Universidad Nororiental Privada Gran Mariscal de Ayacucho

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería en Mantenimiento mención Industrial

Barcelona – Edo. Anzoátegui

Instrumentacion Industrial

Variable Flujo

Profesora: Ing. José Bolívar Bachilleres:

Alarcón Jesús CI: 21.080.119

Carreño Sofía CI: 22.570.829

Cova Diomar CI: 13.317.222

Méndez Milagros CI: 20.739.297

Oliveros Cesar CI: 21.080.448

Salazar Mariana C.I: 19.629.234

Yeguez Luis CI: 17.237.739

Zabala Wilvimar CI: 20.105.044

Barcelona, 7 de Mayo de 2012

ÍNDICE

Pág.Introducción iii

Flujo 4

Tipos de flujo 7

Medición de flujo 8

Placa de orificio 10

Tobera 13

Tubo Venturi 14

Tubo Pitot 15

Tubo Annubar 17

Rotámetro 18

Turbina 21

Medidor de Flujo por Ultrasonido 23

Medidor Electromagnético 24

Medidor de Coriolis 26

Placa de impacto. 28

Medidor de Desplazamiento Positivo. 29

Medidor de Disco Oscilante. 29

Medidor de Pistón Oscilante. 31

Medidor de Pistón Alternativo. 32

Medidor Rotativo. 33

Medidor Térmico de Flujo. 34

Válvula: Definición. 36

Válvulas de Control. 39

Válvulas de Cierre. 42

Conclusiones 45

2

INTRODUCCIÓN

A medida que la industria se vuelve más compleja, más importante es el papel de los

fluidos en las máquinas industriales. Hace cien años el agua era el único fluido importante

que se transportaba por tuberías. Sin embargo, hoy cualquier fluido se transporta por

tuberías durante su producción, proceso, transporte o utilización.

La era de la energía atómica y de los cohetes espaciales ha dado nuevos fluidos como son

los metales líquidos, sodio, potasio, bismuto y también gases licuados como oxígeno,

nitrógeno, etc.; entre los fluidos más comunes se tiene al petróleo, agua, gases, ácidos y

destilados que hoy día se transportan por tuberías.

La transportación de fluidos no es la única parte de la hidráulica que ahora demanda

nuestra atención. Los mecanismos hidráulicos y neumáticos se usan bastante para los

controles de los modernos aviones, barcos, equipos automotores, máquinas

herramientas, maquinaria de obras públicas y de los equipos científicos de laboratorio

donde se necesita un control preciso del movimiento de fluidos.

Estos factores han llevado al desarrollo de instrumentos industriales que permitan tener

mayor control sobre el flujo o caudal, y que se adapten a los distintos tipos de flujo, así

como también los distintos tipos de sistemas por donde fluyen.

En el siguiente trabajo se explicará de forma concisa la teoría elemental acerca de flujo,

sus características principales, propiedades; así como también los instrumentos más

importantes de medición y control del flujo.

3

Flujo: Definición.

Se conoce como flujo o caudal la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo

en un determinado sistema o elemento. Normalmente se identifica con el flujo

volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos

frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en

la unidad de tiempo.

Es importante además, conocer las propiedades del fluido para elegir los instrumentos

y accesorios que se adapten a las mismas. Entre las propiedades más relevantes se

encuentran:

- Viscosidad Absoluta o Dinámica: La viscosidad expresa la facilidad que tiene un

fluido para fluir cuando se le aplica una fuerza externa. El coeficiente de viscosidad

absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de su

resistencia al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La unidad de

viscosidad dinámica en el Sistema Internacional (SI) es el pascal segundo (Pa.s) o

también newton segundo por metro cuadrado (N s/m2), o sea kilogramo por metro

segundo (kg/ms). Esta unidad se conoce también con el nombre de Poiseuille (Pl).

- Viscosidad Cinemática: Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad. En

el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro

cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el Stoke (St), con

dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el Centistoke (cSt), 10 -2

Stokes, que es el submúltiplo más utilizado.

4

- Densidad : La densidad de una sustancia es su masa por unidad de volumen. La

unidad de densidad en el SI es el kilogramo por metro cúbico (Kg/m3). A no ser que

se consideren presiones muy altas, el efecto de la presión sobre la densidad de los

líquidos carece de importancia en los problemas de flujo de fluidos, sin embargo,

las densidades de los gases y vapores, varían grandemente con la presión.

- Peso específico (o densidad relativa): Es una medida relativa de la densidad. Como

la presión tiene un efecto insignificante sobre la densidad de los líquidos, la

temperatura es la única variable que debe ser tenida en cuenta al sentar las bases

para el peso específico. La densidad relativa de un líquido es la relación de su

densidad a cierta temperatura.

- Volumen Específico: Es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es

la inversa de la densidad por lo cual no depende de la cantidad de materia.

- Número de Reynolds: aunque no es una propiedad física como tal, es una

propiedad que debe ser tomada en cuenta para la selección de instrumentos y

accesorios. El número de Reynolds ha demostrado que el régimen de flujo en

tuberías, es decir, si es laminar o turbulento, depende del diámetro de la tubería,

de la densidad y la viscosidad del fluido y de la velocidad del flujo. El valor

numérico de una combinación adimensional de estas cuatro variables, conocido

como el número de Reynolds, puede considerarse como la relación de las fuerzas

dinámicas de la masa del fluido respecto a los esfuerzos de deformación

ocasionados por la viscosidad.

5

Unidades de Flujo o Caudal:

Las unidades más usadas para estudio y cálculo de flujo son:

FLUJO VOLUMÉTRICO FLUJO MÁSICO

m3/seg. Kg/seg.

pie3/seg. lb/seg.

b/d lb/h

m3/h

lts/min.

Lts/seg.

Fórmula General:

La fórmula general de flujo o caudal obtenida con los elementos de presión diferencial se

basa en la aplicación del teorema de Bernoulli a una tubería horizontal. La fórmula se

expresa de la siguiente manera:

Donde “K” es la constante del coeficiente de resistencia o de pérdida de carga por

velocidad, y “H” es la diferencia de alturas de presión del fluido. Cabe destacar que esta

expresión está limitada a los fluidos ideales incompresibles y son fórmulas aproximadas.

En el caso de fluidos compresibles, a la fórmula anterior se introduce un coeficiente

adicional llamado “coeficiente de descarga”.

6

Tipos de Flujo.

Laminar : es uno de los tipos principales de flujos, ocurre cuando el movimiento del

fluido es ordenado, estratificado, suave. En el flujo laminar, el fluido se mueve en

láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula del fluido sigue una

trayectoria suave, llamada línea de corriente. Es típico en fluidos a bajas

velocidades o de altas viscosidades. Se dice que un flujo es laminar cuando el

número de Reynolds e menor a 2000.

Turbulento : ocurre cuando el movimiento de un fluido se da en forma caótica, en

el cual las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las

mismas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos (no

coordinados). Se dice que un flujo es turbulento cuando su número de Reynolds es

mayor a 4000.

Compresible: es un flujo que muestra una variación significativa de la densidad

como resultado a fluir.

Incompresible: se dice que un flujo es incompresible si su densidad permaneces

aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo.

7

Medición de Flujo.

En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las

efectuadas en laboratorio o plantas piloto es muy importante la medición del flujo de los

líquidos o gases.

Existen varios métodos para medir el flujo según sea su tipo: volumétrico o másico.

Instrumentos medidores volumétricos:

Los medidores volumétricos determinan el flujo en volumen del fluido, bien sea

directamente (desplazamiento positivo), o indirectamente por deducción (presión

diferencial, área variable, velocidad, fuera, tensión inducida).

Instrumentos medidores másicos:

Los medidores de flujo másico están diseñados para medir directamente el caudal del

fluido en unidades de masa, como por ejemplo Kg/h, en lugar de medir el caudal en

volumen, como m3/h.

8

Medidores de Flujo Volumétrico.

Fig. 1. Diagrama de los tipos de medidores de flujo volumétrico.

9

Placas de Orificio.

Las placas de orificio son las más utilizadas y consisten en una placa perforada que se

instala en la tubería, el orificio es generalmente afilado aguas arriba y biselado aguas

abajo. Dos tomas conectadas en la parte posterior y anterior de la placa captan la presión

diferencial, la cual es proporcional al cuadrado del flujo.

Fig. 2. Placa de orificio.

La posición de las tomas pueden ser:

En la brida : son bastante utilizadas pues su instalación es cómoda, debido a que las

tomas están taladradas en las bridas que soportan la placa y situadas a una

pulgada. de distancia de la misma.

En la vena contraída : la toma posterior está situada en un punto donde la vena

alcanza su diámetro más pequeño, lo cual depende de la razón de diámetros y se

10

presenta aproximadamente a media pulgada de la tubería, y la toma anterior se

sitúa a una pulgada de la tubería.

Radiales : son parecidas a las tomas de vena contraída, pero fijando siempre las

tomas anterior y posterior a una pulgada y media pulgada de la tubería

respectivamente.

En la cámara anular : las tomas están situadas inmediatamente antes y después del

diafragma y requieren el empleo de una cámara anular especial.

En la tubería : las tomas anterior y posterior están situadas a dos pulgadas y media

y ocho pulgadas respectivamente. Se emplean cuando se desea aumentar el

intervalo de media de un medidor de flujo dado. La posición de las tomas está en

un lugar menos sensible a la medida.

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Fig. 3. Disposición de las tomas de presión diferencial.

El orificio de la placa puede ser (ver figura 4):

o Concéntrico : para gases o líquidos limpios. Pequeños orificios de drenaje o venteo

para eliminar pequeñas cantidades de líquido o gas.

o Excéntrico :

- Tipo B: para líquidos con considerables cantidades de gas.

- Tipo C: para gases con considerables cantidades de líquido condensado y líquidos

con arrastre de sólidos.

o Segmentado : para líquidos con posible sedimentación de sólidos.

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Fig. 4. Disposición de orificios en placas.

Ventajas:

- Su construcción y tecnología son sencillas.- No contienen partes móviles.- Son económicas.- Son válidas para casi todas las aplicaciones.

Desventajas:

- No son válidas para condiciones de proceso (presión, temperatura, densidad) cambiantes.

- Producen caídas de presión no recuperables.- Su señal de salida no es lineal (hay que extraer su raíz cuadrada).- Se necesita un flujo laminar, es decir, tramos rectos de tuberías antes y después

del elemento.- Su precisión es menor que la de otras tecnologías.

Tobera.

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Las toberas presentan una entrada curvada que se prolonga en un cuello cilíndrico, y

están situadas en la tubería con dos tomas, una anterior y la otra al centro de la sección

más pequeña. Son habitualmente utilizadas cuando se requiere una precisión mayor que

la que pueden aportar las placas de orificio. Su pérdida de carga es de 30 a 80% de la

presión diferencial y su precisión es del orden de ± 0,95% a ± 1,5%.

Fig. 4. Tobera.

Ventajas:

- Tienen mayor precisión que las placas de orificio.- Permiten caudales 60% mayores que las placas de orificio, en las mismas

condiciones de servicio.

Desventajas:

- Si bien pueden emplearse con fluidos abrasivos, estos pueden comprometer la precisión del instrumento.

- Su costo es de 8 a 16 veces mayor que un diafragma.

14

Tubo Venturi.

Los tubos Venturi son unos elementos primarios de flujo que se componen de tres partes

bien diferenciadas, una sección de entrada cónica convergente en la que la sección

transversal disminuye, lo que se traduce en un aumento de la velocidad del fluido y una

disminución de la presión, una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión,

y donde la velocidad del fluido se mantiene prácticamente constante, y por último una

tercera sección de salida cónica divergente en la que la sección transversal aumenta

disminuyendo la velocidad y aumentando la presión. Esta última sección permite la

recuperación de parte de la presión y por lo tanto de energía, y su precisión es del orden

de ±0,75%.

Fig. 5. Tubo Venturi.

Ventajas:

- Permite la medición de caudales 60% superiores a los de la placa de orifico en las

mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de solo 10 a 20% de la

presión diferencial.

- Posee una gran precisión que permite el paso de fluidos con un porcentaje

relativamente grande de sólidos.

Desventajas:

- Si bien permite el paso de fluidos con porcentaje de sólidos, si éstos son abrasivos

influyen en su forma afectando la exactitud de la medida.

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- El costo de un tubo Venturi es elevado, del orden de 20 veces el de un diafragma.

Tubo Pitot.

El tubo Pitot mide la diferencia entre la presión total y la presión estática del fluido, es decir, la presión dinámica, la cual es proporcional al cuadrado de la velocidad. Su ecuación correspondiente es:

Donde:

P2 = Presión de impacto total absoluta en el punto donde el líquido anula su velocidad.

P1 = Presión estática absoluta en el fluido.

Ρ = densidad del fluido.

V12 = velocidad del fluido en el eje del impacto.

El tubo Pitot es sensible a las variaciones en la distribución de velocidades en la sección de la tubería, de aquí que en que su empleo es esencial que el flujo sea laminar, disponiéndolo en un tramo recto de tubería. La máxima exactitud en la medida se consigue efectuando varias medidas en puntos determinados y promediando las raíces cuadradas de las velocidades medidas. Se emplea normalmente para la medición de grandes caudales de fluidos limpios, los cuales en la mayoría suelen ser gases, y con una baja pérdida de carga.

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Fig. 6. Tubo Pitot.

Ventajas:

- Posee una escasa caída de presión- Su precio es bajo, lo que lo hace elegible para tuberías de gran diámetro.

Desventajas:

- Su precisión es baja, del orden de 1,5-4%.- También se puede utilizar para medir líquidos aunque se corre el peligro de rotura

de la sonda.

Tubo Annubar.

El tubo Annubar es una innovación del tubo Pitot y consta de dos tubos, el de presión total

y presión estática. El tubo que mide la presión total está situado a lo largo de un diámetro

transversal de la tubería y consta de varios orificios de posición crítica determinada por

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computador, que cubren cada uno la presión total en un anillo de área transversal de la

tubería. El tubo que mide la presión estática se encuentra detrás del de presión total con

su orificio en el centro de la tubería y aguas debajo de la misma. Se emplea generalmente

para la medida de pequeños o grandes caudales de líquidos o gases.

Fig. 7. Tubo Annubar.

Ventajas.

- Tiene mayor precisión que el tubo Pitot, del orden del 1-3%.- Posee una baja pérdida de carga.

18

Rotámetro.

El rotámetro es un medidor de flujo de área variable en los cuales un flotador cambia su

posición dentro de un tubo, proporcionalmente el caudal del fluido. Los tubos empleados

en los rotámetros pueden ser de vidrio o metálicos. Los fabricantes los mecanizan de tal

modo que queda asegurada la intercambiabilidad de los diversos tubos y flotadores a fin

de obtener los flujos correspondientes sin la necesidad de calibrar individualmente cada

rotámetro. Los tubos de vidrio pueden ser con nervios interiores que sirven para guiar el

flotador o lisos. Los tubos metálicos son siempre cónicos lisos y precisan de extensión por

no tener una lectura directa.

Fig. 8. Rotámetro.

Por su parte, los flotadores pueden tener varios perfiles de construcción, los más

utilizados son (ver figura 9):

- Esférico (posición 1) : para caudales de flujo bajos y que requieran poca precisión,

con una influencia considerable en la viscosidad del fluido.

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- Cilíndrico con borde plano (posición 2) : para caudales medios y elevados con una

influencia media de la viscosidad del fluido.

- Cilíndrico con borde saliente de cara inclinada contra el flujo (posición 3) : con

menor influencia de la viscosidad que, por sus características de flujo, puede

compararse con una tobera.

- Cilíndrico con bordes salientes contra el flujo (posición 4) : mínima influencia de la

viscosidad del fluido, que por su funcionamiento, puede compararse con una placa

de orificio.

Fig. 9. Posición de los flotadores con respecto a las curvas de viscosidad.

El material más empleado en los flotadores es el acero inoxidable 316, si bien para

satisfacer la gran variedad de requerimientos de resistencia a la corrosión que se presenta

en la industria, se utilizan también otros metales. También se utilizan flotadores de

plástico, aunque se prefieren los metálicos por su mayor facilidad de mecanización del

borde superior.

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Ventajas:

- Las precisiones para este tipo de instrumentos vienen a ser del ± 2%.

- Son instrumentos económicos y simples.

- Son aptos para flujos pequeños.

- Su lectura es lineal.

Desventajas:

- Debido a su nivel de precisión no son aconsejables para altas presiones.

- Su instalación es limitada (montaje vertical).

Turbina.

Consisten en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente

proporcional al caudal. La velocidad del fluido ejerce una fuerza de arrastre en el rotor; la

diferencia de presiones debida al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce

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una fuerza igual y opuesta. De esta manera el rotor está equilibrado hidrodinámicamente

y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales

evitando así rozamientos que necesariamente se produciría.

Fig. 10. Turbina.

Existen dos tipos de convertidores para captar la velocidad de la turbina. El de reluctancia, donde la velocidad viene determinada por el paso de las palas individuales de la turbina a través del campo magnético creado por un imán permanente montado en una bobina captadora exterior. El paso de cada pala varía la reluctancia del circuito magnético. Esta variación cambia el flujo induciendo en la bobina captadora una corriente alterna que, por lo tanto, es proporcional al giro de la turbina. Y el tipo inductivo, donde el rotor lleva incorporado un imán permanente y el campo magnético giratorio que se origina induce

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una corriente alterna en una bobina captadora exterior. En ambos casos, la frecuencia que genera el rotor de turbina es proporcional al flujo.

Ventajas:

- Su precisión es muy elevada, del orden de ±0,3%.- Es adecuado para la medida de caudales de líquidos limpios o filtrados.

Desventajas:

- Está limitada a la viscosidad del fluido, debido al cambio que se produce en la velocidad de perfil del líquido a través de la tubería cuando aumenta la viscosidad.

- En las paredes el fluido se mueve más lentamente que en el centro, de modo que las puntas de las palas no pueden girar a mayor velocidad.

- Para viscosidades superiores a 3-5 centistokes se reduce considerablemente el intervalo de medida del instrumento.

- Debe de instalarse de tal modo que no se vacíe cuando cesa el caudal ya que el choque del fluido a alta velocidad contra el medidor vacío lo dañaría seriamente.

- La sobrevelocidad por exceso de caudal puede ser perjudicial para el instrumento.

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Medidor de Flujo por Ultrasonido.

Miden el caudal por diferencia de velocidades del sonido al propagarse este en el sentido

del flujo del fluido y en el sentido contrario. Los sensores están situados en una tubería de

la que se conocen el área y el perfil de velocidades. En los modelos más sencillos la

velocidad del fluido está determinada por la siguiente fórmula:

En la que:

V= Velocidad del fluido

C= Velocidad del sonido en el fluido

α= ángulo del haz de sonido con relación al eje longitudinal de la tubería

D= Diámetro interior de la tubería

Δt= Diferencia entre los tiempos de transito del sonido aguas arriba y aguas abajo del

fluido.

Fig. 11. Diagrama de bloques de un medidor ultrasónico.

Ventajas:

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- Tienen una precisión de 2%.

- Ideales para la medida de la mayor parte de los líquidos.

- Ideal para cuando el fluido contiene sólidos en suspensión cuyo tamaño no sea

muy grande.

Desventajas:

- Son sensibles a cambios de densidades en el fluido las cuales varían la velocidad

del sonido.

- Pierden eficiencia cuando están expuestos a sólidos suspendidos o burbujas de

gran magnitud que afectan la longitud de onda.

Medidor Electromagnético.

Este tipo de instrumentos se basan en la Ley de inducción electromagnética de Faraday:

“el voltaje inducido en un conductor que se mueve en un campo magnético, es

proporcional a la velocidad del conductor, dimensión del conductor, y fuerza del campo

magnético” (E=K V D B)

El medidor consta de:

Tubo de caudal: el propio tubo (de material no magnético) recubierto de material

no conductor (para no cortocircuitar el voltaje inducido).

Bobinas generadoras del campo magnético.

Electrodos detectores de voltaje inducido en el fluido.

Transmisor: se alimenta eléctricamente (C.A. o C.C.) a las bobinas, elimina el ruido

del voltaje inducido, convierte la señal (mV) a la adecuada a los equipos de

indicación y control (mA, frecuencia, digitales).

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Fig. 12. Medidor electromagnético.

Ventajas:

- No originan caída de presión.

- Se usan para líquidos sucios, viscosos y contaminados.

- Precisión: 0.25 - 1% .

Desventajas:

- Es poco sensible a los perfiles de velocidad y exigen conductividad de 5μΩ/cm.

Medidor de Coriolis.

26

Es un instrumento Medidor másico. Se basa en que la aceleración absoluta de un móvil es

la resultante de la relativa, la de arrastre y la de Coriolis.

Tres bobinas electromagnéticas forman el sensor:

La bobina impulsora hace vibrar los (dos) tubos, sometiéndolos a un movimiento

oscilatorio de rotación alrededor del eje. Vibran a la frecuencia de resonancia (menos

energía), 600-2000 Hz.

Los 2 detectores electromagnéticos inducen corrientes eléctricas de forma senoidal, que

están en fase si no circula fluido. El flujo atraviesa (dos) tubos en forma de U, estando

sometido a una velocidad lineal "v" y una velocidad angular "ω", por lo que sufre una

aceleración de Coriolis de valor a=2 ω x v

La fuerza ejercida sobre el fluido como consecuencia de la aceleración cambia de signo

con "v", por lo que se genera un par de fuerzas que produce una torsión de los tubos

alrededor del eje RR'.

La torsión alrededor del eje R-R’ produce un desfase de tiempo Δt, entre las corrientes

inducidas por los detectores electromagnéticos, que es proporcional al par de fuerzas

ejercido sobre los tubos, y por tanto a la masa que circula por ellos.

Ventajas:

- Alta precisión: (0.2 - 0.5%)

- La medida es independiente de la temperatura, presión, densidad, viscosidad y

perfil de velocidades.

- Mantenimiento casi nulo, lo que abarata su coste.

- Se aplica a fluidos viscosos, sucios, corrosivos con Tª extrema alta o baja, y con

altas presiones.

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Fig. 13. Tubo sensor mostrando la posición de los detectores y bobina impulsora.

Fig. 14. Tubo sensor con los ejes de rotación.

Placa de impacto.

28

Miden la fuerza sobre una placa (generalmente un disco circular) que se coloca en contra

del flujo.

La fuerza originada es proporcional a la energía cinética del fluido y depende del área

anular entre las paredes de la tubería y la placa. Teniendo basamentos en la siguiente

ecuación:

En la que:

F = fuera total en la placa.

= densidad del fluido.

v = velocidad del fluido-

A = área de la placa.

Cd = constante experimental

Fig. 15. Placa de impacto.

Ventajas:

- Son adecuados para fluidos sucios, de alta viscosidad y contaminados.

29

Desventajas:

- Tienen baja precisión (0.5 - 5%).

Medidor de Desplazamiento Positivo.

Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal en volumen contando o

integrando volúmenes separados del líquido. Las partes mecánicas del instrumento se

mueven aprovechando la energía del fluido y dan lugar a una perdida de carga. La

precisión depende de los huelgos entre las partes móviles y fijas y aumenta con la calidad

de la mecanización y con el tamaño del instrumento

Existen cuatro tipos básicos de medidores:

De disco oscilante.

De pistón oscilante.

De pistón alternativo.

Rotativos.

Medidor de Disco Oscilante.

Este instrumento dispone de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una

ranura en la que esta intercalada una placa fija. Esta placa separa la entrada de la salida e

impide el giro del disco durante el paso del fluido. la cara baja del disco está siempre en

contacto con la parte inferior de la cámara en el lado opuesto. De este modo la cámara

está dividida en compartimientos separados de volumen conocido.

30

Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento parecido al de un trompo caído de

modo que cada punto de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente

estableciendo contacto con las paredes de la cámara desde su parte inferior a la superior.

Este movimiento de balanceo se transmite mediante el eje del disco a un tren de

engranajes. El par disponible es pequeño lo que pone un límite de utilización de accesorios

mecánicos. Empleado originalmente en aplicaciones domesticas para agua, se utiliza

industrialmente en la medición de caudales de agua fría y caliente, aceites y líquidos

alimenticios.

Fig. 16. Medidor de desplazamiento positivo de disco oscilante.

Ventajas:

- Su precisión es de 1-2 %.

- El caudal máximo es de 600l/min.

Desventajas:

- Se fabrica para pequeños tamaños de tubería.

Medidor de Pistón Oscilante.

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Este instrumento se compone de una cámara de medida cilíndrica con una placa divisora que

separa los orificios de entrada y salida. La única parte móvil es un pistón cilíndrico que oscila

suavemente en un movimiento circular entre las dos caras planas de la cámara, y que esta provisto

de una ranura que desliza en la placa divisora fija que hace de guía del movimiento oscilante. El eje

del pistón al girar, transmite su movimiento a un tren de engranajes y a un contador. El par

disponible es elevado de modo que el instrumento puede accionar los accesorios mecánicos que

sean necesarios.

Fig.17. Medidor de desplazamiento positivo por pistón oscilante.

Ventajas:

- Su precisión normal es de 1% pudiendo llegar a 0,2% con pistón metálico.

- Se fabrican para tamaños de de tubería de hasta 2” con caudales máximos de

600l/min.

- Se aplican en la medición de caudales de agua y de líquidos viscosos o corrosivos.

Medidor de Pistón Alternativo.

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El medidor de pistón convencional es el más antiguo de los medidores de desplazamiento

positivo. El instrumento se fabrica en muchas formas: de varios pistones, pisones de

doble acción, válvulas rotativas, válvulas deslizantes horizontales. Estos instrumentos se

han empleado mucho en la industria petroquímica.

Fig. 18. Medidor de desplazamiento positivo por pistón alternativo.

Ventajas:

- Pueden alcanzar una precisión de 0,2%

Desventajas:

- Su capacidad es pequeña comparada con los tamaños de otros medidores.

- Su costo inicial es alto.

- Dan una pérdida de carga alta.

- Son difíciles de reparar.

Medidor Rotativo.

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Este tipo de instrumento tiene válvulas rotativas que giran excéntricamente rozando con

las paredes con las paredes de una cámara circular y transportan el líquido en forma

incremental de la entrada a la salida. Se emplean mucho en la industria petroquímica para

la medida de crudos y de gasolina con intervalos de medida que van desde unos l/min. de

líquidos limpios de baja viscosidad hasta 64000 l/m de crudos viscosos.

Fig. 19. Medidor rotativo.

Ventajas:

- Tienen una precisión de 1% .

- Trabajan con amplios rangos de flujos, viscosidades y densidades.

.

Medidor Térmico de Flujo.

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Los medidores térmicos de caudal se basan comúnmente en dos principios físicos:

La elevación de temperatura del fluido en su paso por un cuerpo caliente.

La perdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en el fluido.

Cumpliendo el primer principio se encuentra el medidor por tobera de Thomas el cual

consta de una fuente eléctrica de alimentación de precisión que proporciona calor

constante al punto medio del tubo por el cual circula el caudal. En puntos equidistantes

de la fuente de calor se encuentran sondas de resistencia para medir la temperatura.

Fig.20. Medidor de flujo térmico.

El sistema está conectado a un puente wheatstone que determina la diferencia de

temperaturas y amplifica con una señal de 0 a 5V. en 1000 ohmios de impedancia. Esta

señal puede ser utilizada en registradores, indicadores digitales y controladores que

pueden estar situados hasta a 300m del instrumento.

Ventajas:

- La precisión del elemento primario es de 1%.

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- La repetibilidad es de 0,2%.

Desventajas:

- Pese a sus buenas cualidades solo trabaja con caudales bajos de 0 a 15l/min. (flujos

laminares) preferiblemente de gases.

- También puede trabajar con líquidos pero de caudales sumamente bajos.

36

Válvula: Definición.

Las válvulas son dispositivos mecánicos cuya función es controlar los fluidos de un sistema de tuberías. Permiten actuar sobre un fluido ya sea por apertura, cierre u obstrucción parcial de la zona de paso. Las válvulas constituyen del 20 al 30% del costo de la tubería de una planta, según sea el proceso, y son una parte básica de cualquier sistema. Desde su selección hasta su implementación y manejo, las válvulas como elemento de control han simplificado la labor de regular el flujo o caudal de un fluido; a su vez, han aumentado la seguridad de este trabajo por medio de novedosos sistemas de control y operación automática, lo que ya no hace necesario el trabajo manual de operarios con flujos potencialmente peligrosos.

Es difícil imaginarse una planta de productos químicos, refinería de petróleo, planta de procesamiento de alimentos, unidad de fabricación de fármacos, planta lechera, etc., sin válvulas. Conforme avanza la tecnología y aumenta la capacidad de las plantas, han aumentado el tamaño y el costo de las válvulas y cada vez es más importante el máximo cuidado en su selección. La selección de las válvulas incluye muchos factores y es preferible tener como referencia un sistema que facilite la selección. Se deben tener en cuenta, como mínimo, las siguientes características básicas: tipo de válvula, materiales de construcción, capacidades de presión y temperatura, material de empaquetaduras y juntas, costo y disponibilidad.

Materiales de Construcción.

El ingeniero, después de establecer la función y de seleccionar el tipo de válvula, debe

tener en cuenta los materiales de construcción adecuados para el servicio a que se

destinará la válvula. Todas las partes de la válvula que están en contacto con el fluido

deben tener la resistencia necesaria a la corrosión. Para seleccionar materiales de

construcción resistentes a la corrosión, el ingeniero debe utilizar como guía los materiales

recomendados por los fabricantes para los diversos tipos de servicios así como los datos

publicados.

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En general, salvo que se trate de un proceso totalmente nuevo, no habrá problema para

determinar los materiales de construcción con base en la información existente. Sin

embargo, los datos publicados no se deben considerar como definitivos para los

materiales incluidos, porque otras condiciones en el servicio real pueden influir en la

rapidez de la corrosión y se deben tener en cuenta. Por ejemplo, la presencia de sales

disueltas, de contaminantes del proceso y de diferentes compuestos del proceso, aeración

de los líquidos, altas velocidades de los fluidos, la presencia de abrasivos, la ocurrencia de

cavitación o de vaporización instantánea, variaciones en las temperaturas y

concentraciones, etc. El efecto de estos factores no se puede determinar por completo,

excepto cuando se cuenta con datos de una unidad o sistema idénticos. Por tanto,

aunque los datos publicados de corrosión resultarán válidos en muchos casos, sólo se

podrá tener una certidumbre completa con la experiencia. Cuando no hay experiencia

anterior ni datos aplicables en forma directa, el ingeniero se debe basar en un examen y

análisis lógicos de los datos acerca de las mismas composiciones y condiciones para los

fluidos. Esto implica cierto riesgo, que se debe ponderar en contra del costo adicional del

empleo de un material más confiable. Si el costo de la válvula es importante y el servicio

tiene requisitos críticos, entonces se debe efectuar un programa de pruebas de materiales

con o sin la ayuda del fabricante.

Capacidades de Presión y Temperatura.

Una vez determinadas las presiones y temperaturas máximas de operación, el ingeniero

podrá establecer la capacidad de presión requerida por la válvula. En este aspecto, el

ingeniero debe comparar su selección con las listas de los fabricantes respecto a las

capacidades de presión y temperatura con el fin de asegurarse que se ajustan a ella. Estas

capacidades están basadas en las normas ANSI. Para materiales que no aparezcan en la

tabla, se deben consultar las normas ANSI o la literatura del fabricante para el tipo de

servicio.

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Material de Empaquetaduras y Juntas.

La selección del material adecuado para empaquetaduras y juntas es tan importante como

la de los materiales de la válvula para el servicio a que se destinan. La selección de una

empaquetadura inadecuada puede permitir fugas en la válvula y requerir un paro del

sistema para reemplazarla. Además, si el fluido que se escapa es tóxico o inflamable,

puede ocurrir una grave situación, con posibles lesiones al personal y daños a la planta.

Los riesgos y los costosos paros son inexcusables y son fáciles de evitar. Al seleccionar el

material de empaquetaduras de válvulas, el ingeniero debe consultar la literatura de los

fabricantes de empaquetaduras y válvulas y las publicaciones técnicas, para comprobar

que el material seleccionado sea compatible con los fluidos que se manejan. Asimismo, la

forma física de la empaquetadura debe ser compatible con las características mecánicas

de la válvula ciertos materiales de empaquetaduras requieren una elevada compresión,

pero hay válvulas que son muy endebles o muy ásperas y no se puede aplicar una gran

compresión. Además, las elevadas compresiones requeridas por ciertas válvulas pueden

hacer que algunas empaquetaduras fluyan en frío. Ciertas empaquetaduras incompatibles

pueden producir desgaste del vástago.

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Válvulas de Control.

En el control automático de los procesos industriales la válvula de control juega un papel

muy importante en el bucle de regulación. Realiza la función de variar el caudal del fluido.

En la figura 38 puede verse una válvula de control típica. El cuerpo de la válvula contiene

el obturador y los asientos y esta provisto de bridas para conectar la válvula a la tubería.

El obturador es quien realiza la función del paso del líquido (fluido) y puede actuar en

dirección vertical o bien tener un movimiento rotativo y esta unido a un vástago. Esta

unido a un vástago y que accionado por un actuador.

Fig. 21. Válvula de control.

Una válvula de control automática es aquella que posee un actuador, accionado por una

señal neumática, eléctrica o hidráulica, para modificar el área entre el obturador y los

asientos con el fin de modificar el paso del fluido.

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Las válvulas de control se clasifican de acuerdo al tipo de actuador que se conecta al

cuerpo de la válvula. Se pueden mencionar los siguientes:

a) Actuador Neumático: Requiere de una señal de presión (aire, gas) para generar la

fuerza requerida con el fin de accionar el obturador en el cuerpo e la válvula.

Consiste en un diafragma con resorte que trabaja entre 3 y 15 psi (0,2 – 1 Bar), es

decir entre la posición de cierre y apertura de la válvula. Al aplicar cierta presión

sobre el diafragma, el resorte se comprime de tal forma que el mecanismo

empieza a moverse y sigue moviéndose hasta que llega a un equilibrio entre la

fuerza ejercida por la presión del aire sobre el diafragma y la fuerza ejercida por el

resorte.

Fig. 22. Tipos de Actuadores.

Idealmente con una señal de 3 psi la válvula debe estar en 0% de su carrera y para una

señal de 15 psi debe estar en 100% de su carrera. Así mismo debe existir proporcionalidad

entre las señales intermedias y sus correspondientes posiciones.

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En la práctica las válvulas se desvían de este comportamiento debido a:

a) Rozamientos

b) El área efectiva del obturador varia con la carrera del vástago de la válvula

c) Esfuerzo en el obturador de la válvula creado por la presión del fluido

d) Fuerza adicional del actuador de la válvula para conseguir un cierre efectivo

Entre el obturador y el asiento

b) Actuador Eléctrico: Son aquellos que usando una señal eléctrica, generan un

trabajo mecánico para accionar el obturador. Es un motor acoplado al vástago de

la válvula a través de unos piñones (engranajes). Varios modelos presentan

volante de cierre para operación manual en caso de falla eléctrica.

c) Actuador Hidráulico: Consisten en una bomba de accionamiento eléctrico que

suministra fluido hidráulico. Se caracterizan por ser muy potentes, su costo

elevado y solo suelen ser usados cuando los actuadores neumáticos no pueden

cumplir con las especificaciones técnicas ( Torque, Presión Shut-off )

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Válvulas de Cierre.

El cierre físico real de una tubería no es difícil, la dificultad radica en tener la seguridad de

que hay cierre positivo de la tubería. En una situación en que sería posible un daño muy

grave, la válvula para cierre de tuberías (oleoductos o gasoductos) es la solución lógica. La

válvula normal, por su propia naturaleza, no puede asegurar un cierre positivo. Desde el

punto de vista estructural no hay ninguna prueba visual concluyente de que la válvula ha

cerrado por completo porque pueden haber ocurrido rotura, fatiga y otros factores que

ocasionan una falla y, a su vez, permitirían fugas.

En las válvulas para cierre de tuberías se utilizan los mismos principios básicos que en los

métodos anteriores, pero tienen un funcionamiento más rápido, limpio y fácil. Cuando se

puede permitir un escurrimiento mínimo y no hay condiciones peligrosas, se pueden

utilizar válvulas sencillas para cierre de tubería. El escurrimiento, en este caso, significa la

salida de los residuos de la tubería, cuando no se pueden permitir movimiento ni

dilatación de la tubería durante el cierre y en lugares en donde no debe haber

escurrimiento, se necesita un diseño más complejo.

Tipos de Válvulas de Cierre:

De 3 tornillos : La válvula de cierre de tubería básica y de mayor utilización es la de

3 tornillos. En lugar de sacar varios tornillos de brida con herramientas, se aflojan

los tres tornillos, una vuelta cada uno, con una palanca, lo cual puede hacer un

solo operario. Se vuelve a colocar la placa de espejo y se aprietan los tres tornillos.

Cuando está visible el agujero en la placa de espejo, es obvio que la parte maciza

está cerrando la tubería; si está visible la parte maciza, la tubería está abierta. Los

tornillos de la válvula son lo bastante grandes para cumplir con los requisitos de

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presión de bridas que tienen muchos más tornillos. Los tornillos de la válvula son

intercambiables y el mantenimiento de rutina está limitado a lubricar las roscas

cada cierto tiempo.

Con compuerta deslizable: Esta válvula está diseñada para control remoto o para

cualquier aplicación en que se debe cerrar con toda rapidez y en forma segura. Con

accionamiento manual o con operador, no se perjudica por la desalineación o los

esfuerzos en la tubería. Esta válvula se puede operar con una presión hasta de 50

psi en la tubería y se pueden utilizar actuadores neumáticos, eléctricos, hidráulicos

o manuales. No hay que aflojar ni apretar tornillos ni accesorios para cerrar o abrir

la tubería. En las posiciones abierta o cerrada, la compuerta asienta contra un

asiento anular para no permitir fugas, pero cuando se abre o cierra la válvula y hay

producto en la tubería, habrá cierto escurrimiento. Estas válvulas se pueden

utilizar en tuberías horizontales o verticales.

De cuña visible: Permite la circulación con orificio pleno o cierre positivo contra un

asiento en un cuerpo cerrado en tres cuartas partes. No hay escurrimiento de

residuos de la tubería cuando se cambian las cuñas ni hay que mover los tubos

cuando se cambian los espejos, éstos tienen forma de cuña y se elevan con un

volante o un operador de engranes con accionador neumático, eléctrico o con llave

de impacto. Cuando se eleva el espejo lo suficiente para librar el cuerpo, se suelta

el pestillo de seguridad y se puede girar el espejo a la posición deseada. Después

se baja la cuña contra su asiento, para formar un sello de metal con metal,

auxiliado con anillos de sello.

De corte y cierre automático: Es una combinación de una o dos válvulas de

mariposa y una válvula de cierre de tubería con compuerta deslizable. Se opera

con un cilindro neumático y permite control remoto con secuencia automática.

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Contra derrames : Tiene cubos telescopiables entre sí con empaquetadura interna

entre ellos, este tipo tiene una cámara cerrada para el espejo, a fin de evitar

escurrimiento del líquido de la tubería mientras se invierte el espejo.

Con Compuerta : Es una combinación de la válvula de cierre de 3 tornillos con una

o dos válvulas de compuerta del tipo de cuña. Esto permite al operario cerrar la

tubería por completo en forma segura y positiva.

De corte sencillo o doble : Se combinan la placa de espejo de la válvula de 3

tornillos y el funcionamiento independiente de compuerta de cuña en una unidad

compacta. Los modelos de cierre sencillo cierran la tubería en contra de la presión

en un sentido; los modelos de doble cierre cortan la presión en ambos lados.

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CONCLUSION

Luego de finalizar este trabajo de la variable flujo se puede llegar a las siguientes

conclusiones:

1. El flujo se clasifica en laminar, turbulento, compresible e incompresible.

2. La medición de flujo es sumamente importante en los procesos industriales, razón

por la cual se han desarrollado una gran gama de instrumentos y válvulas de

control basándose en diferentes mecanismos.

3. Cada instrumento tiene sus limitaciones y ventajas que los hacen aplicables en

diferentes campos industriales y no industriales.

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