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Technical Documents - Documentos Técnicos: Medidores de flujo diferenciales. Placas de orificio
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Medidores de flujo diferenciales Los medidores de flujo de tipo diferenciales son los más comúnmente utilizados. Entre ellos pueden mencionarse: la placa de orificio, el tubo Venturi, el tubo Pitot, la tobera y el medidor de impacto (Target). Estos miden el flujo de un fluido indirectamente, creando y midiendo una presión diferencial por medio de una obstrucción al flujo. El principio de operación se basa en medir la caída de presión que se produce a través de una restricción que se coloca en la línea de un fluido en movimiento, esta caída de presión es proporcional al flujo. La proporcionalidad es una relación de raíz cuadrada, en la cual el flujo es proporcional a la raíz cuadrada del diferencial de presión. Esta relación hace que la medición de flujos menores del 30% del flujo máximo, no sea práctica debido a la pérdida de precisión. Los medidores de flujo de tipo diferencial generalmente están constituidos por dos componentes: el elemento primario y el elemento secundario. El elemento primario es el dispositivo que se coloca en la tubería para obstruir el flujo y generar una caída de presión. El elemento secundario mide la caída de presión y proporciona una indicación o señal de transmisión a un sistema de indicación o control. El elemento primario se calcula y se selecciona de acuerdo al fluido y las características del proceso. Se han desarrollado ecuaciones que toman en cuenta casi todos los factores que afectan la medición de flujo a través de una restricción. La ecuación básica a partir de la cual fueron desarrolladas estas ecuaciones, es la ecuación de Bernoulli. Los diafragmas de orificio concéntrico o placas de orificio pueden utilizarse para todo caudal permanente de fluido limpio y homogéneo (líquido, gas o vapor) en el campo de caudales turbulentos normales para los cuáles el número de Reynolds alcanza un valor superior a 5.000. Generalmente se construye de acero inoxidable con un espesor que oscila entre 1/8 y 1/2 pulgada. Otros tipos de materiales tales como Monel, níquel, Hastelloy, se utilizan cuando se necesita prevenir la corrosión o contaminación. Dos tomas de presión colocadas antes y después de la placa, captan la presión diferencial producida por la placa de orificio. Se han establecido coeficientes para tuberías desde 1½" (40 mm) a 14" (350 mm) y números de Reynolds desde 5.000 a 10.000.000. Con el fin de obtener una buena medida del caudal, la construcción y el empleo de placas de orificio deben responder a las siguientes condiciones esenciales: - La arista exterior del orificio debe ser viva y neta. No son tolerables defectos mecánicos tales como rebabas, ranuras o salientes. - El espesor de la placa de orificio debe estar de acuerdo con las prescripciones de la norma ISO 5167, no debiendo sobrepasar:
Estas son las condiciones mínimas. Cuando el espesor real del diafragma deba sobrepasar este mínimo, la arista posterior puede ser achaflanada con un ángulo de 45 grados por lo menos, a partir de la cara de la placa o bien fresada al espesor adecuado. Debe instalarse el diafragma siempre de forma que la arista viva quede aguas arriba, no pudiendo ser utilizado para la medida de caudales que fluyan en sentido inverso. - La placa del diafragma (o placa de orificio), se fija entre bridas y debe ser completamente plana, con una tolerancia de 0,01 mm. - La relación de diámetros del orificio y la tubería d/D, habitualmente denominada relación de apertura ß, debe estar comprendida, para una medida correcta, entre 0,2 y 0,7. En tuberías grandes (de 4" en adelante), la ß podría estar comprendida entre 0,1 y 0,75 aunque no es recomendable llegar a estos extremos. Además, con este tipo de diafragma no se debe medir en tuberías de diámetro inferior a 1½" (40 mm), ya que la rugosidad de las paredes interiores puede modificar significativamente los coeficientes característicos. El orificio de la placa puede ser de tres tipos, figura siguiente: concéntrico, excéntrico y segmental. Las placas de orificio de tipo excéntrico y segmental se utilizan principalmente en aplicaciones de fluidos que contienen materiales en suspensión o condensado de vapor. Las placas de orificio de tipo concéntrico se recomiendan para aplicaciones de líquidos limpios, de baja viscosidad; para la mayoría de los gases; y vapor a baja velocidad.
Diagramas excéntricos ( figuras 5A, 5B, 5C y 5D )
Los Diafragmas Excéntricos son aquellos cuyo orificio está practicado de tal forma que al colocar la placa entre las bridas, quedan en la parte superior o inferior de la tubería. Si se miden fluidos que contengan partículas sólidas en suspensión, el orificio se sitúa en la parte inferior (figura 5C),de esta forma, las partículas sólidas que se depositan en la tubería son arrastradas por el fluido en lugar de ir formando depósitos a ambos lados del diafragma. Por otra parte, si se trata de medir líquidos que contengan gases o vapores, el orificio se colocará en las parte superior para que pasen los gases que tenderán a circular por arriba (figura 5B). Al medir caudales de aire o vapor donde se pueden producir pequeñas condensaciones, se realiza un pequeño orificio de drenaje en la parte inferior de los diafragmas concéntricos, por donde se evacua el condensado sin que la precisión de la medida sea afectada. Generalmente no es necesario utilizar diafragmas excéntricos para la medida de la mayor parte de los gases. Se puede realizar así mismo un orificio similar en la parte superior de los diafragmas concéntricos, utilizados en la medida de líquidos, con el fin de facilitar el paso de las pequeñas burbujas de gas habitualmente creadas por el movimiento del los líquidos. La disposición de las tomas de presión puede verse en la figura siguiente (a), (b) y (c). Los tipos de tomas de presión comúnmente más utilizados son: - Tomas sobre la brida: es el tipo más comúnmente utilizado, figura (a). En este caso las tomas están taladradas sobre las bridas que soportan la placa y están situadas a una distancia de 1 pulgada de la misma. Este tipo de tomas no se recomienda para diámetros de tubería menores de dos pulgadas (2”), debido a que la vena contracta puede estar a menos de 1 pulgada de la placa de orificio.
Figura (a) Disposición de las tomas de presión diferencial con tomas en la brida - Tomas en la vena contracta: localizados a una distancia de 1 D (D = diámetro nominal de la tubería) aguas arriba de la placa, y 1/2 D aguas abajo de la placa, o sea sobre la vena contracta, figura 8.6 (b). Sin embargo, el punto de la vena contracta varía con la relación de diámetros d/D, produciéndose errores en la medición si se cambia el diámetro del orificio.
Figura (b) Disposición de las tomas de presión diferencial en la vena contracta Tomas en la tubería: están localizadas a una distancia de 2 1/2 D aguas arriba y 8 D aguas abajo de la placa, figura (c) siguiente. Miden la pérdida de presión permanente a través de un orificio. Este tipo de tomas requiere mayor cantidad de tramos rectos de tuberías.
Figura (c) Disposición de las tomas de presión diferencial en la tubería Diafragmas Segmentados Se denominan diafragmas segmentados aquéllos cuyo orificio es un segmento circular concéntrico con la tubería. Se emplean habitualmente para la medida de líquidos o gases con impurezas no abrasivas (tales como barros ligeros) normalmente más pesados que el líquido, o de gases excepcionalmente cargados (ver figura 5D). Tomas de Presión La presión diferencial generada por la inserción del diafragma en la tubería, se recoge mediante tomas de diversos tipos. El método más corrientemente utilizado es el de tomas realizadas en las bridas, pero son frecuentes también otros tipos de tomas, como en la «vena contracta» o en la tubería. Tomas en las bridas
Figura - Caída de presión a través de una restricción
El orificio de la toma de presión está practicado en las misma bridas de sujeción de la placa de orificio, y se realizan para que su eje esté a 1" (25,4 mm) aguas arribas y aguas abajo de la placa, según se indica en la norma ANSI-B 16.36. El diámetro de la toma oscila entre ¼" y ½" (6,35 a 12,7 mm), según la citada norma.
Tomas en la «vena contracta» Cuando se emplean diafragma estándar siguiendo el método de la «vena contracta»,se realizan las tomas a distancias máximas de D aguas arriba del diafragma (toma de alta presión) y del punto donde existe la más baja presión y donde se sitúa el más pequeño diámetro de la «vena contracta» del fluido (toma de baja presión), que se aproxima bastante a ½D. No pueden utilizarse tomas en «vena contracta» en tuberías inferiores a 4", como consecuencia de la interferencia que se produce entre la brida y la toma aguas abajo.
Tomas en "vena contracta" Cuando se utilizan tomas en «vena contracta» con diafragmas excéntricos, es preciso disponerlas a 180 ó 90 grados en relación al orificio. En el caso de diafragmas segmentados se deben disponer a 180 grados del orificio. Tomas en la Tubería Cuando se hacen las tomas en la tubería, éstas se sitúan a 2½D antes del orificio (toma de alta presión) y a 8D aguas abajo la toma de baja presión. Este tipo de tomas se utilizan raramente en la actualidad. Tiene la ventaja de que permiten la instalación de una placa de orificio para medida de caudal donde existan una brida, y reúne además otras características necesarias, como tramos rectos anterior y posterior, etc. El error probable de la medida con este tipo de tomas es aproximadamente un 50% mayor que con tomas en las bridas y en la vena contracta.
Tomas en la tubería La instalación correcta de todos los medidores de flujo diferenciales, requiere la existencia de tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor con el fin de garantizar un perfil simétrico o uniforme de velocidad antes de la restricción. En la figura siguiente se indican los requerimientos de tubería recta, aguas arriba y aguas abajo del medidor, en función de la configuración de la instalación.
Figura - Requerimientos mínimos de tubería recta para colocar placas orificio Para el cálculo de placas orificios (diafragmas) se recomiendan como referencia obligatoria las Normas:
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