Medidores de flujo de fluidos en conducto cerrado I. INTRODUCCIÓN La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinación de la cantidad de masa o volumen que circula por la conducción por unidad de tiempo. Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal se denominan, habitualmente, caudalímetros caudalímetros o medidores de caudal, constituyendo una modalidad particular los contadores, los cuales integran dispositivos adecuados para medir y justificar el volumen que ha circulado por la l a conducción. Los medidores de caudal volumétrico pueden determinar el caudal de volumen de fluido de dos formas: directamente, directamente, mediante dispositivos de desplazamiento positivo, o
indirectamente, indirectamente, mediante dispositivos de: presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, etc. Puesto que la medida de caudal volumétrico en la industria se realiza, generalmente, con instrumentos que dan lugar a una presión diferencial al paso del fluido, abordaremos los medidores de presión diferencial. Esta clase de medidores presenta una reducción de la sección de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energía cinética y, por consiguiente, su presión tiende a disminuir en una proporción equivalente, de acuerdo con el principio de la conservac conservación ión de la energía, energía, creando una una diferencia diferencia de presión estática estática entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor.
Principales medidores de presión diferencial Entre los principales tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes: placas de orificio, orificio, toberas, tubos Venturi, tubos Pitot, tubos Annubar, codos, medidores de área variable, medidores de placa.
Se estima que, actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos de presión diferencial, siendo el más popular la placa de orificio.
PLACA ORIFICIO Consiste en una placa con un orificio que se interpone en la tubería. t ubería. Como resultado de esta obstrucción existe una pérdida de carga, que es la que se mide por comparación con una sonda aguas arriba y otras aguas debajo de la instalación. Este tipo de medidor es utilizado en tuberías donde se permita una gran pérdida de energía para efectuar el aforo. El cambio de área que se genera al colocar el diafragma, provoca un estrangulamiento de la sección, lo que da lugar a un cambio de presiones antes y después del diafragma (figura 1a), cuyo valor determina el gasto en la sección. El orificio de la placa puede ser concéntrico, excéntrico o segmental, como se muestra en la figura 1b. El concéntrico es el más comúnmente utilizado. El orificio de la placa es circular y concéntrico con el tubo en el que va instalado. i nstalado. Su exactitud es mucho mayor a la de los otros dos tipos de orificios. El excéntrico, el orificio en la placa es circular y tangente a la pared interna de la cañería en un punto. Se utiliza para fluidos con dos fases: vapor húmedo, líquidos que contienen sólidos, aceites que contienen agua, etc. El segmentado es un orificio en forma de segmento segmento circular tangente en un punto a
la circunferencia interna de la cañería. Se utiliza para fluidos barrosos con la ventaja que no acumula sólidos en el lado anterior a la placa. la precisión de la placa orificio está en el orden de ±1% y ±2%.
Figura 1a
Figura 1b
Ventajas
El costo llega a ser comparativamente bajo y Es fácilmente reproducible. Es fácil de instalar y desmontar.
Se consigue un alto grado de exactitud.
Desventajas
Es inadecuada en la medición de fluidos con sólidos en suspensión.
El comportamiento en su uso con fluidos viscosos es errático pues la placa se calcula para una temperatura y una viscosidad dada. Produce las mayores pérdidas de presión en comparación con los otros elementos primarios.
Aplicaciones
Gases, vapores, fluidos corrosivos y no corrosivos.
TUBO VENTURI El Tubo de Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, éste es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo. Es importante conocer la relación que existe entre los distintos diámetros que tiene el tubo, ya que dependiendo de los mismos es que se va a obtener la presión deseada a la entrada y a la salida del mismo para que pueda cumplir la función para la cual está construido. Esta relación de diámetros y distancias es la base para realizar los cálculos para la construcción de un Tubo de Venturi y con los conocimientos del caudal que se desee pasar por él. Deduciendo se puede decir que un Tubo de Venturi típico consta, de una admisión cilíndrica, un cono convergente, una garganta y un cono divergente. La entrada convergente tiene un ángulo incluido de alrededor de 21º, y el cono divergente de 7 a 8º. La finalidad del cono divergente es reducir la pérdida global de presión en el medidor; su eliminación no tendrá efecto sobre el coeficiente de descarga. La presión se detecta a través de una serie de agujeros en la admisión y la garganta; estos agujeros conducen a una cámara angular, y las dos cámaras están conectadas a un sensor de diferencial de presión.
FIGURA 2: Esquema típico de un tubo venturi.
Ventajas
sólo pierde un 10 - 20% de la diferencia de presión entre la entrada y la garganta. Esto se consigue por el cono divergente que desacelera la corriente. P recisión y Baja perdida de carga.
Confiable y simpe en su diseño.
Tiene una operación estable y la Calibración es sencilla.
Sin partes movibles y su mantenimiento no necesita interrumpir el flujo.
Desventajas
rango de operación limitado.
Requerimientos de longitud en su instalación.
Un alto costo
Aplicaciones. El Tubo Venturi puede tener muchas aplicaciones entre las cuales se pueden mencionar: En la Industria Automotriz: en el carburador del carro, el uso de éste se pude observar en lo que es la Alimentación de Combustible.
En el medidor de conducto cerrado se produce un estrangulamiento del flujo en donde aumenta la velocidad de fluido y a la vez la presión se reduce lo que es registrado en un manómetro. Al aplicar la ecuación de Bernoulli:
( )
Lo que puede ser expresado en forma de gradientes:
Como en estos medidores no hay variación de altura, z 1=z2; Δz=0,
De donde despejamos Δp, obteniendo:
Aplicando la ecuación de continuidad para fluidos incomprensibles. Al despejar v1 y remplazar A= (π/4) d2, se obtiene:
Al sustituir (5) en (3) obtenemos:
Reordenando tenemos:
* + [ ] √
Al remplazar d2/d1 = β y despejando v2 se obtiene:
En la práctica, se debe considerar el trabajo irreversible ( debido a las pérdidas por fricción, por lo que se introduce un factor de proporcionalidad, en este caso la constante del medidor, determinada experimentalmente.
√ √ ̇ ̇ √ √
Luego el flujo másico será,
entonces tenemos:
Al efectuar el análisis de β en (10); si tenemos
, entonces el factor
El número de Reynolds queda determinado mediante:
La velocidad en el estrechamiento quedara determinada por :
El consumo de energía debido al elemento está definido como: Las pérdidas de presión son:
II. OBJETIVOS:
Determinar las constantes de los medidores de orificio (Co) y Venturi (Cv). Determinar la potencia o energía consumida (P). Determinar la perdida permanente de presión relativa (Δpp/Δp). Determinar en número de reyolds (Re) Graficar y evaluar: P=f(Q), Δpp/Δp= f(Q), Co=f(Re) y Cv=f(Re) en semilog.
III.
MATERIALES Y METODOS
IV.
BIBLIOGRAFIA Robert W. Fox y Alan T. McDonald, Introducción a la Mecánica de Fluidos, Cuarta Edición, Mc Graw Hill, México, 1995. Robert Mott, Mecánica de Fluidos Aplicada, Cuarta Edición, Prentice Hall, México 1996. Victor L. Streeter y E. Benjamín Wylie, Mecánica de los Fluidos, Sexta Edición, Mc Graw Hill, 1981. J. A. Roberson y C. T. Crowe, mecánica de Fluidos, Interamericana, México, 1983.
