Medidas de caudal
- ¿Qué es caudal?
El caudal es una indicación de que tanto fluido en peso o volumen se está moviendo, o sea es que tanta cantidad de fluido esta pasando por un determinado punto dentro de un período específico de tiempo. Para realizar esta medición se utilizan los flujómetros.
Principales medidores:
- TUBO VENTURI
- PLACA ORIFICIO
- TUBO DE PITOT
- DE CAUDALES SÓLIDOS
- MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
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.
Se sabe que cualquier restricción de fluido produce una caída de presión después de esta, lo cual crea una diferencia de presión antes y después de la restricción. Esta diferencia de presión tiene relación con la velocidad del fluido y se puede determinar aplicando el Teorema de Bernoulli, y si se sabe la velocidad del fluido y el área por donde esta pasando se puede determinar el caudal.
La ecuación de Bernoulli es una de la más útiles y famosas en la mecánica de fluidos y su principio físico es utilizado para medir el caudal.
El teorema de Bernoulli eestablece que la energía mecánica de un fluido, medida por energía potencial gravitacional, la cinética y la de la presión es constante.
Una aplicación directa del Teorema de Bernoulli se encuentra en el tubo Venturi, el cual se detallará mas adelante.
Ventajas de los medidores diferenciales
- Su sencillez de construcción.
- Su funcionamiento se comprende con facilidad.
- No son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores.
- Pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y
- Hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos.
Desventajas
- La amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de medidores.
- Pueden producir pérdidas de carga significativas.
- La señal de salida no es lineal con el caudal.
- Deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor que, según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes.
- Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas.
- La precisión suele ser menor que la de medidores más modernos, especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.
PRINCIPALES TIPOS DE MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL
- TUBO VENTURI
Este consta en sus extremos de dos entradas en las cuales existe una boquilla, el fluido pasa por la boquilla, generalmente se hace de una sola pieza fundida y tiene específicamente los siguientes elementos:
- Una sección aguas arriba, de igual diámetro que la tubería y provista de un anillo de bronce con una serie de aberturas piezométricas para medir la presión estática en esa sección.
- Una sección cónica convergente; una garganta cilíndrica provista también de un anillo piezométrico de bronce.
- Una sección cónica con una divergencia gradual hasta alcanzar el diámetro original de la tubería. Los anillos piezométricos se conectan a uno y otro extremo, respectivamente, de un manómetro diferencial.
El tamaño del tubo de Venturi se especifica mediante el diámetro de la tubería en la cual se va a utilizar y el diámetro de la garganta; por ejemplo, un tubo de Venturi de 6" x 4" se ajusta a una tubería de 6" y tiene una garganta de 4" de diámetro.
Para que se obtengan resultados precisos, el tubo de Venturi debe estar precedido por una longitud de al menos 10 veces el diámetro de la tubería.
Al escurrir el fluido de la tubería a la garganta, la velocidad aumenta notablemente y, en consecuencia, la presión disminuye; el gasto transportado por la tubería en el caso de un flujo incompresible, está en función de la lectura en el manómetro.
Aplicación de Bernoulli a un Tubo Venturi
Con frecuencia en los tubos de Venturi como el que se muestra en la figura Nº1, se emplea como se ha señalado para medir la velocidad o el caudal en una tubería. Si se combinan las ecuaciones de continuidad (V1A1 = V2A2) y la de Bernoulli para encontrar la velocidad en la garganta, se tiene que:
= densidad
La medición de los diámetros y las dos presiones permite determinar la velocidad y, con ésta y el diámetro de la garganta, el caudal másico. La velocidad y el caudal másico medido son algo imprecisos debido a pequeños efectos de fricción, los cuales se omiten en la ecuación de Bernoulli. Para tomar en cuenta tales efectos, en la práctica se introduce un coeficiente multiplicativo, Cu, que ajusta el valor teórico. Esto es:
Donde el valor de Cu se encuentra experimentalmente.
El tubo Venturi tiene distintas aplicaciones, se utiliza en los motores como parte importante de los carburadores, se utiliza en sistemas de propulsión.
Otras características:
§ Se utiliza cuando es importante limitar la caída de presión.
§ Consiste en un estrechamiento gradual cónico y una descarga con salida también suave.
§ Se usa para fluidos sucios y ligeramente contaminados.
Algunos modelos de Tubos Venturi:
- PLACA ORIFICIO
La placa de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería, el orificio que posee es una abertura cilíndrica o prismática a través de la cual fluye el fluido. El orificio es normalizado, la característica de este borde es que el chorro que éste genera no toca en su salida de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presión diferenciales. Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan esta presión diferencial.
La disposición de las tomas se pueden observar con mas claridad en la figura Nº2
El orificio de la placa, como se muestra en la figura Nº3, puede ser: concéntrico, excéntrico y segmentada.
La placa concéntrica sirve para líquidos.
Excéntrica para los gases donde los cambios de presión implican condensación. Cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos.
Segmentada, 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. Entre los diversos perfiles de orificio que se utilizan, según se muestra en la figura Nº4, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica.
- TUBO DE PITOT
Generalidades:
El tubo de Pitot es quizá la forma más antigua de medir la presión diferencial y también conocer la velocidad de circulación de un fluido en una tubería. Consiste en un pequeño tubo con la entrada orientada en contra del sentido de la corriente del fluido. La velocidad del fluido en la entrada del tubo se hace nula, al ser un punto de estancamiento, convirtiendo su energía cinética en energía de presión, lo que da lugar a un aumento de presión dentro del tubo de Pitot.
Los tubos de Pitot son instrumentos sencillos, económicos y disponibles en un amplio margen de tamaños. Si se utilizan adecuadamente pueden conseguirse precisiones moderadas y, aunque su uso habitual sea para la medida de la velocidad del aire, se usan también, con la ayuda de una técnica de integración, para indicar el caudal total en grandes conductos y, prácticamente, con cualquier fluido.
Características:
Ø Mide la velocidad en un punto.
Ø Sus ventajas son la escasa caída de presión y bajo precio, siendo por ello una buena elección para tuberías de gran diámetro y para gases limpios.
Ø Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo, con lo que la velocidad en su extremo mojado es nula.
Funcionamiento
El orificio del tubo de Pitot toma la presión total y la conduce a la conexión (a) en la sonda de presión. La presión estática pura se toma desde una parte lateral y se conduce a la conexión (b). La presión diferencial resultante es una presión dinámica que depende de la velocidad y que es analizada e indicada.
Formula
Una vez obtenido la diferencia de presiones, y calculado de la velocidad del fluido según la formula que utiliza el tubo de Pitot, es posible a través de la ecuación de bernoulli determinar el caudal total que pasa a través del fluido.
El tubo Annubar
Es una variante del tubo de Pitot que dispone de varias tomas, a lo largo de la sección transversal, con lo que se mide la presión total en varios puntos, obteniendo la media de estos valores y evitando el error que produce el tubo de
Pitot.
- MEDIDORES DE IMPACTO
Para el presente trabajo identificamos dos instrumentos para medir caudal en base al impacto, como los siguientes:
Ø Medidores de placa: reacciona frente al impacto del fluido en una placa generalmente circular dentro de una tubería.
Ø Medidores de caudal sólido: reacciona frente al impacto de un material sólido pulverizado (debido a los bajos tamaños de diámetro de partícula, el material tiende a comportase como un fluido), para determinar el caudal que circula a través de el sistema
Características
Ø Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular) que se coloca en contra del flujo.
Ø Tienen baja precisión (0.5 - 5%), pero son adecuados para fluidos sucios, de alta viscosidad y contaminados.
Ø Debido a la fuerza que tiene que soportar el sistema de equilibrio de fuerzas, está limitada a tamaños de tubería hasta 100 mm.
1) Medidores de placa.
El principio de funcionamiento del medidor de placa de resistencia al avance de la corriente consiste en que una placa generalmente circular se mantiene en el centro de la tubería por medio de una barra normal al flujo. Teniendo en cuenta que la aceleración del fluido en el espacio anular entre la placa y la tubería crea una presión reducida sobre la cara aguas abajo de la placa, la fuerza ejercida por el fluido sobre la placa será la diferencia entre las presiones sobre las superficies aguas arriba y aguas abajo de la placa, la cual tiende a mover la placa en la dirección del flujo, el movimiento es detectado por un elemento secundario, es decir, un transmisor neumático de equilibrio de fuerza, situado al final de la barra soporte, el que a través de formulas determina la velocidad a la cual circula el fluido y por ende el caudal que fluye por el sistema de acuerdo a las ecuaciones de bernoulli.
2) Medidores de caudal sólido
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 y 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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