medidores de flujo ( mecánica de fluidos ii )

Medidores de flujo

MECANICA DE FLUIDOS II

TEMA : MEDIDORES DE FLUJO

JIMMY CASTILLO LIRA

Introduccin

Las mediciones de flujo de fluidos son usadas en muchas aplicaciones que cubren un gran espectro de actividades tanto en la industria como la investigacin. Las mismas pueden ser expresadas de tres formas: flujo volumtrico, flujo msico y velocidad de flujo.

Los sistemas de fluidos pueden ser de:

Tubera cerrada.

Semicerrados.

Abiertos.

En cada caso, se pueden usar varios mtodos de medicin para determinar la velocidad de flujo requerida.


1. CLASES DE FLUJO DE FLUIDOS

En el estudio de mediciones de fluidos se toman los no viscosos como fluidos ideales. En ellos no existe disipacin de energa debido a la friccin. En fluidos reales esta aproximacin dar buenos resultados cuando la friccin es pequea.


Fluidos ideales

Los fluidos ideales se clasifican en: compresibles e incompresibles. En estos ltimos se asume la densidad constante o con pequeas variaciones.

Fluidos reales

Los fluidos reales son fluidos donde se presenta disipacin de energa, debido a la friccin producida por la viscosidad.


UNIDADES DE FLUJO DE FLUIDOS

El flujo de fluidos pueden ser expresado de tres formas: flujo volumtrico, flujo msico y velocidad de flujo.

LEYES ASOCIADAS A LOS CAMBIOS DE FLUJO DE FLUIDOS

Las ecuaciones de flujo son representaciones matemticas de las leyes fsicas relacionadas con flujo de fluidos. Existen tres leyes bsicas: conservacin de la masa (ecuacin de continuidad), momento y energa. Adems, hay una ley adicional, la segunda ley de la termodinmica.


APLICACIONES DE LAS MEDICIONES DE FLUJO DE FLUIDOS

Los Medidores de Flujos de fluidos pueden ser utilizados en muchas aplicaciones tecnolgicas y aplicaciones de la vida diaria, donde conociendo su funcionamiento y su principio de operacin se puede entender de una manera ms clara la forma que puede ayudar a solventar o solucionar problemas o situaciones comunes.

Los medidores de flujo se emplean en operaciones tan diversas, como son el control de procesos, balances de energa, distribucin, emisin de contaminantes, indicacin de condicin y alarma, transferencia de custodia de fluidos como el petrleo y sus derivados.


FACTORES PARA LA ELECCIN DEL TIPO DE MEDIDOR DE FLUIDO

Rango: los medidores disponibles en el mercado pueden medir flujos desde varios mililitros por segundo (ml/s) para experimentos precisos de laboratorio hasta varios miles de metros cbicos por segundo (m3/s) para sistemas de irrigacin de agua o agua municipal o sistemas de drenaje.

Exactitud requerida: cualquier dispositivo de medicin de flujo instalado y operado adecuadamente puede proporcionar una exactitud dentro del 5 % del flujo real. La mayora de los medidores en el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos dicen tener una exactitud de ms del 0.5%. El costo es con frecuencia uno de los factores importantes cuando se requiere de una gran exactitud.

Prdida de presin: debido a que los detalles de construccin de los distintos medidores son muy diferentes, stos proporcionan diversas cantidades de prdida de energa o prdida de presin conforme el fluido corre a travs de ellos.


Tipo de fluido: el funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido

Calibracin: se requiere de calibracin en algunos tipos de medidores.

MTODOS DE MEDICIN DE FLUJO DE FLUIDOS

Existen muchos mtodos confiables y precisos para medir flujo. Unos son aplicables solamente a lquidos, otros a gases y vapores.

Existen muchos medidores comerciales de flujo distribuidos dentro de las siguientes tcnicas de medicin:

Presin diferencial66 %

Electromagntico9 %

rea variable8 %

Desplazamiento positivo6 %

Turbina5 %

Otros (vortex, ultrasonido, etc.)6 %


1. Medidores de flujo de presin diferencial

Los medidores de flujo de presin diferencial son las unidades ms comunes en uso hoy en da.

Estos medidores, como en la mayora de los medidores de flujo, tienen un elemento primario y otro secundario. El elemento primario como la placa de orificio causa un cambio en la energa cintica, la cual crea la presin diferencial en la tubera. El elemento secundario como el tubo de Bourdon registra la presin diferencial y provee la seal necesaria para realizar la medicin o lectura.

La representacin matemtica para la medicin de flujo por el mtodo de presin diferencial, es obtenida por aplicacin simultnea de las ecuaciones de continuidad y de Bernoulli en dos puntos diferentes


Elemento primario

Placa Orificio:

La placa orificio consiste en un plato delgado perforado, el cual se instala en la tubera. El orificio puede ser concntrico, excntrico segmental. La placa orificio es el elemento de medicin de flujo ms empleado frecuentemente, debido a su simplicidad, bajo costo y a la gran cantidad de datos disponibles para la investigacin que predicen su comportamiento.

Ventajas

Bajo costo.

Fcil instalacin y/o reemplazo.Cambios de capacidad cambiando el tamao del plato.

Disponible en un amplio rango de tamaos y modelos.

Apropiado para la mayora de gases y lquidos.

Se aplica en un amplio rango de temperaturas y presiones.

No tiene componentes movibles.

Precio virtualmente independiente del tamao de la tubera.

Ampliamente establecido y aceptado.

Simple.

Desventajas

Limitado rango de flujo.

Baja exactitud.

Prdida de exactitud con la corrosin y densidad.

Prdida de presin alta y constante.

La viscosidad afecta el rango del flujo.

Requiere mantenimiento.


Elemento primario

rea Variable:

Los medidores de flujo de rea variable son mayormente constituidos por la familia de rotmetros y consisten bsicamente de un tubo de forma recta o cnica y un flotador con diversas formas, con densidad superior a la del fluido

Ventajas

Bajo costo.

Simplicidad.

Conveniente para muy pequea velocidad de flujo.

Prdida de presin baja y constante.

Indicacin visual directa.

Mide lquidos y gases.

Amplia relacin de rango.

No tiene limitaciones de aguas arriba o aguas abajo.

Para fluidos con densidad y viscosidad variable (compensacin dada con el diseo del flotador).

Desventajas

No es recomendable para presiones y temperaturas altas.

Debe ser montado verticalmente.

El elemento es de un tamao relativamente espacioso.

Aplicacin en fluidos limpios solamente.

El costo aumenta considerablemente con los accesorios.

Sedimentos sobre el tubo de vidrio producen dificultad en la lectura.


Elemento Secundario

El elemento secundario mide la diferencia de presin y provee la seal de salida. Los indicadores de Bourdon, diafragma y fuelle son elementos secundarios.

2. Medidores de Flujo de Desplazamiento Positivo

Los medidores de flujo de desplazamiento positivo se usan cuando se necesita una alta exactitud en condiciones de flujo estable. Existen cuatro tipos bsicos de medidores de desplazamiento positivo: disco oscilante, pistn oscilante, pistn alternativo y rotativo.

Medidor de disco Oscilante: El sistema de disco oscilante dispone de una cmara circular con un disco plano mvil dotado con una ranura en la que se encuentra intercalada una placa fija. Esa placa, separa la entrada y la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido.


Medidor de disco Oscilante: Consiste en una cmara cilndrica con una salida y una placa divisoria que separa esta salida en dos.

Medidor de Pistn Alternativo: Es uno de los primeros elementos de medicin de caudal por desplazamiento positivo. Es generalmente aplicado a fluidos que operan en fase lquida. El pistn se mueve alternativamente y permite el paso de fluido desde un extremo a otro


Medidor Rotativo: Son de muchos tipos, y son los ms usados en la actualidad, dentro de la categora de desplazamiento positivo. Su funcionamiento es muy sencillo y su mantenimiento bajo.

Ventajas

Respuesta rpida.

Buena exactitud y relacin de rango.

Muy buena repetibilidad.

Usado para fluidos con alta viscosidad.

Medidor local con opcin de pulsos de salida.

Lectura directamente en unidades de volumen.

No necesita fuente de alimentacin.

Exactitud no afectada por incremento de viscosidad y condiciones de tubera aguas arriba.

Desventajas

Perdida de presin alta.

Partes mviles sujetas a corrosin.

Requiere mantenimiento regularmente.

Costoso, especialmente en dimetros grandes.

No aplicable para fluidos con slidos en suspensin o abrasivos.


3. Medidores de flujo basados en el principio de Velocidad

Operan linealmente con respecto a la velocidad del volumen de flujo. Su relacin de rango es mayor porque no tienen relacin cuadrtica. Estos medidores de flujos comprenden, entre otros, turbina, vortex y magntico.

Turbina: El medidor de turbina emplea un elemento rotativo el cual gira en proporcin a la velocidad del fluido que pasa a travs del mismo.

Ventajas

Alta exactitud.

Muy buena repetibilidad.

Rango de flujo 30 : 1.Ms econmico que desplazamiento positivo.

Salida digital lineal.

Respuesta rpida.

Fcil instalacin.

Baja perdida de presin.

Muy poca energa absorbida por el elemento de medicin.

Capacidad para mediciones a presin alta y flujo alto en un amplio rango de temperatura.

Desventajas

No aplicable a fluidos con altas viscosidades.

Requiere calibracin.

Relativamente costoso.


Vortex:

Ventajas

Bajo costo de instalacin.

Buena exactitud.

Buena linealidad en el rango utilizable.

Buena repetibilidad con el tiempo.

Amplia relacin de rango.

Salida lineal con la velocidad de flujo.

Mnimo mantenimiento.

No requiere calibracin.

Poca prdida de presin.

Compacto y de peso liviano.

Sensor y fluido no estn en contacto.

Construccin sencilla con partes no mviles.

La salida no es afectada por la temperatura, presin, densidad o viscosidad del fluido.

Desventajas

No apto para fluidos abrasivos o sucios.

Limitada presin mxima y temperatura.


Electromagnticos

La operacin del medidor de flujo electromagntico

est basada en la ley de Faraday.

Ventajas

No es afectado por la densidad, viscosidad, presin y temperatura.

Puede medir lquidos corrosivos, "slurries" o abrasivos.

Puede medir en ambas direcciones con igual exactitud.

Mide flujo dinmico.

No restringido por el nmero de Reynolds.

No es intrusivo.

Variedad de tamaos y rangos de flujo.

Buena exactitud y amplia relacin de rango.

Desventajas

Pueden ser sensibles al perfil de flujo asimtrico.

Lquidos deben ser elctricamente conductivos.

No para gases.

Costoso, especialmente en los de dimetros pequeos.

Requiere fuente de alimentacin.

Requiere calibracin.

Burbujas de gas en el lquido causan errores.


CONCLUSIONES

Cada uno de los medidores de flujo descritos anteriormente tienen ventajas y desventajas individuales, pero ninguno incorpora todas las caractersticas de los dems. Como consecuencia, todos estos medidores deben ser usados en aplicaciones donde mejor sean adaptados.

La seleccin no es fcil debido a:

El contino incremento del nmero de dispositivos de medicin disponibles en el mercado.

Los diferentes requisitos de instalacin.

La falta de informacin en cuanto a comparacin entre las caractersticas de los diferentes dispositivos de medicin de flujo.

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