medidores de flujo
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MEDIDORES DE FLUJO
INTRODUCCIÓN
Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea
porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque
pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea,
los fluidos están ahí y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario
saber en todo momento cuáles son las principales características de los fluidos,
que pueden variar mucho de una aplicación a otra. En el mercado existe una
gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos
de operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se
intenta conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones.
ANTECEDENTES
El funcionamiento y las aplicaciones tecnológicas de algunos aparatos
medidores de flujo el cual su invención data de los años 1.800,como el Tubo
Vénturi, donde su creador luego de muchos cálculos y pruebas logró diseñar un
tubo para medir 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 tener siempre presente la selección del tipo de medidor , como los
factores comerciales, económicos, para el tipo de necesidad que se tiene etc.
TIPOS DE MEDIDORES DE CAUDAL
FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO
Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde
varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio
hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de
irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una
instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud
general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones
esperadas.
Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y
operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del
flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del
2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con
frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran
exactitud.
Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los
distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas
cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el
fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de
fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un
dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de
energía.
Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se
encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una
consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores
que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la
corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades
de lubricación y homogeneidad.
Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores.
Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o
esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados
para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades
de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales
como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y
dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles.
Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una
diferencia de presión o un nivel de fluido.
CLASIFICACION DE LOS MEDIDORES SEGÚN EL AREA
MEDIDORES DE AREA FIJA
Estos medidores están basados en la perdida de presión de fluido al pasar por
un estrechamiento. Su presiòn disminuye mientras el fluido pasa por el
medidor, es recuperado parcialmente cuando la tubería recupera también su
diámetro original.
MEDIDORES DE AREA VARIABLE
El ejemplo mas representativo de este medidor es el rotámetro. El rotámetro es
un instrumento de medición de fluidos al estado liquido o gaseoso. Consta
principalmente de un tubo graduado de sección cónica.
SEGÚN LA TOMA DE LA VELOCIDAD DEL FLUJO
VELOCIDAD LOCAL:
• Tubo de Pitot
• Tubo de Pitot Compacto o Tubo de Prandtl
VELOCIDAD PROMEDIO: velocidad en toda la sección transversal.
Se clasifican en 3 clases:
1. Aquellos que sufren una caída de presión a consecuencia de una
reducción o estrechamiento: Tubo Venturi, Placa de Orificio, Tobera
de Inserción.
2. Área variable de presión constante: Rotámetros.
3. Medidores directos: Fluxometros, medidores térmicos, medidores de
ultrasonido, medidores magnéticos, medidores radiactivos.
TUBO PITOT
Mide la diferencia entre la presión total y la presión estática, es decir, la
presión dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad.
TUBO ANNUBAR
Es una innovación del tubo Pitot consta de dos tubos, el de presión total y el
de presión estática .Es de mayor precisión que el tubo de Pitot. El caudal total
puede determinarse a partir de esas múltiples mediciones.
1. MEDIDORES DE CABEZA O CARGA VARIABLE
Principio de funcionamiento: Cuando se restringe una corriente de flujo, su
presión disminuye en una cantidad que depende del flujo volumétrico a través
de la restricción. Por lo tanto, la diferencia de presión entre puntos antes y
después de la restricción se utiliza para calcular el flujo volumétrico
Tubo de venturi
Boquilla de flujo (Medidor de tobera)
Medidor de orificio
Tubo de flujo
TUBO DE 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.
• El flujo que viene de la tubería principal en la sección 1 se hace acelerar
a través de una sección estrecha denominada garganta, donde la
presión del flujo disminuye. Después el flujo se expande a través de una
porción divergente que alcanza el diámetro de la tubería principal
• En el sector más grande la velocidad del fluido es v1 y en el más
pequeño la velocidad aumenta a v2.
Aplicando la ecuación de la energía y de continuidad entre las secciones
1 y 2 tenemos:
De acuerdo a la ecuación de continuidad
A1v1 = A2v2, entonces v2 = A1v1/A2
Por otro lado, de acuerdo a la ecuación de Bernoullí
ECUACIONES DE UN TUBO DE VENTURI
Observaciones:
- El tubo de venturi se instala generalmente en posición horizontal, z1 –
z2 = 0
- hL se calcula de manera experimental y se relaciona con un coeficiente
de descarga C, que representa la relación de la velocidad real con
respecto a la velocidad ideal
Ecuación de flujo cuando un manómetro se emplea para medir la presión
APLICACIONES : CARBURADOR, Y PARA QUE SIRVE?
Se llama carburador a la parte que se encuentra ubicada en la parte
superior del motor, montado en el múltiple de admisión y sirve para
administrar el ingreso de combustible a la cámara de combustión.
El diseño de un carburador obedece a las necesidades de eficiencia
para una correcta mezcla aire/combustible. ( 14.7 partes de aire por 1 de
gasolina).
Existen diferentes, tipos de carburadores, que difieren en tamaño,
figura,conecciones, etc.; Pero la función siempre es la misma:
Administrar una correcta mezcla de combustible, para enviarla a la
cámara de combustión.
A QUE SE LLAMA VENTURI ?
Se conoce como venturi :La
parte diseñada de la garganta
del carburador que se
estrecha y se ensancha, El
aire al pasar por el venturi,
obedeciendo una ley física,
aumenta de velocidad y con
ello baja la presión.
Venturi (sección en azul)
y nro 5
Carburador
CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN
1.- Depósito
2.- Filtro de malla
3.- Bomba
4.- Motor alternativo
5.- Filtro exhaustivo
6.- Depósito o cuba
7.- Entrada de aire
8.- Difusor
9.- Salida de la mezcla
Carburador
Principio de Bernoulli y Tubo Venturi
Con el aumento de la velocidad de desplazamiento de un gas disminuye su
presión interna, siendo menor que la atmosférica: Se genera vacío.
PLACA DE ORIFICIO
La placa de orificio es una placa delgada que puede sujetarse entre bridas de
tubería. El orificio de arista afilada ocasiona que el chorro se contraiga aguas
abajo del orificio, de tal manera que las líneas de corriente, continúan
convergiendo en una distancia corta después del plano del orificio; por tanto, el
área de flujo mínimo es en realidad menor que el área del orificio.
Algunos tipos de placas orificios son los siguientes:
La concéntrica: sirve para líquidos
La excéntrica: para los gases
La segmentada cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases
disueltos.
- Detalles de un medidor de orificio de placa delgada
1 2 3
Caudal en una placa de orificio
Consideraciones:
El orificio debe ser biselado y pulimentado, no debe tener limaduras
metálicas.
Un medidor de orificio por lo general se fabrica en el intervalo 0.2 < d/D
< 0.8
Los manómetros son insertados a un diámetro corriente arriba y a medio
diámetro corriente abajo de la placa.
El valor de C es menor que el tubo Venturi puesto que el fluido sufre
una contracción repentina seguida de una expansión repentina.
TUBOS DE INSERCION
Es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección
cilíndrica recta y corta.
Es un dispositivo de forma estándar con insertos de presión localizados
por lo general a un diámetro corriente arriba de la entrada y a medio
diámetro corriente abajo.
Tiene una ventaja sobre la placa de orificio en que es menos susceptible
a la erosión y el desgaste, y comparada con el medidor venturi, es más
barata y simple de instalar.
ROTAMETRO
El Rotámetro tiene un flotador (indicador) que se
mueve libremente dentro de un tubo vertical
ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia
abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y
hace que el flotador suba hasta que el área anular
entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de
presión de este estrechamiento sea lo
suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El
tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del
flotador indica el gasto o caudal.
TIPOS Y MATERIALES DE LOS FLOTADORES (ROTAMETRO)
TIPOS DE FLOTADORES:
cilíndrico con borde plano: caudales mayores y mayor gama de
fluidos.
cilíndrico con borde saliente de cara inclinada a favor del flujo,
disminuyendo su afectación por la viscosidad del medio.
cilíndrico con borde saliente en contra del flujo: comparable a una
placa de orificio y con el menor efecto de la viscosidad.
Material Densidad
(g/ml)
Aluminio 2.72
Bronce 8.78
Durimet 8.02
Monel 8.84
Níquel 8.91
Goma 1.20
Acero inoxidable
303
7.92
Acero inoxidable
316
8.04
Hastelloy B 9.24
Hastelloy C 8.94
Plomo 11.38
Tantalio 16.60
Teflón 2.20
Titanio 4.50
ECUACIONES DEL ROTAMETRO
El valor de Cd en función al # de Reynolds del flotador.
FLUXOMETROS
FLUXOMETRO DE TURBINA
El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende
de la velocidad del flujo. Conforme cada una de las aspas de rotor pasa a
través de una bobina magnética, se genera un pulso de voltaje que puede
alimentarse de un medidor de frecuencia, un contador electrónico u otro
dispositivo similar cuyas lecturas puedan convertirse en velocidad de flujo.
Velocidades de flujo desde 0.02 L/min hasta algunos miles de L/min se pueden
medir con fluxómetros de turbina de varios tamaños.
FLUXOMETRO DE VORTICE
Una obstrucción chata colocada en la corriente del flujo provoca la creación
de vortices a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del flujo. Un
sensor en el fluxometro detecta los vortices y genera una indicación en la
lectura del dispositivo medidor.
La frecuencia de los vortices creados es directamente proporcional a la
velocidad del flujo y, por lo tanto, a la frecuencia del flujo del volumen.
Pueden utilizarse en una amplia variedad de fluidos incluyendo líquidos sucios
y limpios, así como gases y vapor.
DESPRENDIMIENTO DE VÓRTICES (VORTEX)
FLUXOMETRO ELECTROMAGNÉTICO
Basado en la ley de Faraday. Formado por un tubo, revestido interiormente con
material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie
interna se colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal
eléctrica de medida. En la parte externa se colocan los dispositivos para
generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con
diversos grados de seguridad.
FLUXOMETRO DE ULTRASONIDO
Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor.
Los hay dos tipos:
a) DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del
líquido.
Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía
una
señal de frecuencia conocida a través del líquido.
b) TRÁNSITO: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo.
Las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45º
respecto a la dirección de flujo del líquido.
EXPERIENCIA EN EL LABORATORIO
OBJETIVOS:
Identificar los diversos medidores de caudal con que cuenta el banco de
tuberías del LOPU.
Determinar el caudal de tuberías mediante los diferentes métodos
estudiados.
Comparar los coeficientes de carga de cada uno de los medidores.
MEDIDORES DE CAUDAL:
La placa de orificio
Datos a tomar en cuenta en la placa de orificio
Diámetro de la placa
Diámetro de la tubería
Caída de presión en 2 puntos tomados
Lectura del caudal medido con el contómetro o rotametro.
K= Coeficiente de flujo
Ao= área del orificio de la placa
TOBERA DE INSERCIÓN:
OH
Hg
2
TUBO DE VENTURI
Ecuaciones para Venturi
Medidores de flujo abierto
Para verteros rectangulares
Donde:
Cd: coeficiente de descarga.
B : ancho del canal.
h : carga en la sección de medición
g : aceleración gravitacional gravedad (9.8m/s2)
p : altura hasta la base de la cresta.
b: ancho de la cresta.
Cálculos para el Cd
Un vertedero rectangular sin contracción es aquel cuyo ancho es igual al del
canal de aproximación. Para este tipo de vertedero es aplicable la fórmula de
Rehbock para hallar el valor de Cd
25
2.0050.0392.0
B
b
p
hCd
Para verteros triangulares
Calculo del Cd
También se puede obtener por medio de monogramas, dependiendo del ángulo
ghxTgCdxQ 2215
8 2
5
Donde:
Cd: coeficiente de descarga.
B : ancho del canal.
h : carga en la sección de
medición
g : aceleración gravitacional
gravedad (9.8m/s2)
p : altura hasta la base de la
cresta.
2
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1
23
22
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