INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO
Elementos Primarios de Medición
Profesor: M. en C. René Tolentino Eslava
Equipo 4
Grupo: 5AM1
Integrantes: Arriola Castillo Emmanuel Alejandro Bernardino Durán Efrén Hernández Guerrero Rolando Márquez Arreola Armando Oviedo Ángeles Carlos Herón Villeda Reséndiz Diego
Fecha de Entrega:Fecha de Realización: 01/junio/201625/mayo/2016
Práctica No. 6
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Índice Objetivo General................................................................................................. 1 I.
Teoría Particular de Instrumentación............................................................2
II.
Material......................................................................................................... 2
III.
Desarrollo.................................................................................................. 2
IV.
Cálculos..................................................................................................... 2
V.
Resultados.................................................................................................... 2
Conclusiones....................................................................................................... 2 Bibliografía.......................................................................................................... 2 Anexo.................................................................................................................. 3
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Objetivo General Objetivo Específicos I.
Teoría Particular de Instrumentación
La medición de flujo en los procesos industriales se hace necesaria por dos razones principales: 1.- Para determinar las proporciones en masa o en volumen de los fluidos introducidas en un proceso. 2.- Para determinar la cantidad de fluido consumido por el proceso con el fin de computar costos. El flujo de fluidos en tuberías cerradas se define como la cantidad de fluido que pasa por una sección transversal de la tubería por unidad de tiempo. Esta cantidad de fluido se puede medir en volumen o en masa. De acuerdo a esto se tiene flujo volumétrico o flujo másico El siguiente cuadro presenta los principios empleados en la medición del flujo dependiendo de que se mida flujo volumétrico o flujo másico:
Tabla 1.1 Flujo másico y volumétrico
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Medidores de Flujo Volumétrico Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen de fluido, bien sea directamente (desplazamiento) o indirectamente (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino).
Instrumentos de Presión Diferencial La medición del caudal con estos instrumentos se basa en la aplicación de la conservación de la energía a un flujo, tomando la diferencia de presión existente entre dos puntos, en donde el flujo posee diferentes velocidades. Este cambio de velocidad se produce por una reducción de área (placa orificio, tobera de flujo, tubo de Venturi, Tubo de Dall, Cuña de flujo) o por una disminución de la velocidad hasta cero (tubo de Pitot, el tubo Annubar). La ecuación que gobierna el uso de estos aparatos será la ecuación de Bernoulli en caso de flujos incompresibles (líquidos) o la primera ley de la termodinámica en flujos compresibles (gases). Debe notarse sin embargo que la ecuación de la energía puede escribirse de una forma muy similar a la ecuación de Bernoulli en ciertas condiciones de flujo, por lo tanto la ecuación utilizada en la práctica común proviene de la ecuación de Bernoulli y se le agrega un factor para corregir la compresibilidad del fluido ( ε ).
Medición de flujo por reducción de Área Si aplicamos la ecuación de Bernoulli entre un punto en la tubería (1) y un punto en la contracción (2) tendremos:
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La cual se completa por la ecuación de la conservación de la masa (continuidad)
Observaciones: Como la diferencia de cotas es pequeña así el instrumento se monte verticalmente Z1=Z2 Si suponemos inicialmente que el flujo es incompresible ρ1 = ρ2 = ρ La ecuación de Bernouilli queda:
Reordenando la ecuación convenientemente:
De la ecuación de continuidad:
Donde:
Luego:
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La ecuación básica para medición de flujo con reducción de área es:
Si queremos calcular el flujo másico tendremos que multiplicar la ecuación por la densidad obteniendo:
A esta ecuación básica se le deben agregar algunos factores de corrección que van a tomar en cuenta la caída de presión por las fuerzas de fricción en el elemento, la forma del elemento, la temperatura del fluido, así como el efecto de la compresibilidad del fluido en el caso de gases que pueden tender a fluidos compresibles. Estos factores de corrección se determinan experimentalmente y pueden tomar diversas formas según los investigadores que las determinan y las organizaciones que se encargan de certificar y normalizar estos resultados. Entre las organizaciones que se encargan de estas normalizaciones encontramos la ASME, la AFNOR y la ISO, para efectos de este curso nos basaremos en los procedimientos indicados por la norma ISO-5167, ya que esta organización es la de mayor importancia en cuanto a normalización a nivel mundial.
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La Placa Orificio Consiste en una placa metálica delgada que se perfora en el centro y se instala en la tubería. Se hacen luego dos tomas de presión, una aguas arriba y otra aguas debajo de la placa, captando así la presión diferencial que es proporcional al caudal. La figura lateral muestra un corte esquemático de una placa orificio donde: 1 - Cara aguas arriba del flujo. Debe poseer tratamiento superficial para que la rugosidad sea muy leve, con el fin de no afectar mucho el flujo por fricción, Ra 10 del flujo
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d . 2 - Cara aguas abajo
a - Dirección del flujo - Angulo del chaflán que permite disminuir las pérdidas por fricción entre el fluido y la pared de la placa. Su valor debe ser de aproximadamente 45º
15º.
e – Espesor de la cara de la placa en contacto con el fluido. Su valor debe estar comprendido entre 0.005D y 0.02D E – Espesor de la placa. Su valor debe estar entre e y 0.05D. D – Diámetro de la tubería d – Diámetro del orificio de la placa. Su valor debe ser en todo caso superior a 12.5 mm. La relación de diámetro d / D debe estar comprendida entre 0.1
0.75
G – Chaflán de contacto con un radio inferior a 0.0004d. H e I – Chaflanes de salida, no requieren tanta precisión como G. Se conocen tres formas de hacer orificio en la placa, que se pueden apreciar en la siguiente figura:
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Los orificios excéntricos y segmental permiten medir el flujo de fluidos que contengan una pequeña cantidad de sólidos y gases. La norma ISO-5167 se refiere solo a orificios concéntricos. El pequeño agujero que aparece en la placa se usa para evitar que se acumulen líquidos o gases en la tubería.
La Tobera de Flujo La tobera consiste en una entrada de forma cónica, redondeada y restringida mientras que la salida es una expansión abrupta. Este tipo de sensor de flujo permite flujos hasta 60% superiores a los de la placa orificio, siendo la caída de presión del orden del 30 a 80% de la presión diferencial medida. Estos instrumentos se utilizan en aplicaciones donde el fluido trae consigo sólidos en suspensión, aunque si estos son abrasivos pueden afectar la precisión del instrumento. Existen diversas formas estandarizadas para las toberas de flujo. Tobera ISA-1932 La figura lateral muestra la tobera ISA- 1932. Para este tipo de toberas las tomas de presión se realizan siempre en las esquinas, de forma muy similar a las placas orificios. El radio de circunferencia R1 es igual a 0.2d 0.02d para < 0,5 y 0,2d 0,006d para 0,5. El centro de la circunferencia se ubica a 0,75d de la línea de eje central y a 0,2d de la cara plana de la tobera. Límites de uso de las normas ISO-5167 para toberas ISA-1932.
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Las normas ISO-5167 se pueden utilizar siempre que se cumplan las condiciones siguientes: 50 mm D 500 mm 0,3 0,8 7x104 Re(D) 107 para 4 0,3 0,44.7 2x10 Re(D) 10 para 0,44 0,80. La rugosidad relativa de la tubería aguas arriba debe ser inferior a los valores indicados en la siguiente tabla: <0,3 0,4 0,4 0,5 0,7 5 0,36 0,38 0 0,42 0,44 6 0,48 0 0,60 0,70 7 0,88 104Ra/ D 8,0 5,9 4,3 3,4 2,8 2,4 2,1 1,9 1,8 1,4 1,3 1,2 1,2
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El Tubo de Venturi El tubo de Venturi consiste de un conjunto de bridas y tuberías con un cono de entrada convergente y un cono de salida divergente los cuales guían el flujo hacia la continuación de la tubería. La garganta es la unión de los dos conos y es la parte más estrecha del tubo. Al comienzo del cono de entrada se conecta la toma de alta presión. Esta toma es promedio ya que se obtiene para varias perforaciones alrededor del tubo, a éste conjunto de conexiones se le llama anillo piezométrico, equivalente a la configuración triple T mencionada en las placas orificio. La toma de baja presión se coloca en la garganta del tubo y también se puede hacer en forma piezométrica. El cono de salida se dice que es de recuperación porque recupera hasta un cierto punto gran porcentaje de la caída de presión provocada por la restricción. En la siguiente figura se pueden apreciar los elementos de un tubo de Venturi. 1. Sección de salida cono divergente (7º15º) 2. Garganta cilíndrica, longitud d ± 0.03d 3. Sección de entrada cono convergente (21º ± 1º) 4. Cilindro de entrada 5. Planos de conexión de garganta con conos de entrada y salida El diámetro de las tomas de presión suele ser entre 4 y 10 mm para d > 33,3 mm y 0,1d a 0,13d para la toma aguas arriba y 0,1d a 0,1D para d < 33,3mm. El tubo de Venturi puede manejar flujos que traen consigo gran cantidad de sólidos en suspensión, con la condición de que no sean abrasivos.
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La construcción de los tubos de Venturi esta normalizada y se presentan varios tipos según su construcción. La forma típica, que toma la norma ISO-5167 es la mostrada en la figura. La construcción de los tubos Venturi puede realizarse de varias formas y materiales. La norma ISO-5167 toma en cuenta tres tipos de construcción: Tubos de fundición en arena. Para diámetros de 100 a 800 mm, y de 0,3 a 0,75. Tubos de fundición con la tobera convergente maquinada. Para diámetros de 50 a 250 mm y de 0,4 a 0,75. Tubos de chapa soldada. Para diámetros de 200 a 1200 mm y de 0,4 a 0,7. La distancia c entre la toma aguas arriba y la entrada del cono es para tubos de fundición: 0,5D ± 0,25D para 100 mm < D < 150 mm, y 0,5D+0 -0,25D para 150 mm < D < 800 mm Para tubos de fundición maquinada y chapa soldada: 0,5D ±0,05D Para todo tipo de tubos la distancia entre las tomas de baja presión y la entrada de la garganta es: 0,5D ± 0,02D Otros tipos de construcción se presentan en la siguiente figura.
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Correctores y direcciónadores de flujo Cuando no se respetan estas distancias se altera el coeficiente de flujo y puede producirse error en la medición. La causa de esta condición es que la teoría de cálculo de flujo y la experimentación se basa en el supuesto que el flujo está totalmente desarrollado cuando pasa por el elemento primario, y después de cualquier accesorio el flujo no se encuentra en esta condición por una distancia relativamente larga. En el caso de no poder respetar estas distancias por razones de espacio se deben usar acondicionadores y direccionadores de flujo dentro de la tubería. Los acondicionadores permiten acelerar la formación del perfil de flujo desarrollado y los direccionadores permiten direccional el flujo en el sentido de la tubería. Estos pueden tener la forma de aletas paralelas a la dirección de la tubería o ser una serie de tubos de diámetro menor instalados en el interior de esta, tal como se muestran en la figura siguiente.
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La función de estos correctores de flujo es alinear la dirección de este con la dirección de la tubería evitando así las turbulencias muy fuertes. Si embargo se debe tener en cuenta que en estos casos la precisión del instrumento disminuye y la caída de presión aumenta.
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Material
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Desarrollo
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Cálculos
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Resultados
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Conclusiones Arriola Castillo Emmanuel Alejandro: Bernardino Durán Efrén: Hernández Guerrero Rolando Márquez Arreola Armando: Oviedo Ángeles Carlos Herón: Villeda Reséndiz Diego:
Bibliografía https://leorom123.wordpress.com. (22 de 05 de 2016). Obtenido de https://leorom123.wordpress.com/
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%E2%80%A2compensacion-de-la-union-de-referencia-encircuitos-de-termopares/ Perez, A. (2003). Termopares. 12: 09. Txus. (2006). Poster Instrumentacion . 08: 07.
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Anexo
Figura 6.1
Figura 6.1
Figura 6.1
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Figura Figura6.1 6.1
Figura Figura6.1 6.1
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