1.3 Medidores de Flujo Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico de Toluca Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica Procesos de Separación 1 M.C. Yenissei M. Hernández Castañeda pseparacion@gmail.com

Competencia específica Calcula los parámetros para la selección de equipos empleados en el flujo de fluidos usando los criterios de selección y la ecuación de energía mecánica.

Contenido de la presentación 1. 1 Balance de energía mecánica 1.2 Líneas hidráulicas 1.3 Medidores de flujo 1.4 Bombas y compresores

Medición de flujo Es importante poder medir y controlar la cantidad de material que entra y que sale de una planta de procesamiento químico o de otro tipo. La medición del flujo es una variable 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. Para medir el flujo de fluidos se utilizan muchos tipos diferentes de dispositivos. Se utilizan extensamente el tubo pitot, el medidor venturi, el medidor de orificio y los vertederos de canal abierto.

Clasificación de medidores de flujo Industrialmente se utilizan muchos tipos diferentes de medidores, que comprenden: Medidores basados en la medida directa del peso o del volumen Medidores de carga variable Medidores de área Medidores de corriente Medidores de desplazamiento positivo Medidores magnéticos Medidores ultrasónicos.

Tubo Venturi Es un dispositivo que minimiza la fricción de forma. La forma de líneas de la corriente del medidor elimina virtualmente la separación de la capa límite, de manera que el arrastre de forma es insignificante. El cono convergente es de alrededor de 25-30° y el cono divergente no debe exceder de 7°. El medidor Venturi es difícil y costoso de construir y en tamaños grandes resultan muy voluminosos. La pérdida permanente de presión en un Venturí es de alrededor del 10% de la caída total de presión a través del medidor.

Es un medidor de área constante y de caída de presión variable Tubo Venturi Es un medidor de área constante y de caída de presión variable

Placa de orificio Concéntrica Excéntrica Segmentada Consiste en un agujero cortado en el centro de una placa intercalada en la tubería. La placa perforada se inserta de manera perpendicular a la dirección de flujo y el fluido pasa a través del orificio. El paso del fluido a través del orificio, cuya área es constante y menor que la sección transversal del conducto cerrado, se realiza con un aumento apreciable de la velocidad (energía cinética) a expensa de una disminución de la presión estática (caída de presión). Por esta razón se le clasifica como un medidor de área constante y caída de presión variable. Excéntrica Segmentada

Placa de orificio

Placa de orificio La separación de la capa límite se presenta en el lado corriente debajo de la placa de orificio. La pérdida por fricción puede ser considerable; la placa de orificio es un medidor que maximiza el arrastre de forma. Las líneas de flujo alcanzan en realidad un área de sección transversal mínima a una distancia de la placa de ½ a 2 diámetros del conducto. Este punto se conoce como vena contracta. La posición de la toma de presión corriente abajo debe ser en forma aproximada la de la vena contracta para asegurar una lectura máxima en el indicador de diferencias de presión.

Tubo Pitot Es uno de los medidores más exactos para medir la velocidad de un fluido dentro de una tubería. Es un instrumento que mide una velocidad de punto. Consiste de dos tubos concéntricos montados en flujo paralelo. El tubo externo está perforado con pequeños agujeros perpendiculares a la dirección de flujo, que conducen al espacio anular. El espacio anular está por completo sellado con excepción de una salida para el manómetro. El tubo interno tiene una pequeña abertura apuntando hacia el flujo. Este tubo está conectado con el otro lado del manómetro.

Tubo Pitot El Tubo de Pitot mide las presiones dinámicas y con ésta se puede encontrar la velocidad del fluido. Con este equipo se puede verificar la variación de la velocidad del fluido con respecto al radio de la tubería (perfil de velocidad).

Tubo Pitot El tubo Pitot mide sólo una velocidad de punto y para obtener valores precisos se requiere de un instrumento bien diseñado y una alineación perfecta del instrumento con el flujo. Es posible obtener un error menor del 1% con un Pitot, para un amplio intervalo de números de Reynolds.

Tubo Pitot Para obtener la velocidad media verdadera para toda la sección transversal, puede situarse el tubo, exactamente centrado en el eje de la tubería y calcular la velocidad media a partir de la velocidad máxima mediante la Figura 5.7. (McCabe) Si se utiliza este procedimiento, es preciso tomar la precaución de instalar el tubo de pitot por lo menos 100 diámetros aguas abajo de cualquier perturbación del flujo, de forma que la distribución de velocidad sea normal.

Tubo Pitot: Desventajas El otro procedimiento consiste en efectuar medidas en un cierto número de localizaciones conocidas de la sección transversal de la tubería y calcular la velocidad media P para toda la sección mediante integración gráfica. Las desventajas del tubo de pitot son: no da directamente la velocidad media, y sus lecturas para gases son extraordinariamente pequeñas. Cuando se utiliza para medir gases a baja presión, debe utilizarse algún tipo de manómetro multiplicador.

Rotámetro Es un medidor de caudal en tuberías de área variable, de caída de presión constante. Mediante un adecuado calibrado se relaciona el área con la velocidad de flujo. El rotámetro consiste en una plomada o flotador que puede moverse libremente en el interior de un tubo de vidrio ahusado vertical que se instala con el extremo más ancho hacia arriba.

Rotámetro El fluido entra por el fondo del tubo y a medida que fluye hacia arriba, ejerce una fuerza en el fondo del flotador. Cuando la fuerza ascendente sobre la plomada es igual a la fuerza gravitacional que actúa hacia abajo sobre la misma, ésta permanece estacionaria en algún punto del tubo. Cuanto mayor es la velocidad de flujo, mayor es la altura que alcanza el flotador en el tubo. El tubo está graduado y la lectura viene dada por el borde de lectura del flotador, que corresponde a la mayor sección transversal del mismo.

Rotámetro Para líquidos opacos, temperatura y presiones elevadas, o en condiciones en las que no se puede utilizar vidrio, se emplean tubos metálicos, se conecta una varilla denominada extensión, a la parte superior o inferior del flotador y utilizando la extensión como un imán. La mayor desventaja del rotámetro es que resulta prohibitivamente caro en tamaños mayores, por lo que se utiliza con mayor frecuencia en instalaciones con tamaños de tubo menores de 2 pulgadas.

Manómetros P1 P2 Es un instrumento que se utiliza para medir una diferencia de presión en términos de la altura de una columna de líquido. Dh Fluido A, rA

Otros medidores

Flujómetro de Ultrasonido El convertidor de medida determina los tiempos de propagación del sonido en sentido y contrasentido del flujo en un medio líquido y calcula su velocidad de circulación a partir de ambos tiempos. Y a partir de la velocidad se determina el caudal que además necesita alimentación eléctrica.

Anemómetro: aire

Canal Parshall: líquidos

Vertederos: líquidos

1.4.2 Características y ecuaciones utilizadas en los medidores hidrodinámicos Medidores de flujo

Ecuación general de los medidores La mayor parte de los medidores de flujo están diseñados para originar una caída de presión que pueda medirse y relacionarse con la velocidad de flujo. Esta caída de presión puede obtenerse por cambios de energía cinética, por fricción de superficie o por fricción de forma. Considere un sistema de flujo conteniendo un medidor, el cual produce un cambio de la energía cinética del fluido.

Ecuación general de los medidores v2 v1 m . D2 P2 D1 P1 La ecuación de energía mecánica puede reducirse a:

Ecuación general de los medidores De la ecuación de continuidad:

Ecuación general de los medidores

Ecuación general de los medidores La ecuación teórica se ajusta para el número de Reynolds y la razón de diámetro definiendo un coeficiente de descarga empírico: Además las pérdidas por fricción se expresan como una caída de presión: El término de la presión representa el diferencial total de presión entre los puntos 1 y 2, mientras que el de pérdidas por fricción incluye toda la fricción del fluido entre los mismos dos puntos. La diferencia entre estos términos representa el cambio de energía cinética entre los puntos 1 y 2.

Placa de orificio Es muy difícil conocer el área transversal de la vena contracta, por lo tanto: Donde: C0 – valor de ajuste que compensa la distribución de velocidad y las pérdidas de carga menores A0 – área transversal del orificio

Placa de orificio Fig. 20-11 Coeficientes de medidor para orificios de bordes afilados y rotámetros (Foust)

Tubo Pitot Nota: El término a no se utiliza porque se está midiendo una velocidad puntual

El coeficiente suele ser unitario para un tubo Pitot bien diseñado Si las pérdidas por fricción se expresan como caída de presión y se agrupan con el término caída de presión: El coeficiente suele ser unitario para un tubo Pitot bien diseñado

Rotámetro Reordenando la ecuación: FG – Fuerza de gravedad  Peso del flotador Peso del fluido FG – Fuerza de gravedad  FB – Fuerza de flotación  FD – Fuerza de arrastre debido a la fricción de forma y de superfie  Vf – volumen del flotador rf – densidad del flotador – densidad del fluido

Rotámetro Peso del flotador Peso del fluido

Rotámetro Y se tiene que: Y como: De manera similar a la placa de orificio: Y se tiene que: Y como:

El área transversal no es constante, por lo tanto el área del flotador es: Rotámetro Por lo tanto: Si: De lo que:

Placa de orificio Fig. 20-11 Coeficientes de medidor para orificios de bordes afilados y rotámetros (Foust)

Debido a que el área A2 es muy pequeña en comparación con el área del flotador: A2 <<<< Af Rotámetro Multiplicando por el área y la densidad para obtener el flujo másico: