Instrumentación de medida de velocidades en tuberías

UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARMEN

FACULTAD DE QUIMICA “DACQYP”

CARRERA: INGENIERIA PETROLERA

MATERIA:FLUJO DE FLUIDOS

ENRIQUE FUENTES CARREÓN

Introducción Los fluidos están presentes en todos lados, ya sea desde nuestro hogar cuando nos lavamos las manos en un fregadero hasta en distintos procesos industriales como la extracción de hidrocarburos de un yacimiento. En cualquier lugar que este un fluido, es importante medirlo… en este caso de estudio será la medición de la velocidad de fluidos en las tuberías.

INSTRUMENTACION DE MEDIDA DE VELOCIDADES Los instrumentos de medida de velocidades son

desarrollados para medir la velocidad de un fluido en un punto, en módulo, en dirección o ambas cosas a la vez.

TEORÍA DEL TUBO DE PRANDTL Fue idea de prandtl combinar en un

solo intrumento un tubo de pitot y un tubo piezometrico.

Tubo de pitot : mide la presión total Tubo piezometrico: mide la presión

estática Tubo de prandtl: mide la diferencia de

los dos, que es la presión dinámica. Es muy usado en los laboratorios con líquidos y gases.

TEORÍA DEL TUBO DE PRANDTL El tubo de Prandtl, al igual que el tubo de

Pitot, al ser introducido en el fluido produce una perturbación, que se traduce en la formación en 1 de un punto de estancamiento, de manera que:

P1=Pt v1=0

En el punto O la corriente no perturbada tiene la presión Po y la velocidad vo, que es la velocidad que queremos medir.

El punto 1 se elige a la entrada del tubo de Pitot y el punto 2, donde se indica en la figura. En el punto 2 lo que hay en realidad es un tubo piezométrico con diversas entradas laterales que no perturban la corriente y que miden por lo tanto la presión estática.

Despreciando en primera aproximación las diferencias de alturas de velocidad y geodésicas entre los puntos O y 2 que suelen ser muy pequeñas por ser el tubo muy fino y estar la corriente en 2 prácticamente normalizada después de la perturbación en 1, se tendrá, despreciando también las pérdidas:

v2=vot P2=Po vot velocidad teórica en la sección O

Ecuacion de Bernoulli entre 0 y 1 (zo = z1 ,v1=0. - O-punto de estancamiento):

Ecuacion fundamental de la hidrostatica

Deduccion presión dinámica teóric, tubo de prandtl

Despejando

En el caso particular de que la medición de la velocidad se haga en el agua:

densidad relativa del liquido manométrico

Velocidad real

a) cabeza semiesférica, tubo en gancho (construcción del mismo Prandtl);b)cabeza semiesférica, codo suave (Laboratorios de Gottingen y A.S.M.E., de Norteamérica)c)cabeza cónica (Nat. Phys., Lab., de Inglaterra);

d)cabeza helipsoidal (Nat. Phys. Lab., de Inglaterra); con esta construcción se evitan los desprendimientos de la corriente;e)forma aerodinámica para reducir al mínimo las fuerzas perturbadoras de la configuración del flujo.f)forma interior muy elaborada y sensible al cambio de dirección.

Anemómetro

Griego: Anemos, viento; metron, medida. Instrumento utilizado para medir la velocidad y la dirección del viento.

Anemómetro de eje vertical

Anemómetro de eje horizontal

Anemómetro

Anemómetro de eje vertical

Muy usado en meteorología, es un instrumento con 4 casquetes esféricos dispuestos a los extremos de una cruceta, que puede girar libremente, de manera que las caras cóncavas en el mismo brazo miren en direcciones opuestas. La velocidad del viento es aproximadamente proporcional al numero de revoluciones de la cruceta.

Anemómetro de eje horizontal

Es una turbina hélice accionada por el viento que puede girar libremente en el interior de una caja cilíndrica. Mide la velocidad por el numero de revoluciones.

El número de vueltas puede ser leído directamente en un contador o registrado sobre una banda de papel (anemograma), en cuyo caso el aparato se denomina anemógrafo. Aunque también los hay de tipo electrónicos.

Aplicaciones:

Agricultura: verificación de las condiciones para regar por aspersión los cultivos o quemar rastrojos.

Aviación: vuelo en globo, planeador, ala delta, ultraligero, paracaídas, parapente.

Ingeniería civil: seguridad de la obra, condiciones de trabajo, operación segura de grúas, medición del esfuerzo del viento.

Molinete hidráulico.

Los molinetes sirven para medir la velocidad en los líquidos. El molinete consiste en un hélice de 6 a 12 cm de diámetro, que

arrastra por intermedio de un tornillo sin fin una rueda dentada provista de un contacto eléctrico.

El contacto cierra el circuito de un timbre o de un registrador de banda de papel cada 10, 20, 50, ó 100 revoluciones de la hélice.

La velocidad del fluido es directamente proporcional al numero de revoluciones de la hélice e inversamente proporcional al tiempo transcurrido entre dos timbrazos consecutivos.

El molinete provisto de cursor y tornillo de fijasion, se instala en un bastago vertical a la altura del punto donde se quiere medir la velocidad.

Anemómetro de hilo caliente. Es un instrumento de gran precisión y de uso muy

delicado, muy utilizado en los laboratorios de aerodinámica y de mecánica de fluidos, sobre todo en gases.

El instrumento tiene la ventaja de su pequeño tamaño, que permite medir velocidades prácticamente puntuales o muy cercanas al contorno en que se mueve el fluido.

Diagrama del anemómetro de resistencia constante.

Conductor Electrodos

Ramas del puente de Wheatstone.

Potenciómetro

• En este diagrama el conductor 1 se conecta en una de las ramas.

• El puente se equilibra para un cierto valor de la velocidad.

• Al variar la velocidad del fluido el puente se desequilibra (el voltímetro V deja de marcar cero) porque varia la resistencia de 1. Amperímetr

o

• 1.-EL conductor 1 se introduce en la corriente de fluido, y se calienta mediante una resistencia eléctrica.

• 2.- La corriente de fluido que baña el conductor la calienta y su resistencia eléctrica varia.

• Esta variación una vez tarado el instrumento perite medir la velocidad del fluido, de la cual es función la variación de la resistencia.

• La variación de la resistencia permite medir la variación de la velocidad.

Funcionamiento

El SifónUn sifón es un dispositivo hidráulico que se

utiliza para trasvasar un líquido de un recipiente a otro. Consiste simplemente en un tubo en forma de U invertida, en la que una de las ramas es más larga que la otra.

En el sifón la presión alcanza su valor mínimo en el punto mas elevado.

Si el sifón es de acción transversal constante 2= será la velocidad del agua en todo el sifón.

el caudal desaguado por el sifón es igual a esa velocidad multiplicada por el área de salida.

Cuanto mas grande sea mayor será la velocidad.

ejemplo

EL EYECTOR

El eyector acelera (o decelera una corriente de un fluido produciendo una depresión (o compresión). El fluido puede ser agua, vapor de agua, aire, o cualquier otro gas.

---Inyector.- Se llama inyector si se utiliza para producir una compresión, es un dispositivo utilizado para bombear fluidos utilizando el efecto Venturi

El efecto Venturi se explica por el Principio de Bernoulli y el principio de continuidad de masa. Si el caudal de un fluido es constante pero la sección disminuye, necesariamente la velocidad aumenta tras atravesar esta sección. Por el teorema de la conservación de la energía mecánica, si la energía

cinética aumenta, la energía determinada por el valor de la presión disminuye forzosamente.

El inyector  utiliza un fluido a alta presión que sale por una boquilla a alta velocidad y baja presión convirtiendo su energía potencial en energía cinética. En esta zona de baja presión se mezcla con el fluido que se quiere bombear y le imparte energía cinética (velocidad). A continuación ambos fluidos mezclados entran por otra boquilla donde la energía cinética vuelve a convertirse en potencial, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. El fluido bombeado puede ser o líquido o gaseoso y, en algunos casos puede llevar sólidos en suspensión. En todos los casos el fluido propulsor y el bombeado salen totalmente mezclados a la salida del inyector. Una de las aplicaciones más frecuentes del inyector es en la Inyección de combustible en los motores termodinámicos.

---Eyector.- si se va a producir una depresión o vacío. Este vacío puede utilizarse, por ejemplo, para elevar otro fluido igual o distinto que se mezcla con el que produce el vacío.

La boquilla principal es del tipo convergente-divergente y conduce al fluido motor, llamado principal o primario, que entra con presión y temperatura elevadas. El fluido succionado, llamado secundario, ingresa al eyector a presión y temperatura bajas y es conducido a la sección de mezcla. Mediante un proceso de intercambio de cantidad de movimiento entre ambos fluidos resulta un mezclado completo, el cual se recomprime y descarga a presión y temperatura intermedias.

Aplicando la ley de continuidad

Donde Q, caudal de aire que pasa por la tubería D y, por tanto:

Levando estos valores a la ecuación inicial:

El chorro de fluido a alta velocidad (presión estática baja) produce el arrastre de otro fluido, al entrar en contacto con él, produciendo la mezcla de los fluidos. Un eyector consta de tres partes: una boquilla, una cámara de succión y un difusor. La boquilla

permite la expansión del fluido motriz a una velocidad más alta. Este chorro a alta velocidad entra en contacto con el gas a ser comprimido (P1) en la cámara de succión. La compresión del gas se produce a medida que la energía por velocidad se convierte

en presión al desacelerar la mezcla a través del difusor, P2.

Conclusión. Es importante conocer y medir las propiedades y parámetros de los fluidos, ya que con una buena medición podemos tener un control del flujo de fluidos a través de las tuberías. 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.

Bibliografia Mataix C. (1986), Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas, segunda edición, pp. 127-138. Juarez villa Maria Abraham. “anemómetro”,(instrumentos de medida).(cita:08/10/14).direccion web: http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/CORDOBA/1324/trabajo/anemometro.html.Ludwig, E. 1999. Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants, Volume 1.Gulf Publishing Co.Exxon-Mobil. 1996. Design Practices. Compressors, Ejectors, Exxon Research and Engineering Company.Unam. “el eyector”. (cita:08/10/14). http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/585/A5.pdf?sequence=5Wikipedia. “inyector”,(cita:08/10/14). http://es.wikipedia.org/wiki/Inyector

“El sifón hidráulico”.(cita:08/10/14). http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena9/4q9_sabermas_1ab1.htm