FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Tema: MEDIDORES DE CAUDAL

Alumnos:

Chancafe Pisfil, Liz Kateryn

Fernández Frías, Rony

Informe para la Asignatura de Operaciones y

Procesos Unitarios

Chiclayo, 25 de Noviembre del 2015

MEDIDORES DE CAUDAL

Caudal: Es una indicación de que tanto fluido en peso o volumen se está moviendo, o sea es que tanta cantidad de fluido está pasando por un determinado punto dentro de un período específico de tiempo. Para realizar esta medición se utilizan los flujómetros.

Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea, los fluidos están ahí y, por tanto, hay que conocerlos, para lo que es necesario saber cuáles son las principales características de los fluidos, que pueden variar mucho de una aplicación a otra.

La medida de caudal en conducciones cerradas, consiste en la determinación de la cantidad de masa o volumen que circula por la conducción por unidad de tiempo.

Los instrumentos que llevan a cabo la medida de un caudal o gasto volumétrico de un fluido para la medición del gasto másico se denominan, habitualmente caudalímetro, medidor de caudal, medidor de flujo o flujómetro

En el mercado existe una gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones.

Los medidores de caudal volumétrico pueden determinar el caudal de volumen de fluido de dos formas:

Directamente, mediante dispositivos de desplazamiento positivo, o Indirectamente, mediante dispositivos de: presión diferencial, área variable,

velocidad, fuerza, etc.

En el presente trabajos abordaremos en primer lugar los medidores de presión diferencial, luego por área transversal y finalmente veremos otros métodos como el rotor, ultrasonido, turbina, vórtice, etc.

I. MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL

Esta clase de medidores presenta una reducción de la sección de paso del fluido, dando lugar a que el fluido aumente su velocidad, lo que origina un aumento de su energía cinética y, por consiguiente, su presión tiende a disminuir en una proporción equivalente, de acuerdo con el principio de la conservación de la energía, creando una diferencia de presión estática entre las secciones aguas arriba y aguas abajo del medidor.

 

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 está 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.

P1+12ρV 2+Y=constante

ρ= densidad del flujo 

Una aplicación directa del Teorema de Bernoulli se encuentra en el tuboVenturi, el cual se detallará más 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 medidores de presión diferencial

Entre los principales tipos de medidores de presión diferencial se pueden destacar los siguientes:

placas de orificio, toberas, tubos Venturi, tubos Pitot, tubos Annubar, codos, medidores de área variable, medidores de placa.

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.

Las principales ventajas de dichos medidores son:

sencillez de construcción, no incluyendo partes móviles, 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.

Sus principales desventajas son:

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.

Medidor de diafragma de orificio

Placas de orificio

La placa de orificio concéntrico o placas de orificio consiste en una placa perforada que se instala en la tubería y pueden utilizarse para todo caudal permanente de fluido limpio y homogéneo (Líquido, gas o vapor)

El orificio de la placa puede ser de tres tipos: concéntrico, excéntrico y segmental. Las placas de orificio tipo excéntrico y segmental se utilizan principalmente en aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensión o condensado de vapor. Las placas de orificio de tipo concéntrico se recomiendas para aplicaciones de líquidos limpios, de baja viscosidad; para la mayoría de los gases; y vapor a baja velocidad

Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora, normalmente, un pequeño orificio de purga.

Con el fin de evitar arrastres de sólidos o gases que pueda llevar el fluido, la placa incorpora, normalmente un pequeño orificio de. Entre los diversos perfiles de orificio

que se utilizan, se pueden destacar los siguientes: de cantos vivos, de cuarto de círculo y de entrada cónica, especialmente cuando el fluido es viscoso

Perfiles de Orificios

Para captar la presión diferencial que origina la placa de orificio, es necesario conectar dos tomas, una en la parte anterior y otra en la parte posterior de la placa. La disposición de la toma puede ser: Bridas, en la vena contraída y en la tubería

Las tomas en la brida se usan para tamaños de tubería de 2 in (50,8 mm) o superiores.

En el caso de las tomas en la vena contraída, la toma antes de la placa se sitúa a 1 in (25,4 mm) de distancia de la placa, mientras que la toma posterior se debe situar en el punto de mínima presión, donde la vena alcanza su diámetro más pequeño.

Las tomas en la tubería se sitúan a 2 ½ y 8 diámetros de tubería respectivamente, antes y después de la placa de orificio

Tipos de tomas en la tubería

Tomas en las bridas

El orificio de la toma de precisión esta practicado en las mismas bridas de sujeción de la placa de orificio y se realizan para que eje esté a 1” (25,4mm) aguas arribas y aguas debajo de la placa, según indica la norma ANS-B 16,36.

El diámetro de la toma oscila entre ¼ y ½ (6,35 a 12,7 mm). Tomas en la vena contracta Cuando se utilizan tomas en vena contraacta con diafracmas excéntricos, es

preciso ponerlas a 180 ó 90 grados con relación al orificio Tomas en la tubería Se sitúan a 2 ½ diámetros aguas arriba (toma de alta presión) y a 8 diámetros

aguas abajo es la toma de baja presión.

Porta placa de orificio

Las placas de orificio se sugetan en sitio con la ayuda de un porta placa que no es más que un dispositivo comercial el cual depende del tipo de instalación que se hace. La brida sujeta las placas de orificio en la línea. La razón de usar estos dispositivos es la de evitar la movilización de la tubería que es inevitable con bridas de orificio

Bridas porta placas

Fuente: Facilidades de Superficie II

Porta placa de una cámara (Simplex):

Permiten remover o insertar la placa de orificio rápidamente y de una manera económica, usan cuerpos de una sola pieza.

Porta placas de dos cámaras (Senior): Es la más costosa pero a la vez más flexible, provee un método rápido, seguro y extremadamente sencillo para cambiar placas de orificio bajo presión, sin interrumpir el flujo ni el proceso, y eliminando la necesidad de bypass, válvulas y otros accesorios requeridos.

Medidor de Orificio

Fuente : Facilidades de Superficie II

Registrador

Actúa como elemento secundario en el proceso de medición; es un dispositivo que responde a la señalización del orificio y la convierte en señal de salida que puede ser traducida como medida de flujo o de cantidad. Hay dos presiones regustradas por el medidor de orificio

Presión estática (Pf): Usualmente en el conducto de gas aguas debajo de la placa de orificio

Presión diferencial (hw): Es la disminución de presión ocasionada por el orificio que se instala en la tubería. Esta operación es muy baja y se lee generalmente en pulgadas de agua

Principio de Operación

Está basada en el principio físico “ La pérdida de presión de un fluido fluyendo a través de una constricción en la lines es proporcional a la velocidad al cuadrado del fluido”

Ecuación Básica de flujo de orificio

Q= C´ √(hwPf)

Q= Tasa de flujo – (ft3/hs)

C´= constante de flujo de orificio

hw= Presión diferencial medidor (pulgadas de agua)

Pf= presión estática (psia)

La ecuación de flujo de orificio es derivada empíricamente desde las leyes fundamentales de física concerniente a la

Conservación de energía Aceleración gravitacional Los de gas ideal Instrumento de medidores de orifcios Retenedores del plato de orificio Platos de orificio Volumen medido por contador para medidor de orificio Registradores de cartas Computadores de flujo de gas

Medidor de Venturi

 La función básica de este medidor consiste en producir un estrangulamiento en la sección transversal de la tubería, el cual modifica las presiones, con la medición de este cambio es posible conocer el gasto que circula por la sección, el estrangulamiento de esta es muy brusco, pero la ampliación hasta la sección original

Medidor de diafragma de

orificio

Placas planas y redondas con un orificio de perforación instalada en tubos para restringir el flujo

del fluido

Tipos de placa de orificio

Diámetro nominal 6 in o menor0,255 in >Placa> 0,010 in de grosor

Concéntrica: sirve para líquidos

Segmentada partículas en suspensión implican turbulencias que limpiarán (para que no se aglomeren partículas) el lado de alta presión evitando errores en la medición, su ventaja radica en que no acumula sólidos en el lado corriente arriba de la placa

Excéntrica: para los gases donde los cambios de presión implican condensación. Cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos. Es útil en flujo de fluidos en dos fases( vapor húmedo, líquidos conteniendo sólidos, aceite conteniendo agua, etc.)

El borde arriba del orificio debe ser cuadrado y puntiagudo sin contornos redondeados o biselados Diámetro nominal 4 in

o menor0,130 in >Placa > 0,006 in de grosor

Especificaciones de la placa de orificio

Dimensiones de la placa de orificio

Para tuberías de

Q= C´ √(hwPf) Q= Tasa de flujo – (ft3/hs)C´= constante de flujo de orificiohw= Presión diferencial medidor (pulgadas de agua)Pf= presión estática (psia)

Ecuación Básica de flujo de orificio

Un dispositivo comercial que sujeta las placas de orificio el cual depende del tipo de instalación que se hace. La brida sujeta las placas de orificio en la línea. La razón de usar estos dispositivos es la de evitar la movilización de la tubería que es inevitable con bridas de orificio

Porta placa de orificio

No mayor a 0,505 in de grosor en ningún caso

La placa debe ser plana y lisa con una superficie molida y pulida

Debe ser de metal anticorrosivo

(De/Di) del orificio = βPara medidores en brida 0,15<β<0,70Para medidores de tubería 0,20<β<0,67

es

Son

es gradual. Generalmente es una pieza fundida que consta de una porción aguas arriba, la cual tiene el mismo tamaño de la tubería, tiene un revestimiento en bronce y contiene un anillo piezométrico para medir la presión estática; en una región cónica convergente, una garganta cilíndrica con un revestimiento en bronce que contiene un anillo piezométrico y una región cónica gradualmente divergente que desemboca en una sección cilíndrica del tamaño de la tubería. Un manómetro diferencial conecta los dos anillos piezométricos. El precio de este se dispara, pudiendo llegar a un costo 20 veces superior a un diafragma. Para obtener resultados acertados este medidor debe ser precedido de una tubería recta con una longitud de por lo menos 10 diámetros.

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 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

V= velocidad del fluido en la sección considerada

G= aceleración gravitatoria, g=9,81 m/s2

P= presión en cada punto de la línea corriente

Y es el peso específico, cte

Z= altura en vertical sobre una cota de referencia

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:

V garganta=√ 2 (P1−P2)

ρ [1−( dD )4 ]

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:

V garganta=Cu√ 2 (P1−P2 )

ρ[1−( dD )4]

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:

 

 

 

 

 

Aplicaciones del efecto venturi

Tubos de venturi: medida de velocidad de fluidos en conducciones y aceleración de fluidos.

Hidráulica: la depresión generada en un estrechamiento al aumentar la velocidad del fluido, se utiliza frecuentemente para la fabricación de máquinas que proporcionan aditivos en una conducción hidráulica. Es muy frecuente la utilización de este efecto "venturi" en los mezcladores del tipo z para añadir espumógeno en una conducción de agua para la extinción.

Petróleo: la succión o depresión que ocasiona el cambio de área generada por el efecto venturi, se usa para extraer artificialmente fluidos de pozos petroleros; este tipo de bombas jet funcionan mediante la inyección de un fluido a alta presión pasando por una sección reducida, llamada boquilla donde se produce un cambio de energía potencial a cinética, originado a la salida de una boquilla, lo que provoca una succión del fluido de formación. Estos fluidos entran en otra zona que ocasiona el efecto inverso llamada garganta, luego la mezcla de fluidos sufre un cambio de energía cinética a potencial a la entrada de un área de expansión llamada difusor, donde la energía potencial es la responsable de llevar el fluido hasta la superficie.

Motor: el carburador aspira el carburante por efecto venturi, mezclándolo con el aire (fluido del conducto principal), al pasar por un estrangulamiento.

Neumática: para aplicaciones de ventosas y eyectores.

Aeronáutica: interviene en efectos relacionados con la viscosidad del aire que pueden explicarse con las ecuaciones de navier-stokes. además, se utiliza un tubo venturi para proveer succión a los instrumentos que trabajan con vacío, (coordinador de giro, horizonte artificial, etc.) en los aviones que no están provistos de bombas mecánicas de vacío. aunque el efecto venturi se utiliza frecuentemente para explicar la sustentación producida en alas de aviones, este efecto realmente no puede explicar la sustentación aérea, pues un perfil alar no actúa como un tubo de venturi acelerando

las partículas de aire: las partículas son aceleradas debido a la conservación de la energía (se explica mediante el principio de bernoulli.

Hogar: en los equipos ozonificadores de agua, se utiliza un pequeño tubo venturi para efectuar una succión del ozono que se produce en un depósito de vidrio, y así mezclarlo con el flujo de agua que va saliendo del equipo con la idea de destruir las posibles bacterias patógenas y de desactivar los virus y otros microorganismos que no son sensibles a la desinfección con cloro.

Cardiología: el efecto venturi se utiliza para explicar la regurgitación mitral que se puede dar en la miocardiopatía hipertrófica, y que es causa de muerte súbita en deportistas. La explicación es que el movimiento sistólico anterior que realiza la valva anterior de la válvula mitral, se produce porque la hipertrofia septal y el estrechamiento del tracto de salida provocan una corriente de alta velocidad sobre la v. mitral, que debido al efecto venturi, succiona el extremo de la valva anterior contra el septo, que impide la salida de sangre, por lo que regurgita hacia la aurícula izquierda.

Neumología: el efecto venturi se utiliza en máscaras para la administración de concentraciones exactas de oxígeno, para controlar la fio2; se denominan máscaras de venturi o ventimask. el oxígeno al 100% suministrado durante cierto periodo de tiempo es tóxico, por lo que se mezcla con aire externo cuya concentración de oxígeno es del 21%, de modo que en función de la cantidad de aire que se mezcle con el oxígeno al 100%, la concentración de oxígeno será mayor o menor, normalmente se suministra entre un 26%-50%.

.

Medidor de venturi

Este consta en sus extremos de dos entradas en las cuales existe una boquilla, el fluido pasa por la boquilla

Tubo VenturiFunción Aplicaciones

La función básica de este medidor consiste en producir un estrangulamiento en la sección transversal de la tubería, el cual modifica las presiones, con la medición de este cambio es posible conocer el gasto que circula por la sección, el estrangulamiento de esta es muy brusco, pero la ampliación hasta la sección original es gradual

Una sección aguas arriba Una sección cónica convergente Una sección cónica con una

divergencia gradual hasta alcanzar el diámetro original de la tubería.

Los anillos piezométricos

Hidráulica: fabricación de máquinas,mezcladores del tipo Z

Petróleo Neumática Aeronáutica aviones Hogar: En los equipos ozonificadores

de agua Acuarofilia: En las tomas de bombas

de agua o filtros, el efecto Venturi se utiliza para la inyección de aire y/o CO2.

Cardiología: que permite la entrada del aire procedente del exterior a través de unos orificios circundantes, dependiendo del tamaño de los orificios, entra más o menos aire y por tanto menor o mayor

Se explica por el principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa

elementos

Medidor de boquilla o tobera

TOBERAS

La tobera presenta una entrada curvada que se prolonga en un cuello cilíndrico, siendo el coeficiente de descarga similar al del tubo Venturi. Sin embargo, la caída de presión es del mismo orden que en la placa de orificio, para el mismo caudal y con el mismo tamaño de tubería. En este medidor se dispone de una toma de presión anterior y otra posterior, de manera que se puede medir la presión diferencial. La tobera permite caudales muy superiores a los que permite el diafragma (del orden de 60% superiores). Se utilizan en el caso de tuberías con diámetros mayores de 30cm.

Las toberas son de dos tipos, las de radio grande y las de radio pequeño (denominadas toberas ISA 1932). La tobera, con su entrada suave redondeada, elimina prácticamente la vena contracta y da coeficientes de descarga (Cd) próximos a la unidad. Las pérdidas no recuperables siguen siendo grandes, ya que, no hay difusor para la expansión gradual posterior.

Éstas se pueden utilizar como elementos medidores de caudal tanto en conductos  (tuberías) como en cámaras impelentes y se instalan con brindas roscadas con un macho, de acuerdo con las normas ASME o con otras especificaciones de normas.

Si se requiere instalar un medidor de caudal (Q) aguas abajo de una válvula, de un codo o de otro accesorio, se debe colocar también un tramo rectilíneo de tubería entre el accesorio y el medidor; para las toberas se pueden necesitar un tramo de tubería rectilínea hasta de 4 veces el diámetro.

FLUJO EN TOBERAS.

Una sección aguas arriba Una sección cónica convergente Una sección cónica con una

divergencia gradual hasta alcanzar el diámetro original de la tubería.

Los anillos piezométricos

Hidráulica: fabricación de máquinas,mezcladores del tipo Z

Petróleo Neumática Aeronáutica aviones Hogar: En los equipos ozonificadores

de agua Acuarofilia: En las tomas de bombas

de agua o filtros, el efecto Venturi se utiliza para la inyección de aire y/o CO2.

Cardiología: que permite la entrada del aire procedente del exterior a través de unos orificios circundantes, dependiendo del tamaño de los orificios, entra más o menos aire y por tanto menor o mayor

El flujo de cualquier fluido por una tobera, cualquiera que sea el caudal (Q), puede expresarse por:

Q = Cd A Ö(2gn hL)

Este caudal puede tener un considerable efecto en la cantidad descargada a través de una tobera.  El factor corrector para éste es:

.      1/Ö (1- b4)

que prácticamente puede incorporarse a la primera ecuación, de aquí se deduce que:

           Q =  (Cd A/Ö (1- b4))*Ö(2gn hL) dónde: Cd/Ö (1- b4)        = C definida como coeficiente de flujo.

b está dada por D1/D2, donde D1 es el diámetro interno de la tubería y D2 es el diámetro de la abertura de la tobera.

El coeficiente de descarga (Cd) para las toberas de radio grande recomendado por la ISO es:

Cd @ 0.9965 – 0.00653 b1/2 (106 / ReD1)1/2

     = 0.9965 – 0.00653  (106 / ReD2)1/2

Para toberas de radio corto, ISA 1932, se recomienda una correlación semejante:

Cd @ 0.9900 – 0.2262b4.1 +(0.000215– 0.001125b + 0.00249 b4.7 )*(106 / ReD1)1.15

Las toberas tienen b entre 0.2 y 0.8.

Para que tenga un mejor entendimiento en la siguiente figura se muestra una tobera de flujo ISA (Instrument Society America, Sociedad Americana Industrial) (originalmente tobera de flujo VDI).

Si se va a utilizar el coeficiente C dado por la figura, es importante cumplir con las dimensiones mostradas, particularmente en lo referente a la localización de las aberturas piezométricas para medir la caída de presión.

La siguiente es una tobera suave recomendada por la referencia [31] de ISO:

Los valores del coeficiente de flujo C  se pueden hallar utilizando una gráfica que  relaciona C, Re (#de Reynolds) y el diámetro de la tubería y de la tobera. * (1 A).  El uso de este coeficiente  C elimina la necesidad de calcular (Q).

Haciéndose un pequeño paréntesis se agrega que:

                Ö(2gn hL)   =   Ö ( 2r(p1 –p2)) 

Luego de todo el análisis anterior la ecuación se reduce a:

Q =  C AÖ (2r DP) ... (1)

COEFICIENTE DE FLUJO C PARA TOBERAS

Los valores de  DP  es la diferencia de presión entre dos agujeros roscados en la tubería, estos están situados a 1 diámetro antes de 0.5 diámetros después del plano de cara de entrada de la tobera.  Esto sucede cuando los valores de C se toman de la gráfica

El coeficiente del flujo C se representa a partir de los diferentes números de Reynolds, basados en los diámetros internos de la tubería de entrada.

La elección de cualquier medidor ya sea tobera, venturi u orificio, depende de las pérdidas y del costo:

Como ocurre a menudo, el producto de las pérdidas por el coste inicial es aproximadamente constante.

Medidor de Pitot.

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.

Medidor de boquilla o tobera

FLUJO EN TOBERAS

El flujo de cualquier fluido por una tobera, cualquiera que sea el caudal (Q), puede expresarse por:Q = Cd A (2gn hL)

Aplicaciones

Su aplicación principal es la medición de caudales de productos petrolíferos.

Se utilizan en el caso de tuberías con diámetros mayores de 30cm.

En este medidor se dispone de una toma de presión anterior y otra posterior, de manera que se puede medir la presión diferencial

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:

   Mide la velocidad en un punto.

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.

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.

Fórmula

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.

 

Aplicaciones

Velocímetro

Dispositivo para medir la velocidad de un vehículo. En los automóviles modernos el velocímetro ya no está conectado mecánicamente a la transmisión. Un dispositivo

situado en la transmisión produce una serie de pulsos eléctricos cuya frecuencia varía de acuerdo con la velocidad del vehículo; estos pulsos eléctricos se transmiten a un dispositivo calibrado que determina la velocidad y envía dicho dato al salpicadero, donde puede leerse a partir de la desviación de una aguja o directamente en una pantalla digital.

Los velocímetros de los aviones, que indican la velocidad aerodinámica, es decir, con respecto al aire, se basan en la medida de la presión cinética. el llamado tubo de pitot, inventado por el físico e ingeniero francés henri pitot, es un tubo lleno de mercurio y provisto de dos aberturas, una orientada en la dirección del flujo de aire y la otra perpendicular a éste. Cuando el avión está detenido, la presión en ambas aberturas es la misma. Cuando el avión se mueve, el aumento de la presión en la rama cuya abertura está orientada en la dirección del flujo de aire empuja el mercurio hacia la otra rama; la altura del mercurio en dicha rama indica la velocidad aerodinámica.

Anemómetro

Instrumento que mide la velocidad del viento.

Medidor de Pitot.

Mide la velocidad en un punto.  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.  Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo, con lo que la velocidad en su extremo mojado es nula.

se utiliza para calcular la presión total, también denominada presión de estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica).

Tubo de PitotAplicaciones VelocímetroAnemómetro

Características

ROTAMETRO:

Los rotámetros son medidores de caudal de área variable en los cuales un flotador cambia su posición dentro de un tubo en función del caudal que pasa por dicho tubo. Las fuerzas que actúan sobre el flotador están representadas en la figura.

Cuando el flotador esta en equilibrio se tiene.

gplVfE **

gvAfplCE

2

***

PEF

DONDE:

P=peso del flotador.

Mide la velocidad en un punto.  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.  Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo, con lo que la velocidad en su extremo mojado es nula.

Fórmula

Vf=volumen del flotador.

Pf=densidad del flotador.

PL=densidad del líquido.

E=fuerza de empuje del fluido sobre el flotador.

F=fuerza de arrastre del fluido sobre el flotador.

C=coeficiente de arrastre.

V= velocidad del fluido.

Af=área de sección del flotador.

g=gravedad.

Resolviendo las ecuaciones anteriores tenemos:

CdAflC

lfVfgU ***

)(***2

para tener en cuenta el área de paso variable del fluido elevador del rotámetro , además de fenómeno como el reparto desigual de velocidades , la contracción de la vena fluida o de la rugosidad de la tubería , se introduce un coeficiente de descarga que denominamos Cd. Es conveniente introducir dicho coeficiente en la ecuación (1) y además absorber el coeficiente de arrastre C en la definición Cd, de manera que finalmente tenemos.

CdAflC

lfVfgU ***

)(***2

Ventajas y Desventajas

Los rotámetros presentan algunas desventajas; deben ser montados en posición vertical, el flotador puede quedar no visible si el líquido empleado es opaco, no debe ser utilizado para líquidos que contengan grandes porcentajes de sólidos en suspensión y son costosos para líquidos con altas presiones y/o altas temperaturas. Las ventajas que presentan son; tienen una escala uniforme en todo el rango del instrumento, la pérdida de presión es fija para todo el rango de medida, la capacidad se puede cambiar con cierta facilidad si se reemplaza el flotador o el tubo, pueden manejar líquidos corrosivos sin inconvenientes y son de fácil lectura.

VENTURIMETRO

El Tubo de Ventura fue creado por el físico e inventor Giovanni Ventura (1746 - 1822). Fue profesor en las ciudades de Modena y pasiva. Realizo estudios referidos a la óptica, calor e hidráulica. En este último campo desarrollo el medidor diferencial de presión que lleva su nombre, según el cual es un medidor que permite medir el gasto del fluido, a partir de una diferencia de presión entre el ligar por donde entra la corriente y el punto, calíbrale, de mínima sección del tubo, en donde su parte ancha final actúa como difusor.

Esquema:

Analizando las distribuciones de presión y velocidad a lo largo del tubo de ventura, según la figura. El tubo consta de una zona de contracción, en el cual el diámetro disminuye desde un valor D hasta alcanzar un valor mínimo en la garganta Dg, seguida de un pequeño tramo recto de diámetro Dg, y finalmente de una zona de expansión en la cual el diámetro aumenta de nuevo hasta alcanzar el valor inicial D. los valores de los diámetros de los tubos de Ventura correspondientes a cada sección serán:

El caudal que circula por el tubo 1 es:

Q1 = v1 * A1 (3)

Es el área de paso en la sección 1, y vl es la velocidad del fluido en el punto 1. Como el fluido es incomprensible (densidad constante), el flujo volumétrico Q es el mismo en cualquier punto, de modo que la ecuación de conservación de masa toma la forma de:

Q = v1 * A1 = vg * A1 = vi * Ai (4)

Y vemos que conforme la sección disminuye, la velocidad aumenta para satisfacer la ecuación (4). Dado el caudal Q que atraviesa el tubo de Ventura y teniendo en cuenta las áreas de paso son conocidas, la ecuación (4) proporciona valores de la velocidad en cada punto. Utilizando la ecuación de Bernoulli, se puede calcular la presión en cada punto si se conoce la correspondiente altura h. como los tubos de Ventura están dispuestos horizontalmente, todos los puntos están a la misma altura, de modo que la ecuación de Bernoulli es:

p + v2 = cte. (5)

2

De modo que la presión disminuye en la región convergente, llega a un mínimo en la garganta y aumenta de nuevo en la región divergente.

Así mismo podemos medir el caudal de agua que pasa por la instalación aplicando la ecuación de Bernoulli en los puntos 1 y 2 (garganta) según al figura 2, además como h1 = h2, queda:

p1+ p * v12 = p2 + p * v22 (6)

2 2

Como el caudal viene dado por:

Q = v1 * A1 = v2 * A2 (7)

La ecuación 6 queda como:

p1 + p * Q2 = p2 + p * Q2 (8)

2 * A12 2 * A212

De modo que el caudal se puede determinar como:

Q = 2 * (p1 – p2) (9)

p * ( 1 - 1 )

A22 A12

La fórmula 9 es aproximada, en realidad hay que tener en cuenta las pérdidas de carga en el ducto. De este modo, la formula anterior se corrige con un coeficiente adicional, Cd, llamado Coeficiente de Descarga que tiene en cuenta las pérdidas de carga en el tramo 1 – 2 así tenemos:

Q = 2 * (p1 – p2) * Cd (10)

p * ( 1 - 1 )

A22 A12

Rescribiendo la ecuación (10) en función D y Dg, se tiene finalmente:

Q = Dg2 2 * (p1 – p2) * Cd (11)

4 p * (1 – Dg4)

D4

PLACA ORIFICIO O DIAFRAGMA:

La placa orificio o diagrama consiste en una placa perforada instalada dentro de un ducto. Dos tomas conectadas en la parte interior y posterior de la placa captan la presión diferencial, que es proporcional al cuadrado del caudal que circula dentro de este. El esquema de la placa d oficio y la distribución de las tomas se muestran en la figura 3

Figura 3. Placa Orificio

Aplicando la ecuación de Bernoulli entre dos puntos agua arriba y agua debajo de la placa orificio tal como como se muestra en la figura(3) obtenemos un caudal dado por:

Q = π*d 2*(pl - p2) ………………….(12)

4 ρ*(1 – Dg4)

D4

Donde:

Pl y P2 son las presiones aguas arriba y aguas debajo de la placa orificio. d es el diámetro del orificio y D es el diámetro interior de la tubería , aguas arriba del diafragma. De nuevo tenemos que añadir un factor de corrección debida a las perdidas de carga en el orificio, y le caudal queda determinado por a expresió

Q = Cd * π*d 2*(pl - p2) ………………….(13)

4 ρ*(1 – Dg4)

D4

Siendo Cd el coeficiente de descarga del diafragma.

Por otro lado , en cualquier sistema hidráulico practico tienen perdidas de carga , pero conviene ignorarlas al obtener expresiones de las ecuaciones en estos aparatos y Lugo corregir los resultados teóricos obtenidos, multiplicándolos por un coeficiente experimental para evaluar los coeficientes de las pérdidas de energía (en este caso Cd)

Z1 + (V1/ 2*g) + (P1/γ) = Z2 + (V2/ 2*g) + (P2/γ) ……………………(a)

=ρ*g (peso especifico)

Ahora bien, tanto para el venturimetro, como para la placa orificio Z1= Z2, debido a que generalmente estos medidores trabajan horizontalmente, por lo que la ecuación se reduce a:

(pl - p2/ γ) = (V22 –V1

2/2*g) …………………………………………..(b)

Debido a la continuidad del flujo

1 2

Donde

A1*V1 = A2*V2 donde V2 =( A1*V1/ A2) ................................................................(c)

Desarrollando la ecuación para para un caudal de un equipo o prototipo cualquiera, el Q(caudal real) esta dado en función a Cd ( factor de accesorio), entonces teniendo en cuenta (b) y ( c)

Q = Cd*A2 1 ………………………………………….(d)

1 – (A1/A2)2

Donde los valores asignados de Cd son:

Para venturimetro = 0.90

Para palca orificio = 0.63

- VertederosEn la medición del caudal en canales abiertos, se utilizan vertederos de formas que provocan una diferencia de alturas del líquido en el canal entre la zona anterior del vertedero y su punto más bajo. Le vertedero debe formar un ángulo recto con la dirección del caudal y el canal aguas arriba debe ser recto como mínimo en una distancia de 10 veces la anchura. La diferencia de alturas debe medirse en un punto aguas arroba lo suficientemente alejado como para no ser influido por la curva de bajada de la superficie del agua y es conveniente incluso utilizar un pozo de protección (tubería de diámetro ligeramente mayor que el flotador) para el flotador del instrumento de medida, caso de utilizar este sistema.

El caudal es proporcional a la diferencia de alturas según la formula general empírica:

Q=KI H n

Q = caudal en m3/s

K = constante que depende del tipo de vertedero

I = anchura de la garganta del vertedero en m

H = diferencia máxima de alturas en m

‘n = exponente que depende del tipo de vertedero o canal

Se usa normalmente el caudalímetro en canal abierto para medir el caudal en instalaciones de depuración de aguas residuales, sean instalaciones de industria o municipales. También se usa en estaciones de bombeo para medir crecidas, en piscifactorias y para medir caudal en ríos y arroyos.

Tipos de vertederos:

Otros métodos 1. CAUDALIMETRO ULTRASONICO

Presentación Caudalímetro ultrasónico para líquidos con o sin sólidos en suspensión. Mide, calcula e Indica Velocidad, Caudal y Volumen Total. No intrusivo, mide el Tiempo que tarda ultrasonido en atravesar el fluido a medir.

Al poder medir a través de cualquier material sin Cortar, Abrir ni Vaciar el caño se presta

VERTEDEROS

Causa en el agua

Eleveciones de nivel

Se usa normalmente en instalaciones de

depuracines de industria o municipales

Disminusion de nivel

Tipos

Rectangular

Es apto para la medida de caudales de 0 - 60 m3/h a 0 -

2000 m3/h

su formula: Q=1.84(L-0.2H)Hm3/s

Triangular

Es una placa con un corte en V de vértice dirigido hacia abajo y con cada

lado igualmente inclinado respecto ala vertical

Formula: para V de 90°

Aplicaciones

Control de nivel de envases

Aforo o medicion de caudales

Elevar el nivel del agua

Barrera que se interpone al flujo

para Diagnóstico, para medir Varios Puntos aún de distinto diámetro con un sólo instrumento, para medir en Cañerías Verdaderamente Grandes muy difíciles para otros equipos, y en Cañerías Bajo Presión.

Muy utilizado por Municipalidades e Industrias que no justifican medidores dedicados pero necesitan medir, de vez en cuando, algunos puntos.

Ventajas:

- No ocasiona pérdida de carga.- No tiene partes móviles. . - Ideal para la medición de materiales tóxicos o peligrosos. - Salida lineal con el caudal. - Su rango de medición es muy amplio. - En tuberías de gran diámetro es el más económico, y en ciertos casos, el

único. - Su instalación es muy simple y económica.

Desventajas:

- Su precisión no es muy alta. - Su costo es relativamente alto para tuberías de bajo diámetro.

Ecuación: Q=A∗V

Dónde:• A=¿ Área mojada• V = Velocidad Media

Aplicaciones

Los caudalímetros de ultrasonidos son versátiles. Permiten medir gases, vapor y líquidos. Las restricciones que presentan estos caudalímetros provienen principalmente de su propia "integridad física", es decir, de las limitaciones relacionadas con, por ejemplo, la resistencia al calor; o, en un nivel mucho menos significativo, de otros factores como un bajo nivel de propagación acústica en el fluido. Aunque sólo unos pocos fluidos presentan una propagación del sonido tan pobre que no puedan funcionar con caudalímetros de este tipo. Sin embargo, otras influencias externas como los fluidos bifásicos o fluidos con un contenido en partículas sólidas en suspensión demasiado alto pueden llegar a atenuar significativamente las ondas de ultrasonidos.

Permiten medir gases, vapor y líquidos.

Efecto DopplerTiempo de vuelo

Caudalímetro U.

Consta con dos

Tuberías de grandes dimensiones

Se aplica en

CAUDALOMETRO ULTRASÓNICO

Caudal

Tuberías semi llenas

Canales abiertos

Económicas

Medidas exactas

Consigue

ReceptorTrasmisor

Transductores piezoeléctricos

y

Aplicaciones

Sus

Onda sonora

Medidor

de

2. Turbinas

Los medidores de turbina consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio de area entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta. De este modo el rotor esta equilibrado hidrodinamicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales evitando asi un rozamiento que necesariamente se produciria.

Fig. Medidor de turbinas

Estos medidores de caudal son utilizados para la medición y monitoreo de líquidos. Por su construcción compacta la mini turbina es adecuada para su uso en máquinas con poco espacio disponible.

Aplicaciones:- Industria de las debidas- Dispositivos para uso en sistemas automáticos dispensadores de las

bebidas- Máquinas lavadoras- Vehículos- Equipamiento agrícola- Máquinas de revelado en la industria fotográfica y de círculos impresos.

3. Medidor de Vórtix

MEDIDOR TURBINA

Descripción

Juego de aspas

Acopladas a un eje Jira al pasar un fluido

Captar la velocidad

Tipos de convertidores

Reluctancia

Paso de palas individuales

Inductivo

El rotor contiene imán

Aplicaciones

- Generación eléctrica- Tuberias para transmision de gas- Transporte

Instrumento mas preciso disponible para medir caudal

Este medidor de caudal se basa en medir la frecuencia de torbellino. La frecuencia del torbellino es proporcional a la velocidad del fluido de acuerdo con la expresión conocida número de Struhal:

St= fxdv

Donde:

St = número de Strouhal

‘f = frecuencia del torbellino

‘d = anchura del torbellino

V = velocidad del fluido

El número de Strouhal es conctante para números de Reynolds comprendidos entre 10000 y 1000000 y d es mantenido constante por el fabricante del medidor, con lo cual, y siendo:

Q=s∗v

Los instrumentos de Vórtex son pareidos al de torbellino, excepto que están basados en el efecto Von Karman donde un cuerpo en forma de cono genera alternativamente vórtices (áreas de baja presión e inestabilidad) desfasados en 180°, cuya frecuencia es directamente proporcional a la velocidad y, por lo tanto, al caudal. La precisión es del +- 1%.

MEDIDOR VORTEX

Caudalímetro Vortex

Fluido debe tener un valor minimo de Raynols

Re= ñ v D / ì

Indicando gases y líquidos

Los vórtices son areas de movimiento circular

Alta velocidad local

Mediante Sensores Piezoeléctricos

Aplicaciones

En la industria para medir caudales volumétricos de vapor, Líquidos y gases.

Operaciones de mecanizado de refrigeración

Controles electrónicos de refrigeración

Procesos Químicos

Introducción de un cuerpo romo en la

corriente de un fluido