MEDIDORES DE FLUJO

INTRODUCCIÓN

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 controlarlos, para lo que es necesario

saber en todo momento cuáles son las principales características de los fluidos,

que pueden variar mucho de una aplicación a otra. 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.

ANTECEDENTES

El funcionamiento y las aplicaciones tecnológicas de algunos aparatos

medidores de flujo el cual su invención data de los años 1.800,como el Tubo

Vénturi, donde su creador luego de muchos cálculos y pruebas logró diseñar un

tubo para medir el gasto de un fluido, es decir la cantidad de flujo por unidad de

tiempo.

Principalmente su función se basó en esto, y luego con posteriores

investigaciones para aprovechar las condiciones que presentaba el mismo, se

llegaron a encontrar nuevas aplicaciones como la de crear vacío a través de la

caída de presión.

Luego a través de los años se crearon aparatos como los rotámetros y los

fluxómetros que en la actualidad cuenta con la mayor tecnología para ser más

precisos en la medición del flujo.

También tener siempre presente la selección del tipo de medidor , como los

factores comerciales, económicos, para el tipo de necesidad que se tiene etc.

TIPOS DE MEDIDORES DE CAUDAL

FACTORES PARA LA ELECCIÓN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO

Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde

varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio

hasta varios miles de metros cúbicos por segundo (m3/s) para sistemas de

irrigación de agua o agua municipal o sistemas de drenaje. Para una

instalación de medición en particular, debe conocerse el orden de magnitud

general de la velocidad de flujo así como el rango de las variaciones

esperadas.

Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medición de flujo instalado y

operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del

flujo real. La mayoría de los medidores en el mercado tienen una exactitud del

2% y algunos dicen tener una exactitud de más del 0.5%. El costo es con

frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran

exactitud.

Pérdida de presión: debido a que los detalles de construcción de los

distintos medidores son muy diferentes, éstos proporcionan diversas

cantidades de pérdida de energía o pérdida de presión conforme el

fluido corre a través de ellos. Excepto algunos tipos, los medidores de

fluido llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un

dispositivo mecánico en la corriente de flujo, causando así la pérdida de

energía.

Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se

encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido. Una

consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores

que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la

corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades

de lubricación y homogeneidad.

Calibración: se requiere de calibración en algunos tipos de medidores.

Algunos fabricantes proporcionan una calibración en forma de una gráfica o

esquema del flujo real versus indicación de la lectura. Algunos están equipados

para hacer la lectura en forma directa con escalas calibradas en las unidades

de flujo que se deseen. En el caso del tipo más básico de los medidores, tales

como los de cabeza variable, se han determinado formas geométricas y

dimensiones estándar para las que se encuentran datos empíricos disponibles.

Estos datos relacionan el flujo con una variable fácil de medición, tal como una

diferencia de presión o un nivel de fluido.

CLASIFICACION DE LOS MEDIDORES SEGÚN EL AREA

MEDIDORES DE AREA FIJA

Estos medidores están basados en la perdida de presión de fluido al pasar por

un estrechamiento. Su presiòn disminuye mientras el fluido pasa por el

medidor, es recuperado parcialmente cuando la tubería recupera también su

diámetro original.

MEDIDORES DE AREA VARIABLE

El ejemplo mas representativo de este medidor es el rotámetro. El rotámetro es

un instrumento de medición de fluidos al estado liquido o gaseoso. Consta

principalmente de un tubo graduado de sección cónica.

SEGÚN LA TOMA DE LA VELOCIDAD DEL FLUJO

VELOCIDAD LOCAL:

• Tubo de Pitot

• Tubo de Pitot Compacto o Tubo de Prandtl

VELOCIDAD PROMEDIO: velocidad en toda la sección transversal.

Se clasifican en 3 clases:

1. Aquellos que sufren una caída de presión a consecuencia de una

reducción o estrechamiento: Tubo Venturi, Placa de Orificio, Tobera

de Inserción.

2. Área variable de presión constante: Rotámetros.

3. Medidores directos: Fluxometros, medidores térmicos, medidores de

ultrasonido, medidores magnéticos, medidores radiactivos.

TUBO PITOT

Mide la diferencia entre la presión total y la presión estática, es decir, la

presión dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad.

TUBO ANNUBAR

Es una innovación del tubo Pitot consta de dos tubos, el de presión total y el

de presión estática .Es de mayor precisión que el tubo de Pitot. El caudal total

puede determinarse a partir de esas múltiples mediciones.

1. MEDIDORES DE CABEZA O CARGA VARIABLE

Principio de funcionamiento: Cuando se restringe una corriente de flujo, su

presión disminuye en una cantidad que depende del flujo volumétrico a través

de la restricción. Por lo tanto, la diferencia de presión entre puntos antes y

después de la restricción se utiliza para calcular el flujo volumétrico

Tubo de venturi

Boquilla de flujo (Medidor de tobera)

Medidor de orificio

Tubo de flujo

TUBO DE VENTURI

El tubo Venturi es similar a la placa

orificio, pero está diseñado para eliminar la

separación de capas próximas a los bordes

y por lo tanto producir arrastre.

El cambio en la sección transversal

produce un cambio de presión entre la sección convergente y la garganta,

permitiendo conocer el caudal a partir de esta caída de presión. Aunque es

más caro que una placa orificio, el tubo Venturi tiene una caída de presión

no recuperable mucho menor.

• El flujo que viene de la tubería principal en la sección 1 se hace acelerar

a través de una sección estrecha denominada garganta, donde la

presión del flujo disminuye. Después el flujo se expande a través de una

porción divergente que alcanza el diámetro de la tubería principal

• En el sector más grande la velocidad del fluido es v1 y en el más

pequeño la velocidad aumenta a v2.

Aplicando la ecuación de la energía y de continuidad entre las secciones

1 y 2 tenemos:

De acuerdo a la ecuación de continuidad

A1v1 = A2v2, entonces v2 = A1v1/A2

Por otro lado, de acuerdo a la ecuación de Bernoullí

ECUACIONES DE UN TUBO DE VENTURI

Observaciones:

- El tubo de venturi se instala generalmente en posición horizontal, z1 –

z2 = 0

- hL se calcula de manera experimental y se relaciona con un coeficiente

de descarga C, que representa la relación de la velocidad real con

respecto a la velocidad ideal

Ecuación de flujo cuando un manómetro se emplea para medir la presión

APLICACIONES : CARBURADOR, Y PARA QUE SIRVE?

Se llama carburador a la parte que se encuentra ubicada en la parte

superior del motor,   montado en el múltiple de admisión y  sirve para

administrar el ingreso de combustible a la cámara de combustión.

El diseño de un carburador obedece a las necesidades de eficiencia

para una correcta mezcla aire/combustible. ( 14.7 partes de aire por 1 de

gasolina).

Existen diferentes, tipos de carburadores, que difieren en tamaño,

figura,conecciones, etc.; Pero la función siempre es la misma:

Administrar una correcta mezcla de combustible, para enviarla a la

cámara de combustión.

A QUE SE LLAMA VENTURI ?

Se conoce como venturi :La

parte diseñada de la garganta

del carburador que se 

estrecha y se ensancha, El

aire al pasar por el venturi,

obedeciendo una ley física,

aumenta de velocidad y con

ello baja la presión.

Venturi (sección en azul)

y nro 5

Carburador

CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN

1.- Depósito

2.- Filtro de malla

3.- Bomba

4.- Motor alternativo

5.- Filtro exhaustivo

6.- Depósito o cuba

7.- Entrada de aire

8.- Difusor

9.- Salida de la mezcla

Carburador

Principio de Bernoulli y Tubo Venturi

Con el aumento de la velocidad de desplazamiento de un gas disminuye su

presión interna, siendo menor que la atmosférica: Se genera vacío.

PLACA DE ORIFICIO

La placa de orificio es una placa delgada que puede sujetarse entre bridas de

tubería. El orificio de arista afilada ocasiona que el chorro se contraiga aguas

abajo del orificio, de tal manera que las líneas de corriente, continúan

convergiendo en una distancia corta después del plano del orificio; por tanto, el

área de flujo mínimo es en realidad menor que el área del orificio.

Algunos tipos de placas orificios son los siguientes:

La concéntrica: sirve para líquidos

La excéntrica: para los gases

La segmentada cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases

disueltos.

- Detalles de un medidor de orificio de placa delgada

1 2 3

Caudal en una placa de orificio

Consideraciones:

El orificio debe ser biselado y pulimentado, no debe tener limaduras

metálicas.

Un medidor de orificio por lo general se fabrica en el intervalo 0.2 < d/D

< 0.8

Los manómetros son insertados a un diámetro corriente arriba y a medio

diámetro corriente abajo de la placa.

El valor de C es menor que el tubo Venturi puesto que el fluido sufre

una contracción repentina seguida de una expansión repentina.

TUBOS DE INSERCION

Es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección

cilíndrica recta y corta.

Es un dispositivo de forma estándar con insertos de presión localizados

por lo general a un diámetro corriente arriba de la entrada y a medio

diámetro corriente abajo.

Tiene una ventaja sobre la placa de orificio en que es menos susceptible

a la erosión y el desgaste, y comparada con el medidor venturi, es más

barata y simple de instalar.

ROTAMETRO

El Rotámetro tiene un flotador (indicador) que se

mueve libremente dentro de un tubo vertical

ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia

abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y

hace que el flotador suba hasta que el área anular

entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de

presión de este estrechamiento sea lo

suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El

tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del

flotador indica el gasto o caudal.

TIPOS Y MATERIALES DE LOS FLOTADORES (ROTAMETRO)

TIPOS DE FLOTADORES:

cilíndrico con borde plano: caudales mayores y mayor gama de

fluidos.

cilíndrico con borde saliente de cara inclinada a favor del flujo,

disminuyendo su afectación por la viscosidad del medio.

cilíndrico con borde saliente en contra del flujo: comparable a una

placa de orificio y con el menor efecto de la viscosidad.

Material Densidad

(g/ml)

Aluminio 2.72

Bronce 8.78

Durimet 8.02

Monel 8.84

Níquel 8.91

Goma 1.20

Acero inoxidable

303

7.92

Acero inoxidable

316

8.04

Hastelloy B 9.24

Hastelloy C 8.94

Plomo 11.38

Tantalio 16.60

Teflón 2.20

Titanio 4.50

ECUACIONES DEL ROTAMETRO

El valor de Cd en función al # de Reynolds del flotador.

FLUXOMETROS

FLUXOMETRO DE TURBINA

El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende

de la velocidad del flujo. Conforme cada una de las aspas de rotor pasa a

través de una bobina magnética, se genera un pulso de voltaje que puede

alimentarse de un medidor de frecuencia, un contador electrónico u otro

dispositivo similar cuyas lecturas puedan convertirse en velocidad de flujo.

Velocidades de flujo desde 0.02 L/min hasta algunos miles de L/min se pueden

medir con fluxómetros de turbina de varios tamaños.

FLUXOMETRO DE VORTICE

Una obstrucción chata colocada en la corriente del flujo provoca la creación

de vortices a una frecuencia que es proporcional a la velocidad del flujo. Un

sensor en el fluxometro detecta los vortices y genera una indicación en la

lectura del dispositivo medidor.

La frecuencia de los vortices creados es directamente proporcional a la

velocidad del flujo y, por lo tanto, a la frecuencia del flujo del volumen.

Pueden utilizarse en una amplia variedad de fluidos incluyendo líquidos sucios

y limpios, así como gases y vapor.

DESPRENDIMIENTO DE VÓRTICES (VORTEX)

FLUXOMETRO ELECTROMAGNÉTICO

Basado en la ley de Faraday. Formado por un tubo, revestido interiormente con

material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie

interna se colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal

eléctrica de medida. En la parte externa se colocan los dispositivos para

generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con

diversos grados de seguridad.

FLUXOMETRO DE ULTRASONIDO

Consta de unas Sondas, que trabajan por pares, como emisor y receptor.

Los hay dos tipos:

a) DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del

líquido.

Se colocan dos sensores cada uno a un lado del flujo a medir y se envía

una

señal de frecuencia conocida a través del líquido.

b) TRÁNSITO: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo.

Las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinación de 45º

respecto a la dirección de flujo del líquido.

EXPERIENCIA EN EL LABORATORIO

OBJETIVOS:

Identificar los diversos medidores de caudal con que cuenta el banco de

tuberías del LOPU.

Determinar el caudal de tuberías mediante los diferentes métodos

estudiados.

Comparar los coeficientes de carga de cada uno de los medidores.

MEDIDORES DE CAUDAL:

La placa de orificio

Datos a tomar en cuenta en la placa de orificio

Diámetro de la placa

Diámetro de la tubería

Caída de presión en 2 puntos tomados

Lectura del caudal medido con el contómetro o rotametro.

K= Coeficiente de flujo

Ao= área del orificio de la placa

TOBERA DE INSERCIÓN:

OH

Hg

2

TUBO DE VENTURI

Ecuaciones para Venturi

Medidores de flujo abierto

Para verteros rectangulares

Donde:

Cd: coeficiente de descarga.

B : ancho del canal.

h : carga en la sección de medición

g : aceleración gravitacional gravedad (9.8m/s2)

p : altura hasta la base de la cresta.

b: ancho de la cresta.

Cálculos para el Cd

Un vertedero rectangular sin contracción es aquel cuyo ancho es igual al del

canal de aproximación. Para este tipo de vertedero es aplicable la fórmula de

Rehbock para hallar el valor de Cd

25

2.0050.0392.0

B

b

p

hCd

Para verteros triangulares

Calculo del Cd

También se puede obtener por medio de monogramas, dependiendo del ángulo

ghxTgCdxQ 2215

8 2

5

Donde:

Cd: coeficiente de descarga.

B : ancho del canal.

h : carga en la sección de

medición

g : aceleración gravitacional

gravedad (9.8m/s2)

p : altura hasta la base de la

cresta.

2

66.01

..32.

13

1

23

22

Tghx

phB

TghxCd