UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS | TOSHIBA

LABORATORIO DE OPU

INFORME 2-CAUDAL

INDICE

1. DEFINICION DEL CAUDAL .............................................................................................................. 3

2. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN ..................................................................................................... 5

2.1. CLASIFICACION DE LA EMPRESA KOBOLD ...................................................................... 5 2.2. TECNOLOGIAS MÁS USADAS PARA LA MEDICION DE CAUDAL .................................. 7

3. FICHAS TECNICAS ......................................................................................................................... 10

4. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESOS...................................................................................... 12

5. PROCESO EN EL MÓDULO DE CAUDAL................................................................................... 14

CUESTIONARIO:.................................................................................................................................. 15

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1. DEFINICION DEL CAUDAL

En física e ingeniería, caudal es la cantidad de fluido que circula por unidad de tiempo en determinado sistema o elemento. Se expresa en la unidad de volumen dividida por la unidad de tiempo (m³/s).

Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

En el caso de cuencas de ríos o arroyos, los caudales generalmente se expresan en metros cúbicos por segundo o miles de metros cúbicos por segundo. Son variables en tiempo y en el espacio y esta evolución se puede representar con los denominados hidrogramas.

He aquí algunas de las funciones que se pueden llevar a cabo a través de la medición de caudales.

Conocimiento de la producción de un proceso o planta.

Conocimiento de los diferentes consumos.

Distribución en forma prefijada de una corriente.

Mezcla de varias corrientes en determinadas proporciones.

Realización de balance de materia alrededor de un equipo.

El campo de valores de caudal que se puede medir es sumamente vasto. En forma indicativa diremos que abarca desde los grandes caudales en ríos hasta los pequeños caudales que circulan por cromatógrafos y analizadores de gas.

También es amplía la gama de condiciones de operación que se presentan con fluidos de muy diferentes características tales como fluidos barrosos, pastosos, viscosos, de dos fases, con sólidos en suspensión, de alta velocidad, corrosivos, etc.

El caudal puede calcularse a través de la siguiente fórmula:

Donde: Q: caudal (m3/s) A: área (m2)

V: velocidad lineal promedio (m/s)

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Dada una sección de área A atravesada por un fluido con velocidad uniforme v, si esta velocidad forma con la perpendicular a la superficie A un ángulo θ, entonces el flujo se calcula como

En el caso particular de que el flujo sea perpendicular al área A (por tanto

θ = 0 y ) entonces el flujo vale

Si la velocidad del fluido no es uniforme o si el área no es plana, el flujo debe calcularse por medio de una integral:

Dónde: dS es el vector superficie, que se define como

Donde n es el vector unitario normal a la superficie y dA un elemento diferencial de área.

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2. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

En un módulo de control de procesos la medición de caudal se forma mediante los sensores de caudal los que piden un emisor a fin de enviar la pista al controlador. Un sensor de caudal es un dispositivo que mide el caudal volumétrico o másico de un fluido, ya sea líquido o gaseoso.

Figura 2.1: SENSOR DE CAUDAL

2.1. CLASIFICACION DE LA EMPRESA KOBOLD

INDICADORES DE CAUDAL:

Están diseñados para supervisar gas, aire, aceite, agua y otros líquidos a velocidades de flujo máximas y mínimas. La acción es sencilla y muy visible. El flujo que pasa a través de la unidad hace que la esfera blanca oscile en la cámara. Si el flujo disminuye, la esfera desaparece del campo de visión. El movimiento de la esfera se ve con claridad incluso en zonas con iluminación deficiente y a distancias significativas. Sólo tiene una parte móvil, la esfera, y no hay prácticamente nada que pueda fallar.

Figura 2.2: INDICADOR DE CAUDAL CON ROTOR DAR -1

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MEDIDORES /INTERRUPTORES DE CAUDAL :

Es un interruptor eléctrico que envía una señal (prendido / apagado) para controlar o monitorear el caudal en una línea de un sistema hidráulico.

Figura 2.3: MEDIDORES/ INTERRUPTORES DE CAUDAL METALICOS DSS

MEDIDORES / MONITORES DE CAUDAL:

Los medidores/monitores de caudal KOBOLD trabajan con este comprobado principio y ofrecen muchos beneficios. El corazón de la nueva paleta de KOBOLD es un imán anular incrustado; sellado herméticamente del fluido. Esto convierte el movimiento rotatorio en una señal de frecuencia proporcional al caudal. La electrónica de evaluación KOBOLD posterior, puede llevar esta señal en un indicador, convertirla en señal analógica (0(4)-20 mA, 0-10 V), o contarla.

Los estados listo y de control del relé de valor límite son indicados por LEDs. Resultados de medición muy precisos pueden obtenerse bajo duras condiciones de operación con la electrónica KOBOLD. El sistema es ensamblado con la electrónica y despachado listo para su servicio. La electrónica es calibrada y sintonizada para ser utilizada con el sensor.

Figura 2.4: MEDIDOR DE CAUDAL TIPO ROTATIVO DRG-F, DRG – L

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MEDIDORES DE CAUDAL SIN PARTES MOVILES:

Encuentra aplicaciones donde se requiere monitorear caudales en forma precisa con mínima caída de presión. El diseño en una sola pieza de la sonda de medición, reduce considerablemente su sensibilidad a la suciedad.

Principio de operación El interruptor calorimétrico de caudal modelo KAL-D... trabaja bajo el principio calorimétrico. La punta del sensor es calentada algunos grados por encima de la temperatura del medio fluyente. Cuando el medio fluye, el calor generado en la sonda es disipado por el medio.

La señal del sensor es comparada con datos de referencia almacenados en un microcontrolador. Se genera una señal de alarma cuando se alcanza la velocidad deseada de caudal. Simple calibración y óptima compensación de temperatura se logra con un microcontrolador en el interruptor de caudal KOBOLD. Debido a la adaptación de los sensores a los datos de operación, estos conmutan absoluta y consistentemente aun con un gran gradiente de temperatura.

Figura 2.5: INTERRUPTOR DE FLUJO CALORIMETRO KAL-D

2.2. TECNOLOGIAS MÁS USADAS PARA LA MEDICION DE CAUDAL

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PRINCIPIO DE FLOTADOR (ROTAMETRO)

Este principio se basa en el equilibrio de fuerzas que actúan sobre el flotador en efecto , la corriente fluida que se dirige de abajo hacia arriba a través del tubo cónico del rotámetro , provoca la elevación del flotador hasta una altura en que el área anular comprendido entre las paredes del tubo y el cuerpo del flotador , adquiere una dimensión tal que las fuerzas que actúan sobre el mismo se equilibran , y el flotador se mantiene estable a una altura que corresponde a un determinado valor de caudal circulante .

Las fuerzas que actúan sobre el flotador son tres y de naturaleza distinta:

Fuerza de origen aerodinámico o resistencia aerodinámica, D actuando hacia arriba.

Fuerza de Arquímedes o empuje hidrostático, E también actuando hacia arriba.

Fuerza gravitatoria o peso W actuando hacia abajo.

Figura 2.6: MEDIDORES POR PRINCIPIO DE FLOTADOR

En condiciones de estabilidad, el flotador se mantiene a una altura constante, y el equilibrio de fuerzas es tal que la suma de la resistencia aerodinámica D y el empuje hidrostático E equilibran al peso W, pudiendo plantearse la siguiente ecuación de equilibrio:

PRINCIPIO DE LAS PALETAS ROTATIVAS

∑𝐹 = 𝐷 + 𝐸 − 𝑊 = 0 𝐷 + 𝐸 = 𝑊

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La paleta rotativa es accionada por un motor de engranaje, y detecta el material cuando el nivel alcanza el sensor. Cuando el material entra en contacto con la paleta se detiene la vibración. Esta vibración provoca el cambio de estado del relé. Cuando la paleta está libre, se reanuda la vibración y el relé vuelve a su condición normal.

Este interruptor es idóneo para aplicaciones con sólidos en ambientes industriales extremos. El usuario puede ajustar la sensibilidad de la paleta en función de las propiedades del material detectado.

Pueden incluir una paleta estándar (idónea para muchas aplicaciones), o articulada (ofrece mayor sensibilidad para materiales sólidos ligeros).

Figura 2.7: MEDIDOR POR PRINCIPIO DE LAS PALETAS ROTATIVAS

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3. FICHAS TECNICAS

MEDIDOR DE CAUDAL TIPO TURBINA

Rangos de caudal:0,2 - 5,0 ... 2,5 - 100,0 m3/h agua Precisión de medición:± 1%

fondo de escala.

pmáx: 10 bar; tmáx: 70 °C

Rango de viscosidad: viscosidad baja

Conexión: brida DN 25 ... DN 100

Material: PVC, PVDF

Salida: pulsos,0 - 20 mA,4 - 20 mA o 0 - 10 V, Indicador LED, indicación tipo aguja, salida de conmutación

Diseño El sistema de medición de caudal comprende:

Conexión

Material: PVC o PVDF

Conexión: brida NW 25, 50, 80 o 100

Generador de pulsos

PNP (24 VDC, Imáx 400 mA)

NPN (24 VDC, Imáx 400 mA)

Transmisor (opción)

Salida: 0 - 20 mA, 4 - 20 mA o 0 - 10 V

Datos técnicos

Precisión de medición: ±1% fondo de escala Rango de viscosidad: para medios de baja visc. Temp. máx. de operación: 60 °C (versión en PVC)

Presión máx. de operación: PN 10

Tipo de protección: IP 65

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ROTAMERO serie PCE-VS

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4. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESOS

El diagrama de flujo de procesos es un esquema de símbolos estandarizados cuyo objetivo es mostrar cada etapa de un determinado proceso a fin de que pueda ser entendido por cualquier persona independiente de su nacionalidad.

Para que un PFD este y completo debe contener la siguiente información:

i. Corrientes del proceso ii. Corrientes de servicio iii. Simbología de los equipos iv. Condiciones del proceso

Este diagrama es muy importante para determinar en donde se va a realizar el control de procesos. Además cabe mencionar que se guía bajo los siguientes estándares.

ISO 10628: Flow Diagrams For Process Plants - General Rules

ANSI Y32.11: Graphical Symbols For Process Flow Diagrams (withdrawn 2003)

SAA AS 1109: Graphical Symbols For Process Flow Diagrams For The Food Industry.

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Fig

. 4.1

-Dia

gra

ma d

e f

lujo

de

pro

ceso

s

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5. PROCESO EN EL MÓDULO DE CAUDAL

El proceso en el módulo de caudal se puede apreciar en la figura 5.1, en donde el sensor captura la variable del proceso del tanque luego esta es enviada al controlador al cual previamente se le ha ingresado la variable set point; el controlador que en este caso es un PLC compara ambas variables y determina sí es necesario elevar, disminuir o mantener el mismo caudal en el sistema lo cual genera una variable de control las cuales enviada al actuador que en este caso está conformado por el par variador de velocidad/bomba.

Perturbación

Figura 5.1: ESQUEMA DEL PROCESO EN EL MÓDULO DE CAUDAL

Variador/Bomba

Supervisor-

Controlador/HMI

Contolador/HMI

PLC

Sensor/Transmisor de

Caudal

Proceso

Válvula de tipo

proporcional

COMPUTADORA

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CUESTIONARIO:

A. ¿Cómo funciona el principio CALORIMETRO en los sensores?

Muchos calorímetros utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras que la segunda actúa como temperatura de referencia. El sensor de temperatura registra la diferencia entre las temperaturas de las dos cargas. En teoría los efectos de las fluctuaciones de la temperatura externa se cancelan debido a la simetría, sin embargo si los alrededores no tienen una temperatura uniforme el gradiente de temperatura puede causar error.

B. Mencionar dos tecnologías (aparte del principio CALORIMETRO) más aplicadas a los sensores y explicarlas brevemente.

Podemos nombrar los siguientes:

Sensor de gas fabricado con tecnología microelectrónica híbrida de película gruesa.

Calefactor integrado:

Los sensores de gases semiconductores, ya sean de películas gruesas, películas delgadas MOS, micromaquinado, entre otros, requieren ser calefaccionados de manera localizada y uniforme entre 200 y 450° C. Debido a que su sensibilidad depende fuertemente de la temperatura de operación, es necesario controlar cuidadosamente dicha temperatura. Por tal motivo, el calefactor integrado de platino fue concebido para que cumpliera la doble función de calefaccionar y controlar la temperatura deseada.

Microcalorímetro:

Es el tipo de calorímetro más usado. Estrictamente hablando, no es un medidor de potencia pero es un instrumento para determinar la eficiencia efectiva de un montaje bolométrico.

Fue originalmente inventado para la calibración de metal wirebolometers, pero termistores y películas bolométricas también pueden ser calibradas por este método.

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C. Realice una gráfica Caudal Vs. Tiempo utilizando 3 valores diferentes del Set Point inicial desde el reposo hasta lograr la sintonía del sistema

tiempo(s) caudal(vol/t)

5 10.4

5 11.3

5 11.7

5 12.1

5 12.6

5 13.5

5 13.9

5 14.3

5 14.8

5 15.2

5 16.1

5 16.5

5 17

5 17.8

5 18.2

5 18.7

5 19.1

5 19.5

D. Mencionar cinco aplicaciones del control de procesos de caudal en la industria, describir el proceso brevemente, indicando en qué etapa se aplicaría el control de procesos y con qué instrumentos.

Control de procesos en la industria farmacéutica, hidraúlica y minería.

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

tiempo(s) caudal(vol/t)

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En el entorno industrial, los caudalímetros magnéticos son los más frecuentes en instalaciones de gestión de aguas, en la industria de procesos, en el sector farmacéutico y en la industria alimentaria. Los caudalímetros magnéticos modernos son tan robustos que se pueden emplear en minería y construcción de túneles, en las condiciones ambientales más duras, en cualquier tipo de aplicación. Su uso rutinario típico comprende aplicaciones de medición y control de flujos continuos, de llenado y dosimetría y de medición en aplicaciones de Custody Transfer. Estos caudalímetros permiten medir muchos fluidos acuosos: agua, aguas residuales, lodos, pulpas, pastas, ácidos, álcalis, zumos, puré de frutas, etc. No pueden medir, por el contrario, ni líquidos no conductores, ni gases ni vapor. También posibilita una integración sencilla en aplicaciones altamente complejas para mediciones, instrumentación y control de alto nivel.

Control de procesos: Agua - Aguas residuales

Los caudalímetros magnéticos tienen dos áreas de aplicación principales en la industria de gestión de aguas:

Tratamiento y distribución de agua potable a los consumidores (instalaciones acuáticas, usuarios domésticos, etc.)

Control de recolección de aguas (tanto residuales como agua de lluvia) para su purificación en plantas de tratamiento de aguas de deshecho para su devolución responsable al medio.

Control de procesos: En la industria química, petroquímica.

Están sujetas al control remoto para un control más óptimo del proceso .El caudal puede cuantificarse por método directo, midiendo la cantidad de materia que circula por unidad de tiempo; como también por vía indirecta, a través de fenómenos relacionados con el caudal de un fluido .Casi todos los sistemas de medición de flujo tienen dos partes: un elemento primario que produce el fenómeno de medición tales como los diferenciales de presión, la turbina de rotación, los de área variable, etc.; y un segundo dispositivo, quien detecta este fenómeno, para cambiar la fuerza interna por un signo de transmisión, éste último puede variar casi siempre sin limitaciones, mientras que los primeros dependen de los principios físicos. En este módulo para medir el caudal, se utiliza un medidor de flujo tipo Rotativo, el cual trabaja de acuerdo al principio de turbina.

Control de procesos Industria alimentaria:

En la industria alimentaria son tan importantes las características técnicas de los dispositivos como su adecuación para cumplir con los estándares de higiene exigidos por la norma. La adecuación de los sistemas para permitir la limpieza es crítica en este contexto, y se aplica a los sistemas de medición con el mismo rigor que a cualquier otro aparato del equipamiento de la planta. Este hecho impone unos requisitos de durabilidad del revestimiento, que deben adecuarse al fluido que se mide. Los factores críticos son los siguientes:

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a diversos procesos de producción se desarrollan a temperatura ambiente.

Las temperaturas típicas involucradas en los procesos de limpieza (CIP) y esterilización (SIP) comprenden un campo de valores entre +70 y +140 °C (160 y 285 °F). Para mejorar los efectos de la limpieza se suelen añadir sustancias alcalinas/cáusticas o sustancias orgánicas.

Figura 5.2: Medición de caudales en la industria alimentaria. Foto: Promag H de E+H, fabricado con acero inoxidable.

Industria de procesos:

Muchas y variadas son las demandas que se exige cumplir a los caudalímetros en la industria de procesos: resistencia a fluidos agresivos, requisitos para su uso en zonas de riesgo, adecuación para su integración en sistemas de instrumentación y control de procesos, y una buena relación coste-efectividad para su instalación

Figura 5.3: Tecnología inalámbrica mejorada aplicada a sensores e implantes corporale

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E. ¿Cómo influye la válvula automática proporcional en el caudal del módulo?, Explicar.

La válvula automática es un elemento final de control que realiza la función de variar el caudal del fluido de control, en respuesta a la señal enviada por un controlador; modificando a su vez el valor de la variable controlada. Se comporta como un orificio de área continuamente variable

Constituye el elemento final de control en más del 90 % de las aplicaciones industriales. Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar una señal de control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Es esta variable manipulada la que incide en el proceso causando cambios de la variable controlada. Lo más común en procesos es que la manipulación sea un caudal. Para ajustar el flujo de fluidos en una línea existen primariamente dos mecanismos:

Modificar la energía entregada al fluido (bombas y ventiladores de velocidad variable)

Modificar la resistencia al paso del fluido (válvulas, registros en ductos de gases)

De los diversos elementos finales de control, el de más amplia difusión es la válvula automática con actuadores neumáticos o eléctricos.

Esta válvula utiliza una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y posteriormente transformada en una de tipo neumática que incide el cabezal.

Estos elementos los podemos considerar constituidos por dos partes:

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Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal o rotacional) merced a un cambio en la presión ejercida sobre el diafragma.

Cuerpo: el diafragma está ligado a un vástago o eje que hace que la sección de pasaje del fluido cambie y con ésta el caudal

F. ¿Qué es el número de Reynolds y para que se utiliza?, Dar 2 ejemplos.

El número de Reynolds puede ser difícil de entender ya que es una ecuación científica que examina las características del movimiento del fluido y del aire o de una turbulencia.

El número de Reynolds relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos.

Para un fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de Reynolds viene dado en dos formas:

Donde:

: Densidad del fluido

: Velocidad característica del fluido

: Diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema

: Viscosidad dinámica del fluido

: Viscosidad cinemática del fluido

Ejemplos:

El número de Reynolds ayuda a determina el movimiento de un fluido. Determina si el aire o el fluido es "laminar (en capas delgadas) o turbulento (pesado)"

Determina como el aire se mueve a través del ala de un avión

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Utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido

G. ¿Qué es el NPSH y para que se usa?, Explicar.

NPSH es un acrónimo de Net Positive Suction Head, también conocido como ANPA (Altura Neta Positiva en la Aspiración) y CNPA (Carga Neta Positiva en Aspiración). Es la caída interna de presión que sufre un fluido cuando este ingresa al interior de una bomba centrífuga.

La NPSH es un parámetro importante en el diseño de un circuito de bombeo: si la presión en el circuito es menor que la presión de vapor del líquido, éste entrará en algo parecido a la ebullición: se vaporiza, produciéndose el fenómeno decapitación, que puede dificultar o impedir la circulación de líquido, y causar daños en los elementos del circuito.

NPSH requerida: es la NPSH mínima que se necesita para evitar la cavitación. Depende de las características de la bomba, por lo que es un dato que debe proporcionar el fabricante en sus curvas de operación.

Donde :Hz es la presión mínima necesaria a la entrada del rodete, en m.c.l. (metros de columna de líquido).

Es la presión cinética correspondiente a la velocidad de entrada del líquido en la boca de aspiración, en m.c.a. (para Va en m/s)

NPSH disponible: depende de las características de la instalación y del líquido a bombear.

Donde

: Es el peso específico del líquido (N/m3).

P.a.: Es la presión en el nivel de aspiración, en P.a.

Ha: Es la altura geométrica de aspiración en m.c.l.

He: Es la pérdida de carga en la línea de aspiración, en m.c.l.

Pc: Es la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, en Pa.