CAPITULO 1
FUNDAMENTOS DE
MEDICIÓN DE FLUJO
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INTRODUCCION
La medición de flujo es la medición de materia en movimiento.
Entender la medición de flujo es entender el medio y las características
de su movimiento. Debido a que el flujo es movimiento, la medición de
flujo es una medición dinámica. De hecho las señales de medición de
flujo son descriptas como “ruidosas” lo cual es un reconocimiento
natural de la dinámica cambiante de flujo. Una calidad de medición es
requerida bajo esas condiciones y puede ser hecha con un
entendimiento del medio fluyendo, como aquel medio que se mueve
en la tubería y el efecto de la tubería sobre el movimiento.
Estados de la Materia
La materia se presenta en tres estados: sólido, líquido o gaseoso y en forma
básica se tiene que: un sólido tiene un volumen y forma definidos; un líquido
tiene un volumen definido, mas no una forma definida; y un gas no tiene ni
volumen ni forma definidos.
ESTADOS DE LA MATERIA
SÓLIDO
Forma y
volumen
definido
FLUÍDO
Incomprensibles
LÍQUIDO
Volumen
definido
Comprensibles
GAS
Volumen
Indefinido, baja
densidad
Deformaciones
FLUIDO
Un fluido es parte de un estado de la materia y se define como un conjunto de
moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas por fuerzas cohesivas
débiles y por fuerzas ejercidas por las paredes de un recipiente, es decir sin
volumen definido.
Los fluidos tienen la capacidad de fluir, de ahí su nombre y se puede decir que
tanto líquidos como gases son fluidos. La diferencia básica entre un gas y un
líquido es la compresibilidad, así los gases pueden ser comprimidos
reduciendo su volumen y los líquidos son prácticamente incompresibles.
La medición de flujo es la medición de materia en movimiento, es decir es la
medición de flujo de fluidos. Es común tener flujo de materia en mas de una
fase.
El flujo de materia en más de una fase: sólidos en líquido, gases en líquido,
sólidos en gas, líquido en gas, sólidos y gases en líquido, sólidos y líquidos en
gas y todos ellos se consideran fluidos.
Mezclado de Fases de la Materia
Cada medio multifasico presenta su propio conjunto de problemas para
ser medido mientras esta en movimiento. El interés en la fase sólida es
solamente si ocurre con la fase liquida ya que la fase liquida es usada
como vehiculo para transportar los sólidos (llamados slurries ó mezclas
pastosas) o como ocurre con la fase gaseosa como en los
transportadores neumáticos de sólidos. Este interés se extiende en el
tamaño de partículas solidas su distribución en la corriente de flujo y su
masa relativa en el vehiculo del fluido, es decir si las partículas solidas
tienden a flotar o hundirse en la corriente de flujo. Este interés se
extiende a la naturaleza de las partículas solidas, si ellos son blandos,
amorfos, duros y borde afilado o fibroso y longitud de las fibras, etc..
Nuevamente también hay interés en sólidos transportados en fluidos en
el cual el liquido o gas es usado para transportar sólidos de un lugar a
otro. Hay interés en aquellas corrientes de flujo donde los sólidos,
están en un pequeño porcentaje por volumen de flujo de corriente total
en que usualmente son llamados “corrientes sucias”.
Unidades frecuentes
Magnitud
Representación
dimensional
Unidades SI
Masa
M
Kg
Longitud
L
m
Tiempo
t
s
Temperatura
T
K
Velocidad
Lt-1
m/s
Aceleración
Lt-2
m/s2
Fuerza
ML2t-2
N(Kg.m/s2)
Área
L2
m2
Volumen
L3
m3
Presión
FL2=ML-1t-2
Pa(N/m2)
Densidad
ML-3
Kg/m3
Energía
FL
J (Kg/m/s2)
Potencia
FL/t=ML-1t-3
W (Kg/m/s3)
Energía interna u
FL/M=M2L-2
J/Kg (N-m/Kg)
Viscosidad
ML-1t-1
Kg/m/s
Magnitudes
fundamentales
Magnitudes
derivadas
Propiedades de los fluidos
En termodinámica, se diferencian las propiedades de los fluidos en dos tipos:
propiedades extensivas, cuyo valor depende de la cantidad total de masa
presente y las propiedades intensivas en donde los valores son independientes
de la cantidad total de masa presente.
Propiedades de los fluidos
Extensivas
Dependen de la masa total del sistema
Densidad, energía, etc.
Intensivas
No dependen de la masa total del sistema
Temperatura, presión,
etc.
Propiedades de los fluidos
Densidad
La densidad de un material se define como la masa contenida en la unidad de
volumen de un material.
ρ=
m
v
⎡ Kg ⎤
⎢ m3 ⎥
⎣
⎦
Peso específico
Los ingenieros que no han adoptado el SI, utilizan el peso específico o densidad
de peso, definido como el peso de la unidad de volumen de una sustancia.
PE =
w mg
⎡ Kg ⋅ f ⎤ ⎡ N ⎤
=
= gρ ⎢
3
3
v
v
⎣ m ⎥⎦ ⎢⎣ m ⎥⎦
Densidad relativa o gravedad específica
Para líquidos, se define como la relación entre la densidad del liquido y la
densidad del agua a una temperatura 60º F y 14.696 psia (101.325 kpa)
SG =
PEliquido
PEagua
ρ liquido
ρ liquido
=
=
ρ agua ρ agua acondiciones es tan dar
Propiedades de los fluidos
SG =
ρ gas
ρ aire acondiciones es tan dar
Las siguientes conversiones pueden ser utilizadas para convertir gravedades
específicos a diferentes temperaturas:
Densidad del agua a 60º F = 62.33630 Lb
Densidad del agua a 68º F = 62.31572 Lb
FT
3
(0.9990121 g
cm3
)
FT
3
(0.9982019 g
cm3
)
Densidad del aire a 60º F (15.6º C ) y 14.696 psia = 0.0764 Lb
Densidad del aire a 68º F (20º C ) y 14.696 psia = 0.07528 Lb
3
(1.2236 kg
m3
)
3
(1.2057 kg
m3
)
FT
FT
Propiedades de los fluidos
Un hidrómetro puede ser usado para medir la gravedad especifica de liquido
en muestras de laboratorio. Las 3 comunes escalas de hidrómetro usados son
escala API para aceites y 2 escalas Baume. Los siguientes conversiones son
útiles para gravedad especifica:
SG = 141.5 (131.5+ º API )
SG = 140 (130 + º BAUME )liquidos mas ligeros que el agua
SG = 145 (145 + º BAUME )liquidos mas pesados que el agua
Propiedades de los fluidos
Viscosidad
Se define como la resistencia que presentan los fluidos a fluir, es decir
que a mayor viscosidad, menor flujo. En la práctica existen dos tipos:
Viscosidad dinámica μ.- El principio de viscosidad de Newton
establece que para un flujo laminar, el esfuerzo cortante en una
interfase tangente a la dirección de flujo es proporcional al gradiente de
la velocidad en dirección normal a la interfase. Cuando se cumple este
principio, se dice que la viscosidad es dinámica o absoluta y se mide en
Poise ó centipoise.
υ
Viscosidad cinemática .- se define como el cociente de la viscosidad
dinámica entre la densidad del fluido. La viscosidad cinemática se mide
en Stoke centistoke. υ cs = μ c p ρ kg m3
( )
( ) (
)
Cuando el líquido incrementa la temperatura, generalmente resulta una
baja viscosidad. El cambio de la viscosidad con la temperatura se
denomina índice de viscosidad. Para gases, un incremento en la
temperatura incrementa la viscosidad cinemática, justo el efecto
opuesto con los líquidos.
Propiedades de los fluidos
Fluido Newtoniano
Todo aquel fluido que se comporta de acuerdo al Modelo Newtoniano de la
viscosidad, es decir que cuando la relación de corte y la velocidad de
deformación del fluido es lineal y la viscosidad es función exclusiva de la
condición del fluido.
Fluido No Newtoniano
No se comporta conforme el Modelo Newtoniano y la viscosidad de este fluido
depende del gradiente de velocidad, además de la condición del fluido.
τ=FA
placa
(du/dy)
Propiedades de los fluidos
Cumplen
Newtoniano
viscosidad
modelo
de la
No Cumplen modelo
Newtoniano de la
viscosidad
Agua, aceite,
gasolina,
alcohol,
glicerina, etc
A. COMPORTAMIENTO INDEPENDIENTE DEL
TIEMPO
Plásticos Bingham (suspensión de agua de roca
(slurries), gramos y desagüe de lodos)
Pseudoplásticos
(soluciones
poliméricas,
suspensiones de pulpa de papel o pigmentos
Fluidos dilatantes (almidón, suspensión de mica,
arenas movediza, arenas de playa).
B. COMPORTAMIENTO DEPENDIENTE DEL
TIEMPO
Fluidos tixotropicos (mayonesa, lodos de perforación,
pinturas y tintes)
Fluidos Reopeticos (solución de Bentonita, soluciones
de pentoxido de vanadio y suspensiones en
agua de yeso)
C. FLUIDOS VISCOELASTICOS (En procesamiento
de polímeros, mezclado, extrusión, satinado,
hilado de fibras y formación de hojas)
FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS
El papel de la viscosidad. El modelo ideal para el concepto de viscosidad
es el Modelo Newtoniano.
La clasificación de los fluidos esta basada sobre el comportamiento
viscoso. Se establece una clasificación general de fluidos basada sobre
su comportamiento viscoso. Los fluidos son generalmente clasificados
de acuerdo SI o NO siguen el modelo Newtoniano. Si el coeficiente de
viscosidad es independiente de la fuerza cortante y de la relación de
cambio al corte, el fluido Newtoniano. Si el coeficiente de viscosidad
cambia con la aplicación de la fuerza cortante o con la relación del
cambio al corte el fluido es NO Newtoniano.
DEFINICION DE LA VISCOSIDAD
Fuerza
Velocidad
Área placa
u=v
A
Z=
Esfuerzo cortante
τ = F A placa =
⎛ dV
⎜
⎝ dZ
μ (Lbm ft − s ) dV
gc
⎞
⎟ Re lacion al corte
⎠
dZ
EFECTO DE LA TEMPERATURA Y PRESION
SOBRE FLUIDOS.
La presión y temperatura tienen sus efectos individuales sobre el
estado de la materia. A una presión dada progresivamente adiciona
energía a un solidó primero incrementando su temperatura después a
una temperatura constante. Hay una conversión de estado de salida
a fase liquida. (ver fig. 1-1). La cantidad de calor necesaria para
hacer el cambio es el calor latente de licuefacción. Una vez
convertido todo el solidó a liquido, la adición de calor puede elevar la
temperatura del liquido hasta que de nuevo la temperatura es
alcanzada donde no hay incremento de temperatura. A esta
temperatura con la adición de calor hay un cambio de la fase liquida
a fase gaseosa. La cantidad de calor necesaria para hacer la
conversión es el calor latente de vaporización. A esta temperatura la
fase liquida y gaseosa coexisten.
El gas es llamado saturado esto es a esta temperatura que el gas
puede condensar.
Una vez que todo el liquido es convertido a gas nuevamente se
adiciona de calor incrementando la temperatura del gas esto es
llamado sobrecalentado.
Para cada liquido corresponde una presión de vapor. Si la presión
es reducida debajo de la presión de vapor a una temperatura
dada puede haber un cambio de estado de liquido a fase gas.
Este fenómeno puede ocurrir en los medidores de flujo que
tengan una perdida de presión al medir el flujo particularmente en
líquidos de alta presión de vapor.
Figura 1-1. ESTADO DEL AGUA A PRESION ATMOSFERICA Y A VARIAS TEMPERATURAS.
EXPANSION DE GASES
LEY DE BOYLE
La densidad de gas puede variar significativamente con la presión
absoluta y variaciones de poco porcentaje no debe ser ignorado. Un
incremento de la presión de un gas a temperatura constante causa que
el gas sea comprimido. Esto disminuye el volumen de gas ocupado, así
de este modo aumentando la densidad del gas, con la misma masa
ocupa un volumen pequeño. La ley de estado de Boyle dice que para
cualquier gas ideal o mezcla de gas ideal a temperatura constante el
volumen es inversamente proporcional a la presión absoluta.
cons tan te
V=
P
La ley Boyle puede ser enunciada en la siguiente forma la cual es muy
útil en comparación con el volumen de un gas ideal a temperatura
constante y a diferentes presiones.
V Po
=
Vo P
LEY DE CHARLES
La densidad de un gas puede variar significativamente con la
temperatura absoluta y variaciones de poco porcentaje no debe ser
ignorado. Un incremento de temperatura de un gas a presión constante
causa que las moléculas del gas a incrementar su actividad y
movimiento en relación a una y otra. Este incremento de actividad
requiere de un volumen grande o mayor en el cual se mueve, así si
disminuye la densidad de el gas con la misma masa ahora ocupa un
volumen mayor.
La ley de Charles establece que para cualquier gas ideal o mezcla de
gases ideal a presión constante el volumen es proporcional a la
temperatura absoluta. La ley de Charles puede ser enunciada en la
siguiente forma la cual es mas útil en comparación al volumen de un gas
ideal a presión constante y a diferentes temperatura.
V To
=
Vo T
LEY GAS IDEAL
Las leyes de Charles y Boyle pueden ser combinados para convertirse
en la ley de gas ideal donde la constante de proporcionalidad son el
numero de moles del gas y la constante del gas como sigue:
PV = nRT
Donde R es la constante de gas universal en unidades constantes y n es
el numero de moles que puede ser expresado como:
n = m Mw
Donde m es la masa del gas y Mw es su peso molecular, un gas ideal es
definido como un gas que sigue la ley de los gases ideal.
La Ley de los gases puede ser expresada con la siguiente forma, las
cuales mas útil para discusión y calculo:
PoT
V
=
Vo PTo
LEY DE GAS NO IDEAL
Muchos gases no actúan como gases ideales a ciertas condiciones tal
como alta presión, bajas temperaturas y bajo condiciones saturadas.
Esos gases son nombrados como gases “NO ideal” y su comportamiento
puede ser encontrado modificando la Ley de Gas ideal.
PV = nZRT
Recordando que la conservación de la materia o masa a condiciones de
operación o estándar.
Wo = Ws
Wo = la masa a condiciones de operacion
WS = la masa a condiciones es tan dar
Como el volumen = Qo ρ o = Qs ρ s = Flujo masico
ρo
Qs = Qo
ρs
La ecuación básica para densidad de un gas ideal es:
PM
ρ=
RT
Y para un gas imperfecto:
PM
ρ=
RTZ
⎛ Po M ⎞⎛ RTs Z s ⎞
ρo
⎟⎟⎜⎜
⎟⎟
= Qo ⎜⎜
Qs = Qo
ρs
⎝ RTo Z o ⎠⎝ Ps M ⎠
⎛ Po ⎞⎛ Ts ⎞⎛ Z s ⎞
Qs = Qo ⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟⎜⎜ ⎟⎟
⎝ Ps ⎠⎝ To ⎠⎝ Z o ⎠
Donde Z es el factor de compresibilidad y es definido como el
volumen de un gas real dividido por el volumen ocupado por la misma
masa de un gas ideal a la misma presión y temperatura. Esta
ecuación reduce a la Ley de gas ideal si el factor Z es igual a la
unidad. Esto puede ser notado que algunos gases comunes no son
ideal aun a condiciones estándar. Por lo que el factor Z debe ser
calculado cada vez que la densidad del gas o vapor es calculada.
PoTZ
V
=
Vo PTo Z o
El factor Z es una función de la presión reducida y temperatura
reducida a condiciones de operación respectivas y puede ser leído a
partir de cartas o gráficos de compresibilidad generalizada con un
razonable grado de exactitud.
PR =
TR =
P
Pcritica
T
Tcritica
Figura 1-2. CALCULO DEL VOLUMEN ESTANDAR A PARTIR DE RELACIONES DE
TEMPERATURA Y PRESION
Figura 1-3. CARTAS DE COMPRENSIBILIDAD GENERALIZADA
Figura 1-3. CARTAS DE COMPRENSIBILIDAD GENERALIZADA
Materia en Movimiento
La característica de la materia en movimiento, específicamente en flujo
de fluidos, es derivada de los siguientes principios:
•Ecuación de continuidad
•Teorema de Bernoulli
•El trabajo de Reynolds Osborne
Ecuación de continuidad
La relación de flujo volumétrico (Q) que pasa en un punto es igual a la sección
transversal normal (A) en ese punto por el promedio de velocidad a través del
área (V).
Relación de flujo volumétrico = Área x Velocidad promedio
Q = A ⋅V
feet 3
feet
= feet 2 ⋅
s
s
(
Q = A ⋅ V = 1 πD 2V FT 3 s
4
Q = 2.448D 2V (GPM )
Q = 0.3272 D 2V ACFM
)
La relación de flujo volumétrico a través de una tubería puede ser calculado
multiplicando el área de la tubería por la velocidad promedio en ese punto o
localización. Esta es la base de operación de todos los medidores de relación
de flujo.
Las siguientes conversiones son útiles en la medición de flujo:
1 metro cúbico por hora (m3/hr)=4.403 gpm
1 pie cúbico por minuto (FT3/min.)=7.48052 gpm
1 galón de agua=8.337 libras de agua
Ecuación de continuidad
Si hay una relación de flujo volumétrico constante para un cambio de área (un
cambio de diámetro de tubería) existe un cambio inverso de la velocidad
promedio. Esta es la ecuación de continuidad y esta basada en la velocidad
promedio a través del área seccional.
Ecuación de continuidad
Teorema de Bernoulli
Daniel Bernoulli (1700-1782) comprobó experimentalmente que "la presión interna
de un fluido (líquido o gas) disminuye en la medida que la velocidad del fluido se
incrementa", o dicho de otra forma "en un fluido en movimiento, la suma de la
presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante", es decir
que p + v = k.
Para que se mantenga constante k, si una partícula aumenta su velocidad v
tendrá que disminuir su presión p, y a la inversa. Como la presión y la velocidad
actúan recíprocamente:
ρ
Presión estática + Presión
dinámica = Presión total = Constante
Presión estática + 1/2 v2 = Presión total = Constante
Cuando hay flujo lento en un fluido, la presión aumenta.
Cuando hay un aumento de flujo en un fluido, la presión disminuye.
Teorema de Bernoulli
Dicho de otra manera, un cambio de velocidad tiene asociado una conversión
de energía (cabeza) desde la cabeza de velocidad (energía cinética) a la
cabeza de presión (energía potencial). Si la energía total es constante, un
cambio en la velocidad resulta en un cambio inverso en la presión. Esta
característica se aprovecha en los medidores de flujo de presión diferencial
como placas de orificio, venturis, toberas de flujo y tubos pitot, ó annubar.
V 12
2g
CABEZA TOTAL
CABEZA
VELOCIDAD
CABEZA
DE PRESIÓN
Z1
V 22
2g
P1
w
P2
Z2=Zw1
FLUJO
CABEZA
DEBIDO A
LA ELEVACIÓN Pv
P
CABEZA
v
LOCALIZACIÓN
CABEZA TOTAL
V CABEZA DE VELOCIDAD
P CABEZA DE PRESIÓN
CABEZA DE ELEVACIÓN
El número de Reynolds
A finales del siglo XIX, Reynolds efectúa un experimento, inyectando tinta en la
corriente de un flujo y observa cambios significantes en el movimiento de la
tinta. A una velocidad de flujos bajos (alta viscosidad), la tinta traza una línea
recta desde el punto de inyección y el la llama flujo directo y ahora se llama flujo
laminar debido a que el fluido se esta moviendo como si este fuera compuesto
de laminaciones o placas.
Al incrementa la velocidad, se alcanza la condición donde la tinta inicia como
una línea recta, pero empezando a generar inestabilidad y al aumentar la
velocidad se genera una inmediata dispersión de la tinta a través de la corriente
de flujo, llamando a este flujo sinuoso y hoy se llama flujo turbulento.
Figura 1-4 EXPERIMENTOS DE OSBORNE REYNOLDS 1883.
El número de Reynolds
En el trabajo de Reynolds se demostró que en el flujo laminar, el
comportamiento del fluido esta dominado por las fuerzas viscosas (fricción
interna del fluido) y un análisis de las velocidades locales a través de la tubería
definen un perfil parabólico con una velocidad al centro de la tubería, que es dos
veces la velocidad promedio.
Figura 1-5. PERFIL DE VELOCIDAD DE FLUJO LAMINAR
El número de Reynolds
En el flujo turbulento, las fuerzas dinámicas dominan el comportamiento del
fluido que provocan la dispersión de la tinta. El perfil es cuadrado y cambia con
el cambio de velocidad del fluido y de la viscosidad
Figura 1-6. PERFIL DE VELOCIDAD FLUJO TURBULENTO
El número de Reynolds
Figura 1-7. PERFIL DE VELOCIDAD FLUJO TURBULENTO
El número de Reynolds
Existe una zona de inestabilidad conocida como régimen de transición donde el
flujo puede comportarse como laminar o turbulento.
El régimen de flujo laminar, turbulento o de transición está definido por el
número de Reynolds (Re número adimensional):
D
Centipoise
Si Re ≥ 4000 el perfil es cuadrado hacia arriba y el flujo es turbulento.
Si Re ≤ 2000 el perfil es parabólico y el flujo es laminar.
Si 2000 ≥ Re ≤ 4000, el flujo es de transición
Perfil de flujo y efectos de tubería
Los cálculos del número de Reynolds son válidos para perfiles
simétricos. Sin embargo, como el flujo se mueve a través de una
tubería, los perfiles se distorsionan o son asimétricos. Un simple codo
de 90o, distorsiona el perfil de flujo. Como el flujo se mueve a través del
codo, se acelera alrededor y hacia fuera de la curva y disminuye su
velocidad dentro de la curva. El perfil se distorsiona con una zona de
alta velocidad ocurriendo al otro lado de la línea de centro de la tubería.
Figura 1-8. EFECTO DE UN SIMPLE CODO EN TUBERIA SOBRE EL PERFIL DE FLUJO
Perfil de flujo y efectos de tubería
Si el flujo es turbulento, las fuerzas dinámicas causan mezclado de
flujo y el perfil es gradualmente restaurado y si no existe otro disturbio
retorna a un perfil turbulento.
Perfil de flujo y efectos de tubería
Cuando existen dos codos, el perfil es distorsionado dos veces en
diferente plano. Este fenómeno es muy persistente y toma gran longitud
de tubería para que el perfil de flujo retome su perfil de flujo turbulento.
La geometría de perfil puede resultar en perfil distorsionado, girando o
arremolinándose y en algunos casos, el flujo se puede caer conforme se
mueve en la tubería. Estos movimientos son desfavorables en muchos
de los medidores de flujo.
Figura 1-9. EL EFECTO SOBRE EL PERFIL DE FLUJO DE DOS CODOS 90º CERCANAMENTE ACOPLADAS Y EN
DIFERENTES PLANOS.
Perfil de flujo y efectos de tubería
Debido a esto, es usual y práctico instalar medidores de flujo a una
adecuada distancia a partir de los disturbios, por lo que se requiere
generalmente efectuar su instalación ciertas longitudes de corriente
arriba.
En algunos medidores también se requieren longitudes de tubería recta
corriente abajo, ya que puede haber disturbios localizados corriente
abajo, como el caso de las válvulas de control.
Perfil de flujo y efectos de tubería
Existen algunas recomendaciones de ASME para tubería corriente arriba y
corriente abajo para el caso de orificios o toberas de flujo después de un
disturbio específico. Gráficas similares pueden existir para otro tipos de
medidores.
Figura 1-10. REQUERIMIENTOS DE TUBERIA CORRIENTE ARRIBA Y ABAJO PARA ORIFICIOS O TOBERA DE FLUJO PARA
DISTURBIOS CORRIENTE ARRIBA ESPECIFICOS
Acondicionamiento del perfil de flujo
ALINEADORES Y ACONDICIONADORES DE FLUJO
Los alineadores y acondicionadores de flujo han sido usados por muchos años
para intentar a reordenar un perfil de velocidades el cual es debido a los
disturbios generados por los accesorios corriente arriba (lado de alta presión).
Los acondicionadores de flujo intentan reordenar el perfil de flujo o perfil de
velocidades para crear de nuevo un perfil de flujo o perfil de velocidades para
crear de nuevo un perfil turbulento completamente desarrollado. Sin embargo
este reordenamiento puede direccionar tanto a la forma del perfil promedio y al
patrón de arremolinamiento turbulento.
Figura 1-11. ALGUNOS TIPOS DE DISPOSITIVOS USADOS PARA MEJORAR EL PERFIL DE FLUJO
Acondicionamiento del perfil de flujo
Idealmente el perfil de flujo o perfil de velocidades lo define el Número de
Reynolds y la condición de la pared interna de la tubería (rugosidad). El perfil de
velocidades puede ser restablecido por acondicionadores de flujo, aunque se
deben de utilizar con discreción y sumo cuidado.
Aunque la mayor parte de los acondicionadores de flujo como Sprenkle, Zanker,
Mitsubishi y Vortab son efectivos en la eliminación de perfiles de flujo
distorsionado, chorros y remolinos persistentes, su principal desventaja es que
tienen pérdida de cabeza.
Acondicionamiento del perfil de flujo
Acondicionamiento del perfil de flujo
ACONDICIONADOR DE FLUJO
PÉRDIDA DE CABEZA RELATIVA
(4 es el más alto)
Mitsubishi
2
Sprenkle
4
VORTAB
1
Zanker
3
TABLA 1-1. PERDIDAS DE CABEZA RELATIVAS DE ACONDICIONADORES DE FLUJO PROPIETARIOS
Acondicionamiento del perfil de flujo
TUBO PITOT PROMEDIO
(ANNUBAR)
PLACAS DE ORIFICIO SEGMENTAL
PLACAS DE ORIFICIO
CONCENTRICO
MEDIDOR DE FLUJO TIPO SONICO
EFECTO DOPPLER
PLACAS DE ORIFICIO EXCENTRICO
MEDIDOR DE FLUJO SONICO
TIEMPO DE TRANSITO
TOBERA DE FLUJO
MEDIDOR DE FLUJO TIPO TURBINA
TUBO DE FLUJO
MEDIDORES DE FLUJO DE AREA
VARIABLE
FLUIDICO
TUBO VENTURI
PITOT
VORTEX GENERADOR DE VOTICES
MEDIDOR DE DEZPLAZAMIENTO
POSITIVO*
* Depende de la viscosidad
Algunos medidores de flujo no requieren longitud recta de tubería antes y
después, como es el caso de los tipo Coriolis, másicos, desplazamiento
positivo y área variable.
TABLA 1-2. MEDIDORES DE FLUJO DEPENDIENTES DEL NUMERO DE REYNOLDS
Acondicionamiento del perfil de flujo
FIGURA 1-12. CURVA FUNCIONAL GENERALIZADA PARA MEDIDORES DE FLUJO DEPENDIENTES DEL
NUMERO DE REYNOLDS
Acondicionamiento del perfil de flujo
Conforme el fluido se mueve en la tubería tiene un efecto en los medidores de
flujo y son dependientes del Número de Reynolds. Existe una zona a altos
números de Reynolds donde la curva es casi lineal, es decir, existe un
coeficiente constante del medidor. Esta zona es donde mejor se aplican los
medidores de flujo.
FIGURA 1-13. VARIACION DEL COEFICIENTE DE DESCARGA CON EL NUMERO DE REYNOLDS PARA
ORIFICIOS DE PERFIL AGUDO
Acondicionamiento del perfil de flujo
TABLA 1-3. VARIACION DEL COEFICIENTE DE FLUJO CON RELACION DE FLUJO PARA MEDIDAS DE
ORIFICIO
Medición de flujo de fluidos
TABLA 1-4. Clasificación de Medición de Flujo de
Fluidos
Flujo Másico
Flujo Volumétrico
Másico inferido (Densidad constante)
Másico calculado (medición de densidad)
Flujo de sólidos disueltos/suspendidos
- Inferidos, concentración constante
- Calculados, concentración médida
TABLA 1-5. Unidades de medición de flujo comúnmente usadas
Líquidos
Gases
Vapor
Volumen actual
Volumen actual
Gravimétrica (másico)
Gravimétrica (másico)
Gravimétrica (másico)
Volumen a temperatura
base
Volumen a condiciones
estándar
Medición de flujo de fluidos
FIGURA 1-14. CURVA FUNCIONAL TIPICA PARA SELECCIONAR MEDIDORES DE FLUJO DE PRESION
DIFERENCIAL RELACION DE BETA DE 0.50
DETECTORES DE VELOCIDAD USADOS COMO MEDIDORES
DE FLUJO VOLUMETRICO
Un numero de medidores son detectores de velocidad pero son usados
como medidas de flujo volumétrico. Esto es valido si a lo largo de su
área de sección transversal a el punto de medición es conocido y
constante, es decir no hay recubrimiento en el interior del medidor y no
hay corrosión. Los medidores de este grupo incluyen fluidicos,
magnéticos, turbina, ultrasónico Doppler, ultrasónico tiempo de vuelo y
Vortex Shedding. En todos los casos excepto el magnético cambia el
Área de la sección transversal.
LOS MEDIDORES DE FLUJO NO PUEDEN SER CLASIFICADOS COMO TIPO
MASICO O VOLUMETRICO
Algunos medidores de flujo no se ajustan en tipo masico volumétrico o
de velocidad, ellos son de tipo presión diferencial. Su señal de salida es
dependiente sobre la conversión de cabeza, así que tanto presión
diferencial y la densidad del fluido deben ser conocidas.
Esta clasificación incluye todas las formas de medidores de orificio,
venturis, toberas de flujo, tubos flujo, pitots, pitots promediador, los tipo
target, codos y todos las formas propietarias tal como el Tipo Cuña, VCono (Cono en “V”) etc. Todos estos son medidores de flujo tipo presión
diferencial
mas explicito son medidores de presión diferencial
variable.
Hay también medidores de presión diferencial constante el cual en la
industria es llamado medidor de flujo de área variable.
Sin reparar en si los medidores son de tipo presión diferencial variable o
constante, es fundamental para su aplicación exitosa que la densidad
del fluido sea conocida.
MEDICION DE FLUJO MASICO INFERENCIAL
Debido a que pocos tipos de medidores màsicos están disponibles y no
todas las aplicaciones pueden manejarlos ellos, otros tipos de
medidores son tradicionalmente usados para inferir la relación de flujo
masico (ver Fig. 1-15). La medición de volumen multiplicada por la
densidad es limitada por uso aun a través de que el método es
independiente del fluido y la composición de la mezcla. El mas común
método usado para inferir la relación de flujo masico es multiplicar la
relación de flujo por la densidad la cual es inferida a partir de la presión
y la medición de la temperatura (ver Fig. 1-16). Este método aplica a un
fluido o a una mezcla debido a que relacionando la
presión/temperatura/densidad aplica a la composición del fluido o
mezcla.
FIGURA 1-15. FORMAS DE MEDICION DE FLUJO MASICO
FIGURA 1-16. LA RELACION ENTRE VOLUMEN MEDIDO (VOLUMEN A CONDICIONES DE OPERACIÓN) Y
VOLUMEN A UNA CONDICION LLAMADA “ESTANDAR”
Quizás la mas común forma de inferir la medición de flujo masico es la
unidad de volumen estándar, volumen normal, volumen a condiciones
base o volumen a condiciones de referencia. Aunque el volumen es
usado en la terminología hay mediciones masicas inferidas. En cada
caso la medición requerida es un volumen a condiciones “estándar”
“normal”, “base” o “referencia”. Hay condiciones de presión y
temperatura especificas, por lo tanto la densidad es inferida. Aunque
esa condiciones se aproximan a la presión atmosférica y temperatura
ambiente, ellas varían ampliamente (ver Tabla1-6)
TABLA 1-6. ALGUNOS DE LOS MAS COMUNMENTE USADOS EN PRESION Y TEMPERATURA ESTANDAR
(PUEDE SER USADO EN CUALQUIER COMBINACION)