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
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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.
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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.
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- 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.
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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”.
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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.
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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.
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Medidores de Flujo Volumétrico.
Fig. 1. Diagrama de los tipos de medidores de flujo volumétrico.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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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