MEDICIÓN DE FLUIDOS

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN

SUPERIORINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO

MARIÑO”S.A.I.A. INSTRUMENTACION

INGENIERÍA CIVIL

Realizado por:Viloria; Francis, 23.742.352 Carrera: 42

González; Diower, 18.005.509 Carrera: 49Cedeo; Emilio, 14.136.211 Carrera: 42

Maracaibo; Agosto 2016

FLUJO DE FLUIDOS Movimiento o circulación de un fluido sin alterar sus propiedades físicas o químicas.

  Ocurre bajo la acción de fuerzas externas.

 Encuentra resistencia al movimiento, debido a una resistencia interna propia del fluido (viscosidad) “fuerzas viscosas” o de la acción del exterior sobre le fluido (rozamiento) “fuerzas de rozamiento”.

Tipos de flujo

-Flujo interno: en el interior de conducciones

- Flujo externo: alrededor de cuerpos sólidos (sedimentación, filtración...)

TUBERÍA son un sistema formado por tubos, que pueden ser de diferentes materiales.

Que cumplen la función de permitir el transporte de líquidos, gases o sólidos en suspensión.

PLACA DE ORIFICIOConsiste 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 chorroque 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.

TUBO VENTURI Los instrumentos utilizados para medir la velocidad de un fluido incompresible se llaman tubos de Venturi, su principio es muy sencillo.

Se trata de un tubo de diferentes diámetros a través del cual se hace fluir el líquido.

Generalmente los tubos de Venturi son construidos en hierro fundido u otro material resistente a la corrosión, como por ejemplo acero inoxidable.

TOBERA Consiste en una entrada de forma cónica y restringida mientras que la salida es una expansión abrupta.

En este caso la toma de alta presión se ubica en la tubería a 1 diámetro de la entrada aguas arriba y la toma de baja presión se ubica en la tubería al final de la garganta.

Este tipo de sensor de flujo permite flujos hasta 60% superiores a los de la placa orificio, siendo la caída de presión del orden del 30 a 80% de la presión diferencial medida. Estos instrumentos se utilizan en aplicaciones donde el fluido trae consigo sólidos en suspensión, aunque si estos son abrasivos pueden afectar la precisión del instrumento.

SENDAS, LINEAS DE TRAYECTORIA YLINEAS DE CORRIENTE

Representación de los fluidos en movimiento

Visualización del campo de flujo Los campos de flujo y sus representaciones son la forma de describir un fluido en movimiento. Es una región del flujo de interés donde se refiere a una cantidad que se define en función de la posición y el tiempo, en una región determinada.

Líneas de corrienteUna línea de corriente es una línea que se dibuja tangente al vector velocidad en cada uno de los puntos en un campo de flujo.La línea de trayectoria es la curva marcada por el recorrido de una partícula de fluido determinada a medida que se mueve a través del campo de flujo. Cada partícula de fluido viaja a lo largo de su propia línea de trayectoria.

SENDAS, LINEAS DE TRAYECTORIA YLINEAS DE CORRIENTE

Tubos de corrienteEs el tubo formado por todas las líneas de corriente que pasan a través de una pequeña curva cerrada. Durante flujo a régimen estacionario está fijo en el espacio y no puede haber flujo a través de paredes, porque el vector de velocidad no tiene componente normal a la superficie del tubo.

De la definición de línea de corriente es evidente que no existe paso de flujo a través de la superficie lateral del tubo de corriente; un tubo de corriente se comporta como un conducto de paredes impermeables y espesor nulo, de sección recta infinitesimal.

En un flujo estacionario las líneas de trayectoria las sendas y las líneas de corriente coinciden

FLUJO

 

SSuelen comportarse de esta manera los fluidos puros y las disoluciones acuosas

Fluidos newtonianos

Aquellos en que el gradiente de velocidades es proporcional a la fuerza aplicada ( ) para mantener dicha distribución. La constante de proporcionalidad es la viscosidad ( ).

dVx = - dz

Ley de Newton

FLUJO

dVx = - dz

Ley de Newton

flujo

dVx T = .A = - A dz

Caudal (N)(N/m2)

Viscosidad cinemática o difusividad de cantidad de movimiento

n =

(m2/s)

d (Vx) d (Vx) T = -nA = - dz dz/ nA

Fluidos newtonianos

FLUJO

La velocidad a la que circula un fluido altera las interacciones entre las partículas.

No se comportan de acuerdo a la ley de newton. El gradiente de velocidades no es proporcional a la tensión rasante.

No puede hablarse de una viscosidad única y propia del fluido, sino que depende del régimen de velocidades: viscosidad aparente (a)

Fluidos no newtonianos

Fluidos de naturaleza compleja como los líquidos de elevado peso molecular, mezclas de líquidos, suspensiones, emulsiones.

FLUJOFluidos no newtonianos

Fluidos pseudoplásticos: adisminuye al aumentar el gradiente de velocidad.

Fluidos dilatantes: aaumenta con el gradiente de velocidad.

dVx = - a dz

RÉGIMEN DE CIRCULACIÓN DE UN FLUIDO

  Régimen laminar: Bajas velocidades de fluido Transporte molecular ordenado: partículas desplazándose en

trayectorias paralelas.

Régimen de transición.

Régimen turbulento: Altas velocidades de fluido Transporte molecular turbulento: partículas y porciones

macroscópicas del fluido se entremezclan al azar desplazándose en todas direcciones.

Dependencia Velocidad del fluidoPropiedades del fluidoPresencia de cuerpos sólidos

CLASIFICACIÓN DEL FLUIDOFluido idealEs aquel flujo incompresible y carente de fricción. La hipótesis de un flujo ideal es de gran utilidad al analizar problemas que tengan grandes gastos de fluido, como en el movimiento de un aeroplano o de un submarino.

fluido reallos efectosde la viscosidad se introducen en el problema. Esto da lugar al desarrollo de esfuerzos cortantes entre partículas del fluido vecinas cuando están moviéndose a velocidades distintas.

La viscosidad introduce resistencias al movimiento, al causar, entre las partículas del fluido y entre éstas y las paredes limítrofes, fuerzas de corte o de fricción que se oponen al movimiento; para que el flujo tenga lugar, debe realizarse trabajo contra estas fuerzas resistentes, y durante el proceso parte de la energía se convierte en calor.

Flujo estacionario cuando todas las propiedades del flujo en cada punto se mantienen constantes con respecto al tiempo

flujo no estacionarioLas propiedades de flujo en un punto cambian con el tiempo.

CLASIFICACIÓN DEL FLUIDO

FLUIDO UNIFORMEFlujo Uniforme Y Flujo Variado

Es considerado como un espacio de criterio.

Es el flujo en canales abiertos es uniforme si las características del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo uniforme puede ser estacionario o no estacionario, según cambie o no las características del fluido con respecto al tiempo.

El flujo uniforme estacionario es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La características del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración.

El establecimiento de un flujo uniforme no estacionario requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal.

El flujo es variado si la las características del flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser estacionario o no estacionario es poco frecuente, el termino “Flujo no estacionario”.

FLUIDO UNIFORME

Los efectos de la compresibilidad son muy importantes en el diseño de los cohetes y aviones, en las plantas generadoras, los ventiladores y compresores.

Flujo Compresiblelos gases se deben tener en cuenta los efectos de la compresibilidad del gas.

Uno de los principios básicos del flujo compresible es que la densidad de un gas cambia cuando éste se ve sometido a grandes cambios de velocidad y presión. Al mismo tiempo, su temperatura también cambia.

El comportamiento de flujo de un gas compresible depende de si la velocidad de flujo es mayor o menor que la velocidad del sonido.

CLASIFICACIÓN DEL FLUIDO

Flujos Incompresibles

En los cuales las variaciones de densidad son pequeñas y relativamente poco importantes.

Si se consideran los dos estados de la materia incluidos en la definición de fluido, líquido y gas, se podría caer en el error de generalizar diciendo que todos los flujos líquidos son flujos incompresibles y que todos los flujos de gases son flujos compresibles.

La primera parte de esta generalización es correcta para la mayor parte de los casos prácticos, es decir, casi todos los flujos líquidos son esencialmente incompresibles. Por otra parte, los flujos de gases se pueden también considerar como incompresibles si las velocidades son pequeñas respecto a la velocidad del sonido en el fluido.

los flujos de gases se pueden aproximar como incompresibles si los cambios en la densidad se encuentran por debajo de alrededor de 100 m/s

CLASIFICACIÓN DEL FLUIDO

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTOLos flujos viscosos se pueden clasificar en laminares o turbulentos teniendo en cuenta la estructura interna del flujo.

Flujo laminar Cuando la velocidad del flujo es baja, su desplazamiento es uniforme y terso donde las capas de fluido parecen desplazarse unas sobre otras sin remolinos o turbulencias, se llama luminar y obedece la ley de viscosidad de Newton.

Flujo turbulento

Cuando la velocidad es bastante alta, se observa una corriente inestable en la que se forman remolinos o pequeños paquetes de partículas de fluido que se mueven en todas direcciones y con gran diversidad de ángulos con respecto a la dirección normal del flujo

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO

Experimento de Reynolds para flujo laminar

Experimento de Reynolds para flujo turbulento

FLUJO LAMINAR Y TURBULENTOFlujo Laminar:1.- Líneas de trayectoria lisas2.- No hay remolinos3.-Las capas de fluido se deslizan unas respecto a otras4.- Se cumple ley de Newton para viscosidad

t

V

Flujo Turbulento:1.- Líneas de trayectoria irregulares2.- Hay remolinos3.- Existe intercambio de cantidad de movimiento4.- No se cumple ley de Newton para viscosidad: aparecen nuevos efectos de corte inducidos por los remolinos

t

V

Razón del flujo: Unidades de razón de flujo volumétrico. SI: Gases: m3/hr Líquidos: l/min.IP Gases: ft 3 /hr Líquidos: USG/min. Unidades de razón de flujo másico SI: Gases: Kg/s Líquidos: Kg/minIP: Gases: 1b/s Líquidos: 1b/min.

UNIDADES DE MEDICIÓN DE FLUJO

Flujo total: Unidades de volumen (V) SI: Gases: m3 Líquidos: litrosIP: Gases: ft3 Líquidos: USG Unidades de masa (m) SI: Gases &Líquidos: Kg

IP: Gases & Líquidos: 1b

Medidores de flujo

Sistema MedidorMedidores de flujo

volumétricoPresión diferencialMedidores conectados a tubo U o a elementos de fuelle o diafragma

Placa Orificio

Tobera

Tubo Venturi

Tubo Pitot y Tubo Annubar

Área variable Rotámetros

Velocidad Turbina

Ultrasonido

Tensión inducida Magnético

Desplazamiento positivo Rueda oval, helicoidal

Torbellino (Vortex) Medidor de frecuencia

Fuerza Placas de impactoMedidores de flujo másico Térmico Diferencia de temperatura en

sondas de resistencia

Coriolis Tubo en vibración

Medidores de flujo

•Los medidores de caudal por diferencia de presión ocasionan una pérdida permanente de presión, inferior a la ocasionada por la restricción, la cual, en caso de ser necesario, debe ser compensada para retornar a las condiciones originales del sistema.

•Si el parámetro es pequeño , la relación entre el diámetro del orificio o garganta es pequeño en comparación con el diámetro de la tubería. Esto genera mayor precisión de la lectura manométrica, pero, representa una mayor pérdida de presión por fricción y puede producir una presión baja no deseada en la contracción, suficiente en algunos casos para que se liberen gases disueltos o se evapore líquido en este punto (cavitación).

•Los accesorios como codos y válvulas producen perturbaciones en el flujo que afectan la medición, por ello se debe mantener una sección recta de alrededor de 5a 30D.

Placa orificio

Calibración:El parámetro se establece entre 0.2-0.7 para tuberías entre 2” y 3”.La pérdida permanente de presión es aproximadamente por Pperm=(1-2) P, y se encuentra entre (0.51-0.96)% de la P causada por el orificio. Estas pérdidas disminuyen a medida que aumenta.

Exactitud 2-3%Vm

Requerimientos:Espesor aprox. 1/8”. Se utiliza en régimen turbulento Re>20000

La relación Qmax/Qmin < 3

No se deben utilizar con fluidos abrasivos o que arrastren partículas sólidas.

Placa orificio

Tipos de tomas:•Tomas de Esquina: Los orificios estáticos se perforan uno corriente arriba y otro corriente abajo de la brida haciendo que las

aberturas queden tan cerca como sea posible de la placa orificio.•Tomas de Radio: Los orificios estáticos se localizan a un diámetro de tubería corriente arriba y a ½ diámetro de tubería corriente abajo con relación a la placa.•Tomas de Tubería: Los orificios estáticos se localizan a 2½ diámetros de tubería corriente arriba y a 8 diámetros de tubería corriente abajo con relación a la placa.•Tomas de Brida: Los orificios estáticos se ubican a 25.4 mm (1 in.) corriente arriba y a 25.4 mm (1 in.) corriente abajo con relación a la placa.•Tomas de Vena Contracta: El orifico estático corriente arriba

queda entre ½ y 2 diámetros de tubería desde la placa. La toma corriente abajo se localiza en la posición de presión mínima.

Placa orificio

Desventajas:El coeficiente de descarga puede cambiar con el tiempo debido al desgaste y la acumulación de suciedad.Se puede obstruir y reducir el diámetro del orificio. Para evitar esto se utilizan orificios excéntricos y segmentalesVentajas:Es económico.El 50% de los medidores de caudal utilizados en la industria son P.O.

Tobera

Desventajas:Es más costosa que la P.O.Ventajas:Con respecto a la P.O.: Es menos propensa a la obstrucción por lo cual tiene un mayor tiempo de vida útil. La pérdida de presión permanente es menor.

Exactitud 0.95-1.5%VmRequerimientos:Muy similar P.O, La relación Qmax/Qmin es 60% mayor que en la P.O.Calibración:El parámetro se establece entre 0.2-0.7 para tuberías entre 2” y 3”.Como la contracción es gradual, la pérdida permanente se encuentra entre (0.3-0.8)% de la P causada por el instrumento.

Tubo venturi

Exactitud 0.75%VmRequerimientos:No se ve afectado por partículas sólidas o burbujas.La relación Qmax/Qmin es 60% mayor que en la P.O.Calibración:El parámetro se establece entre 0.2-0.7 5 siendo el valor más común 0.5Debido a su forma aerodinámica la pérdida permanente de presión es de alrededor del 15% de la P causada por el instrumento. Desventajas:Es mucho más costosa que la P.O.Ventajas:La pérdida permanente de presión es mucho menor que la que ocasionan el orificio y la tobera.

Tubo Venturi vs Placa Orificio

Comparación entre la placa orificio y el tubo Venturi:• Una placa orificio puede sustituirse fácilmente para ajustarse a diferentes ratas

de flujo, el diámetro del Venturi es fijo entonces el rango de medición está limitado por la caída de presión causada por el Venturi.

• La placa orificio genera una gran pérdida permanente de presión debido a la presencia de remolinos aguas abajo del orificio, la forma del Venturi previene la formación de remolinos lo cual reduce enormemente la pérdida permanente de presión.

• El orificio es económico y fácil de instalar, el Venturi es costoso y debe ser cuidadosamente diseñado. Una placa orificio se puede reemplazar fácilmente mientras que un Venturi está diseñado para instalaciones permanentes.

Medidor de desplazamiento positivo

Exactitud 1.5%Vm• No se utiliza para gases• El fluido debe ser líquido limpio y debe poseer cierta viscosidad.• Se utiliza como totalizador. En el 10% de las aplicaciones industriales• Tiene baja fricción y es de bajo mantenimiento.• Ocasiona una pérdida permanente de presión .

Medidores por ultrasonido

Principio de Funcionamiento

Estos medidores utilizan emisores y receptores de ultrasonido situados ya sea dentro o fuera de la tubería, son buenos para medir líquidos altamente contaminados o corrosivos, porque se instalan exteriormente a la tubería. Los medidores tienen una exactitud de ±0,5% a ± 5% y una variabilidad del rango entre 20:1 a 75:1 con escala lineal.

Medidor de ultrasonido por diferencia de tiempos.En este caso se dispone de uno o mas pares de transmisores-receptores de ultrasonido, colocados diametralmente opuestos, formando un ángulo (α) con el eje de la tubería. El principio de medición se basa en medir la diferencia en el tiempo que tarda en viajar una onda de ultrasonido aguas abajo, con respecto al tiempo que le toma en viajar aguas arriba.En los medidores de haz múltiple, se mide la velocidad del fluido en diversos planos y se obtiene un promedio.Este medidor opera con gases y líquidos, pero presenta mejor desempeño en gases.

Medidores por ultrasonido

Medidor de ultrasonido por diferencia de tiempos (contin)En un caso la velocidad aparente del sonido se ve aumentada por la velocidad del fluido, mientras que en el otro se ve disminuida. Esta diferencia en tiempos es proporcional a la velocidad del fluido, y está determinada por la siguiente fórmula:

V = - [(D/sen α . cos α)(tab-tba)] / (2tab.tba)

Donde:

V = Velocidad del fluido.α = Angulo de inclinación del haz de ultrasonido con respecto al eje longitudinal de la tubería.D = Diámetro interno de la tubería.tab = Tiempo de viaje de la onda del punto a al b.tba = Tiempo de viaje de la onda del punto b al punto a.

Medidores por ultrasonido

Medidor de ultrasonido por efecto Doppler. En este caso, se proyectan ondas de ultrasonido a lo largo del fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido. El método está limitado por la necesidad de partículas en suspensión como burbujas o partículas sólidas en la corriente líquida, pero permite medir algunos caudales de fluidos difíciles, tales como mezclas gas-líquido, fangos, entre otros. Tienen las ventajas de que no poseen partes móviles, no añaden caída de presión ni distorsionan el modelo del fluido. Opera con gases y líquidos.

Medidores por ultrasonido

Medidores de turbinaLos medidores de turbina tienen un rotor de aspa que puede girar libremente cuando el fluido lo empuja, entonces la velocidad de rotación de la turbina es proporcional a la velocidad del fluido. Para determinar el número de revoluciones de la turbina el medidor consta de un dispositivo captador que genera un impulso eléctrico cada vez que un álabe de la turbina pasa frente a él.Exactitud 1%Vm•El fluido debe ser limpio y poco abrasivo.•Sirve para líquidos y gases.•Variabilidad del rango 30:1•No se utiliza para control.•Genera una caída de presión apreciable, pero menor que la P.O.

Exactitud 0.5%Vm• No es intrusivo.• Se utiliza en tuberías de

diámetro grande.• Se utiliza para fluidos

limpios, y sucios en flujo laminar y turbulento.

• El fluido debe ser conductor eléctrico. La tubería debe ser de plástico en la sección donde se coloca el medidor.

• Requiere de altos costos de instalación y mantenimiento.

Medidor magnético

Un medidor de flujo es típicamente construido de acero inoxidable o de Hastelloy e incluye el cuerpo de choque, un sensor de vórtice y un transmisor electrónico.

Exactitud: Líquidos 0.75%Vm, gases 1%Vm•Es intrusivo•Se debe utilizar con fluidos limpios y poco abrasivos, en tuberías de diámetro entre 1y 6”.•Variabilidad del rango 15:1, 25:1.•Susceptible a vibraciones. .Operan con bajo consumo de energía y requieren de poco mantenimiento.

Medidor tipo vortex

IMPORTANCIA DE LA MEDICIÓN DE FLUJO