdida de flujo de calor de un cuerpo caliente debido al paso de una corriente de fluido a través de él; el otro

mide el incremento de temperatura. Para estos casos el flujo de masa se determina por las propiedades del fluido (conductividad y calor específico), que hasta ciertos límites son independientes de la Presión y la Temperatura.

Medidor de Coriolis:

Depende de la aceleración de Coriolis. El fluido se acelera radialmente hacia fuera entre las volutas de un impulsor. El impulsor tiene tendencia a retrasase con respecto a la cubierta que gira con él y este retraso proporciona un momento de torsión medible que es, que es indicativo de la proporción del flujo de masa.

Placa orificio

Descripción:

La placa orificio está constituida por una placa delgada perforada la cual se instala entre bridas en la tubería. Cada una de las cuales están unida a la parte correspondiente de la tubería, entre placas y la brida se usa empacaduras para sellar los escapes de fluido. Se hace generalmente de acero inoxidable, material que resiste satisfactoriamente la acción química de los fluidos bajo medición, salvo algunos fluidos corrosivos que requieren una aleación especial como monel o níquel, etc.

Estos medidores constan de dos componentes, el elemento primario, es el dispositivo que se coloca en la tubería para obstruir el flujo y generar una caída de presión y un elemento secundario que mide la caída de presión

Las tomas para medir la caída de presión se colocan antes y después de la placa, en cualquiera de las siguientes posiciones (Figura 3):

Tomas en las bridas: cuando se instalan las conexiones a 1pulg de cada cara de la placa, es el tipo de conexión más utilizado y no hay que perforar la tubería.

Tomas en la vena contracta: la toma de alta presión se coloca en un punto que dista un diámetro nominal de la tubería, mientras que la toma de baja presión, depende de la relación entre el diámetro del orificio y el de la tubería ( β = d / D), (las graficas que se utilizan están a D/2 de la placa). Hay que perforar la tubería, no se recomienda para diámetros de 2 pulg debido a que la vena contracta puede estar a menos de 1 pulg de la placa orificio y se usa cuando se desea la máxima presión diferencial para un mismo flujo.

Tomas en la tubería: están localizadas a una distancia de 2½ D nominales aguas

arriba y 8D nominales aguas debajo de la placa. Miden la perdida de presión permanente a través de un orificio, requiere mayor cantidad de tramos rectos de tubería, hay que perforar la tubería, se usa en la medición de gases y es la que permite mayor estabilidad en la presión diferencial.

Figura 3: Diferentes tomas de presión en una placa orificio

El orificio de la placa puede ser de tres tipos (Figura 4):

Figura 4: Tipos de orificios

Tipo concéntrica: Para aplicaciones de líquidos limpios, de baja viscosidad para la mayoría de los gases y vapor a baja velocidad.

Tipo excéntrico y segmental: se utilizan principalmente en aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensión o condensado de vapor.

El orificio los hay de dos formas: de bordes cuadrados y de bordes biselados, siendo este el más común por ser la más barata y más fácil de cambiar. Su popularidad se debe a su simplicidad y al bajo mantenimiento pero desafortunadamente no es el método de medición más preciso estando la incertidumbre en la medida entre el 0.5% y el 3% dependiendo del fluido, la configuración de la tubería aguas arriba y si las correcciones por diversos efectos se hicieron o no en la fórmula del flujo volumétrico

Definición y principio de funcionamiento:

Son dispositivos que consisten en una reducción en la sección de flujo de una tubería, de modo que se produzca una caída de presión, a consecuencia del aumento de velocidad.

Consiste en una placa perforada instalada en la tubería.

Figura 5: Medidor de orificio. Fuente: Mc Cabe, 1998

En la Figura 5 podemos apreciar cómo cambia la sección transversal de la vena fluida en movimiento. Principalmente, el diámetro de la vena fluida se reduce hasta igualar el diámetro del orificio. Después que el fluido ha pasado a través de la placa, el diámetro sigue disminuyendo hasta alcanzar un valor mínimo para luego aumentar inmediatamente en forma gradual, hasta tomar de nuevo el valor que tenia originalmente. El punto, donde el diámetro sufre la máxima reducción, se conoce como vena contracta.

Mientras mayor sea la reducción del diámetro, mayor será la velocidad del fluido y mayor la presión diferencial.

Inmediatamente después del orificio, la presión se reduce de manera apreciable y todavía hay una ligera reducción adicional al llegar a la vena contracta. A partir de allí, la presión aumenta gradualmente hasta estabilizarse

en cierto valor indicado por las columnas de arriba y a la derecha en donde, es inferior al valor que la presión tenía en las columnas a la izquierda del orificio, debido a la perdida de energía ocasionada por las turbulencias. (Mc Cabe, 1998)

De esta manera, podemos considerar dos clases de caídas o pérdidas sufridas por la presión estática; una caída temporal, que ocurre solo mientras subsiste la reducción del diámetro de la vena fluida, y una caída permanente, la cual es causa por las perdidas por fricción debido a los remolinos que se generan en la expansión del chorro una vez sobrepasada la vena contracta

El diámetro del orificio no guarda una relación fija con el diámetro de la tubería.

Sin embargo, la relación entre ellos β (β=doD ) debe conservarse dentro de

ciertos límites, que dependen del diámetro de la tubería y de los puntos en que se hagan las tomas de presión. En ningún caso el valor de β debe ser menor que 0.1 mayor que 0.8.

Recuperación de presión:A causa de las elevadas pérdidas por fricción, debido a los remolinos que se generan en la reexpansión del chorro, una vez sobrepasada la vena contracta, la recuperación de presión en un medidor de orificio es muy deficiente. La pérdida de potencia que se origina es una de las desventajas del medidor de orificio. La fracción de la presión diferencial que se pierde permanentemente depende del valor de β. Para un valor de β de 0.5 la perdida de carga es aproximadamente un 73 por 100 de la presión diferencial.

Cuando la toma de presión posterior está situada a ocho diámetros de la tubería aguas abajo del orificio, la diferencia de presión que se mide entre las tomas es en realidad una medida de la perdida permanente, en vez de la presión diferencial en el orificio.

Ventajas y desventajas

Tubo Venturi

Descripción

Consiste en un conjunto de bridas y tuberías, el cual tiene un cono de entrada convergente, que guía el fluido hacia el estrechamiento central y un cono divergente de salida que guía el fluido hacia la continuación de la tubería. La unión de los conos se denomina garganta, o sea, la parte más contraída del tubo. A la primera sección, o cono de entrada, se conecta la toma de alta presión. La toma de baja presión se coloca en la garganta del tubo. El cono de salida es llamado, de recuperación, ya que recupera hasta cierto punto un gran porcentaje de la perdida de presión provocada por esta restricción. (Figura 6)

Figura 6: Tubo Venturi. Fuente: Mc Cabe, 1998

En el tubo venturi, la velocidad aumenta en el cono anterior y la presión disminuye, utilizándose la caída de presión. Pasado el estrechamiento, la velocidad disminuye y se recupera en gran parte la presión original en el cono posterior. Con el fin de que la recuperación de presión sea grande, el ángulo del cono posterior o de salida, es pequeño, de forma que se evita la separación de la capa limite y la fricción es mínima.

Las principales limitaciones de los tubos venturi son su elevado coste y la longitud necesaria para su instalación, sobre todo para grandes tamaños de tubería. Sin embargo, debido a su baja pérdida de carga, son justificados en casos donde tienen que bombearse grandes cantidades de líquido de forma continua. En un aparato bien diseñado la perdida permanente es el 10% de la diferencia de presión temporal (P1-P2) de forma que se recupera el 90% de esta diferencia.

Cuando la pérdida de carga no es importante, suele prescindirse del tubo Venturi y sustituirse por una placa de orificio debido a su menor costo y mayor facilidad de instalación y mantenimiento.

La principal aplicación es para fluidos de gas y en donde se requiera desplazar grandes volúmenes. El tubo venturi al guiar el fluido evita turbulencias, es por esta razón que el venturi da lecturas más precisas que la placa de orificio.

Ventajas y desventajas

Comparación entre la placa orifico y el tubo Venturi

Una placa orificio puede sustituirse fácilmente para ajustarse a diferentes ratas de flujo, el diámetro del Venturi es fijo entonces el rango de medición está limitado por la caída de presión causada por el Venturi.

La placa orificio genera una gran pérdida permanente de presión debido a la presencia de remolinos aguas abajo del orificio, la forma del Venturi previene la formación de remolinos lo cual reduce enormemente la pérdida permanente de presión.

El orificio es económico y fácil de instalar, el Venturi es costoso y debe ser cuidadosamente diseñado. Una placa orificio se puede reemplazar fácilmente mientras que un Venturi está diseñado para instalaciones permanentes.

Tubo Pitot

Definición

Es un tubo hueco que se posiciona de modo que el extremo abierto apunta directamente a la corriente de fluido. La presión en la entrada hace que se soporte a una columna de fluido. Entonces, el fluido en o justo dentro de la punta esta estacionario o estancado, y esto se conoce como punto de estancamiento. (Figura 7)

Principio de funcionamiento

El Tubo Pitot mide dos presiones simultáneamente, presión de impacto (medida por el tubo de impacto interior a) y presión estática (medida por el tubo estático b exterior).

El principio del mismo se indica en la Figura 7. La abertura del tubo de impacto a es perpendicular a la dirección de flujo. La abertura del tubo estático b es en cambio paralela a la dirección de flujo. Los dos tubos están conectados a las ramas de un manómetro u otro sistema equivalente de medida de pequeñas diferencias de presión. El tubo estático mide la presión estática Ps, puesto que no existe componente de la velocidad perpendicular a la abertura. La abertura de impacto contiene un punto de estancamiento B. La línea de corriente AB termina en el punto de estancamiento B.

Dentro del Tubo Pitot no existe un movimiento del fluido, el fluido queda a la entrada del tubo interior, y este tubo transmite una presión de impacto equivalente a la energía cinética del fluido. La diferencia de presión medida, representa la elevación de presión asociada con la desaceleración del fluido.

Figura 7: Fundamento del Tubo Pitot. Fuente: Mc Cabe, 1998

Si el fluido es incompresible se utiliza la ecuación de Bernoulli para obtener el diferencial de presión resultando ser proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo, para gases se puede utilizar para velocidades moderadas y con cambios de presión cerca del 10% o menos de la presión total.

Cuando un fluido en movimiento se detiene porque encuentra un objeto estacionario, se crea una presión mayor que la de la corriente de fluido. La magnitud de esta presión incrementada se relaciona con la velocidad del fluido en movimiento.

Es preciso tener en cuenta que, así como los medidores de orificio y el tubo de Venturi miden la velocidad media de toda la corriente de fluido, el tubo de Pitot mide solamente la velocidad en un punto.

Ventajas y Desventajas