INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA
MECNICA Y ELCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO
PROYECTO:
TESIS
DISEO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE PRESIN EN LAZO ABIERTO PARA UNA LNEA DE BOMBEO EN
UNA ESTACIN DE BOMBEO DE CRUDO
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN
PRESENTAN:
PABLO TONATIUH BARRERA MORALES JOS LUIS RAMOS ESPINOZA
ASESORES:
LUIS ENRIQUE MURILLO YEZ HUMBERTO SOTO RAMREZ MXICO D. F. JULIO 2009
Ingeniera en Control y Automatizacin
Agradecimientos
AGRADECIMIENTOS
En primera instancia quiero agradecer a mis padres, Pablo y Maricruz, por brindarme su apoyo incondicional a
lo largo de toda mi educacin, por ser un ejemplo y una gua en mi formacin como profesionista, de igual
forma agradezco a mis hermanos, Marcelo y Yoalli, a mi abuelita Mary y a mi novia Elizabeth quienes siempre
estuvieron conmigo en los tiempos difciles. Todos ustedes son mi motivacin para seguir adelante, gracias
por ser.
A mi compaero de este trabajo y gran amigo Jos Luis, s que fueron tiempos difciles y una larga espera,
pero a pesar de todo logramos el objetivo, gracias por tu esfuerzo y dedicacin.
A todos mis compaeros de trabajo y amigos, por permitirme aprender de ellos y ayudarme a crecer personal
y profesionalmente.
Al Instituto Politcnico Nacional, a mis maestros y en especial a mis asesores, por formarme como
profesionista y hacer posible este trabajo.
Pablo Tonatiuh Barrera Morales
Muchas personas intervinieron en el desarrollo de este trabajo y con todas estoy profundamente agradecido,
a la persona que me inculc el gusto por la ingeniera y que aunque ya no tuvo la oportunidad de leer este
trabajo se que est gustoso en el lugar donde se encuentre, gracias abuelo Lalo.
A mis padres, Luis Eduardo y Celia que nunca dejaron de velar por mi bienestar y que a base de sacrificios
me han apoyado y han sido parte importante en todas mis decisiones, gracias por todo aquello que me han
brindado e inculcado, son los mejores padres del mundo.
A mis hermanas, Celia y Liliana que siempre han estado en los momentos importantes, crecer con ustedes ha
sido una experiencia nica. A la personita que acaba de llegar a formar parte de mi familia y que me cambi la
forma de ver las cosas, gracias Joselyn.
A un amigo incondicional y compaero de trabajo Pablo, hemos salido adelante desde que fuimos
compaeros de clase y en nuestra faceta como profesionistas nos espera un largo camino por recorrer,
gracias por tu amistad y por todos esos logros.
A mis compaeros de trabajo con quienes he crecido enormemente como persona y de quienes he aprendido
demasiado. A mi cuado Mario y a todos mis amigos, profesores y familiares, gracias.
Jos Luis Ramos Espinoza
Ingeniera en Control y Automatizacin
ndice
NDICE
CONTENIDO PGINA
RESUMEN ...... i
INTRODUCCIN .... iv
DESCRIPCIN DEL PROBLEMA ..... vii
JUSTIFICACIN ........ vii
OBJETIVO GENERAL ....... viii
OBJETIVOS ESPECFICOS ... viii
NOMENCLATURA ..... ix
CAPTULO I GENERALIDADES
1.1 Bombas Utilizadas en Sistemas de Bombeo ..... 3
1.1.1 Bombas Centrfugas ..... 4
1.1.2 Clasificacin de las Bombas Centrfugas . 5
1.1.3 Bombas Radiales, Axiales y Diagonales ..... 6
1.1.4 Bombas de Impulsor Abierto, Semiabierto y Cerrado ..... 6
1.1.5 Bombas Horizontales y Verticales ..... 7
1.1.5.1 Bombas Verticales ..... 7
1.1.5.2 Bombas Horizontales ..... 8
1.1.6 Criterios de Seleccin de las Bombas ..... 8
1.2 Vlvulas de Control en Sistemas de Bombeo ..... 8
1.2.1 Vlvulas de Compuerta ..... 9
1.2.1.1 Ventajas y Desventajas de las Vlvulas de Compuerta .... 10
1.2.2 Vlvulas Check o de Retencin .... 11
1.3 Oleoductos .... 12
1.4 Instrumentacin .... 13
1.4.1 Medidores de Flujo .... 13
1.4.1.1 Medidores de Presin Diferencial .... 15
1.4.1.1.1 Placas de Orificio .... 17
1.4.1.1.2 Tubo Venturi .... 18
1.4.1.1.3 Toberas ......... 19
1.4.1.1.4 Medidores de rea Variable (Rotmetro) ..... 19
1.4.1.2 Medidores de Velocidad .... 20
1.4.1.2.1 Medidores Tipo Turbina .... 20
1.4.1.2.2 Medidores Tipo Vortex .... 21
1.4.1.2.3 Medidores Electromagnticos .... 22
Ingeniera en Control y Automatizacin
ndice
CONTENIDO PGINA 1.4.1.2.4 Medidores de Flujo por Ultrasonidos .... 23
1.4.1.3 Medidores de Flujo Msico .... 25
1.4.1.3.1 Medidores de Flujo Msico Tipo Coriolis .... 25
1.4.1.3.2 Medidores de Flujo Msico Tipo Trmicos .... 26
1.4.2 Medidores de Presin (Manmetros) .... 27
1.4.2.1 Manmetros de Diafragma .... 27
1.4.2.2 Manmetro de Tubo Bourdn .... 26
1.4.3 Criterios de Seleccin para Instrumentacin .... 29
1.4.3.1 Criterios de Seleccin para Instrumentos de Medicin de Flujo .... 30
1.5 Controladores Lgicos Programables (PLC) .... 32
1.6 Motores de Induccin .... 35
1.6.1 Funcionamiento del Motor de Jaula de Ardilla .... 36
1.6.2 Control de Velocidad en Motores Trifsicos .... 36
1.6.2.1 Variador Electrnico de Velocidad .... 37
1.7 Sistemas de Control .... 42
1.8 Ecuaciones Fundamentales .... 44
1.8.1 Prdidas de Presin por Friccin .... 44
1.8.1.1 Prdidas Primarias .... 44
1.8.1.2 Prdidas Secundarias .... 45
1.8.1.2.1 Reduccin Concntrica .... 46
1.8.1.2.2 Codos .... 47
1.8.1.2.3 Vlvulas .... 49
1.8.2 Factores de Correccin por Cambios de Temperatura .... 50
CAPTULO II FUNCIONAMIENTO ACTUAL DEL SISTEMA DE BOMBEO DE CRUDO
2.1 La Estacin de Bombeo .... 52
2.1.1 Lnea de Bombeo .... 53
2.1.2 Bomba Centrfuga .... 56
2.1.3 Fluido Transportado .... 57
2.1.4 Instrumentacin de la Lnea de Bombeo .... 57
2.2 Condiciones de Operacin .... 58
2.2.1 Condiciones Actuales de Operacin .... 59
2.2.2 Condiciones ptimas de Operacin de la Bomba .... 59
2.2.3 Necesidades de Bombeo de la Estacin .... 61
2.2.4 Parmetros de Operacin Desarrollados por la Bomba para Cada Necesidad de Flujo sin Variar la Velocidad del Motor ..... 63
CAPTULO III DESARROLLO DE INGENIERA
3.1 Modelado Matemtico .... 65
3.1.1 Intervalo de Operacin de la Bomba Variando la Velocidad de Giro . 73
3.1.2 Parametrizacin . 77
3.1.3 Clculos de Prdidas por Friccin en la Descarga de la Lnea de Bombeo ........... 79
3.1.3.1 Perdidas Primarias ........ 81
3.1.3.2 Prdidas Secundarias .... 83
3.1.4 Configuracin Alternativa .... 90
3.1.5 Anlisis de Resultados .... 93
3.2 Seleccin del Lazo de Control .... 94
Ingeniera en Control y Automatizacin
ndice
CONTENIDO PGINA
3.2.1 Instrumentacin .... 95
3.2.1.1 Medidor y Transmisor Electrnico de Presin Marca Foxboro IGP10......... 95
3.2.1.2 Medidor de Flujo Tipo Ultrasnico y Transmisor Marca Faure Herman Modelo FH 8500...... 95
3.2.2 Elementos de Control .... 96
3.2.2.1 Allen Bradley Power Flex Series 700H ..... 97
3.2.2.2 Mitsubishi Series FR-E ..... 98
3.2.2.3 Telemecanique Altivar 61 ..... 99
3.2.2.4 Comparativa de Variadores de Velocidad .100
3.2.3 Lazo de Control .100
3.3 Programacin del Controlador .102
3.3.1 Control de Velocidad por el Modo de Programacin de la Frecuencia Mnima y Mxima......102
3.3.2 Control de Velocidad por el Modo de Programacin de 15 Frecuencias Programadas .... 105
CAPTULO IV PROPUESTA GENERAL DE COSTO DEL PROYECTO
4.1 Cotizacin del Proyecto ... 114
4.2 Energa Consumida Ahorrada Para Cada Caso Operativo ... 118
CAPTULO V SOLUCIN ALTERNATIVA
5.1 Alternativa Operacional Para el Manejo de Flujo en la Estacin ... 122
5.1.1 Desempeo de la Bomba para las Alternativas de Flujo sin Variar la Velocidad del Motor .....123
5.1.2 Parametrizacin de Casos Operativos Alternativos ... 124
5.1.3 Anlisis de Resultados ... 128
5.2 Programacin del Controlador ... 129
5.2.1 Control de Velocidad por el Modo de Programacin de la Frecuencia Mnima y Mxima.... 129
5.2.2 Control de Velocidad por el Modo de Programacin de 15 Frecuencias Programadas ...... 134
5.3 Energa Consumida para Cada Caso Operativo .... 139
CAPTULO VI ANLISIS DEL PROYECTO Y CONCLUSIONES
6.1 Anlisis y Conclusiones Generales del Proyecto ... 143
BIBLIOGRAFA Y REFERENCIAS
ANEXOS
ANEXO A Terminales y Conexiones del PLC Telemecanique Twido Modular LMDA 20DTK
ANEXO B Terminales y Conexiones del Drive Mitsubishi Serie FR-E
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Resumen i
RESUMEN
En ste trabajo se desarroll un sistema de control en lazo abierto para una lnea de bombeo dentro
de una estacin de rebombeo, sta lnea transporta crudo de tipo Olmeca de 35.6 grados API desde
un cabezal de succin hacia un cabezal de descarga. El sistema de control se plante por medio de
una modificacin en el desempeo de la motobomba, variando su velocidad de giro para ajustarse a
los requerimientos de transporte de la estacin, que se encuentran en un intervalo de 70 a 150 MBD
totales, el flujo por lnea de bombeo depende del nmero de lneas de bombeo activas y de la
cantidad de flujo de llegada a la estacin. El sistema de control planteado responde a las diferentes
necesidades de flujo de llegada a la estacin garantizando un control de presin a un valor de 40
kg/cm en el cabezal de descarga de la estacin y con una eficiencia en la bomba no menor al 5%
del punto de mejor desempeo del equipo.
Para realizar el control propuesto fue necesario analizar el desempeo de la motobomba a partir de
su curva caracterstica a diferentes velocidades, con lo cual se implement un mtodo de
parametrizacin por medio de un modelo matemtico que involucr tres variables: presin, flujo y
velocidad. ste modelo se obtuvo resolviendo mtodos matriciales, primero obteniendo las
ecuaciones para cada una de las curvas de la bomba (a diferentes velocidades) involucrando la
presin y el flujo, para despus involucrar en el modelo la velocidad como tercera variable. La
variable a controlar en el sistema fue la presin en el cabezal de descarga de la estacin, por lo cual
se cuantificaron las prdidas de presin por friccin en los elementos que constituyen la tubera de
descarga, involucrando los resultados como parte del clculo de la velocidad necesaria en el modelo
antes descrito. Se utiliz un software como herramienta tecnolgica para capturar los parmetros de
desempeo de la bomba a diferentes velocidades y flujos y se calcul la frecuencia de giro del motor
elctrico que ser nuestra variable controlada en nuestro lazo de control. Los clculos descritos se
desarrollaron de acuerdo con las necesidades operativas de la estacin, establecidas en cuatro
casos de estudio.
Para definir los componentes del lazo de control propuesto se realiz una investigacin y seleccin
de los dispositivos para la medicin y monitoreo de la presin, as como la medicin y transmisin de
seales de flujo. De igual forma, se seleccion como controlador un PLC modular que cumpliera con
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Resumen ii
las funciones requeridas en el diseo de control de velocidad y que tambin controlara el sistema de
alarmas desarrollado, finalmente se eligi un variador de frecuencia como dispositivo actuador en el
lazo de control. La operacin conjunta del PLC y el variador de frecuencia permite que el lazo de
control pueda ser operado bajo dos mtodos de programacin, los cuales presentan resultados
adecuados en la respuesta y exactitud requerida en el control. Los dos mtodos propuestos para la
programacin de los dispositivos de control presentan una diferencia en la respuesta de magnitudes
poco considerables.
De acuerdo con el planteamiento anterior y con los resultados obtenidos se determin que la
operacin de variacin de velocidad en la bomba para flujos por arriba de 52.5 MBD es inapropiada,
ya que, aunque desempea una eficiencia dentro de los intervalos esperados, debe ser operada a
una velocidad mayor a la nominal lo que se traduce en un mayor consumo de energa, as mismo,
para flujos por debajo de 48 MBD la potencia desarrollada es menor en todos los casos, sin
embargo, la eficiencia desarrollada por la bomba se encuentra por debajo del intervalo esperado
(77.1% - 73%).
Para observar la inversin a realizar en la instalacin de ste sistema se realiz la cotizacin de
dispositivos que constituyen el lazo de control, la cual result en un costo aproximado del proyecto
de $ 1,298,132.09 M.N. para una lnea de bombeo, a partir de ste costo se evalu la rentabilidad
del proyecto mediante el clculo del consumo de energa de la bomba a condiciones actuales y su
comparacin con el consumo de energa despus del control de velocidad para cada caso de flujo,
obteniendo como resultado que: para la operacin actual del sistema, efectuar el control de presin
en flujos mayores a 52.5 MBD no es recomendable ya que el sistema consume ms energa y no
representa un ahorro de recursos; Por tal motivo se decidi realizar una nueva parametrizacin
tomando como premisa garantizar una eficiencia no menor del 15% por debajo de punto de mejor
eficiencia con el uso de ms dispositivos dinmicos como una flexibilidad operativa para cada
necesidad operativa en la estacin (casos de estudio), sta evaluacin implic repetir los pasos
desarrollados en la ingeniera y el diseo del sistema de control mostrado anteriormente. sta
evaluacin obtuvo como resultado un ahorro de energa en todos los casos de manejo de flujo,
garantizando la presin de descarga en el cabezal y desarrollando para todos los casos una
eficiencia muy cercana al intervalo esperado en la bomba. El ahorro de energa generado por esta
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Resumen iii
propuesta permite que la inversin inicial por lnea de bombeo se recupere en un lapso mximo de 2
aos y 11 meses.
A partir de los resultados obtenidos se observ que el uso de sta propuesta de control genera un
sistema con condiciones operativas ms estables, confiable, seguro y de bajo consumo energtico,
el cual evita el uso de mtodos manuales para el control del flujo y la presin de descarga
(estrangulamiento de vlvula en la descarga), generando de manera indirecta un ahorro en
mantenimiento de los equipos y evitando inestabilidades en la estacin y en el sistema.
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Introduccin iv
INTRODUCCIN
El petrleo a nivel mundial es el energtico ms importante, ya que el uso de ste recurso no
renovable aporta la mayor cantidad de energa generada y utilizada en el mundo. En Mxico, la
empresa paraestatal Petrleos Mexicanos (PEMEX) es la encargada de extraer del subsuelo
mexicano (ya sea terrestre marino) combustibles como gas amargo y petrleo, comnmente
denominado crudo. Mxico produce tres tipos de crudo: Maya, Istmo y Olmeca, los cuales cumplen
con la calidad necesaria para ser crudos de exportacin.
Aunque las energas alternativas siguen desarrollndose, la dependencia del petrleo como fuente
generadora de energa y de empleos en Mxico es insustituible. Actualmente la industria petrolera
nacional se encuentra entre los primeros lugares en reservas y exportacin de petrleo a nivel
mundial; el crudo encontrado en estas reservas es transportado por medio de redes de tuberas a lo
largo y ancho del pas desde los puntos de extraccin (pozos marinos terrestres) hasta puntos de
almacenamiento, refineras para su procesamiento bien a terminales martimas para su
exportacin. Las redes de transporte de crudo estn compuestas por estaciones de bombeo
rebombeo, localizadas estratgicamente para generar las condiciones operativas adecuadas que
permitan el transporte del crudo a travs de oleoductos por la compleja topografa del territorio
mexicano. Los oleoductos estn constituidos por la unin de varios tubos de acero a lo largo de una
trayectoria especificada.
Las estaciones de bombeo se constituyen por medio de lneas de bombeo, las cuales pueden
presentarse en serie paralelo, cada lnea de bombeo consta de un arreglo de tuberas, equipo de
bombeo, accesorios e instrumentacin, la configuracin de estas lneas consta de dos etapas:
succin y descarga. La etapa de succin aspiracin tiene como objetivo dirigir el flujo de llegada
proveniente de otra estacin punto de almacenamiento hacia una bomba. La bomba es el
dispositivo dinmico que proporciona un trabajo al fluido, generando diferentes condiciones
operativas dependientes de las caractersticas tcnicas del equipo y de los requerimientos del
sistema de transporte al que pertenecen. Despus de su paso por la bomba, el fluido es enviado
hacia un cabezal de descarga con la finalidad de que contine su transporte hasta los puntos de
exportacin, almacenamiento procesamiento (etapa de descarga).
Ingeniera en Control y Automatizacin
Introduccin v
En la actualidad las instalaciones petroleras cuentan con mtodos de control manuales, de difcil
operacin y de baja eficiencia, que si bien permiten una adecuada operacin del sistema generan un
elevado costo de operacin y mantenimiento, tal es el caso del control de flujo y presin en una lnea
de bombeo, ya que la operacin ms comn para ste fin es el estrangulamiento de una vlvula de
control la cual puede estar ubicada en la succin en la descarga de la bomba. sta operacin
provoca que la cantidad de flujo manejado en la lnea de bombeo disminuya se incremente, lo cual
provoca en primera instancia un incremento disminucin de la presin de descarga.
Estrangular una vlvula en la succin en la descarga de la bomba ha resultado efectiva por
dcadas, sin embargo, acarrea problemas vinculados con ella, estos problemas por mencionar
algunos, pueden presentarse como inestabilidades en la bomba, incrementos de velocidad del flujo y
vorticidades arremolinamientos, estos factores pueden ser mecanismos generadores de
vibraciones y ruido en el equipo y la tubera, sin mencionar el elevado consumo de energa del
sistema. De la misma forma, a estos factores se les atribuye un excesivo costo de mantenimiento ya
que generan desgaste prematuro en los componentes de la bomba y de las vlvulas.
Actualmente existen investigaciones y artculos que describen mtodos para realizar un adecuado
control de la bomba, estos mtodos sugieren la manipulacin del motor elctrico acoplado a la
bomba por medio de variadores de frecuencia para motores de corriente alterna [1]. Por ello,
teniendo como referencia ste principio se plante el desarroll de un sistema de control en lazo
abierto para una lnea de bombeo de una estacin de rebombeo, la cual garantice una presin en el
cabezal de descarga para diferentes condiciones de flujo de llegada. ste sistema debe cumplir con
los requerimientos operativos y ser apropiado para acoplarse a toda la estacin.
ste trabajo se desarroll a travs de seis captulos, que contemplan la investigacin del panorama
general y terico involucrado en el tema, as como la descripcin de las caractersticas del sistema y
la lnea de bombeo usada como referencia, a partir de ello se gener un modelo matemtico que nos
permite obtener el desempeo de la bomba en un intervalo de operacin para diferentes
velocidades. De acuerdo con los resultados obtenidos por el modelo matemtico se realiz una
seleccin de dispositivos y se elabor el diseo del lazo de control para la motobomba en la lnea de
bombeo, de igual forma se desarroll un sistema de alarmas y se analiz la respuesta del sistema
para diferentes formas de programacin del sistema de control.
Ingeniera en Control y Automatizacin
Introduccin vi
Finalmente se realiz el clculo del consumo de energa actual y se compar con el consumo de
energa resultado de la implementacin del sistema de control, con la finalidad de verificar si la
propuesta de sistema de control es un proyecto redituable.
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Descripcin del Problema y Justificacin vii
DESCRIPCIN DEL PROBLEMA
El control de las variables de proceso presin y flujo para la mayora de las estaciones de bombeo
de crudo es antigua, de difcil operacin y poco eficiente, ya que se realiza mediante la interrupcin
parcial de la continuidad en el flujo de la bomba a causa de estrangulamiento de una vlvula de
control ubicada en la tubera de descarga, lo cual en principio, representa dificultades operativas al
no poder tener un control del proceso sino un control manual a prueba y error. ste tipo de control
con el paso del tiempo puede llegar a convertirse en una serie de problemas para el sistema en
general, elevando su consumo de energa y reduciendo el tiempo de vida de algunos elementos del
sistema, incrementando as los costos de mantenimiento. Por ello se plantea el diseo de un sistema
de control que permita tener un control adecuado de estas variables de proceso, que genere un
menor consumo energtico y que considere las necesidades operativas de la estacin como parte
de un sistema de transporte.
JUSTIFICACIN
El sistema de control a desarrollar en ste trabajo se propone para dar solucin a los problemas
derivados del control manual de las variables de proceso en las instalaciones petroleras, mediante el
diseo de un sistema automtico para el control de presin en el envo de crudo y as contar con
instalaciones modernas, actuales y automatizadas. El principio de operacin de ste sistema
pretende obtener un ahorro de energa y evitar de forma indirecta que algunos elementos el sistema
sufran un desgaste excesivo, representando as un ahorro de recursos en costos de mantenimiento.
Ingeniera en Control y Automatizacin
Objetivos viii
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar y verificar la viabilidad de una propuesta de un sistema de control en lazo abierto
mediante el modelado matemtico de la operacin en una motobomba, y que con base en una
instrumentacin y dispositivos de control adecuados, regule la velocidad del motor elctrico acoplado
mecnicamente a la bomba con base en el flujo de llegada a la lnea de bombeo, para de sta forma
garantizar una presin de descarga constante y as obtener un sistema de envo de crudo eficiente,
garantizando la seguridad del personal e instalaciones.
OBJETIVOS ESPECFICOS
Analizar la configuracin del sistema a estudiar.
Desarrollar el modelo matemtico de la operacin de la bomba a utilizar.
Determinar los parmetros operativos necesarios para establecer un control adecuado a
partir del modelo matemtico desarrollado.
Obtener las prdidas de presin por friccin en accesorios y tuberas.
Proponer una instrumentacin adecuada para la lnea de bombeo de crudo que contemple
las caractersticas del fluido transportado y las condiciones operativas de la estacin de
bombeo, para as garantizar la medicin correcta de las variables operativas.
Desarrollar el sistema de control en lazo abierto.
Realizar un anlisis de costos del proyecto.
Analizar si el proyecto es viable para su construccin y puesta en marcha.
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Nomenclatura ix
NOMENCLATURA
ABREVIATURAS Y SMBOLOS
NPSHr Carga o presin neta de succin requerida, (Net Positive Suction Head required).
% Porcentaje.
D.N. Dimetro nominal.
fem Fuerza electromagntica.
Smbolo mas menos.
PLC Controlador lgico programable, (Programed Logic Controller).
PID Proporcional, integral y derivativo.
DCS Sistema de control distribuido, (Distributed Control System).
E/S Entradas/Salidas.
Mbps Mega bytes por segundo.
HMI Interfaz hombre maquina, (Human Machine Interface).
FBD Diagrama de funciones por bloques, (Function Block Diagram).
LD Diagrama de escalera, (Ladder Diagram).
ST Texto estructurado, (Structured Text).
IL Lista de instrucciones, (Instruction List).
SFC Grfico de funciones secuenciales, (Sequential Function Chart).
VSD Variador de velocidad, (Variable Speed Drive).
ASD Control de velocidad ajustable, (Adjustable Speed Drive).
IGBT Transistor bipolar de puerta aislada, (Insulated Gate Bipolar Transistor).
SCR Rectificadores controlados de silicio, (Silicium Controlled Rectifier).
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Nomenclatura x
GTO Tiristores de compuerta desactivable, (Gate Turn Off tiristor).
PWM Modulador de ancho de pulso, (Pulse Width Modulator).
VFD Variadores de velocidad de tipo flujo vectorial, (Vectorial Flow Drive).
BEP Punto de mejor eficiencia, (Best Efficiency Point).
M.N. Moneda Nacional.
Vdc Volts de corriente directa.
USD Dlares Americanos, (United States Dollars).
I.V.A. Impuesto al valor agregado.
CFE Comisin Federal de Electricidad.
UNIDADES
MBD Unidad de flujo volumtrico, miles de barriles diarios.
pulg Unidad de longitud lineal, pulgadas.
in Unidad de longitud lineal, pulgadas.
m3/s Unidad de flujo volumtrico, metro cbicos por segundo.
m/s Unidad de velocidad lineal, metros por segundo.
m2 Unidad de rea, metros cuadrados.
kg/m Unidad de densidad, kilogramos por metro cbico.
m Unidad de longitud lineal, metros.
Pa.s Unidad de viscosidad dinmica, pascales por segundo.
Unidad de desplazamiento angular, grados.
l/min Unidad de flujo volumtrico, litros por minuto.
kg/cm Unidad de presin, kilogramos sobre centmetro cuadrado.
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Nomenclatura xi
mca Unidad de presin, metros columna de agua.
ml/s Unidad de flujo volumtrico, mililitros por segundo.
V/Hz Relacin voltaje/frecuencia, volts/hertz.
Hz Unidad de frecuencia, hertz.
RPM Unidad de velocidad angular, revoluciones por minuto.
ft H2O Unidad de presin, pies columna de agua.
bph Unidad de flujo volumtrico, barriles por hora.
ft Unidad de longitud lineal, pies.
mm Unidad de longitud lineal, milmetros.
cm Unidad de longitud lineal, centmetros.
F Unidad de temperatura, grados fahrenheit.
psig Unidad de presin manomtrica, libra por pulgada cuadrada (pound per square inch
gage).
hp Unidad de potencia, horse power.
V Unidad de tensin elctrica, volt.
Cp Unidad de Viscosidad dinmica, centipoises.
kW Unidad de potencia, kilowatt.
m/s Unidad de aceleracin, metros por segundo cuadrado.
psi Unidad de presin, libra por pulgada cuadrada (pound per square inch).
mA Unidad de corriente, miliamperes.
V Unidad de tensin elctrica, volts.
kW hr Unidad de consumo energtico, kilowatt por hora.
hr Unidad de tiempo, horas.
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Nomenclatura xii
VARIABLES
Q Flujo volumtrico.
Velocidad media del fluido.
A rea transversal de la tubera.
Re Nmero de Reynolds.
Densidad.
D Dimetro.
d Dimetro.
Viscosidad dinmica.
rpH Prdidas por friccin primarias.
Coeficiente de friccin para prdidas primarias.
L Longitud.
g Gravedad.
k Rugosidad.
< Smbolo menor que.
10log Logaritmo base 10.
rsH Prdidas por friccin secundarias.
Coeficiente de friccin para prdidas secundarias.
ngulo interno de reduccin concntrica.
rcm Coeficiente dependiente del ngulo .
r Radio.
45rsc Coeficiente de friccin para perdidas en un codo 45.
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Nomenclatura xiii
tf Factor dependiente del dimetroD para calcular coeficientes de friccin.
ngulo interno de una vlvula de retencin.
Relacin entre dimetros de entrada y salida en una vlvula de compuerta.
T Temperatura.
API Grado API.
1 Densidad final.
0 Densidad inicial.
Coeficiente de expansin volumtrica por temperatura.
1t Temperatura final.
0t Temperatura inicial.
P Presin.
Peso especfico.
PRIMTOTH Prdidas por friccin primarias totales.
SECTOTH Prdidas por friccin secundarias totales.
TOTH Prdidas por friccin totales.
Ingeniera en Control y Automatizacin
Captulo I 1 de 145
CAPTULO I
GENERALIDADES
El petrleo en la actualidad es el energtico ms importante para la humanidad, un recurso natural
no renovable que aporta el mayor porcentaje del total de la energa que se consume en el mundo. La
alta dependencia del mundo por el petrleo y la inestabilidad que caracteriza el mercado
internacional en los precios de ste producto, han llevado a que se investiguen fuentes y
combustibles alternativos para producir energa (alcoholes, biomasa, aire, energa solar, hidrgeno),
sin que hasta el momento se haya logrado una opcin que realmente lo sustituya, aunque se han
dado importantes pasos en ese sentido.
Mxico ocupa el 14 lugar en reservas de petrleo en todo el mundo, haciendo de Petrleos
Mexicanos (PEMEX) una de las empresas ms importantes en la exploracin, produccin y
procesamiento de energticos. PEMEX comercializa tres tipos de crudo extrados del subsuelo
mexicano denominados crudo Olmeca, Istmo y Maya. PEMEX produce 3,824 MBD de crudo tipo
Maya, procesando 1,303 MBD y obteniendo como resultado una produccin de 467 MBD de
gasolina, 386 MBD de aceite combustible y 325 MBD de diesel, sin tomar en cuenta la produccin
de gas natural que actualmente desarrolla un incremento notable y que el crudo de tipo Istmo y
Olmeca se envan al extranjero a una razn de 1,758.3 MBD [2], lo cual hace de Mxico un
importante pas exportador de petrleo. Mxico cuenta con una infraestructura de produccin,
refinacin y transporte de notables dimensiones y capacidad para la distribucin de productos a nivel
nacional, la figura 1.1 muestra los principales campos de produccin, las redes de transporte y
distribucin de hidrocarburos ms importantes y los puntos de refinacin y exportacin de
hidrocarburos en el territorio nacional.
El transporte de crudo es un aspecto muy importante dentro de la industria petrolera nacional, Se
realiza mediante redes de bombeo las cuales manejan su distribucin en el pas, desde el campo de
produccin extraccin hacia estaciones de rebombeo y posteriormente hasta refineras puntos de
embarcacin para su exportacin, stas redes estn interconectadas por medio de oleoductos,
Ingeniera en Control y Automatizacin
Captulo I 2 de 145
donde su capacidad de transporte depende del dimetro de la tubera, la topografa del terreno y su
presin de operacin. stos pueden ir sobre la superficie bajo tierra y atraviesan la topografa ms
variada.
Campos de Produccin
Refineras
Complejos Procesadores de Gas
Complejos Petroqumicos
Puntos de Venta y Exportacin
Ductos
Rutas Martimas
Campos de Produccin
Refineras
Complejos Procesadores de Gas
Complejos Petroqumicos
Puntos de Venta y Exportacin
Ductos
Rutas Martimas
Figura 1.1. Infraestructura Petrolera en Mxico [2].
Al inicio de un oleoducto de una red de transporte, se tiene una estacin de bombeo batera que
impulsa el petrleo y dependiendo de la topografa por donde ste pase, se colocan
estratgicamente estaciones de rebombeo para que le permitan superar sitios de gran altura, como
las cadenas montaosas en el lado este y oeste de la Republica Mexicana. Los oleoductos disponen
tambin de vlvulas que permiten controlar el paso del petrleo y atender oportunamente situaciones
de emergencia desviando el flujo de petrleo de una estacin a otra para que la red de bombeo no
se vea afectada. Las estaciones de bombeo y rebombeo estn compuestas principalmente por:
Bombas (principalmente centrfugas).
Vlvulas de control (principalmente de compuerta).
Vlvulas de seguridad (check).
Tuberas (ductos de acero al carbono principalmente).
Instrumentacin (medidores y registros de presin y flujo).
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Captulo I 3 de 145
En ste captulo se muestran los conceptos generales acerca de los equipos, accesorios e
instrumentacin utilizados en los sistemas de bombeo de petrleo. El desarrollo de ste captulo nos
servir para conocer la configuracin tpica de los sistemas de bombeo de crudo as como sus
principales componentes y nos mostrara tambin los aspectos tericos de clculo y diseo de
sistemas de control para ste tipo de instalaciones.
1.1 Bombas Utilizadas en Sistemas de Bombeo
Se puede definir una bomba como un dispositivo capaz de proporcionarle movimiento y energa a
una sustancia lquida (agua, aceite, petrleo, etc.) para transportarse de un lugar a otro superando
cambios de elevacin. sta energa har que el lquido efecte un determinado trabajo, tal como
circular por una tubera subir a una mayor altura. Las bombas se clasifican segn la forma en
cmo el fluido se desplaza dentro de sus elementos, por ejemplo: las bombas en las que el fluido se
desplaza a presin dentro de una carcasa cerrada como resultado del movimiento suavizado de un
pistn mbolo, reciben el nombre de bombas de desplazamiento positivo, mientras que para las
bombas en las cuales el fluido es desplazado por el movimiento circular de uno varios impulsores
provistos de labes, se les llama bombas centrfugas, siendo estas ltimas a las que se har
referencia en ste trabajo. La clasificacin general de las bombas se muestra en la figura 1.2 [3].
Bombas
Desplazamiento
Positivo
Reciprocantes
Pistn
Embolo
Rotatorias
Diafragma
Doble accin
Simple accin
Doble accin
Simple
DobleVapor
Simple
Doble
Triple
Mltiple
Potencia
Simple
MltipleOperada p/ fluido
Operada mecnicamente
Dinmicas
Centrfugas
Perifricas
Especiales
Rotor Simple
Rotor Mltiple
Aspas
Pistn
Miembro flexible
Tornillo
Engranes
Lbulos
Balancines
Tornillos
Flujo radial
Flujo mixto
Simple succin
Doble succin
Autolubricadas
Lubricadas por medios externos
Simple paso
Multipaso
Impulsor abierto
Impulsor semiabierto
Impulsor cerrado
Flujo axial Simple succinSimple paso
Multipaso
Impulsor abierto
Impulsor cerrado
Simple paso
Multipaso
Autolubricadas
Lubricadas por medios externos
Electromagnticas
Bombas
Desplazamiento
Positivo
Reciprocantes
Pistn
Embolo
Rotatorias
Diafragma
Doble accin
Simple accin
Doble accin
Simple
DobleVapor
Simple
Doble
Triple
Mltiple
Potencia
Simple
MltipleOperada p/ fluido
Operada mecnicamente
Dinmicas
Centrfugas
Perifricas
Especiales
Rotor Simple
Rotor Mltiple
Aspas
Pistn
Miembro flexible
Tornillo
Engranes
Lbulos
Balancines
Tornillos
Flujo radial
Flujo mixto
Simple succin
Doble succin
Autolubricadas
Lubricadas por medios externos
Simple paso
Multipaso
Impulsor abierto
Impulsor semiabierto
Impulsor cerrado
Flujo axial Simple succinSimple paso
Multipaso
Impulsor abierto
Impulsor cerrado
Simple paso
Multipaso
Autolubricadas
Lubricadas por medios externos
Electromagnticas
Figura 1.2. Clasificacin General de las Bombas.
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1.1.1 Bombas Centrfugas
Las bombas centrfugas como la que se muestra en la figura 1.3, son mquinas hidrulicas que
transforman un trabajo mecnico en otro de tipo hidrulico, convirtiendo la energa cintica de un
fluido en energa potencial, y de sta forma transmiten un trabajo al fluido [3]. Los elementos
constructivos con los que cuentan son:
a) Tubera de succin, que concluye en la brida de succin.
b) El impulsor rodete, formado por una serie de labes de diversas formas que giran dentro
de una carcasa circular. El impulsor va unido al eje y es la parte mvil de la bomba.
c) Difusor y tubera de descarga.
El fluido entra axialmente por la tubera de succin hasta el centro del impulsor que dispone de unos
labes para conducir el fluido, estos labes someten a las partculas de lquido a un movimiento de
rotacin muy rpido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrfuga, de forma que
abandonan el impulsor hacia la carcasa a gran velocidad, aumentando su presin en el impulsor
segn la distancia al eje (ver figura 1.3). La elevacin del lquido se produce por la reaccin entre
ste y el impulsor sometido al movimiento de rotacin; en la carcasa voluta se transforma parte de
la energa dinmica adquirida en el impulsor en energa de presin, siendo lanzado el lquido contra
las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubera de descarga.
Figura 1.3. Corte Transversal de una Bomba Centrfuga.
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La carcasa est dispuesta en forma de caracol, de tal forma que la separacin entre ella y el
impulsor es mnima en la parte superior, esta separacin va aumentando hasta que las partculas
lquidas se encuentran frente a la descarga; en algunas bombas existe en la salida del rodete una
directriz de labes que gua el lquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la carcasa.
La finalidad de la carcasa voluta es recoger el lquido a gran velocidad, cambiar la direccin de su
movimiento y encaminarle hacia la brida de descarga de la bomba. La voluta es tambin un
transformador de energa, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energa dinmica
creada en el rodete en energa de presin), aumentando la presin del lquido a medida que el
espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.
ste es, en general, el funcionamiento de una bomba centrfuga aunque existen distintos tipos y
variantes, por lo que a continuacin se mostrar una clasificacin de las bombas centrfugas.
Figura 1.4. Componentes de una Bomba.
1.1.2 Clasificacin de las Bombas Centrfugas
La energa en las bombas centrfugas se comunica al lquido por medio de labes en rotacin, a
diferencia de las de desplazamiento volumtrico positivo, rotativas (de engranajes, tornillos,
lbulos, levas, etc.) y alternativas (de pistn, de vapor de accin directa mecnicas) [3].
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Las bombas centrfugas pueden ser:
Radiales, axiales y diagonales.
De impulsor abierto, semiabierto y cerrado.
Horizontales y verticales.
Las ventajas principales de las bombas centrfugas son:
Caudal constante.
Presin uniforme.
Sencillez de construccin.
Tamao reducido.
Bajo mantenimiento.
Flexibilidad de regulacin.
A continuacin se describen brevemente las caractersticas constructivas de cada uno de los tipos
antes mencionados as como las exigencias a las que responden.
1.1.3 Bombas Radiales, Axiales y Diagonales
En las bombas centrfugas radiales la corriente lquida contina de la succin a la descarga en
planos radiales, en las axiales en superficies cilndricas alrededor del eje de rotacin y en las
diagonales contina radial y axialmente, denominndose tambin de flujo mixto.
1.1.4 Bombas de Impulsor Abierto, Semiabierto y Cerrado
Teniendo en cuenta su diseo mecnico estructural, se pueden distinguir tres tipos de bombas
clasificadas por sus impulsores:
a) De labes aislados (abiertos).
b) Con una pared disco lateral de apoyo (semiabiertos).
c) Con ambas paredes laterales (cerrados).
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sta clasificacin es independiente de la primera, la cual se refiere en principio al tipo de diseo
hidrulico, por lo que se pueden incluir impulsores centrfugos y de flujo mixto adems de los
abiertos, semiabiertos cerrados.
Los impulsores axiales, por su misma estructura, slo pueden ser semiabiertos cerrados, ya que
sus labes se pueden considerar como apoyados lateralmente en el eje de rotacin, que hace las
veces de cubo del impulsor, como si fuese la pared posterior de los radiales y diagonales.
1.1.5 Bombas Horizontales y Verticales
El eje de rotacin de una bomba puede ser horizontal vertical, (rara vez inclinado). De sta
disposicin se derivan diferencias estructurales para la construccin de la bomba, por lo que tambin
las aplicaciones de los dos tipos de construccin suelen ser distintas y bien definidas [3].
1.1.5.1 Bombas Verticales
Las bombas con eje de giro en posicin vertical (figura 1.5) tienen, casi siempre, el motor a un nivel
superior al de la bomba, por lo que es posible, al contrario que en las horizontales, que la bomba
trabaje rodeada por el lquido a bombear, estando, sin embargo, el motor por encima de sta.
Figura 1.5. Bomba Vertical.
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1.1.5.2 Bombas Horizontales
La disposicin del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma
altura; ste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al lquido bombeado que
llega a la bomba por medio de una tubera de succin. Las bombas centrfugas, sin embargo, no
deben rodar en seco, ya que necesitan del lquido bombeado como lubricante entre los aros
rozantes e impulsor, y entre empaquetadura y eje.
Debido a que su funcionamiento es exterior al lquido bombeado, deben estar lubricadas antes de su
puesta en marcha, esto no es fcil de conseguir si la bomba no trabaja en carga, estando por encima
del nivel del lquido, que es el caso ms comn con bombas horizontales, siendo a menudo
necesarias las vlvulas de pie y los distintos sistemas de engrasado.
Como ventajas especficas se puede decir que las bombas horizontales (excepto para grandes
tamaos), son de construccin ms barata que las verticales y su mantenimiento y conservacin es
mucho ms sencillo y econmico; el desmontaje de la bomba se suele hacer sin necesidad de mover
el motor y sin tocar las conexiones de succin y descarga.
1.1.6 Criterios de Seleccin de las Bombas
En la seleccin de bombas se deben tener en cuenta las propiedades fsico qumicas del lquido,
tales como el peso especfico, presin de vaporizacin, viscosidad, temperatura, slidos en
suspensin, etc., as como la presin de succin y descarga de la bomba, el NPSHr (Carga Neta de
Presin de Succin Requerida), que es la presin necesaria en la succin para evitar problemas de
cavitacin. Tambin es importante conocer las disponibilidades con las que cuenta la planta (agua
limpia a temperatura ambiente, inyeccin de fuente externa, metanol, etc.) [3].
1.2 Vlvulas de Control en Sistemas de Bombeo
Una vlvula se utiliza para controlar el flujo de un fluido en un tubo en un ducto. El requisito de
control puede ser de paso y corte, estrangulacin (regulacin control del flujo) y reduccin de la
presin del fluido. En sta seccin se describirn las caractersticas generales y funcionamiento de
diferentes tipos de vlvulas utilizadas en la industria [4].
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1.2.1 Vlvulas de Compuerta
La vlvula de compuerta es de flujo rectilneo, es decir, no se modifica la trayectoria del flujo a travs
del cuerpo de la vlvula (figura 1.6). sta vlvula abre mediante el levantamiento de una compuerta
cuchilla en forma de cua (la cual puede ser redonda rectangular) que se desliza en ngulo recto
con el sentido del flujo. Lo que distingue a una vlvula de compuerta es el sello, el cual se hace
mediante el asiento del disco en dos reas distribuidas en los contornos de ambas caras de disco.
ste tipo de vlvulas no son recomendables para la regulacin de flujo.
Figura 1.6. Vlvula de Compuerta.
Estas vlvulas se pueden dividir para distinguirse en: vlvulas de vstago elevable no elevable, de
cua maciza y disco doble, de rosca interna y vstago con rosca externa, de bonete atornillado
roscado, de volante y palanca para accionar el vstago, etc. Los componentes de una vlvula de
compuerta se muestran en la figura 1.7.
Figura 1.7. Componentes de una Vlvula de Compuerta.
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1.2.1.1 Ventajas y Desventajas de las Vlvulas de Compuerta
Ventajas.
El tipo de cierre es tal, que el cuerpo de la vlvula de compuerta es de perfil delgado
comparado con otros tipos de vlvulas, lo cual produce menor masa del cuerpo y un costo
ms bajo, especialmente en las vlvulas de tamao mayor.
Su dimensin es corta entre cara y cara, lo cual permite instalarla en tubos ocupando menor
espacio que la mayora de las otras vlvulas.
Debido a que no se modifica la trayectoria del flujo a travs de la vlvula, slo agrega una
cada de presin muy pequea en la tubera.
No se requiere lubricante en la cara de las piezas mviles internas, con lo cual no hay riesgo
de contaminar el fluido de proceso.
Desventajas.
El asiento es parte integral del cuerpo y produce una cavidad que puede retener slidos y
evitar el cierre completo de la vlvula. Por ello, las vlvulas de compuerta se suelen preferir
para servicio limpio, son indeseables para la mayor parte de las pastas fluidas.
Las fugas del fluido por el porta empaquetadura son un problema frecuente en estas
vlvulas, motivo que las hace indeseables en servicios con materiales muy txicos
inflamables. El problema con la empaquetadura se hace ms serio cuando aumenta la
temperatura la presin de operacin.
Estas vlvulas no se pueden utilizar cuando se requiere regulacin del flujo. Para el
momento en que la vlvula est abierta entre 5% y 10%, el flujo ya es el 85% al 95% del que
hay con apertura total. La velocidad en la apertura en forma de media luna abierta 5% a 10%
es muy alta y el disco no est diseado para resistir la fuerza de erosin resultante.
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1.2.2 Vlvulas Check de Retencin
Su finalidad es permitir el flujo sin limitaciones en un sentido y restringirlo en el sentido opuesto,
como se puede apreciar en la figura 1.8. Hay diversos tipos para requisitos especficos de
funcionamiento y cada uno se identifica por su denominacin [4].
Algunas aplicaciones de las vlvulas de retencin son:
1. La descarga de una bomba centrfuga tiene una vlvula de retencin para impedir el
retroceso del lquido en la bomba cuando no est en operacin.
2. Se instalan para servicios separados conectados con un sistema comn, para evitar flujo
inverso hacia las tuberas de cada material e impedir la contaminacin.
3. Se utilizan en ocasiones para evitar que un aumento sbito de presin en un sistema
someta a los servicios de presin ms baja conectados con el mismo a una presin
superior a los lmites de diseo.
Figura 1.8. Vlvula Check Tipo Bisagra.
Los tipos especficos de vlvulas de retencin de uso comn en las refineras, plantas de productos
qumicos, sistemas de transporte de hidrocarburos y la industria en general son:
Vlvulas de Retencin de Bisagra
Vlvulas Horizontales de Retencin
Vlvulas de Retencin de Bola
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Vlvulas de Pie
Vlvulas de Retencin Restringidas
Vlvulas de Retencin de Disco Dividido
1.3 Oleoductos
Dentro de la industria petrolera, a las tuberas empleadas para el transporte de crudo entre estacin
y estacin se les llaman oleoductos (ver figura 1.9). Estos ductos, se fabrican de acero al carbn y
deben cumplir con especificaciones determinadas (tanto de composicin qumica como mecnicas)
para transportar el crudo, su dimetro puede variar desde las 4 hasta las 52 pulgadas, y cuentan con
espesores que van desde 0.25 hasta 1.
Figura 1.9. Oleoducto.
Debido a la topografa que presenta la Republica Mexicana, la ubicacin de estas tuberas es muy
variada y puede encontrarse a la intemperie, bajo el suelo inmersas en agua, para cada una de
estas condiciones los oleoductos son recubiertos por diversas sustancias con la finalidad de reducir
el desarrollo de corrosin en las lneas de transporte generadas por diversos factores presentes en
el agua, el suelo la intemperie.
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1.4 Instrumentacin
La medicin de las variables operativas de un proceso es una necesidad crtica en muchas plantas
industriales, en algunas operaciones, la habilidad de realizar una medicin precisa es tan importante
que puede representar la diferencia entre generar ganancias y tener prdidas. En otros casos, la
imprecisin en la medicin las fallas en la realizacin de las mediciones pueden ocasionar malos
resultados e inclusive la falla de todo un proceso.
En un sistema de bombeo de crudo las variables ms importantes a considerar son la presin y el
flujo, puesto que estn sujetas a los requerimientos de produccin; es por ello que es de suma
importancia tener la instrumentacin adecuada para garantizar un sistema de bombeo eficiente y
que garantice tanto la seguridad del sistema como del personal. Por ello, se realizar una breve
descripcin de los dispositivos empleados para la medicin de flujo y presin.
1.4.1 Medidores de Flujo
En la mayora de los instrumentos de medicin de flujo, el caudal es determinado por inferencia al
medir la velocidad del lquido por el cambio de la energa cintica. La velocidad depende de la
presin diferencial con la que es forzado el lquido a fluir a travs de un conducto una tubera. El
rea transversal es conocida y permanece constante, la velocidad promedio es una indicacin del
caudal. La relacin bsica para determinar el caudal en estos casos es:
Q x A (1)
Donde:
Q = Flujo volumtrico transportado, [m3/s]
= Velocidad media del fluido, [m/s]
A = rea de la seccin transversal de la tubera, [m2]
Otros factores que influyen en el caudal son la viscosidad, la densidad del lquido y el factor de
friccin generado por el contacto del lquido con la tubera.
El desempeo de los medidores de flujo es tambin influenciado por una unidad adimensional
llamada nmero de Reynolds, que se define como la razn de las fuerzas inerciales del lquido y sus
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fuerzas viscosas (o de rozamiento). El nmero de Reynolds ilustra matemticamente la importancia
que tienen las fuerzas viscosas en el desarrollo del flujo y permite conocer el rgimen de flujo en el
que se encuentra el fluido, ya sea laminar turbulento (figura 1.10).
El flujo laminar y el flujo turbulento son dos tipos de flujos normalmente encontrados en operaciones
de medicin de flujo. La gran mayora de las aplicaciones involucran flujo turbulento, con valores de
Reynolds por encima de 4000. Los lquidos viscosos usualmente exhiben un flujo laminar, con
valores de Reynolds por debajo de 2000.
Figura 1.10. Flujo Laminar y Turbulento.
En la zona de transicin entre los dos niveles, el flujo bien puede ser laminar turbulento. El nmero
de Reynolds se expresa como:
ReD
(2)
Donde:
Re = Nmero de Reynolds, [adimensional].
= Velocidad media del fluido, [m/s].
= Densidad del lquido, [kg/m].
D = Dimetro e interno de la tubera, [m]
= Viscosidad dinmica del lquido, [Pa s]
En velocidades bajas viscosidades altas, el nmero de Reynolds es bajo, y el lquido fluye en
capas uniformes con la mayor velocidad al centro de la tubera y velocidades bajas en la pared de la
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tubera donde las fuerzas de viscosidad lo detienen; este tipo de fluido se denomina laminar, donde
los valores de Reynolds estn por debajo de 2000. Una caracterstica del flujo laminar es la forma
parablica de su perfil de velocidad, como se muestra en la figura 1.10.
Sin embargo, la gran mayora de las aplicaciones involucran flujos turbulentos, con valores de
Reynolds superiores a los 4000. ste flujo turbulento ocurre a velocidades altas viscosidades
bajas. ste flujo se transforma en pequeos arremolinamientos que fluyen a travs de la tubera con
la misma velocidad promedio.
Hoy en da existe una gran variedad de medidores de flujo para sistemas de tuberas cerradas. En
general, estos instrumentos pueden ser clasificados en: instrumentos de presin diferencial, de
desplazamiento positivo, de velocidad y msicos. Los dispositivos de presin diferencial como se
muestran en la figura 1.11, incluyen placas de orificio, tubos venturi, toberas, tubos pitot, medidores
de codo con anillos. Los medidores de desplazamiento positivo incluyen: medidores de tipo pistn,
medidores de paletas deslizantes y medidores de engranes. Los medidores de velocidad consisten
en: tipo turbina, vortex, electromagnticos y snicos. Los medidores msicos incluyen el tipo coriolis
y el termal trmico.
A continuacin se explican brevemente los principios de funcionamiento de los instrumentos
mencionados.
1.4.1.1 Medidores de Presin Diferencial
Se estima que actualmente, al menos un 75% de los medidores industriales en uso son dispositivos
de presin diferencial, siendo el ms popular la placa de orificio. Se sabe que cualquier restriccin de
fluido produce una cada de presin despus de sta, lo cual crea una diferencia de presin antes y
despus de la restriccin. sta diferencia de presin tiene relacin con la velocidad del fluido y se
puede determinar aplicando el Teorema de Bernoulli, donde al saber la velocidad del fluido y el rea
por donde est pasando es posible determinar el caudal.
El principio bsico de operacin de ste tipo de medidores est basado en que la prdida de presin
en el medidor es proporcional al cuadrado del caudal. Por lo tanto, el caudal es obtenido al medir la
presin diferencial y extrayndole la raz cuadrada.
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Captulo I 16 de 145
Estos dispositivos, como la mayora de los medidores de flujo, constan de un elemento primario y un
elemento secundario. El elemento primario crea un cambio en la energa cintica y con ello se crea
un diferencial de presin en la tubera. El instrumento debe ser acoplado adecuadamente al tamao
de la tubera, las condiciones del flujo y a las propiedades del fluido. De la misma forma, la exactitud
requerida se debe satisfacer el rango solicitado. El elemento secundario tiene la funcin de medir la
presin diferencial y proveer la seal lectura del valor actual del flujo.
D D/2
TOMAS D Y D/2
TOMAS EN BRIDA
PLACA DE ORIFICIO
DE CUARTO DE CRCULO
21 15d
D
D
D d
FLUJO
CONEXIN
DE PRESIN
ESTTICA
PRESIN
ESTTICA
CONEXIN
DE PRESIN DE
IMPACTO
PRESIN DE
IMPACTO
TOMA A 45
TOMA A 22.5
R
D
D D/2
TOMAS D Y D/2
TOMAS EN BRIDA
PLACA DE ORIFICIO
DE CUARTO DE CRCULO
21 15d
D
D
D d
FLUJO
CONEXIN
DE PRESIN
ESTTICA
PRESIN
ESTTICA
CONEXIN
DE PRESIN DE
IMPACTO
PRESIN DE
IMPACTO
TOMA A 45
TOMA A 22.5
R
D
D D/2
TOMAS D Y D/2
TOMAS EN BRIDA
PLACA DE ORIFICIO
DE CUARTO DE CRCULO
21 15d
D
D
D d
FLUJO
CONEXIN
DE PRESIN
ESTTICA
PRESIN
ESTTICA
CONEXIN
DE PRESIN DE
IMPACTO
PRESIN DE
IMPACTO
TOMA A 45
TOMA A 22.5
R
D
Figura 1.11. Medidores de Flujo por Presin Diferencial. (A) Placas de Orificio (B) Tubo Venturi (C) Tobera (D) Tubo Pitot (E) Medidor de Codo.
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Captulo I 17 de 145
1.4.1.1.1 Placas de Orificio
La placa de orificio es el dispositivo para medicin de flujo ms usado en los sistemas de bombeo de
lquidos. Consiste bsicamente en una placa perforada que se instala en la tubera, el orificio que
posee es una abertura cilndrica prismtica a travs de la cual fluye el fluido. El orificio es
normalizado, la caracterstica de ste borde es que el chorro que ste genera no toca en su salida
de nuevo la pared del orificio. El caudal se puede determinar por medio de las lecturas de presin.
Dos tomas conectadas en la parte anterior y posterior de la placa captan sta presin diferencial
(figura 1.12).
Figura 1.12. Placa de Orificio en una Tubera.
El teorema que describe el funcionamiento de la placa de orificio es el teorema de Bernoulli, donde
se relaciona la energa potencial, la energa cintica y las prdidas por friccin del fluido con la
tubera.
Existen tres tipos de placas de orificio:
- Placa de Orificio Concntrica
Como su nombre lo explica son placas con un orificio en el centro las cuales pueden estar fabricadas
de acero inoxidable clase 300 y 400, su espesor vara proporcionalmente con el dimetro de la
tubera, sta va montada entre bridas en una tubera de acuerdo procedimientos estandarizados
mencionados en normas especficas.
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- Placa de Orificio Excntrica
sta placa tiene un orificio perforado lejos del centro, el cual se localiza cerca de la superficie
superior de la tubera cuando el fluido es un gas, y tangente a la superficie interior cuando es un
lquido. Las especificaciones del espesor, biselado, cuadratura y partes lisas, sern las mismas que
aplican para orificios concntricos.
- Placa de Orificio Segmentada
En ste caso el rea del orificio (medio crculo) es equivalente al rea del orificio concntrico. El
dimetro de la abertura mide generalmente el 98% del dimetro de la tubera, la seccin circular de
la abertura debe ser concntrica con la tubera. ste tipo de placa de orificio debe estar
perfectamente centrada respecto a la tubera, de tal manera que el orificio de la placa no quede
cubierto por las irregularidades que pueda tener la tubera. La placa de orificio segmentada tendr
las mismas especificaciones que la placa concntrica de orificio en lo que se refiere a espesor,
biselado, cuadratura y partes planas.
1.4.1.1.2 Tubo Venturi
El tubo venturi es una tubera corta recta como se muestra en la figura 1.13, garganta, entre dos
tramos cnicos, que origina una cada de presin al pasar un fluido por l.
Figura 1.13. Tubo Venturi.
La entrada convergente tiene un ngulo incluido de alrededor de 21, y el cono divergente de 7 a 8;
la finalidad del cono divergente es reducir la prdida global de presin en el medidor. La presin
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Captulo I 19 de 145
vara en la proximidad de la seccin estrecha, as, al colocar un manmetro instrumento registrador
de presin en la garganta se puede medir la cada de presin y calcular el caudal instantneo.
La presin que precede al cono de entrada se transmite a travs de mltiples aberturas a una
abertura anular llamada anillo piezomtrico. De modo anlogo, la presin en la garganta se transmite
a otro anillo piezomtrico.
Una sola lnea de presin sale de cada anillo y se conecta con un manmetro registrador de
presin. En algunos diseos los anillos piezomtricos se sustituyen por uniones sencillas de presin
que conducen a la tubera de entrada y a la garganta.
La principal ventaja del Venturi radica en que slo pierde de un 10 a un 20% de la diferencia de
presin entre la entrada y la garganta, esto se consigue en el cono divergente que desacelera el
flujo. Es importante la relacin que existe entre los distintos dimetros que tiene el tubo, ya que
dependiendo de sta se obtiene la presin deseada a la entrada y a la salida del mismo, de tal forma
que pueda cumplir la funcin para la cual est construido. sta relacin de dimetros es la base para
realizar los clculos para la construccin de un tubo venturi y con los conocimientos del caudal que
se desee pasar por l.
1.4.1.1.3 Toberas
La boquilla tobera de flujo es una contraccin gradual de la corriente de flujo seguida de una
seccin cilndrica recta y corta. Debido a la contraccin pareja y gradual, existe una prdida muy
pequea. La tobera de flujo, es un instrumento de medicin que permite medir la diferencia de
presiones cuando la velocidad del flujo es mucho mayor y las prdidas empiezan a hacerse notorias.
Al instalar un medidor de ste tipo se logran mediciones mucho ms exactas. Adems ste tipo de
medidor es til para fluidos con muchas partculas en suspensin sedimentos, su forma
hidrodinmica evita que sedimentos transportados por el fluido queden adheridos a la tobera.
1.4.1.1.4 Medidores de rea Variable (Rotmetro)
El rotmetro es un medidor de rea variable que consta de un tubo transparente que se amplia y un
medidor de flotador (ms pesado que el lquido) el cual se desplaza hacia arriba por el flujo
ascendente de un fluido en la tubera. El tubo se encuentra graduado para leer directamente el
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caudal. Las ranuras en el flotador hacen que rote y, por consiguiente, que mantenga su posicin central en el tubo. Entre mayor sea el caudal, mayor es la altura que asume el flotador.
Dado que el caudal puede ser ledo directamente en la escala montada en el costado del tubo, no son necesarios dispositivos secundarios de lectura de flujo, sin embargo, si es deseado, existen dispositivos de lectura automticos que pueden ser utilizados para sensar el nivel del flotador y transmitir una seal de flujo. Los rotmetros son manufacturados de vidrio, metal plstico. Sus dimetros varan desde hasta mayores de 6 pulgadas.
1.4.1.2 Medidores de Velocidad
Estos instrumentos operan linealmente con respecto a la razn de flujo volumtrico. Puesto que no existe una relacin de raz cuadrada (como pasa en los dispositivos de presin diferencial), su capacidad de rango es mayor. Estos medidores tienen una mnima sensibilidad a los cambios de viscosidad cuando se utilizan con nmeros de Reynolds superiores a 10,000. La mayora de ste tipo de medidores est equipada con bridas que les permiten ser conectados directamente a la tubera.
1.4.1.2.1 Medidores Tipo Turbina
ste tipo de medidores tienen un extenso uso en aplicaciones exactas de medicin tanto de lquidos como de gases. ste dispositivo consiste en un rotor de mltiples hojas montado en un tubo, perpendicular al flujo del lquido (figura 1.14). El fluido provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende de la velocidad de flujo. Conforme cada una de las aspas de rotor pasa a travs de una bobina magntica, se genera un pulso de tensin elctrica que puede alimentar a un medidor de frecuencia, un contador electrnico u otro dispositivo similar cuyas lecturas puedan traducirse en la velocidad del flujo. El rango de velocidades que pueden medirse con ste tipo de medidores de flujo de tipo turbina se encuentra desde 0.02 l/min (3.33e-6 m3/s) hasta algunos miles de l/min. ste tipo de medidores se pueden utilizar para altas presiones y se pueden encontrar desde D.N. hasta 24 D.N., tienen una respuesta rpida y las prdidas de presin que genera son menores a las generadas por los medidores de desplazamiento positivo. Sin embargo, son sensibles a los cambios viscosidad y densidad, tienen limitaciones en altas viscosidades, requieren de calibraciones
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peridicas y de un acondicionamiento del flujo ya que el flujo tipo swirling (remolino en sentido del
flujo) puede provocar resultados errneos.
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Conexin Coil Pick Up
Rotor
Bridas
Aspas
Eje de Aspas
Eje del Rotor
Anillo Retenedor
Cuerpo
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Conexin Coil Pick Up
Rotor
Bridas
Aspas
Eje de Aspas
Eje del Rotor
Anillo Retenedor
Cuerpo
Figura 1.14. Medidor de Flujo Tipo Turbina.
1.4.1.2.2 Medidores Tipo Vortex
Estos medidores cuentan con una obstruccin de cara plana como la mostrada en la figura 1.15, que
se coloca en la corriente del flujo provocando la creacin de vrtices a una frecuencia que es
proporcional a la velocidad del flujo. Un sensor en el medidor de flujo detecta los vrtices y genera
una indicacin en la lectura del dispositivo medidor.
Figura 1.15. Fenmeno de Generacin de Vrtices.
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El cuerpo de cara plana tambin llamado elemento generador de vrtices, puede variar de fabricante
a fabricante. Conforme el flujo se aproxima a la cara frontal del elemento generador de vrtices, ste
se divide en dos corrientes, el fluido cerca del cuerpo tiene una velocidad baja en relacin con la
correspondiente en las lneas de corrientes principales.
La diferencia en velocidad provoca que se generen capas de corte, las cuales eventualmente se
rompen en vrtices de forma alternada sobre los dos lados del elemento generador de vrtices. La
frecuencia de los vrtices creados es directamente proporcional a la velocidad del flujo.
Figura 1.16. Medidor de Flujo Tipo Vortex.
Unos sensores colocados dentro del medidor detectan las variaciones de presin alrededor de los
vrtices y generan una seal de tensin elctrica que vara a la misma frecuencia que la de
derramamiento del vrtice. La seal de salida es una cadena de pulsos de tensin elctrica y una
seal analgica de corriente directa. ste medidor est diseado para ser instalado directamente en
la tubera, sin la necesidad de herramientas especiales procedimientos complicados de instalacin
como se muestra en la figura 1.16.
1.4.1.2.3 Medidores Electromagnticos
Estos medidores pueden manejar la mayora de los lquidos, previendo que el material sujeto a
medicin sea elctricamente conductivo, ya que su principio de medida est basado en la Ley de
Faraday, la cual expresa que al pasar un fluido conductivo a travs de un campo magntico, se
produce una fuerza electromagntica (fem) y sta fem es directamente proporcional a la velocidad
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del fluido, de donde se puede deducir tambin el caudal. ste medidor est formado por un tubo
revestido interiormente con material aislante el cual es montado directamente en la tubera como se
muestra en la figura 1.17, y sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se
colocan dos electrodos metlicos, entre los cuales se genera la seal elctrica de medida. Los
electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Puesto que el voltaje generado es directamente
proporcional a la velocidad del fluido, una mayor velocidad de flujo genera un voltaje mayor. Su
salida es completamente independiente de la temperatura, viscosidad, gravedad especfica
turbulencia. En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magntico, y todo
se recubre de una proteccin externa, con diversos grados de seguridad. La prdida de presin a lo
largo del sensor es la misma que la de una seccin de tubera, puesto que no hay partes mviles u
obstrucciones del flujo.
Figura 1.17. Medidor de Flujo Electromagntico.
1.4.1.2.4 Medidores de Flujo por Ultrasonidos
El medidor de flujo por ultrasonidos consta de unas sondas que trabajan por pares, como emisor y
receptor (ver figura 18). La placa piezo-cermica de una de las sondas es excitada por un impulso
de tensin voltaje, generndose un impulso ultrasnico que se propaga a travs del medio lquido
a medir, sta seal es recibida en el lado opuesto de la conduccin por la segunda sonda que lo
transforma en una seal elctrica.
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Figura 1.18. Medidor de Flujo por Ultrasonidos.
El convertidor de medida determina los tiempos de propagacin del sonido en sentido y
contrasentido del flujo en un medio lquido y calcula su velocidad de circulacin a partir de ambos
tiempos y a partir de la velocidad se determina el caudal.
Hay dos tipos de medidores de flujo por ultrasonidos:
DOPPLER: Miden los cambios de frecuencia causados por el flujo del lquido. Se colocan
dos sensores, cada uno a un lado del flujo a medir y se enva una seal de frecuencia
conocida a travs del lquido. Slidos, burbujas y discontinuidades en el lquido harn que el
pulso enviado se refleje, pero como el lquido que causa la reflexin se est moviendo, la
frecuencia del pulso que retorna tambin cambia y ese cambio de frecuencia ser
proporcional a la velocidad del lquido.
TRANSITORIOS: Tienen transductores colocados a ambos lados del flujo. Su configuracin
es tal que las ondas de sonido viajan entre los dispositivos con una inclinacin de 45
respecto a la direccin de flujo del lquido. La velocidad de la seal que viaja entre los
transductores aumenta disminuye con la direccin de transmisin y con la velocidad del
lquido que est siendo medido. Se tienen dos seales que viajan por el mismo elemento,
una a favor de la corriente y otra en contra de manera que las seales no llegan al mismo
tiempo a los dos receptores. Se puede hallar una relacin diferencial del flujo con el tiempo
transmitiendo la seal alternativamente en ambas direcciones. La medida del flujo se realiza
determinando el tiempo que tardan las seales en viajar por el flujo.
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1.4.1.3 Medidores de Flujo Msico
La continua necesidad de mediciones de flujo ms exactas en procesos donde se relaciona la masa
(reacciones qumicas, transferencia de calor, etc.) ha resultado en el desarrollo de medidores de flujo
msico. Existen muchos diseos disponibles, pero uno de los ms usados en aplicaciones de flujo
de lquidos es el medidor tipo Coriolis, el cual basa su operacin en el fenmeno natural llamado
fuerza de Coriolis.
1.4.1.3.1 Medidores de Flujo Msico Tipo Coriolis
Los medidores Tipo Coriolis miden el flujo msico de un fluido directamente. Puesto que la masa no
cambia, el medidor es lineal sin tener que ser ajustado por variaciones en las propiedades del
lquido. Tambin elimina la necesidad de compensar por cambios de condiciones de temperatura y
presin. ste tipo de medidores son sumamente convenientes para medir lquidos cuya viscosidad
vara con la velocidad a determinada presin y temperatura.
Los medidores Coriolis estn disponibles en varios diseos, el diseo ms popular consiste en un
tubo en forma de U (figura 1.19) albergado en un sensor conectado a una unidad electrnica. La
unidad electrnica puede estar situada hasta 500 pies del sensor.
Figura 1.19. Vibracin, el Tubo en Forma de U es el Corazn del Medidor Coriolis.
Dentro del sensor, el tubo en forma de U vibra a su frecuencia natural mediante un dispositivo
magntico ubicado en la curvatura del tubo. La vibracin cubre menos de 0.1 pulg. y completa un
ciclo alrededor de 80 veces por segundo. Mientras el lquido fluye a travs del tubo, es forzado a
tomar el movimiento vertical del tubo (ver figura 1.19). Cuando el tubo tiene un movimiento hacia
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arriba durante la primera mitad de su ciclo, el lquido que fluye a travs del medidor se mantiene
forzado hacia arriba al presionar hacia abajo el tubo.
Siendo forzado hacia arriba, el lquido que fluye hacia fuera del medidor mantiene su movimiento
vertical disminuido al presionar hacia arriba el tubo, sta accin causa una torsin en el tubo.
Cuando el tubo se mueve hacia abajo en la segunda mitad del ciclo de vibracin, el fenmeno de
torsin se presenta en la direccin opuesta. La cantidad de torsiones es directamente proporcional a
la razn de flujo msico del lquido fluyendo a travs del tubo. Sensores magnticos ubicados en
cada lado del tubo de flujo miden la velocidad del tubo, que cambia conforme el tubo se tuerce. Los
sensores alimentan sta informacin a la unidad electrnica, donde es procesada y convertida en
una tensin elctrica proporcional al flujo msico.
1.4.1.3.2 Medidores de Flujo Msico Tipo Trmicos
ste tipo de medidores han sido utilizados tradicionalmente para mediciones de gas, sin embargo,
actualmente ya se han desarrollado para aplicaciones en flujos lquidos. ste tipo de medidores
tambin operan independientemente de la densidad, presin y viscosidad. Los medidores trmicos
(ver Figura 1.20) usan un elemento precalentado independiente aislado del fluido. La corriente del
flujo conduce calor del elemento sensor. El calor conducido es directamente proporcional a la razn
de flujo msico. El sensor nunca entra en contacto directo con el fluido. El paquete electrnico
incluye el analizador de flujo, el compensador de temperatura y el acondicionador de seal que
provee una salida lineal directamente proporcional al flujo msico.
Figura 1.20. Medidor de Flujo Msico Tipo Trmico.
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1.4.2 Medidores de Presin (Manmetros)
Los manmetros son instrumentos que se emplean para medicin de presin en fluidos,
generalmente determinando la diferencia entre la presin del fluido y la presin atmosfrica.
1.4.2.1 Manmetros de Diafragma
Estos dispositivos muestran un principio de funcionamiento basado en el movimiento de un
diafragma debido a la fuerza ejercida por la presin de un fluido, su configuracin es ms compleja
que el manmetro de tubo en U ya que muestra ms partes funcionales, como amortiguador,
aprisionador, tubo de entrada, etc. (ver figura 1.21).
Existen dos tipos de diafragma que diferencia a dos manmetros en su configuracin y principio,
estos son:
1. El diafragma metlico que utiliza su caracterstica de deflexin a la presin
2. El elemento de diafragma no metlico, opuesto por un resorte calibrado por un dispositivo
elstico similar.
AMORTIGUADOR
APRISIONADOR
SECTOR
DENTADO
PION
PUNTO DE APOYO
DEL PUNTERO
TUBO DE ENTRADA
FLEXORES
AGUJA INDICADORA
O PUNTERO
AJUSTE PARA
CALIBRACIN
PIVOTE
TOPE
CPSULA DE
DIAFRAGMA
AMORTIGUADOR
APRISIONADOR
SECTOR
DENTADO
PION
PUNTO DE APOYO
DEL PUNTERO
TUBO DE ENTRADA
FLEXORES
AGUJA INDICADORA
O PUNTERO
AJUSTE PARA
CALIBRACIN
PIVOTE
TOPE
CPSULA DE
DIAFRAGMA
Figura 1.21. Partes de un Manmetro de Diafragma.
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Estos tipos de elementos de diafragma se usan solamente como un medio de contener la presin y
ejercer una fuerza en el lado opuesto del diafragma y de sta forma comunicar las variaciones de la
presin sensada.
1.4.2.2 Manmetro de Tubo Bourdn
El tubo de Bourdn, mostrado en la figura 1.22, es parte de un instrumento mecnico de medicin de
presin que emplea como elemento sensible un tubo metlico curvado torcido, de seccin
transversal aplanada. Un extremo del tubo est cerrado, y la presin que se va a medir se aplica por
el otro extremo. A medida que la presin aumenta, el tubo tiende a adquirir una seccin circular y
enderezarse. El movimiento del extremo libre (cerrado