MEDICIÓN DE FLUJO

Ing. Marcos Chambi Y.

INTRODUCCIÓN

Para el control de los procesos industriales, es esencial conocer la cantidad de materia que entra y sale del proceso. Si los materiales se transportan en forma fluida, es importante medir la velocidad con la que un fluido circula a través de una tubería u otra conducción.

Industrialmente, se utilizan muchos tipos diferentes de medidores: (1) aquéllos basados en la medida directa de los flujos másico o volumétrico; (2) medidores de carga variable (medidores Venturi, placas de orificio, boquillas de flujo); (3) medidores de área variable (diferentes tipos de rotámetros); (4) medidores de desplazamiento positivo (diferentes tipos de bombas de medida); (5) medidor de flujo de turbina;

(6) medidor de flujo de vórtice; (7) medidores de flujo magnético (pueden medir la velocidad de todos los líquidos, excepto los hidrocarburos, cuya conductividad eléctrica es demasiado pequeña); (8) sondas de velocidad (tubo de Pitot); y, (9) medidores de flujo ultrasónico.

Los medidores más ampliamente utilizados para la medida de flujo son los diferentes tipos de medidores de carga variable y los de área variable.

MEDIDORES DE CARGA VARIABLE

El principio fundamental en el que se basan los medidores de carga variable, es el siguiente:

Cuando se restringe una corriente de fluido, su presión disminuye en una cantidad que depende del flujo volumétrico a través de la restricción. Por ello, se utiliza la diferencia de presiones entre los puntos antes y después de la restricción para indicar el flujo volumétrico.

Tubo Venturi. En la figura 1, se muestra el medidor de Venturi. El flujo de la tubería principal (sección 1) se acelera a través de una sección estrecha denominada garganta (sección 2), donde la presión del fluido disminuye. Luego, el flujo se expande a través de una porción divergente que alcanza el mismo diámetro de la tubería principal. Existen tomas de presión en la pared de la sección 1 y en la de la sección 2.

Las tomas de presión se conectan a ambos brazos de un manómetro diferencial (figura 1).

Figura 1. Tubo Venturi

Se utiliza la ecuación de la energía y la de continuidad para obtener la relación matemática que permite calcular el flujo volumétrico. Por lo tanto, para las secciones 1 y 2 de la figura 1., podemos escribir:

(1)

y,(2)

Estas ecuaciones, únicamente , son válidas para fluidos incompresibles.

En el caso del flujo de fluidos compresibles, se debe tomar en cuenta cómo varía el peso específico del fluido con el cambio de presión.

Con respecto a la ecuación (1), se pueden realizar algunas simplificaciones. Normalmente, el medidor de Venturi se instala en posición horizontal, por lo tanto, la diferencia de elevación es cero. Por otra parte, con respecto al término hL que es la pérdida de energía del fluido entre las secciones 1 y 2, normalmente, se reemplaza éste por un coeficiente llamado coeficiente de descarga Cd.

Entonces, introduciendo dichas simplificaciones y, además, haciendo las operaciones algebraicas correspondientes entre las ecuaciones (1) y (2), obtenemos:

(3)

El término (P1 – P2)/ de la ecuación (3), se puede determinar haciendo un balance de alturas en el manómetro diferencial.

El coeficiente de descarga Cd representa la relación entre el flujo real a través del tubo Venturi y el ideal para un Venturi sin pérdida de energía. Por lo tanto, el valor de este coeficiente siempre será menor a 1. Pero, muchas veces se adopta el valor de 0,984.

Placa de orificio. Es una placa plana con un orificio de bordes afilados y maquinado con precisión (figura 2). Cuando se coloca de modo concéntrico en el interior de un tubo, obliga al flujo a contraerse repentinamente, conforme se acerca al orificio y después se expande al retornar a todo el diámetro del tubo.

La corriente que atraviesa el orificio forma una vena contracta y la velocidad rápida del flujo origina una disminución de la presión, corriente abajo del orificio.

Figura 2. Placa de orificio

Las tomas de presión que están situadas antes y después del orificio, permiten la medición de la presión diferencial a través del dispositivo, la cual se relaciona con el flujo volumétrico mediante la ecuación (3).

El valor del coeficiente descarga Cd depende de la ubicación de las tomas de presión. Sin embargo, en la mayoría de los casos, se utiliza el valor de 0,61, cuando Re es superior a 30000.

Para orificios de bordes afilados, el valor de dicho coeficiente suele oscilar entre 0,70 y 0,88.

Boquilla de flujo. Consiste en una contracción gradual de la corriente de flujo, seguida de una sección cilíndrica, recta y corta (figura 3).

En una boquilla

de flujo, debido a la contracción gradual y lisa, existe muy poca pérdida de energía entre las secciones 1 y 2.

Se utilizan las mismas ecuaciones que se emplean para el tubo Venturi y medidor de placa de orificio.

Figura 3. Boquilla de flujo

Para Re grandes, el valor de Cd está por encima de 0,99 y, para Re pequeños, la expansión súbita fuera de la garganta de la boquilla, ocasiona pérdidas de carga grandes y un valor pequeño de este coeficiente.

MEDIDORES DE ÁREA VARIABLE

Rotámetro. Es un tipo común de medidor de área variable. Consta de un tubo transparente ubicado en posición vertical y conectado entre bridas en la tubería por la que circula el fluido en sentido ascendente. En el interior del tubo, se encuentra situado un cuerpo de revolución más denso que el líquido denominado flotador que, para cada flujo, alcanza una altura determinada.

Las fuerzas ascendentes, debido al arrastre dinámico del fluido sobre el flotador, y la flotabilidad, balancean el peso del flotador. La posición del flotador se mide en una escala graduada en unidades convenientes de flujo volumétrico o de flujo másico.

OTROS MEDIDORES DE FLUJO

Tubo de Pitot. Cuando un fluido en movimiento se detiene porque encuentra un objeto estacionario, se crea una presión mayor que la de la corriente de fluido. La magnitud de esta presión incrementada se relaciona con la velocidad del fluido en movimiento. Éste es el principio que utiliza el tubo Pitot para indicar la velocidad, tal como se aprecia en la figura 4.

Figura 4. Medidor de Pitot

El medidor de Pitot consta de un tubo hueco que se posiciona, de tal forma que, el extremo abierto B apunte directamente a la corriente de fluido y el otro extremo quede conectado a una de las ramas de un manómetro diferencial. La presión a la entrada hace que se soporte a una columna de fluido en el manómetro indicado.

El fluido en el punto B queda estacionario o estancado, por ello, a éste se conoce como punto de estancamiento.

Se utiliza la ecuación de la energía para relacionar la presión en el punto de estancamiento con la velocidad del fluido. Posteriormente, la ecuación resultante será necesario enlazar con la que resulte de realizar el balance de alturas en el manómetro diferencial.

PROBLEMAS

BIBLIOGRAFÍA

- Mott, Robert L.; Mecánica de Fluidos, Ed. Prentice Hall- Giles, Ranald V.; Mecánica de los Fluidos e Hidraúlica, Ed. McGraw-Hill- Ocon García, J. y Tojo Barreiro, G.; Problemas de Ingeniería Química, Tomo I, Ed. Aguilar- McCabe, W. L., Smith, J. C. y Harriott, P.; Operaciones Unitarias en Ingeniería Química, Ed. McGraw-Hill- Geankoplis, C. J.; Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias, Ed. Cecsa- Blanco Miranda, Saúl D.; Curso de Flujo de Fluidos, Facultad de Ingeniería Química, Puno, Perú- Cengel, Yunus A.; Fluids Mechanics: Fundamentals and Applications, Ed. McGraw-Hill