cap2. tipos de instrumentos

8/17/2019 Cap2. Tipos de Instrumentos

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Iván Rivero Flores

Universidad Técnica Federico Santa María –Sede Viña del Mar

Programa de Ingeniería de Ejecución en Control e Instrumentación Industrial

IYA-132. Instrumentación y Automatización

Consideraciones de especificaciónRango: Presión normal a mitad de escala, paramenor error. ( % de span).•Materiales Bourdon: De acuerdo al proceso(Bronce (agua), 316 SS (gasolina , sulfuros), Monel(agua de mar, glucosa))•Temperatura: -50 a 190 °F ( -46 a 90 °C)•Materiales Carcasa: Fenol, 316 SS•Vidrio: Normal o de Seguridad•Conexiones: 1/2” NPT, Sanitaria 3A

Capítulo 2. Tipos de Instrumentos2.2 Presión. Manómetros.

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Se utilizan accesorios para prevenirdaños a los instrumentos:Amortiguador de pulsaciones (Snubber): en caso de compresores opresión pulsanteSello diafragma ( Diaphragm Seal):sólidos en suspensión o líquidoscorrosivos y altas T°.Sifón (Syphon): Altas temperaturas.Liquido Llenado (Fill Liquid):Previene humedad, atmósferas

corrosivas. Típico Glicerina.

Capítulo 2. Tipos de Instrumentos2.2 Presión. Protección de Elementos de Presión.

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Tecnologías utilizadas:

D/P cell : Celda CapacitivaStrain Gage: Celda Estensométrica

Capítulo 2. Tipos de Instrumentos2.2 Presión. Transmisores.


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Manifold de 2 Válvulas 1 vía

Ejemplo : Manifold de Una Vía

Dos Válvulas.

PI

Purga

Corte

Linea

Proceso

Capítulo 2. Tipos de Instrumentos2.2 Presión. Manifold.


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Manifold de 3 Válvulas y 2 Vías

Ejemplo : Manifold de Dos Vías y

Tres Válvulas.

PDT Valv.ecualización

Valv.

Corte

Capítulo 2. Tipos de Instrumentos2.2 Presión. Manifold y Conexiones a Proceso.

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La medición de Caudal es utilizada principalmente en el balance de materiales,en dosif icaciones y venta de productos. El caudal puede ser medido en dosformas: másico o volumétrico.

Caudal Másico: Tiene la ventaja de no ser afectado por las condiciones de P yT°, por lo tanto es una medida invariable, pero no es ampliamente utilizada enoperaciones de transferencia o ventade productos.Ejemplo: Vapor en Ton/h.

CaCaudal Volumétrico: Es ampliamente utilizado y aceptado para operaciones detransferencia (ventas de productos). Sin embargo depende de la T°y P. Para ser“normalizadas” estaslecturas se llevan a una condición standard.

Capítulo 2. Tipos de Instrumentos

2.3 Caudal. Introducción

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Los tipos de Instrumentos de Caudal se clasifican en dos:

Volumétricos:

•Presión Diferencial: Placa orificio, Venturi, Pitot, Annubar

•Area variable : Rotámetros

•Velocidad: Vertederos, Turbina, Ultrasónicos

•Tensión Inducida: Magnéticos

•Desplazamiento Positivo: Disco giratorio, Pistón.Másicos:

•Compensación de T°y Presión : Utilizando ecuacione s•Térmico: Diferencia de T°en dos sondas•Fuerza Coriolis: Utiliza un tubo en Vibración.


2.3 Caudal. Tipos de Instrumentos de Caudal


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Utiliza una placa con un orificio que se inserta un flange especial. La restricciónprovoca unacaídade presión relacionada conel flujo porla siguienteformula :

ρ

PKAQ ∆

=Donde ∆P es la lectura en presióndiferencial ( head)


2.3 Caudal. Placa Orificio

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2.3 Caudal. Placa Orificio. Tipo Concéntrica.

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BernoulliEc. 2

1 2 cteghvP =++ ρ ρ 1111 ,,, hvP ρ 2222 ,,, hvP ρ D

d 222

2

222111

2

1112

1

2

1hgvPhgvP ρ ρ ρ ρ ++=++

212121 ; ; :Pero gghh === ρ ρ

(e1) 2

1

2

1 :Luego 2212

2

111 vPvP ρ ρ +=+

dContinuidaEc. ** 2211 Qv Av A ==

2

2

1

2

2

2

2

14

; 4

:Pero β π π =

=⇒==

D

d

A

Ad A

D A


2.3 Caudal. Placa Orificio. Ecuación Caudal y Bernoulli.


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2

2

1 *:Luego vv β =

2

212

42

211

2

1

2

1 :(e1)endoReemplazan vPvP ρ β ρ +=+

( )

( )4212

2

12

1 :Luego

β ρ −

−=

PPv

( )

( )421

2

221

2

4 :Luego

β ρ π

−

−==

PPd v AQ

v

PK Qv

∆= *


2.3 Caudal. Placa Orificio. Ecuación Caudal y Bernoulli.

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2.3 Caudal. Placa Orificio. Pautas para el Cálculo.

1.- La placa orificio se dimensiona para Máximo Caudal (Rango): Q máx = QNormal/ 0,7.El resultado de este valor se redondea.

2.- La caída de presión máxima en la placa es dada por el ingeniero. Un valortípicoes DP= (P1-P2)=100” H2O.

2.- SG (Specific Gravity)=Densidad fluido/ densidadAgua

4.-La ecuación de la placa orificio esta en unidades M.K.S

2.-La unidadde presión en M.K.S. es el Pascal.

6.- El cálculo debe arrojar que el orifico tiene una relación 0,3


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Existe un medidor de velocidad l lamado tubo de pitot este consiste en un tubodoble que mide la presión diferencial entre la presión estática y dinámica de unfluido.(Uso en aviones)

( )

ρ ρ 1212

2

11

2

2

1

:resultaBernoulliaplicarAl

PPvPvP

−=⇒=+

El tubo pitot es sensible a lasvariaciones de velocidad, se emplea enflujo laminar en tramos rectos detuberías. Exact itud es del o rden de1,5%a 4%.


2.3 Caudal. Tubo de Pitot.

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Para mejorar la medición se utilizan medición pitot en variospuntos y se promedian. Esto se logra mejor con uninstrumento llamado Annubar que cumple esta función.

La exactitud de este instrumento es aprox. De 1 a 3%


2.3 Caudal. Annubar.

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2.3 Caudal. Instalación Típica Caudal con Transmisores DP

La instalación del transmisordebe asegurar que en suslíneas de conexión aproceso, no existavariaciones de presióndebido a condensados obolsones de gas, quepueden afectarnegativamente la medición.

Además se debe cuidar quelas líneas no se tapen conresiduos de la tubería.


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2.3 Caudal. Rotámetro

Los Rotámetros son medidores de caudal de área variable, ya que un flotadorcambia su posición dentro de un tubo en forma cónica, proporcionalmente alcaudal que pasa por el tubo.

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Parshall: Para caudales con mucho sedimento.

m3/s nKlH Q =


2.3 Caudal. Vertederos Tipo Parshall.

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Miden el caudal por velocidad del fluido, obtenida a partir de la ley de Faraday.Aplica sólo para líquidos conductivos y tubería con área llena.

KBlv E =


2.3 Caudal. Medidores de Caudal Magnético


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Miden el caudal por integración o contando volúmenes fijos.


2.3 Caudal. Medidores de Desplazamiento Positivo

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Miden el caudal por velocidad del fluido, obtenida a partir de impulsos eléctricoso magnéticos de un rotor compensado.


2.3 Caudal. Medidores de Caudal de Turbina.

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Miden el caudal por diferencia de temperatura al pasar el fluido por un cuerpocaliente. (Q=calor; Ce=calor especifico, t1,t2=temperatura)

( )21 t t mcQ e −=


2.3 Caudal. Medidor de Caudal Térmico.


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Miden el caudal por el principio de coriolis, que observó que unobjeto demasamque se desplaza con una velocidad lineal v a través de una superficie giratoriacon vel. angula r w, experimenta una ve locidad tangencial (wxv ) a mayoralejamientodel centro.


2.3 Caudal. Medidores Tipo Coriolis.

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2.3 Caudal. Tabla de Selección de Tecnologías.

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La medición de Nivel es utilizada principalmente en el balance de materiales enmaterias primas, procesosintermedios y en productos finales.

LT

1

LT

4

LT2

LT

5

LT

3T-01

T-02

T-03Si conozco el nivel y la forma geométrica del estanque(tablas de calibración) puedo obtener volumen @ T°deoperación.

Materias

Primas

Procesos

Intermedios

Productos

Finales


2.4 Nivel. Introducción


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Sonda: Se introduce una varil la graduada en el estanquecon el líquido, la altura mojada por el líquido corresponde alnivel del estanque. En general estos métodos no sonaceptados en la industria para medición, a excepción delúltimo que se utiliza para calibración de transmisores.


2.4 Nivel. Instrumentos Directos: Sonda y Plomada

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Consiste en un flotador acoplado a una cinta mecánica queindica el nivel en un cabezal, ubicado a nivel de piso.Fabricante: S&J, Varec. Exactitud: +/- 2 mm(www.varec.com)


2.4 Nivel. Instrumentos Directos: Flotador y Cinta

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Consiste en un tubo de vidrio conectado por dos extremos aun estanque, que por vaso comunicante indican el nivel delíquido en el estanque. Presión: hasta 4000 psig; T°: hasta400°C.


2.4 Nivel. Instrumentos Directos: Nivel de Vidrio

Level Glass

Gage Cocks (Válv. Especial Seguridad)

TipoReflex

(Liq.limpios)

TipoTransparente

(Liq. sucios,interface)

www.clarkreliance.com


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Consiste en un flotador que mecánicamente transmite lafuerza de empuje del flotador (displacer) a un tubo de torsiónque está acoplado a un indicador o transmisor de nivel. Esnecesario conocer la densidad del fluido a medir, paradimensionar el flotador. (www.emersonprocess.com)


2.4 Nivel. Instrumentos Directos: Flotador (Displacer)

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2.4 Nivel. Instrumentos Directos: Servogauge

Consiste en un pequeño flotador de una densidad mayor que el líquido,dicho f lotador esta acoplado a un servomotor y un sensor de peso,cuando el flotador toca y se hunde cambia el peso, interpretando elinstrumento dicha información como la altura de líquido.

Fabricante: Endress+Hauser, Exactitud: +/- 1mm.(www.endress.com)

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Consiste en un flotador con un magneto dentro de un tubo no magnéticoque al variar el nivel mueve otros dispositivos magnéticos acopladosexternamente al tubo. Tienen ventajas sobre el Level Glass al mantenerconten ido dentro de un tubo el fluido (por e j. Fluidos tóxicos) . Seacoplan a este instrumento switchs de nivel o transmisores, siendo muyversátil y necesitando un mínimo de conexiones al estanque.

www.clarkreliance.com/site/jerguson_magneticlevel.asp


2.4 Nivel. Instrumentos Directos: Magnéticos


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LT

SG1

SG2

H

L

r H PhSGP +∗= 1

h

r L PlSGP +∗= 2l

lSGhSGP ∗−=∆ 2*1

Pr


2.4 Nivel. Instrumentos Presión Hidrostática: Funcionamiento

Se utilizaun transmisor de presión diferencial que mide la diferencial de presiónproducida por una columna de líquido dentro de un recipiente presurizado apresión Pr, el método también aplica en recipientes a presión atmosférica. Latoma de baja presión se llena con un fluido de densidad conocida, para evitarlos errores por condensación.

1

*2

SG

PlSGh

∆+=

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2.4 Nivel. Instrumentos Presión Hidrostática

Transmisor Nivel

PresiónHidrostatica

Aplicaciones dePresión

Hidrostática

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Detecta las variaciones de conductividad en el estanque , parafluido conductivos. Cuando el fluido alcanza los electrodosdisminuye la resistencia y por lo tanto aumenta la corriente enun circuito eléctrico para accionar por ejemplo un relé.


2.4 Nivel. Instrumentos Eléctricos. Conductivo.

Orientaciones


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Detecta las variaciones de capacidad producidas por eldieléctrico ( fluido). Aplicable a líquidos y sólidos. Se utilizanpreferentemente en estanques metálicos.

La formula de capacidad para un condensador cilíndrico es:


2.4 Nivel. Instrumentos Eléctricos. Capacitivos.

[ ]pF*24*

d

D Log

LC r

ε =

interiorcilindrodelDiámetro:

exteriorCilindrodelDiametro:

CilindrodelAltura:

mediodeloDiélectric relativaadPermisivid:

:Donde

r

d

D

L

ε r ε

D

d

L

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2.4 Nivel. Instrumentos Eléctricos. Capacitivos.

Alternativas de Montaje (transmisor

y switch de nivel capacitivo)Diversos modelos

www.endress.com

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2.4 Nivel. Instrumentos Eléctricos. Ultrasónicos

Este inst rumento emite una onda de sonido de frecuencia aprox. 20 kHz.Posteriormente detecta el regreso calculando el tiempo recorrido, ya que lavelocidad del sonido enairees conocida (331 m/s), y en la mayoría de los gasesse aplican factores de correción.

[ ]m*t vd =

[ ]s 331

)(*2

velocidad

distancia h Lt

−==

L

h

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Aplicación Nivel Ultrasónico enPozos con Tubo de Calma


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Radar: Se basa en la emisión continua de una onda electromagnéticamodulada en alta frecuencia (10 GHz) que viaja a la velocidad de la luzpor el medio.


2.4 Nivel. Instrumentos Eléctricos. Radar

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[ ]m 2

*t v D =

[ ]m/s ε

cv =

[ ]m D E L −=

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Radiación: Una fuenteradiactiva como CS 137emite radiación gama quees detectada por un

detector tipo Geiger Mullero por ionización de gas. Suventaja pr incipal es quepenetra los rec ipientes yno requiere contacto con elfluido. Aplicable encondiciones extremas, altatemperatura, tóxicos ycorrosivos. Se usaprincipalmente en mineríay petroleo. Su uso estáregulado por la Comisiónchilena de EnergíaNuclear.


2.4 Nivel. Instrumentos Eléctricos. Radiación

www.endress.com

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Principio de Medición : Dos metales de distinto coeficientede dilatación lineal se unen. Ante variaciones detemperatura deflectan en uno y otro sentido.

)1( T L L i f ∆∗+∗= α

•Rangos : 50 °C a 450 °C.

•Largos: Según la aplicación, 3” a 24”•Exactitud: 1% del Span

•Tamaños Dial : 2”, 3”, 5”•Fabricantes : www.ashcroft.com


2.5 Temperatura. Termómetro Bimetálico

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Tipos de TermómetrosBimetálicos

Partes de TermómetrosBimetálicos


2.5 Temperatura. Termómetro Bimetálico


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RTD (Resistance Temperature Detectors)Principio de Medición : Variación de resistencia de un metalcon la temperatura.

[ ] C R °Ω= 0@1000

Rangos : -200 °C a 850 °C.

Largos: Según la aplicación, 3” a 24”Precisión : 0.01 °C

Fabricantes: www.pyromation.com

1100385,0 −°− •Ω•Ω= C α

)1(0 T R Rt ∗+∗= α

•Para Platino ( PT 100)


2.5 Temperatura. RTD

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Compensacion de Resistencia de Cables ( Método de Tres Hilos)


2.5 Temperatura. RTD

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•Principio de Medición : La unión de dos metales distintossometidos a temperatura produce una fem en sus extremos,fenómeno descubierto por Seebeck 1821.


2.5 Temperatura. Termocupla


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•TIPOS TERMOCUPLAS :

•Los tipos de unión demetales se denominan porletras de acuerdo a ISA

(ANSI MC 96.7). E, T, J, K,B, R, S


2.5 Temperatura. Termocupla.

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2.5 Temperatura. Termocuplas

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Función: Proteger el elemento sensor de las condicionesdel proceso.


2.5 Temperatura. Termowell


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Capítulo 2. Tipos de Instrumentos2.6 Válvulas de Control. Introducción.

Es un instrumento del tipo actuador cuya función es variar elcaudal del fluido de la variable manipulada.Es uno de los elementos f inales de control mayormente

uti lizado y es tan importante dentro de un lazo de controlcomo el transmisor y el controlador.

La variación de caudal puede hacerse por otros medios porejemplo con variador de frecuencia, que indirectamentemodificando la velocidad de un motor puede ajustar el caudalde una bomba.

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Actuador (Actuator):

Elemento que entrega lafuerza mecánica para mover laválvula.

Cuerpo de la Válvula (BodyAssembly):

Contiene el mecanismo querestringe el caudal.


2.6 Válvulas de Control. Componentes.

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2.6 Válvulas de Control. Componentes Actuador.


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2.6 Válvulas de Control. Componentes Cuerpo.

TRIM : Sontodos losInternos dela Válvula

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GLOBO

Single Port

Válvula de Globo: Llamada así porqué posee un obturadoren forma de globo. Aplicación General.


2.6 Válvulas de Control. Tipos Válvulas.

GLOBO

Double Port

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Válvula de Jaula: Se denomina así por la forma de jauladentro e la cual se desliza el obturador. Aplicación en altasdiferenciales de presión, cavitación y válvulas de grantamaño.

2.6 Válvulas de Control. Tipos de Válvulas.


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Válvula Excéntrica Rotativa: Sedenomina así por el movimientoexcéntrico del obturador.Aplicación grandes caudales, altatemperatura y alta capacidaddiferencial de presión.

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Válvula de Bola: Se denomina así por la forma de bola delobturador, puede ser bola completa o semi esférica (V Notch).Se utiliza en fluidos negros o con sólidos en suspensión.


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Válvula de Mariposa : Lo compone un anillo cilíndrico dentrodel cual girar un disco circular. Aplicación en grandescaudales y baja presión.



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TAMAÑO DE LA VALVULA, PULGADAS

GLOBOBOLA

MARIPOSA

GLOBOECONOMICO


2.6 Válvulas de Control. Costos por tipo de Válvula.

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válvuladeeCoeficient Cv

SG

PC Q v

:

∆=


2.6 Válvulas de Control. Ecuación de Válvula.

Cv corresponde al numero de galones (US) de agua a 60°Fque fluyen a través de la válvula en un minuto cuando lapresión diferencial a través de la válvula es 1 psi.

Ver “Control Valve Handbook” (Pags. 109 – 127):

http://www.emersonprocess.com/fisher/products/documentation.html

La ecuación que rige la válvula de control es similar a laobtenida para una placa orificio:

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2.6 Válvulas de Control. Hoja Típica con Cv Fabricante.


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2.6 Válvulas de Control. Procedimiento de Cálculo.

1.- Obtener datos de procesos y de tubería donde seinstalará la válvula.

2.- Calcular el Cv en las condiciones mínima, normal y

máxima.2.- En base a los Cv obtenidos comparar con las tablas delfabricante cual es la que cumple mejor el rango de control.Graficar los resultados.

4.- Recomendaciones para el rango de control:

La apertura mínima debe ser mayor al 10%

Laapertura normal debe ser entre 30 al 70%

La apertura máxima debe ser menor al 90%

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Abertura

Rápida

Lineal

Igual

Porcentaje

% Recorrido

% Cv


2.6 Válvulas de Control. Característica Inherente

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flujo

restricciónVena contracta

(cavitación)

(flashing)

distancia

Condiciones que llevan a la Cavitación y al Flashing

1.En lavenacontrasta (áreaa seccionaltransversal más pequeñade la corrientede flujo):

a.Lavelocidad aumentab.Lapresión disminuye

2. S i la presión en la vena contrac ta cae bajo lapresión de vapor del líquido,se formancavidadesdevapor enla corrientede flujo.

a. FLASHING, se produce si P2permanece bajola p res ión d e vapo rd el l íqu ido .E 1 d año porflashing se parece a la erosión y se distingueporuna a pa rien cia l is a, pul id a de la s upe rf ic ieerosionada.b. CAVITACION, seproduces i P2se recuperaauna presión sobre la presión de vapor dellíquido.A medida que las cavidades de vapor colapsan,se l ibera la ene rgía, s e ge nera e l ruid o y seproduceel daño.El daño por cavitación produce una superfic ieáspera, picada y semejantea la ceniza.


2.6 Válvulas de Control. Fenómeno de Cavitación y Flashing .


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DAÑO TIPICO POR CAVITACION DAÑO TIPICO POR FLASHING


2.6 Válvulas de Control. Daños por Cavitación y Flashing

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