UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARMEN DES –DACQYP
Flujo de fluidos
*INSTRUMENTOS DE MEDICION DE CAUDALES*
Profesor: Ing. María del Carmen Milán Cárdenas.
Presenta:Vanessa Paulette Bárcenas Bernal.
Viridiana Villalobos Trujillo. Irene del Carmen Castillo Sánchez.
Jonathan de Carmen contreras Valdez.Edy Alberto Antonio Díaz.
31 de Marzo del 2011, Cd. del Carmen, Campeche.
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Los instrumentos para medir caudales se llaman caudalimetros.
Un caudalímetro es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico.Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido.
También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros.
Los caudales se pueden medir en flujo cerrado o tuberías o en flujos abiertos o canales.
INTRODUCCION
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Caudalimetros de área de paso constantesAdaptando un integrador se obtiene el flujo total o volumen total que ha circulado por la tubería
integrador de flujo de 6 dígitos modelo 14
Caudalimetros de área de paso variables
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Caudalimetros de área de paso constantesCaudalimetros de área de paso constantes
*Constan esencialmente de dos elemento:
Elemento deprimógeno
Manómetro diferencial
Elemento que provoca una caída de presión.
Mide la presión
Una característica esencial de estos instrumentos es que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión . un fluido que circula por un conducto cerrado experimenta un una caida de presion ( perdida de carga).Accesorios mas utilizados para medir caudales : codos y válvulas.
Caudalimetros de constricción: cualquier estrechamiento de flujo , provocado por una restricción o estrechamiento del área de paso , puede servir de elemento deprimógeno
Caudalimetros de constricción •Tubo de venturi•Toberas•diafragma
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Tubo de venturi
Provoca una diferencia de presiones . Siendo el caudal Q una función de dicha diferencia , midiendo esta se puede calcular el valor de Q.
Consta de 3 partes:
*una convergente
*seccion minima o garganta
* Otra divergente
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Despreciando en primera aproximación las perdidas la ecuación de bernoulli escrita entre las secciones 1 y 2 .
P1/g + z1 + V1/2g= p2/g+z2+v2/2g
ECUACION de continuidad
Y por tanto despejando v1
Sustituyendo en la ecuación de bernoulli
Para el caudal
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Es decir
H1 y h2 son las alturas pieziometricas en los puntos 1 y 2Obteniendo un coeficiente de caudal Cq
Se obtiene
Para Cv en las ecuaciones del caudal no es una constante por que depende del numero de Reynolds Re.Para aminorar las perdidas el de la parte convergente suele hacerse de 20° y el Angulo de la parte divergente suele estar entre los 5 y 7°.Este medidor es ideal como elemento deprimogeno en tuberías donde el flujo es continuo Por que produce depresión h grande con perdidas hr mínimas.
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Tubo de venturi : V , con transmisor eléctrico ; T , indicador de flujo I; registrador de flujo R e integrador R
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Toberas de medidaLas toberas en general son conductores convergentes en la dirección del flujo que producen un aumento de velocidad y una disminución de la presión. Las toberas se utilizan en la técnica para múltiples fines. Se utilizan también para medir caudales.
Los venturis, lo mismo que las toberas pueden diseñarse de diversas formas. Después de investigaciones se han establecido los denominados Venturis, Toberas y Diafragmas standard.
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Ecuación:La ecuación de las toberas de medida son las mismas que las del tubo de venturi.Definiendo un coeficiente de caudal Cq que calculara también experimentalmente (tarado del venturi), y que engloba el coeficiente Cv:
Se obtiene:
Cq = Coeficiente de caudal (Adimensional)Cv = Coeficiente de velocidad (Adimensional)A = Area (m2)Q = Caudal real (kg/m3)h = altura (m)
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DiafragmaUn diafragma es una placa de metal, bronce, acero inoxidable, etc. Por su sencillez de construcción son muy usados para medir caudales tanto en líquidos como gases. Resultan aun más económicos de instalación que las toberas; pero tienen aun mas perdidas.
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EcuaciónLa formula para calcular el caudal es la misma que para el venturi donde Cq se ha de obtener también experimentalmente (tarado del diafragma). Deduzcamos esta formula por otro procedimiento, como aplicación practica de la ecuación de bernoulli con perdidas y la ecuación de la continuidad, aplicada entre las secciones 0 y 2:
De donde:
Y:
Que coincide con la ecuación de las toberas de medida:
Cq = Coeficiente de caudal (Adimensional)ζ = Coeficiente de perdidas (Adimensional)α = Alfa (m)β = Beta (m)A = Area (m2)Q = Caudal (kg/m3)h = altura (m)d /D = diámetro (m)
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Toberas de medida:
Diafragma:
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ELEMENTOS DEPRIMÓGENOS
Además de venturis, toberas y diafragmas, en la practica se emplean otros muchos elementos deprimógenos.
En estos instrumentos el coeficiente de caudal Cq se ha de determinar en cada caso experimentalmente mediante un tarado del instrumento.
Los tres más importantes son: codos, camaras espirales y válvulas.
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Los elementos deprimógenos son muy importantes tanto en la industria como en
nuestra propias casas.Son usados tanto en la vida cotidiana como en
las grandes industrias (termoeléctricas, hidroeléctricas, industria petrolera, etc.)
Su función va desde cambiar la dirección del fluido, hasta impedir o dejar pasar el fluido.
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MANÓMETROS DIFERENCIALES DE RAÍZ CUADRADA El manómetro es un instrumento que se emplea para medir la presión del sistema de filtración
Los manómetros se utilizan en muchas partes desde una piscina hasta grandes industrias.
Es usado en la termoeléctricas, hidroeléctricas, etc.
El Δh se mide con un manómetro diferencial de tipo de flotador, de tipo anular tórico, de tipo de Bourdon, etc. El manómetro puede dar directamente la lectura en caudales si se le incorpora un convertidor de raíz cuadrada. Todos los caudalimetros registradores así como los totalizadores de flujo dan la lectura directamente en unidades de caudal.
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Calcular Q para un fluido en un manómetro diferencial de raíz cuadrada, cuya lectura del manómetro (h) dieron como resultado 8m y 2m. El área es de 2m2 .El valor de Cd es igual a 4. Solución:
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Los medidores= Utilizados para estimar el gasto en determinada sección de la tubería.Clasificación= Medidores volumétricos y másicos. (ambos pueden servir para la misma aplicación, ya que volumen y masa son proporcional entre sí.)
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
Es el fenómeno físico en que se basa el medidor, y es una característica de diseño.
Para los medidores de caudal volumétricos: los principales sistemas son presión diferencial, área variable, velocidad, tensión inducida , desplazamiento positivo y vórtice.
Para los medidores de caudal másicos: se deben destacar el sistema térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis.
.
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Medidores de Caudal de Área variable
oSe deben instalar verticalmente.
oEl área del tubo es pequeña en la parte inferior y va aumentando hasta alcanzar la mayor sección en la parte superior.
oEl flotador, sólido, tiende a bajar debido a la fuerza de gravedad (su peso) y el fluido, que circula de abajo hacia arriba, tiende a levantarlo debido a la fuerza de arrastre de este.
oAdemás de la fuerza de arrastre, existe una fuerza que ejerce el fluido sobre el flotador, que es igual al peso del volumen del fluido que desaloja. oEl tubo debe estar graduado, además de permitir la visualización del flotador.
oEl tubo se puede graduar teniendo en cuenta que la fuerza de arrastre depende de la velocidad del fluido, y una vez se conoce esta, se puede obtener el caudal.
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oEl medidor mas representativo de esta clase es el rotámetro.
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Medidores de Caudal de velocidad
Existen tres elementos para caudalímetros que basan su principio de funcionamiento en la velocidad del fluido: Los vertederos (para canales abiertos), las turbinas y las sondas ultrasónicas.
Los medidores de caudal tipo turbina:
Se basan en un rotor que gira a una velocidad proporcional al caudal del fluido que pasa. Para obtener la velocidad de giro del rotor se pueden utilizar dos técnicas.
Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor y eloval.
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LOS MEDIDORES DE CAUDAL TIPO TURBINA:
Se basan en un rotor que gira a una velocidad proporcional al caudal del fluido que pasa.
Dentro del grupo de los medidores rotativos, destacan el cicloidal, el birrotor y eloval.
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Los cicloidales consisten en dos lóbulos engranados entre sí que giran en direcciones opuestas y desplazando un volumen fijo de fluido en cada revolución.
El sistema birrotor consta de dos rotores sin contacto mecánico entre sí que giran sincronizados gracias a un acoplamiento con engranajes externo a la cámara por donde pasa el fluido (donde están los dos rotores). El desgaste mecánico es mínimo por no existir contacto entre los dos rotores y porque estos están equilibrados estática y dinámicamente.
Su aplicación principal es la medición de caudales de productos petrolíferos.
Los medidores ovales están formados por dos ruedas ovales que engranan entre sí. Su movimiento de giro es debido a la presión diferencial creada por el fluido.
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Térmico:
Los medidores térmicos de caudal usan dos técnicas para la determinación del caudal másico:
La primera es la elevación de temperatura que experimenta el fluido en su paso por un cuerpo caliente.
La segunda es la pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en un fluido.
Sea cual sea la técnica que utilicen los caudalímetros térmicos, se basan en la general insensibilidad de los fluidos a la variación de su calor específico en función de la presión y de la temperatura, es decir, el calor específico de los fluidos se puede considerar prácticamente independiente de la presión y de la temperatura.
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Sensor de caudal con ruedas de paleta:
Se utiliza cuando los datos sobre el caudal deben trasmitirse como salida de impulsos. Este sensor contiene un transductor que trasmite una señal de 0-100Hz. La señal de la salida es linealmente proporcional al caudal.
Este medidor funciona en medios como: el agua y líquidos de baja viscosidad
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Sensor de caudal de turbina:
La alta precisión es la característica principal de este sensor. Mide con precisión el caudal de los líquidos transparentes sobre una amplia gama de caudales.
Este medidor puede instalarse en cualquier orientación deseada siempre y cuando se tenga cuidado de mantener el medidor lleno de líquido.
El movimiento del líquido a través del medidor provoca la rotación de la turbina. Un sensor de proximidad externo detecta la rotación de la turbina sondeando el movimiento de las partículas.
La rotación de la turbina es lineal con respecto al caudal.
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Medidor de caudal con fuelles de paleta:
Este tipo de disposición es ideal para utilizarse en aplicaciones donde la suciedad y los contaminantes de granos sólidos son una gran preocupación. Este dispositivo opera de la siguiente forma:
El caudal provoca que la paleta (1) sea desviada en la dirección del caudal contra la fuerza de un resorte (2).
Un fuelle (3) fabricado de bronce (o de preferencia acero inoxidable), aísla en forma hermética el medio de la sección de medición.
El movimiento de la paleta (1) se transmite directamente a un indicador (4) , este indica el caudal o la trasmite a un condicionador de señales.
Un microinterruptor (6) y una lámpara indicadora (7) se activan cuando se alcanza el punto de referencia. La lámpara se acciona cuando el caudal está por debajo del punto de referencia.
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Medidor de caudal magnético:
Es utilizado en el análisis de líquidos difíciles y fangos, este medidor es un tubo hueco forrado con varios eléctrodos periféricos metálicos, puesto que los eléctrodos sobresalen de manera insignificante en las paredes de la tubería del medidor, el medidor está casi totalmente libre en su interior, esto ayuda a hacer que este medidor sea adecuado para líquidos que varían desde lodos de alcantarilla hasta una gran variedad de aplicaciones químicas.
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Sensor de caudal térmico compacto:
Utiliza el principio calorimétrico para monitorear en forma continua el caudal tanto de medios viscosos como de no viscosos.
La velocidad del caudal se transmite por medio de una salida.
La capacidad de transmisión se hace posible gracias al alto grado de estabilidad de temperatura proporcionado por su diseño.
La ausencia de salientes evita que los contaminantes se acumulen en la punta de la sonda.
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Medidor de caudal bridado:
Este dispositivo funciona con el principio de área variable, es ideal para aplicaciones difíciles en las que se requiera una operación a alta presión o una pérdida de baja presión. Su diseño está disponible en acero. En la configuración estándar es un medidor puramente mecánico
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Medidor de caudal de presión diferencial:
Estos medidores están diseñados para aplicaciones en ambientes difíciles, la falta de sensibilidad ante campos magnéticos y la capacidad de resistir grandes presiones excesivas sin daños, se combinan para hacer de este un instrumento resistente.
Es de fácil uso, fácil lectura y fácil mantenimiento, se puede utilizar en tuberías horizontales o verticales.
Este dispositivo determina el caudal mediante la medición de la pérdida de presión a través de un orificio calibrado.
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Medidor de caudal de masa electrónico:
Mide caudales de gas, en contraste con la mayoría de otros dispositivos de dosificación de caudal volumétrico, este medidor no necesita corrección de presión o temperatura.
Se encuentra disponible en aluminio o acero inoxidable, con o sin una pantalla digital.
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Caudalimetro electromagnéticoConstituyen un sistema sin partes móviles, no ocasionan ninguna restricción en la circulación y por lo tanto la perdida de carga es irrelevante.
Debido a su principio de funcionamiento, basado en la ley de Faraday posibilita mediciones precisas y confiables.
Gracias a su revestimiento y a la elección del material de los electrodos, es posible su empleo con fluidos corrosivos con sólidos en suspensión.
Su utilización esta muy difundida en las industriasquímicas, papelera , alimenticias y de todo tipo.
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Ecuaciones fundamentalesLey da faraday:En un conductor eléctrico que se desplaza a través de un campo eléctrico, se induce una tensión que es directamente proporcional a la velocidad del conductor, y a la magnitud de campo eléctrico.
Un campo magnético con bobinas de cable de cobre.Una corriente controlada por la bobina garantiza que la intensidad del campo magnético se mantenga constante durante la medición.La longitud del conductor(distancia entre ambos electrodos de medición y por lo tanto el diámetro) también es un valor constante.La única variable en la ecuación de faraday es la velocidad de circulación del caudal
K=B=campo magnético N/C D= diámetro M V=velocidad del fluido M/S2
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Caudalimetro ultrasónicoEstán basados en la propagación de ondas de sonido en un fluido.
El principio de medición en los caudalimetros se basa en el tiempo de transito ultrasónico. Tiene una medición de alta exactitud, independientemente de la viscosidad, la temperatura y la conductividad.
Sin perdida de carga a través del tubo de medición (liso) y sin obstrucción al flujo-presion.
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Ecuaciones fundamentalesConsta de un trozo de tubería que se embrida en la tubería principal por la que circula el liquido. Esta dotado de dos centros de receptores:El centro emisor 1,(C1): irradia la dirección de la velocidad V del fluido.El centro 2, (C2): lo hace en sentido contrario.Uno y otro rayo forman un Angulo B con V.
De donde:
Y finalmente el caudal será:
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Conclusión La gran cantidad de teorías y modelos de caudalímetros que existen nos confirman que no hay una fórmula ideal para medir caudal. La decisión final se debe tomar en base al caudal, viscosidad, temperatura, composición química y presión del fluido que deseamos medir. Cada aplicación tiene un caudalímetro que se adapta mejor a su necesidad.Los costos son también un factor a considerar, la confiabilidad, precisión y durabilidad son factores muy asociados al costo. No es lo mismo buscar un caudalímetro para un producto de consumo masico como un calentador de agua, que buscar un caudalímetro para medir la cantidad de sangre que está circulando por un bypass o un caudalímetro para medir la cantidad de vapor a presión que se desecha a una chimenea de una planta de energía de fusión nuclear.
GRACIAS POR SU ATENCION
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Bibliografía
Mataix, C. (1986) - Mecánica de fluidos y máquinas hidraulicas (2da edición)
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