MEDIDORES DE FLUJO


OBJETIVOS
Mostrar a los alumnos la operación de los medidores de Orificio, Venturi.
Analizar la variación del coeficiente de descarga del orificio con el número de Reynolds.

INTRODUCCIÓN
En la actualidad la medición del flujo es la variable más importante en la operación de una planta, sin esta medida el balance de materia, el control de calidad y la operación misma de un proceso continuo serían casi imposibles de realizar.
Existen muchos métodos confiables para la medición de flujo, uno de los más comunes es el que se basa en la medición de las caídas de presión causadas por la inserción, en la línea de flujo, de algún mecanismo que reduce la sección; al pasar el fluido a través de la reducción aumenta su velocidad y su energía cinética; las placas de orificio y el Venturi estudiados en esta práctica pertenecen a esta clase.

FUNDAMENTOS TEORICOS
Medidores de orificio
Son dispositivos que consisten en una reducción en la sección de flujo de una tubería, de modo que se produzca una caída de presión, a consecuencia del aumento de velocidad.

Haciendo un balance de energía entre el orificio (punto 1) y la sección posterior al orificio (punto 2), despreciando las pérdidas por fricción tenemos:

.....(1)

Para un fluido incomprensible y de la ecuación de continuidad:

.................................(2)

Sustituyendo 2 en 1:

.......(3)

Despejando v1 y sabiendo que D1 = Dorificio

........(4)

En caso de que se consideren las pérdidas de fricción, es necesario agregar el coeficiente de orificio Co, teniendo lo siguiente:

....(5)

Siendo v1: velocidad en el orificio.
Si se requiere conocer el Caudal:

.....(6)

Co: Coeficiente de orificio o coeficiente de descarga para el caudal. Este coeficiente varía entre 0.6 y 0.62 para orificios concéntricos de bordes afilados y si el Número de Reynolds es mayor de 20 000 y si la toma posterior está en la vena contracta.
D0: Diámetro de orificio.
D2: Diámetro de la tubería.

Usualmente el diámetro del orificio está entre 50 y 76% del diámetro de la tubería. La toma corriente arriba debe quedar a una distancia correspondiente a un diámetro de la tubería de la cara del orificio y la de corriente abajo a una distancia de 0.5 del mismo diámetro, D2.
En los medidores instalados la manera más simple de obtener la caída de presión consiste en el empleo de un manómetro diferencial en “U”.

La pérdida de carga o pérdidas permanentes por fricción se obtienen por:

...(7)

Para gases la ecuación debe modificarse mediante un factor empírico que, para el caso de comportamiento ideal es:

....(8)

Siendo K la relación de las capacidades caloríficas a presión y volumen constantes.

....(9)

Por lo tanto:

....(10)

Las ecuaciones anteriores se aplican cuando las tomas de presión están situadas en las bridas, 1 diámetro de la tubería antes de la placa y 0.5 diámetro después, si la toma posterior está situada después de la vena contracta se utiliza un factor K que es función de la relación b para Reynolds mayores de 20 000.

Donde:

....(11)

Tubo Venturi

Este medidor fue inventado por Clemens Herschel en 1881 y lleva el nombre de Venturi por el científico italiano que fue el primero en experimentar en tubos divergentes.
Este medidor es el más exacto teniendo una mínima pérdida de presión perma-nente y permitiendo el paso de 1.6 veces más el flujo que la placa de orificio.
El aparato está formado por tres secciones principales, una convergente con ángulo menor a 7°, una sección intermedia que constituye la garganta o estrechamiento y una divergente.

La ecuación para obtener la velocidad se deduce de manera similar a la de un medidor de orificio.

...(12)

v1: velocidad en la garganta.
D1: Diámetro de la garganta.
D2: Diámetro de la tubería.
Cv: Coeficiente de descarga; su valor medio es de 0.98.
Las pérdidas de presión no recuperables son del 10% de la caída de presión marcada en el manómetro diferencial.

Existen otros medidores de flujo como: Rotámetro
Consiste esencialmente de un flotador indicador que se mueve libremente en un tubo vertical ligeramente cónico con el extremo de menor diámetro en la parte inferior.

El fluido entra por la parte inferior del tubo y ejerce una fuerza ascendente sobre la base del flotador; al subir el flotador permite que pase una determinada cantidad de flujo por el área anular, área formada entre el flotador y la pared del tubo y será tal que la caída de presión en ese estrechamiento baste para equilibrar la fuerza de gravedad y el peso del flotador, en ese momento el flotador permanece estacionario en algún punto del tubo.

La pérdida de presión se mantiene constante sobre el intervalo completo del flujo.
Entonces para cada flujo. El flotador alcanza una altura determinada. El tubo cónico lleva grabada una escala lineal en unidades del flujo o indica el porcentaje del flujo máximo. Los rotámetros no necesitan tramos rectos de tubería antes y después del punto donde se instalan.

La ecuación correspondiente al flujo ó caudal (Ca) viene dada por:

....(14)

Cada magnitud tiene el significado indicado en la figura anterior y K es el coeficiente del rotámetro.
Generalmente el rotámetro se calibra con el fluido para el cual se empleará como medidor del caudal. Sin embargo, si se calibra con un fluido A de densidad rA y después se emplea para medir el caudal de otro fluido B de rB, la relación de caudales viene dada por:

....(15)

Medidor anular de flujo

Este medidor es una variable simple del medidor de placa de orificio, que tiene como particularidad permitir que el fluido pase a través de una sección anular, por lo tanto se encuentra entre ambos respecto a su caída de presión permanente.
Consiste en un cuerpo agudo localizado en el centro de un tubo de flujo y que permite al fluido pasar a través de un ánulo provocándose una contracción del área de flujo en la tubería. Esta contracción da como resultado una caída de presión, la cual puede ser medida en un manómetro diferencial. Los coeficientes obtenidos en función del número de Reynolds se grafican en la figura 7.

La ecuación fundamental es similar a la de los medidores tradicionales, es decir, basados en un balance de energía entre dos puntos situados, uno en la vena contracta (2) y otro corriente arriba (1).

La ecuación obtenida a partir del balance entre estos puntos es:

....(16)

Donde:
v1 : velocidad en la tubería.
CA : Coeficiente de descarga del medidor anular.
DP: Diferencia de presiones entre los puntos (1) y (2).
r : densidad del fluido.
S1 y S2: Superficie transversal del tubo y del ánulo, respectivamente.
gc : factor de conversión.

Técnica de operación

1. Llenar el tanque de alimentación hasta dos terceras partes de su capacidad.
2. Acoplar el motor a la bomba que se va a utilizar.
3. Verificar que el tanque receptor tenga capacidad de recepción para recibir lo que se va a bombear.
4. Alinear la tubería de manera de usar sólo la línea de 2 pulg.
5. Poner a funcionar la bomba y medir la cantidad de agua bombeada en un cierto tiempo usando el indicador de nivel del tanque de alimentación y un cronómetro.
6. Al mismo tiempo tomar las lecturas de los manómetros diferenciales.
7. Medir las distancias a las que se encuentran colocadas las tomas de presión en los medidores orificio y venturi.
8. La operación se repite varias veces modificando el flujo con la válvula de descarga de la bomba empleada.

Datos: Diametro del orificio: D0 = 2.635 cm
Diametro de la garganta del Venturi Dv = 2.0 cm

Precauciones

Verificar que durante el llenado de los tanques de alimentación y descarga no ocurran derrames de agua.
Cualquier maniobra en las proximidades de los tubos de nivel o de los tubos de los manómetros diferenciales instalados junto a los medidores de flujo, debe hacerse cuidadosamente debido a los riesgos de ruptura de los mismos.

Contenido del informe

El alumno entregará al profesor lo siguiente:
a. El cuestionario resuelto.
b. Los datos obtenidos durante la práctica.
c. A partir de los datos experimentales el valor de los coeficientes de Orificio y Venturi.
d. El coeficiente de orificio y venturi a partir de correlaciones y su comparaciones con los experimentales.
e. Las pérdidas permanentes de presión para los medidores de Orificio y Venturi.
f. Conclusiones y recomendaciones.

CUESTIONARIO
1. ¿En qué principio se basa el uso de los medidores de orificio?
2. ¿Qué es la vena contracta?
3. ¿Cómo funciona un rotámetro?
4. ¿Qué efecto tiene la colocación de las tomas de presión en la placa de orificio?
5. ¿Cuándo se recomienda utilizar cada uno de los medidores empleados en la práctica?
6. ¿Cómo son las pérdidas de presión del Venturi en comparación con las del orificio?
7. ¿Cómo se obtiene el coeficiente en el medidor de orificio cuando la toma de presión posterior está situada fuera de la vena contracta?
8. ¿A qué distancia de la placa se forma la vena contracta?
9. ¿Cómo se obtiene el coeficiente en el medidor de orificio cuando el Re es menor de 10 000?
10. Cuando el medidor Venturi se aplica a la medición de gases, ¿qué correcciones se deben efectuar?
11. Explique como funciona un medidor de turbina, y cual es su aplicación.

 

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Comentarios Administrador: IQ. Fernando Morales Morales
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