Principio de medición flujo - por paso reducido: placas orificio, toberas y venturi

04 Septiembre 2010

 

 

Los dispositivos de este tipo (Figura de abajo) conllevan la instalación de algún elemento que reduzca el paso del fluido en el tramo de tubería. Hay de tres tipos, todos ellos detallados en normas y códigos prácticos ratificados (ISO 5167-1 / Al, AGA, ASME / L.H. Spink):

- Placa de orificios

- Toberas

- Tubos / toberas Venturi

 

Estos diseños abarcan un amplio espectro de requisitos de funcionamiento y se adaptan con facilidad a las diversas condiciones de proceso. Las diferencias entre ellos se cuentan en términos de la pérdidas de carga, tramos rectos de entrada y salida, costes y gastos generales de instalación y mantenimiento.

 

Fig. 22: Principio de medición de los caudalímetros de tipo paso

reducido (placa de orificio como ejemplo).

 

 

La Figura anterior muestra los efectos que causa en el flujo un paso reducido de la tubería, en este caso con una placa orificio crea un paso estrecho (d). Según la ecuación de Bernoulli, la velocidad del fluido aumenta de v1 en la tubería general a v2 en el paso estrecho. En consecuencia, la presión dinámica (Pdin) aumenta y la presión estática (Pestat) disminuye en la relación correspondiente a las diferentes velocidades del fluido.

 

La caída de presión provocada de este modo se suele denominar comúnmente "presión diferencial" (Ap = Pdin - Pestad). Esta presión diferencial en función de la velocidad del fluido principal es una medida directa del caudal que circula por la tu bería. Dos tubos capilares comunican la presión diferencial al transmisor, donde la medición se procesa y se convierte a las señales de salida correspondientes.

 

Si se combina la ecuación de Bernoulli con otras y se aplican los correspondientes coeficientes empíricos de corrección, se obtiene una única fórmula para calcular el caudal másico (Qm) o el caudal volumétrico (Qv):

 

 

Símbolos (de la ecuación del caudal y la anterior):

 

 

La ecuación anterior ha de ser ligeramente modificada si se quieren medir gases o fluidos compresibles. Al contrario que los líquidos, cuando se intenta hacer pasar un gas por un paso estrecho, se produce un cambio de densidad además de un cambio de presión. Puesto que el caudal másico debe permanecer constante, la velocidad en el paso estrecho v2 debe incrementarse; luego v2 es función de la densidad y la sección transversal. Dicho aumento de la velocidad en el paso estrecho es a expensas de la energía potencial (presión) y de la energía interna (temperatura) del gas. Por lo tanto, un gas que pase a altas velocidades por un pequeño diafragma experimenta tanto un cambio de presión como de tem¬peratura. Las normas ISO 5167 o AGA 3 explican con detalle este fenómeno.

 

La descripción de los coeficientes empleados para el cálculo de las expresiones anteriores se pueden hallar en las correspondientes normas de aplicación. Estos coeficientes dependen de diversos factores como, por ejemplo, la razón de los diámetros β (beta), las características particulares del tipo elemento primario, el número de Reynolds, etc.

 

 

Pérdidas de carga:

 

El fluido recupera su velocidad original aguas abajo del paso estrecho. El exceso de presión dinámica se reconvierte casi por completo en presión estática. La pérdida de carga residual (véase la Figura siguiente) depende de la razón entre los diámetros β(beta) y, en consecuencia, de la geometría particular del estrechamiento. Esta pérdida de carga (Δω), sin embargo, es con¬siderablemente inferior a la presión diferencial Δp.

 

 

Fig. 23: Pérdida de presión residual (Δω) con elementos primarios con orificio.

a = Placa orificio / tobera normal, b = Tobera, c = Tubo Venturí / boquilla Venturi, d = Tubo de Pitot

 

 

Campo de medida de caudal operativo:

 

En términos generales podemos afirmar que los medidores de presión diferencial permiten medir caudales de "cero en adelante". La incertidumbre tiende a ser superior en el extremo inferior del campo de medida por la raíz cuadrada que aparece en la expresión del cálculo del caudal. El aumento en la incertidumbre del transmisor de presión diferencial es cuadrático. La razón entre los valores de caudal máximo (qmax) y el caudal rnínimo (qmin) se conoce como rangeabilidad o "turndown". Por caudal mínimo se suele entender el cau¬dal más bajo que puede ser medido con una exactitud específica. Los valores típicos de rangeabilidad (turndown) en la mayoría de aplicaciones se hallan comprendidos entre 3:1 y 6:1.

 

La rangeabilidad se puede ampliar significativamente si se conecta en paralelo un segundo transmisor de presión diferencial con una rangeabilidad más reducida. Por ejemplo, una configuración de transmisores como la que se muestra en ia Figura a continuación basta para ampliar la rangeabilidad (turndown) hasta un valor de 36:1.

 

Fig. 24: Rangeabilidad de la medición mediante elemento primario por paso reducido (placa orificio). De una rangeabilidad de 6:1 se pasa a una de 36:1

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 8 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo a mi email.

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