MEDIDORES DEL FLUJO DE FLUIDOS

1.-INTRODUCCION

Para medidas en el flujo de fluidos se emplean en la practica de ingeniería numerosos dispositivos. Las medidas de velocidad se realizan con tubo de pitot, medidores de corriente y anemómetros rotativos y de hilo caliente. En estudios sobre modelos se utilizan con frecuencia métodos fotográficos. Las medidas se llevan a cabo mediante orificios, tubos, toberas o boquillas, Venturi metros y canales Venturi, medidores de codo , vertederos de aforo, numerosas modificaciones de los precedentes y diversos medidores patentados. A fin de aplicar correctamente estos aparatos es necesario aplicar la ecuación de Bernoulli y conocer las características y coeficientes de cada aparato, En ausencia de valores fiables de estos coeficientes, un aparato debe calibrarse para las condiciones de operación en que va a emplearse.

Las formulas desarrolladas para fluidos incompresibles pueden aplicarse a fluidos compresibles en donde la presión diferencial es pequeña en comparación con la presión total.

TUBO DE PITOT

El tubo de Pitot se utiliza para calcular la presión total, también denominada presión de estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica).

Lo inventó el ingeniero francés Henri Pitot en 1732.1 Lo modificó Henry Darcy, en 1858. Se utiliza mucho para medir la velocidad del viento en aparatos aéreos y para cuantificar las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales.

Mide la velocidad en un punto dado de la corriente de flujo.

El tubo de pitot mide la velocidad en un punto en virtud del hecho de que el tubo mide la presión de estancamiento que supera a la presión estática local en γ ¿). En una corriente de fluidos abierta, como la presión manométrica local es nula, la altura a la que asciende el liquido en el tubo coincide con la altura de velocidad.

VERTEDEROS DE AFORO

Los vertederos de aforo miden el caudal de líquidos en canales abiertos, corrientemente agua. Un cierto numero de formulas empíricas se emplean en la literatura técnica, todas ellas con sus limitaciones. Aquí se citan solamente alguna de ellas. La mayoría de los vertederos son rectangulares: el vertedero sin contracción lateral de la lamina y generalmente empleado para grandes caudales, y el vertedero con contracción de la lamina para caudales pequeños .Otros vertederos son : triangulares, trapezoidales, parabólicos y de flujo proporciona. Para obtener resultados precisos un vertedero debe calibrarse en el lugar de utilización bajo las condiciones en que va ser empleado.

FACTORES PARA LA SELECCIÓN DE FLUXÓMETROS.

La velocidad de flujo promedio puede convertirse a velocidad de flujo de volumen utilizando:

Q=Av

También se debe de considerar laforma desalida del medidor de flujo, ya que también varía de forma considerable de un tipo a otro. La indicación puedeser una presión, un nivel de líquido, un contador mecánico, la posición de un indicador en la corriente del fluido, una señal eléctrica continua o una serie de pulsos eléctricos. La elección del tipo básico del medidor de fluido y su sistemade indicación depende de varios factores, algunos de los cuales se analizaran aquí.

Rango.Los medidoresen el mercado pueden medir desde varios mililitros por segundo para experimentos precisos en el laboratoriohasta varios de metros cúbicos por segundo parasistemas de irrigación deagua o agua municipal o sistemas de drenaje. Por ello se debe de conocer el orden de la magnitud del flujo.

Exactitud requerida.Se puede proporcionar una exactitud dentro del 15% de flujo real. La mayoría de los medidoresen el mercado tienen una exactitud del 2% y algunos tienen una exactitudde .5%.

Perdidas de presión.Los medidores deflujo llevan a cabo la medición estableciendo una restricción o un dispositivo mecánico en la corriente deflujo, causando así la perdida de energía. Debido a que la construcción de los distintos medidoreses muy diferente estos proporcionan diversas pérdidas de energía.

Tipo de indicación.

La consideración básica es si el fluido es un líquido o un gas. Otros factores importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosión, la conductividad eléctrica, la claridad óptica, las propiedades de lubricación y de homogeneidad. Los desechos y los fluidos multifarios requieren medidores especiales.

Calibración.

Algunos fabricantes emplean una calibración en forma de grafica o esquema de flujo real contra otrosque ocupan una indicación de lectura. Estos datosrelacionan el flujo con unavariable de fácil medición tal como una diferencia de presión o un nivel de fluido.

Otros factores.También se debe de tomar en cuenta el tamaño físico del medidor, e costo, el sistema de presión y la habilidad del operador.

Medidores de cabeza variable.

Cuando una corriente deflujo se restringe, su presión disminuye por una cantidad que depende de la velocidad del flujo a través de la restricción. La diferencia de la presión entre los puntos antes y después de la restricción puede utilizarse para indicar la velocidad de flujo.

Los tipos más comunes de medidores son el tubo de Venturi, la boquilla de flujo, el orificio y el tubo de flujo.

Tubo de Venturi.Este medidor reemplaza la medida del gasto por la medida de una diferencia de presiones. El medidor de Venturi consiste en dos troncos de cono unidos por un tubo y éste a su vez está conectado a la conducción por otro tubo, este tubo contiene mercurio y constituye un manómetro diferencial que determina la diferencia de presiones entre esos dos puntos.

Por lo general es una pieza fundida formada por una porción corriente arriba del mismo tamaño que la tubería, forrada de bronce y provista de un anillo piezométrico para medir la presión estática; una región cónica convergente; una garganta cilíndrica forrada de bronce y provista de otro anillo piezométrico; y una sección cónica gradualmente divergente forrada de bronce, la cual desemboca en una sección cilíndrica del tamaño de la tubería. Un manómetro diferencial está conectado a los dos anillos piezométricos. Para obtener resultados adecuados el medidor Venturi debe ser precedido al menos por una longitud de 10 diámetros de tubería recta. En el flujo de la tubería a la garganta la velocidad aumenta mucho y la presión disminuye en forma correspondiente. Se demuestra que la magnitud de la descarga para flujo incompresible es función de la lectura del manómetro.

Las presiones en la sección la corriente arriba y en la garganta son presiones reales y las velocidades de la ecuación de Bernoulli son velocidades teóricas. Si se consideran pérdidas en la ecuación de energía entonces las velocidades serán reales.

Q = K ( 12.6 h – Hf )1/2K = SE [ 2 g / (( dE / dG )4 – 1)]1/2SE = 0.7854 * dE2dG = Diámetro en la gargantadE = Diámetro en la tubería de conducciónh = Diferencia de nivel en el manómetro Hf = Pérdidas por frotamiento Hay que tener en cuenta que el líquido manométrico es el mercurio. Esta ecuación se trabaja para flujo incompresible. La descarga depende de la diferencia manométrica sin importar la orientación del medidor de Venturi; no es relevante si el medidor está colocado horizontal, vertical o inclinado.

Boquilla deflujo.

La boquilla de flujo es una contracción gradual de la corriente de flujo seguida de una sección cilíndrica recta. A valores grandes del número de Reynolds C es superior a .99 C valores bajos la expansión repentina fuera de la garganta de boquilla provoca una pérdida de energía mayor y un valor de C más bajo orificio.

Orificio.

Una placa plana con un orificio de orilla en ángulo se conoce en el nombre de orificio. La corriente que fluye a través del orificio forma una vena continua y la rápida velocidad del flujo resulta en una disminución de presión hacia abajo desde el orificio.

Los ramificadores de presión permiten la medición de la presión diferencial a través del medidor, la cual está relacionada con la velocidad de flujo de volumen por medio de una ecuación.

Tubos de flujo.Son medidores de flujo de cabeza variable modificados y patentados. Estos pueden usarse en lugar del tubo de Venturi, de boquilla y de orificio, ya que los tubos de flujo tienen menor pérdida de presión.

Recuperación de presión.

En los medidores de cabeza variable, la corriente de flujo se expande hacia atrás del diámetro de la tubería principal después de pasar la restricción. Y la diferencia puede evaluarse considerando la ecuación de la energía.

p1−p3=Υ hL

La caída de presión es proporcional a la perdida de energía. La alineación del tubo de Venturi y la expansión gradual larga después de la garganta provoca un muy pequeño exceso de turbulencia

en la corriente de flujo. Por lo tanto la pérdida de energía es baja y la recuperación de la presión es alta.

Medidores de área variable.El fluido corre hacia arriba atreves de un tubo libre que tiene una ramificación en el interior. Un flotador está suspendido en el fluido que corre en una posición proporcional a la velocidad de flujo. Las fuerzas hacia arriba debido al arrastre dinámico del fluido sobre el flotador y la boya solamente equilibran el peso del flotador. El rotámetro es un tipo común de flotador de área variable.

La posición del flotador se mide en una escala calibrada la cual esta graduada en unidades de velocidad de flujo de volumen o velocidad de flujo de peso.

Fluxómetro de turbina.

Provoca que el rotor de la turbina gire a una velocidad que depende de la velocidad de flujo. Conforme cada una de las aspas del rotor pasa a través de una bobina magnética, se genera un pulso de voltaje que puede alimentarse de un medidor de frecuencia, o un contador electrónico cuyas lecturas pueden convertirse en velocidad de flujo.

Fluxómetro de vórtice.

En este una obstrucción en la corriente de flujo provoca la creación de vórtices y su derrama en el cuerpo de la frecuencia que es proporcional a la velocidad de flujo. Un sensor en el fluxómetro detecta los vórtices y genera una indicación en la lectura.

Fluxómetro magnético.Una de sus ventajas es que funciona completamente sin obstrucciones en la corriente de fluido. El fluido debe de ser ligeramente conductor debido a que cuando un conductor en movimiento corta un campo magnético se induce un voltaje. Los electrodos detectan el voltaje generado en el fluido. Este voltaje es directamente proporcional a la

velocidad del fluido. Su salida es completamente independiente de la temperatura, la viscosidad, la gravedad específica o turbulencia.

Medición de flujo de masa.Los fluidos de dos fases tales como el vapor pueden ser difíciles de medir en forma precisa si la temperatura o la presión varían lo suficiente para provocar cambios significativos en la cantidad de líquido y vapor en la corriente.

La velocidad de flujo de masa seria:

M=pQ

Uno de los medidores de flujo se llama tubo de flujo de masa Coriolis. Una aceleración Coriolis (y una fuerza Coriolis correspondiente) se generara y es proporcional a la masa del fluido que corre a través de los tubos. Unos sensores montados cerca de los manejadores detectan la fuerza Coriolis y transmiten una señal que puede relacionarse con la velocidad de flujo de masa verdadera a través del medidor. La exactitud de este dispositivo se a reportado en .2% de la velocidad.

Sondas de velocidad.Miden la velocidad de un fluido.

Anemómetro de copa.La velocidad del aire se mide con anemómetro de copa. El aire en movimiento choca con las copas abiertas provocando la rotación de las flecha sobre las que estas se encuentran montadas, y la velocidad dela flecha es proporcional a la velocidad del aire.

Anemómetro de alambre caliente.Este tipo de sonda de velocidad emplea un alambre muy delegado, aproximadamente de 12 micrómetros de diámetro, a través del cual pasa una corriente eléctrica. El alambre está suspendido sobre 2 soportes e insertado dentro de la corriente del fluido. El alambre tiende a calentarse debido a la corriente que fluye en él, pero se enfría por transferencia de calor por convección hacia la corriente de fluido en movimiento. La medición electrónica del cambio de la resistencia puede relacionarse con la velocidad de flujo.

Adquisición y procesamiento de datos basados en computadora.La mayoría de los fluxómetros generan una señal eléctrica que es proporcional a la velocidad de flujo. La señal es tanto un voltaje analógico que varía con la velocidad o una frecuencia pulsada que puede contarse en forma electrónica.

Las computadoras pueden totalizar la velocidad de flujo de fluido en un periodo para determinar la cantidad total de fluido transferido a un lugar determinado.

Medición de flujo en canal abierto.Los canales abiertos se clasifican en vertederos y resbaladeros. Cada uno de ellos provoca que cambie la corriente, lo cual a su vez cambia el nivel de la superficie del fluido.

Vertederos.Es una barrera o presa colocada en el canal para que el fluido se mantenga detrás del vertedero y después caiga a través de una ranura cortada en la cara del vertedero. Dos geometrías de las ranuras son la rectangular y la triangular.

La ecuación teórica de descarga sobre un vertedero de ranura rectangular es

Q=23

L√2g H 3

Donde L es la longitud de la cresta entre los lados de la ranura y H es la cabeza sobre la cresta. La descarga real se calcula con la formula

Q=CL H 3

Donde C es el coeficiente de descarga.

La ecuación teórica para un vertedero triangular es:

Q= 815

C √2 g tan ( a2 )H

52

Donde a es el ángulo incluido total entre los lados de la ranura.

Resbaladeros.Los resbaladeros de flujo crítico son contracciones en la corriente que causan que el flujo llegue a su profundidad crítica dentro de la estructura.

Un tipo de resbaladero de flujo ampliamente utilizado es el resbaladero de Parshall. La descarga depende del ancho de la garganta y de la cabeza que se mide en un lugar específico a lo largo de la sección convergente del resbaladero.