Universidad Nacional
Ingeniería Electrónica no 7 Semestre
Principio de Sensores y Actuadores Trabajo Práctico – Tema: Tema: Placa de Orificio
Introducción En numerosos procesos industriales, muchas veces surge el problema de la medición del caudal para el posterior control de un cierto proceso de fabricación o manufactura, es así que en base conceptos físicos sencillos, la placa de orificio es el elemento primario más sencillo y antiguo
utilizado
para
la
medición
de
flujo.
En este trabajo se pretende dar una visión general de sus características, principio de funcionamiento, aplicaciones que pose y sus ventajas y desventajas.
Placa de Orificio – Concepto General y Características Constructivas Una placa de orificio consiste en una placa o lamina circular plana de dimensión exterior igual al espacio interno que existe entre los tornillos de las bridas del montaje en la tubería donde es instalada y cuyo espesor depende del tamaño de esta y de la temperatura de operación. Posee una perforación cilíndrica o prismática, dispuesta respecto a su centro c entro de
forma
concéntrica,
excéntrica
o
segmentada (figura 1); más pequeña que el diámetro de la cañería donde fue insertada la placa, través de la cual fluye el fluido.
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Figura 1. Diferentes modelos de Placas de Orificio.
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La cara de la placa de orificio que se conecta por la toma de alta presión, se coloca perpendicular a la tubería y el borde del orificio se tornea a escuadra con un ángulo de 90º grados, al espesor de la placa se la hace un biselado con un chaflán de un ángulo de 45º grados por el lado de baja presión. Este biselado afilado del orificio es muy importante, es prácticamente la única línea de contacto efectivo entre la placa y el flujo, cualquier rebaba, ó distorsión del orificio ocasiona un error del 2 al 10% en la medición, además, se le suelda a la placa de orificio una oreja, para marcar en ella su identificación, el lado de entrada, el número de serie, la capacidad, y la distancia a las tomas de presión alta y baja. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados al medir gases, y en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases cuando se miden líquidos.
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http://sensoresdecaudal.blogspot.com/2009/05/placa-orificio.html http://proton.ucting.udg.mx/dpto/maestros/mateos/clase/Modulo_05/detectores/orificio/
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Principio de Funcionamiento y Modelo Matemático Es importante comprender que en cualquier tubería por la cual circula un fluido, para nuestro ejemplo,
agua;
presión cuando
la
aumenta la
velocidad
disminuye y la presión disminuye cuando la velocidad aumenta. Refiriéndonos
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a
la
figura (2), donde se muestra un corte transversal del dispositivo de medición,
Figura 2. La placa orificio origina que la velocidad aumente y por lo tanto la 3
presión disminuye.
imaginemos que el agua circula por una tubería normal de acero sin que nada la detenga, en este caso la velocidad de un punto de la tubería a otro no cambia. Pero la placa de orificio (punto C) insertada en la tubería origina que el agua choque con la placa y disminuya su velocidad. Debido a la reducción de la velocidad, la presión justo antes del orificio (punto B) es un poco mayor que la presión de operación en la línea de conducción aguas arriba (punto A). Al pasar el agua por el orificio, para compensar la disminución del área, la velocidad aumenta y la presión disminuye, llegando a su menor valor cuando la velocidad es máxima. Aguas abajo de este punto, el flujo de dispersa, disminuye la velocidad y se presenta un aumento de la presión en el punto D. Después de la placa, la velocidad se recupera porque el agua circula en toda la tubería (punto E) aunque se producen pérdidas de presión irrecuperables debido a la turbulencia alrededor de la placa. Vamos a llamar la presión aguas arriba de la placa de orificio como h1, mientras que la presión aguas abajo como h2. La diferencia entre ambas (h1-h2) se conoce como la presión diferencial, la cual simbolizaremos por h.
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Si el diámetro del orificio es d y la tubería tiene un diámetro D, la relación de diámetros es el cociente d/D, al cual llamaremos con la letra griega beta (β) *adimensional+. La densidad de un cuerpo, indica cuanto pesa dentro de un determinado volumen, se representa por la letra 3
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griega ro (ρ) *Kg/m ], para el agua limpia tiene un valor de 1,000 Kg/m . Al combinar dos ecuaciones hidráulicas, que son La Ecuación de la Energía (o Teorema de Bernoulli) y La 3
Ecuación de Continuidad, se forma una ecuación para calcular el caudal, Q [m /s] como:
Para simplificar esta ecuación vamos a agrupar en un valor K las características geométricas y de flujo del dispositivo:
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De tal manera que la ecuación final del caudal nos queda:
De esta expresión, únicamente nos falta conocer el coeficiente de descarga Cd [adimensional], que es un valor de ajuste que compensa la distribución de velocidad y las pérdidas de carga menores; su valor depende de la forma en como se coloquen las tomas de presión y de un valor que relaciona la velocidad del agua con su viscosidad, este valor se conoce como el número de Reynolds (Re), se determina de la siguiente manera:
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En esta ecuación, υ *m /s] es una característica del agua que se conoce como viscosidad cinemática, su valor depende de la temperatura del agua, la tabla 1
Tabla 1. La viscosidad cinemática del agua depende de la temperatura, la viscosidad del agua fría es mayor a la del agua caliente.
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muestra algunos valores. La temperatura usual del agua en las tuberías es de 15°C.
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La expresión general para calcular el coeficiente de descarga es la siguiente:
Tabla 2. Valores para L1 y L2 a usarse en la ecuación del coeficiente de descarga 4
para los tres tipos de instalación.
En esta expresión L 1=l1/D y L2=l2/D, los valores para cada tipo de instalación, se muestran en la 4
tabla 2.
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Tipos Existen dos tipos de placas de orificio segmentadas: fijas y ajustables. 5
Orificio segmentado fijo:
Se usa para medir flujos pequeños y es una combinación de orificio excéntrico y una parte segmentada, la parte concéntrica se diseña para obtener un diámetro del 98% del diámetro interior de la tubería, se usa para en la medición de flujos como son las pulpas y pastas, no es recomendable para líquidos de alta v iscosidad. 5
Orificio segmentado ajustable:
En este caso la relación entre el diámetro interior y exterior (0.25-0.85), se modifica por medio de un segmento móvil, el cuerpo de la placa de orificio se fabrica con bridas de conexión similares a la de una válvula, las guías son de acero al carbón, el material del segmento es de acero inoxidable, se utiliza en tuberías con variaciones de flujo del 10:1 bajo variaciones de presión y temperatura considerables. La relación entre el flujo y la caída de presión es:
Aplicación y Diferencias Las placas de orificio concéntricas son utilizadas para líquidos, siendo de este tipo las más comunes en la industria. En ocasiones a la placa de orificio se le perfora un orificio adicional en la parte alta de la placa para permitir el paso de gases.
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Las excéntricas sin embargo son utilizadas para los gases donde los cambios de presión implican condensación. De igual forma, en ocasiones a estas placas de orificio se les perfora un orificio adicional en la parte baja de la placa para permitir el paso de condensados.
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Cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos, se utilizan las segmentadas. Puesto que las partículas en suspensión implican turbulencias que limpiarán (para que no se aglomeren partículas) el lado de alta presión evitando errores en la medición. Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora como se menciona anteriormente un orificio de purga.
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Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura 3, se pueden destacar los siguientes:
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Figura 3.
Medidores de caudal sólido:
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Los medidores de caudal de sólidos permiten pesar cualquier material seco a granel o granulado, de diámetro de hasta 25 mm, en un rango de 200 Kg./h a 2000t/h. La medición puede efectuarse en productos con densidades caudales muy diferentes: trigo soplado, mineral de hierro, los polvos fluidificados como la ceniza volante, y los productos pegajosos con posibilidad de depósito, como las virutas de torno. Los medidores de caudal sólido pueden utilizarse en aplicaciones con productos tan diversos como: cemento, arena, carbón coque, carbón, cal, trigo, arroz, harina, azúcar, productos alimenticios para animales, astillas de madera y virutas de plástico. El principio de funcionamiento es muy sencillo debido a que, el material sólido entra en el medidor de caudal por la placa de guía del caudal y pega en la placa sensora, generando una fuerza mecánica y continua sin interrumpir el proceso o la producción. La fuerza horizontal es convertida en una señal eléctrica, controlada por la unidad electrónica utilizada con el medidor de caudal, para la visualización del caudal instantáneo y de la cantidad de material totalizada. La medición solo se basa en la fuerza horizontal de la fuerza de impacto.
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Dimensionamiento y Criterios de
Figura 4.
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Aplicación En la mayoría de los casos, para poder emplear la placa orificio se siguen los siguientes criterios:
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> El diámetro mínimo de la tubería debe de ser de 2 pulg. y el máximo de 50 pulg. Lo anterior no representa problema, ya que los diámetros más comunes son de 6, 8, 10 y 12pulg. > Espesor del disco depende del tamaño de la tubería y la temperatura de operación. > Es necesario que en las instalaciones que revises verifiques lo siguiente: 1.- Que la tubería sea circular. 2.- Que la tubería sea horizontal. 3.- Que el agua circule a tubo lleno. 4.- Que el diámetro antes y después de la placa sea el mismo. 5.- Que el interior de la tubería se encuentre limpio y libre de incrustaciones, al menos 10 diámetros aguas arriba de la placa y 4 diámetros después de la misma. > Asegurarse de que el agua antes de la placa orificio circula de manera uniforme. Esta condición es muy importante, para que la medición del caudal sea lo mas precisa posible. Se logra con una suficiente longitud de tramo recto aguas arriba y aguas abajo de la placa, con ello se garantiza que el flujo sea uniforme. Conociendo la relación de diámetros β que se explico anteriormente, es posible saber que longitud de tramo recto de tubería aguas arriba (A) y aguas abajo (B) se requieren. En la figura 4, se reproducen diferentes condiciones de instalación y a partir de la relación de diámetros, se muestra la longitud necesaria del tramo recto para que se establezca un flujo uniforme. > Costo de operación. Un factor importante que debe tomarse en cuenta en su selección, es el costo de operación, en términos de la pérdida de carga permanente, la cual como ya vimos depende de la relación de diámetros. 8
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> Naturaleza del flujo. Es recomendable que el agua circule libre de partículas en suspensión, por ejemplo en pozos con un alto contenido de partículas en suspensión, no son convenientes los medidores del tipo placa orificio. Al circular agua limpia, las necesidades de mantenimiento disminuyen en gran medida.
Ventajas y Desventajas
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Ventajas
Desventajas
Pocas restricciones de instalación
Rango limitado de medición
Confiabilidad y simplicidad en el diseño
No apto para flujos con partículas en suspensión
Bajo costo
Requiere verificación continua
Sin piezas móviles
Deterioro con el tiempo
Fácil manejo
Alta pérdida de carga
Buena precisión (±1%)
Requiere longitud tramo recto aguas arriba y es sensible a la turbulencia aguas arriba
Conclusión La placa de orificios, constituye una de las mejores alternativas para una rápida medición de caudal en fluidos o partículas sólidas dispersas, esto se debe a su bajo costo, rápida instalación, pocas restricciones de instalación, su relativa precisión, etc. No obstante contempla algunas desventajas desfavorables, como son la perdida de presión luego de la placa, su rango limitado de medición, no ser apto para flujos con partículas en suspensión, continua verificación y deterioro como principales factores a tener en cuenta, es por eso, que para requerimientos de control mas delicados, es aconsejable optar también por otros métodos de medición de caudal.
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