Introducción a la medición de flujo

Mediciones Industriales II

INSTITUTO SUPERIOR POLITÉCNICO

"JOSÉ ANTONIO ECHEVERRÍA "

Facultad de Ingeniería Eléctrica INGENIERÍA EN AUTOMÁTICA

Curso 2015-2016


Tema III: Mediciones de flujo o caudal.

Conferencia 8: Introducción a la medición de flujo.

Introducción al trabajo con fluidos. Clasificación de los instrumentos de medición de flujo. Métodos de Presión Diferencial.

Captador Tubo Pitot. Captador Tubo Annubar Placa Orificio. Tobera. Captador Tubo Venturi.


Bibliografía: “Measurement systems, application and design”.

Cuarta Edición. Doebelin. Pags. 566-597. “Instrumentación Industrial”. Antonio Creus.

6ta edición. Pags. 80-123. “Instrumentación Industrial”. Antonio Creus. 8va edición.

2011. Pags. 105-161.


Objetivos

Analizar la importancia de la medición de caudal en la

industria.

Enunciar la clasificación de principios y métodos para

la medición de caudal volumétrico y másico.

Definir el principio de funcionamiento de los medidores

volumétricos basados en presión diferencial.



Instrumentos de medición de flujo.

La medición de flujo o de caudal es una de las funciones más importantes en las plantas industriales como método de conocimiento de la cantidad de materiales utilizados en la fabricación o desarrollo de un proceso tecnológico. Sus aplicaciones fundamentales se relacionan con la medición de gasto de agua, de vapor o de hidrocarburos. Por lo que resulta una etapa esencial para aumentar la eficiencia de las operaciones productivas.


Propiedades físicas de los fluidos.

La materia puede clasificarse por las formas físicas en que se presenta. Estas formas, conocidas como fases son: la sólida, la líquida y la de gas o vapor. Los fluidos comprenden las fases líquida y gaseosa de la materia. En general, todos se encuentran familiarizados con las características distintivas de esas fases; por lo tanto, se debe buscar una característica común que permita clasificarlos simplemente como fluidos.



Este rasgo común y distintivo se establece como sigue: Un fluido se deformará continuamente bajo esfuerzos (tangenciales) cortantes, no importa cuán pequeños sean éstos. Un sólido, por otra parte, se deformará proporcionalmente a la fuerza aplicada, después de lo cual se llegará al equilibrio estático.



Las propiedades de los fluidos más interesantes son:

a) La isotropía.

b) La movilidad.

c) La viscosidad.

d) La compresibilidad.


Propiedades de los Fluidos Hidráulicos Densidad de Masa de una sustancia (ρ): Es la cantidad de masa por unidad de volumen

Para el agua a presión atmosférica estándar 1.0133 x 105

N/m2 y a temperatura estándar 4°C, la densidad de masa es:

m

V

31000

kg

m


Propiedades de los Fluidos Hidráulicos

Volumen específico de una sustancia (v): Es el recíproco de la densidad ρ

Peso específico de una sustancia (𝛾): Es su peso por unidad de volumen. Por ejemplo para el agua a presión y temperatura estándar, su valor corresponde con:

1

3

39.807 10

N

m



Existe una relación entre el peso específico y la densidad de masa dada por:

Siendo g la aceleración de la gravedad

m wg g

V V



Viscosidad: La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir cuando se le aplica una fuerza externa.

Viscosidad absoluta o dinámica: El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de su resistencia al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo.

(Pa•s) → (N•s/m2) →(kg/m•s)



Coeficiente de Viscosidad dinámica (μ): Es la resistencia causada por una lámina del fluido al movi-miento paralelo de esa lamina u otra lámina del fluido a una distancia unitaria de ella, con una velocidad relativa unitaria.

Viscosidad cinemática (n): Es la viscosidad dinámica dividida entre la densidad de masa:



Presión Atmosférica: Fuerza ejercida por la atmósfera por unidad de superficie. Presión Relativa o Efectiva: Es la presión medida con relación a la presión atmosférica. Los manómetros miden presiones positivas. Los vacuómetros miden presiones negativas. Presión Absoluta: Es la presión por encima del cero absoluto

Pabs = Pa + Pr


Número de Reynolds

Número de Reynolds (R): Es la relación adimensional de la fuerza de inercia con respecto a la fuerza viscosa.

Osborne Reynolds en 1904


Número de Reynolds



Tipos de Flujos

Flujo Laminar: Es aquel que es dominado por la fuerza de viscosidad, se caracteriza por el movimiento suave, según líneas paralelas, para un número de Reynolds por debajo de 2000 el flujo es laminar.


Tipos de Flujos.

Flujo Turbulento: Es aquel que es dominado por la fuerza de Inercia, se caracteriza por el movimiento irregular y como remolino, para un número de Reynolds por encima de 4000 el flujo es turbulento.

Mediciones Industriales II Flujos

La solución de cualquier problema de flujo de fluidos requiere un conocimiento previo de las propiedades físicas del fluido en cuestión. De los valores exactos de las propiedades de los fluidos que afectan a su flujo, principalmente la viscosidad y el peso específico.

Para los fluidos que son utilizados normalmente, estos datos se encuentran en las tablas y cuadros ofrecidos por los distintos fabricantes.

Mediciones Industriales II Medidores de caudal

Medidores Volumétricos: Determinan el caudal a través de la medición de volumen del fluido. Utilizan mediciones directas como los medidores de desplazamiento, o medición indirecta como los medidores de presión diferencial, o de área variable.

Medidores Másicos: Se determina el caudal a partir de la determinación de una medida volumétrica compensándola para las variaciones de densidad de fluidos; o bien determinando de forma directa el caudal a partir de las características medibles de la masa del fluido.


Flujómetro Método de medición Denominación

Medidores Volumétrico

Presión diferencial

Plato orificio Tobera Tubo Venturi Tubo Pitot Tubo Annubar

Área Variable Rotámetro

Velocidad Vertedero Turbina Ultrasónica

Fuerza Placa de impacto

Tensión inducida Medidor Magnético

Desplazamiento Positivo Disco giratorio Pistón Oscilante Medidor rotatorio

Torbellino Medidor de frecuencia

Mediciones Industriales II Flujómetro Método de medición Denominación

Medidores de

caudal de Masa

Térmico

Momento

Fuerza de coriolis


Instrumentos de medición de flujo basados en presión diferencial.


Ecuación de Bernoulli Altura potencial + altura cinética + altura de presión =

Constante

2 2

1 1 2 21 2

2 2

p pz z

g g

Daniel Bernoulli


Tubo Pitot

El Tubo Pitot mide la diferencia entre la presión de

impacto y la presión estática.

Presión estática: fuerza por unidad de área que actúa

en una pared; la ejercida por un líquido en reposo

sobre el recipiente que la contiene; o aquella ejercida

por un líquido que se mueve paralelamente a la

tubería.


Tubo Pitot

El Tubo Pitot es sensible a las variaciones de la

velocidad en la sección de tubería donde se

encuentra, de aquí que en su empleo es esencial que

el flujo sea laminar, instalándolo en un tramo recto de

la tubería.

Es un instrumento empleado normalmente para medir

grandes caudales de fluidos limpios, con una baja

pérdida de carga.

Mediciones Industriales II Variantes de tubo de Pitot:

Variante 1:

Mediciones Industriales II Variante 2:


Tubo Pitot

Para una tubería horizontal la ecuación de conservación de la energía del fluido es la siguiente:

12121

121

2

112

22

2

2

ppg

g

ppgV

ppV

g

V

g

p

g

p

P2 = Presión de impacto o total absoluta

en el punto donde el líquido anula sus

velocidad;

P1 = Presión estática absoluta en el fluido;

ω: peso específico;

ρ = Densidad; V1 = Velocidad del fluido

en el eje de impacto.


Tubo Pitot

A partir de aquí, se introduce el coeficiente de velocidad C. Este coeficiente se determina experimentalmente y su objetivo es tener en cuenta la distribución irregular de velocidades y las irregularidades de la tubería.

gPPCV

2121


Tubo Pitot Si la medición de presión se realiza con un manómetro de mercurio la expresión tendría otra forma:

ghCVfm

21


Tubo Pitot Ventajas Desventajas

Simple montaje No puede ser utilizado para medir fluidos con partículas sólidas

Amplia gama de medición Presenta una precisión baja del orden del 1,5 al 4 %.

Puede ser utilizado lo mismo en canales abiertos que en tuberías de gran diámetro

La presión de trabajo puede llegar a los 400 Kg/cm2 y la temperatura hasta 500 °C.


Tubo Annubar


Tubo Annubar

1. El tubo Annubar es una innovación del Tubo Pitot, ya que consta de dos tubos: uno de presión total y otro de presión estática.

2. El tubo que mide la presión total está situado a lo

largo de un diámetro transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición crítica determinada por cálculos. Cada orificio cubre la presión total en un anillo de área transversal de la tubería.


Tubo Annubar

3. En tuberías de tamaño mayor que 1” se dispone

en el interior del tubo, otro que promedie las

presiones obtenidas en los orificios. El que mide la

presión estática se encuentra detrás del de presión

total con su orificio en el centro de la tubería y

debajo de la misma.


Características del Tubo Annubar

Es de mayor precisión que el tubo de Pitot

del orden de 1-3 %.

Tiene una baja pérdida de carga.

Se emplea para la medida de pequeños o

grandes caudales de líquidos y de gases.

Mediciones Industriales II Rosemount 485 Annubar® Primary Element


Placa (plato) Orificio


Placa Orificio Una placa orificio es una restricción con una abertura más pequeña que el diámetro de la tubería.

Debido a esta pequeña sección, la velocidad del fluido aumenta, causando la correspondiente disminución de la presión.

Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa, captan esta presión diferencial la cual es proporcional al cuadrado del flujo.


Placa Orificio El orificio de la placa orificio típica puede ser concéntrico, excéntrico o segmentado. Con un pequeño orificio de purga para los pequeños arrastres sólidos o gaseosos que pueda llevar el fluido.


Placa Orificio


Features of the Rosemount 1495

Orifice Plate:

Features of the Rosemount 1595 Conditioning Orifice Plate

Wet Gas Flow Measurement with Conditioning Orifice Meter Flow Test Data Book and Flow Handbook



Características de los platos orificios

La placa orificio es el sensor de caudal más comúnmente utilizado. Principio de funcionamiento muy simple.

Presenta una presión no recuperable muy grande, debido a la turbulencia alrededor de la placa, lo cual ocasiona un alto consumo de energía.

Bajo costo y amplia aplicación.

Mayor pérdida de presión.

Precisión de 2 a 4%.


Mediciones Industriales II Desde el punto de vista dinámico, el plato-orificio puede representarse por un modelo lineal de primer orden con una constante de tiempo.

Donde: Cd = coeficiente de descarga.

Ao = área del orificio.

= densidad del fluido. l = distancia entre las tomas. wo = caudal másico en el punto de operación. Ap = área de la tubería.

C A l

w A

d o

o p

2 2



Tubo Venturi


Tubo Venturi

El tubo Venturi es similar a la placa orificio, pero está diseñado para eliminar la separación de capas próximas a los bordes y por lo tanto producir arrastre. El cambio en la sección transversal produce un cambio de presión entre la sección convergente y la garganta, permitiendo conocer el caudal a partir de esta caída de presión. Aunque es más caro que una placa orificio, el tubo Venturi tiene una caída de presión no recuperable mucho menor.


Características del tubo Venturi

• Permite la medición de caudales mayores a los de la placa orificio en iguales condiciones de servicio con menores pérdidas de carga.

• Posee una gran precisión del orden de 0.75%. • Permite el paso de fluidos con un gran por ciento

de sólidos. • Su costo es elevado.



Tobera


Tobera

Se encuentra situada en la tubería con dos tomas

una anterior y la otra en el centro de la sección más

pequeña.

Se pueden emplear en las tuberías que poseen un

diámetro mayor que 50 mm, lo que permite

caudales superiores a los de la placa orificio en las

mismas condiciones de servicio.


Características de la tobera.

• Su pérdida de carga es de 30 a 80% de la presión diferencial.

• Puede emplearse para fluidos que arrastren sólidos en pequeñas cantidades.

• El costo de la tobera es mayor que el plato orificio y su precisión es del orden del 1 al 1,5 %.


Conclusiones

Todos los métodos en que se basan los medidores de caudal volumétricos de presión diferencial realizan una conversión del caudal a la variable presión diferencial. Por tanto se utiliza un instrumento de medida de presión para expresar el caudal. Estos instrumentos pueden tener indicación local o utilizarse como transmisores. La selección de estos instrumentos depende, generalmente de la aplicación de los mismos y del tipo de fluidos.


Estudio independiente

1. Investigue sobre nombres de los fabricantes

que comercializan los medidores de flujo

analizados en la conferencia.

2. Investigue aplicaciones de los medidores de

caudal volumétrico basados en presión

diferencial.


Estudio independiente

3. Investigue en la bibliografía de la conferencia

cuáles son las normas que se utilizan para el

diseño de placa orificio, toberas y tubos Venturi.

Engineering

Introducción a la medición de flujo