MEDIDORES DE CABEZA VARIABLE
El principio básico de estos medidores es que
cuando una corriente de fluido se restringe, su presión disminuye por una
cantidad que depende de la velocidad de flujo a través de la restricción, por
lo tanto la diferencia de presión entre los puntos antes y después de la
restricción puede utilizarse para indicar la velocidad del flujo. Los tipos más
comunes de medidores de cabeza variable son el tubo venturi, la placa orificio
y el tubo de flujo.
DEFINICIÓN
El Tubo de Venturi es un dispositivo que
origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, éste es
una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía
en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o
instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y
calcular el caudal instantáneo, o bien, uniéndola a un depósito carburante, se
puede introducir este combustible en la corriente principal.
Las dimensiones del Tubo de Venturi para
medición de caudales, tal como las estableció Clemens Herschel, son por lo
general las que indica la figura 1. La entrada es una tubería corta recta del
mismo diámetro que la tubería a la cual va unida.
El cono de entrada, que forma el ángulo a1,
conduce por una curva suave a la garganta de diámetro d1. Un largo cono
divergente, que tiene un ángulo a2, restaura la presión y hace expansionar el
fluido al pleno diámetro de la tubería. El diámetro de la garganta varía desde
un tercio a tres cuartos del diámetro de la tubería.
La presión que precede al cono de entrada se
transmite a través de múltiples aberturas a una abertura anular llamada anillo
piezométrico. De modo análogo, la presión en la garganta se transmite a otro
anillo piezométrico. Una sola línea de presión sale de cada anillo y se conecta
con un manómetro o registrador. En algunos diseños los anillos piezométricos se
sustituyen por sencillas uniones de presión que conducen a la tubería de
entrada y a la garganta.
La principal ventaja del Vénturi estriba en
que sólo pierde un 10 - 20% de la diferencia de presión entre la entrada y la
garganta. Esto se consigue por el cono divergente que desacelera la corriente.
Es importante conocer la relación que existe
entre los distintos diámetros que tiene el tubo, ya que dependiendo de los
mismos es que se va a obtener la presión deseada a la entrada y a la salida del
mismo para que pueda cumplir la función para la cual está construido.
Esta relación de diámetros y distancias es la
base para realizar los cálculos para la construcción de un Tubo de Venturi y
con los conocimientos del caudal que se desee pasar por él.
Deduciendo se puede decir que un Tubo de
Venturi típico consta, como ya se dijo anteriormente, de una admisión
cilíndrica, un cono convergente, una garganta y un cono divergente. La entrada
convergente tiene un ángulo incluido de alrededor de 21º, y el cono divergente
de 7º a 8º.
La finalidad del cono divergente es reducir la
pérdida global de presión en el medidor; su eliminación no tendrá efecto sobre
el coeficiente de descarga. La presión se detecta a través de una serie de
agujeros en la admisión y la garganta; estos agujeros conducen a una cámara
angular, y las dos cámaras están conectadas a un sensor de diferencial de
presión.
FUNCIONAMIENTO DE UN TUBO DE VENTURI
En el Tubo de Venturi el flujo desde la
tubería principal en la sección 1 se hace acelerar a través de la sección
angosta llamada garganta, donde disminuye la presión del fluido. Después se
expande el flujo a través de la porción divergente al mismo diámetro que la
tubería principal. En la pared de la tubería en la sección 1 y en la pared de
la garganta, a la cual llamaremos sección 2, se encuentran ubicados
ramificadores de presión. Estos se encuentran unidos a los dos lados de un
manómetro diferencial de tal forma que la deflexión h es una indicación de la
diferencia de presión p1 – p2. Por supuesto, pueden utilizarse otros tipos de
medidores de presión diferencial.
La ecuación de la energía y la ecuación de
continuidad pueden utilizarse para derivar la relación a través de la cual
podemos calcular la velocidad del flujo. Utilizando las secciones 1 y 2 en la
formula 2 como puntos de referencia, podemos escribir las siguientes
ecuaciones:
Q = A1v1 = A2v2 (2)
Estas ecuaciones son válidas solamente para
fluidos incomprensibles, en el caso de los líquidos. Para el flujo de gases,
debemos dar especial atención a la variación del con la presión. Lapeso específico reducción algebraica de las ecuaciones 1 y 2
es como sigue:
Se pueden llevar a cabo dos simplificaciones
en este momento. Primero, la diferencia de elevación (z1-z2) es muy pequeña,
aun cuando el medidor se encuentre instalado en forma vertical. Por lo tanto,
se desprecia este termino. Segundo, el termino hl es la perdida de la energía
del fluido conforme este corre de la sección 1 a la sección 2.
El valor hl debe determinarse en forma
experimental. Pero es más conveniente modificar la ecuación (3) eliminando h1 e
introduciendo un coeficiente de descarga C:
La ecuación (4) puede utilizarse para calcular
la velocidad de flujo en la garganta del medidor. Sin embargo, usualmente se
desea calcular la velocidad de flujo del volumen.
Puesto que , tenemos:
El valor del coeficiente C depende del número
de Reynolds del flujo y de la geometría real del medidor. La siguiente figura
muestra una curva típica de C Vs número de Reynolds en la tubería principal.
La referencia 3 recomienda que C = 0.984 para
un Tubo Vénturi fabricado o fundido con las siguientes condiciones:
TUBO DE VÉNTURI
Cuando dicha placa se coloca en forma
concéntrica dentro de una tubería, esta provoca que el flujo se contraiga de
repente conforme se aproxima al orificio y después se expande de repente al
diámetro total de la tubería. La corriente que fluye a través del orificio
forma una vena contracta y la rápida velocidad del flujo resulta en una
disminución de presión hacia abajo desde el orificio.
El valor real del coeficiente de descarga C
depende de la ubicación de las ramificaciones de presión, igualmente es
afectado por las variaciones en la geometría de la orilla del orificio. El
valor de C es mucho más bajo que el del tubo venturi o la boquilla de flujo
puesto que el fluido se fuerza a realizar una contracción repentina seguida de
una expansión repentina.
Algunos tipos de placas orificios son los
siguientes:
La concéntrica sirve para líquidos, la
excéntrica para los gases donde los cambios de presión implican condensación,
cuando los fluidos contienen un alto porcentaje de gases disueltos.
La gran ventaja de la placa de orificio en
comparación con los otros elementos primarios de medición, es que debido a la
pequeña cantidad de material y al tiempo relativamente corto de maquinado que
se requiere en su manufactura, su costo llega a ser comparativamente bajo,
aparte de que es fácilmente reproducible, fácil de instalar y desmontar y de
que se consigue con ella un alto grado de exactitud. Además que no retiene
muchas partículas suspendidas en el fluido dentro del orificio.
El uso de la placa de orificio es inadecuado
en la medición de fluidos con sólidos en suspensión pues estas partículas se
pueden acumular en la entrada de la placa., el comportamiento en su uso con
fluidos viscosos es errático pues la placa se calcula para una temperatura y
una viscosidad dada y produce las mayores pérdidas de presión en comparación
con los otros elementos primarios.
Las mayores desventajas de este medidor son su
capacidad limitada y la perdida de carga ocasionada tanto por los residuos del
fluido como por las perdidas de energía que se producen cuando se forman
vórtices a la salida del orificio.
PLACA ORIFICIO
BOQUILLA O TOBERA DE FLUJO
Es una contracción gradual de la corriente de
flujo seguida de una sección cilíndrica recta y corta. Debido a la contracción
pareja y gradual, existe una pérdida muy pequeña. A grandes valores de Reynolds
(106) C es superior a 0.99.
La tobera de flujo, es un instrumento de
medición que permite medir diferencial de presiones cuando la relación de ß, es
demasiado alta para la placa orificio, esto es, cuando la velocidad del flujo
es mucho mayor y las pérdidas empiezan a hacerse notorias.
Luego, al instalar un medidor de este tipo se
logran mediciones mucho más exactas. Además este tipo de medidor es útil para
fluidos con muchas partículas en suspensión o sedimentos, su forma
hidrodinámica evita que sedimentos transportados por el fluido queden adheridos
a la tobera.
Boquilla o tobera de flujo.
La instalación de este medidor requiere que la
tubería donde se vaya a medir caudal, este en línea recta sin importar la
orientación que esta tenga.
Recuperación de la presión: La caída de
presión es proporcional a la pérdida de energía. La cuidadosa alineación del
tubo Venturi y a 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 presión es alta. La falta de
una expansión gradual provoca que la boquilla tenga una recuperación de presión
más baja, mientras que la correspondiente al orificio es aún más baja. La mejor
recuperación de presión se obtiene en el tubo de flujo.
