Curso de vapor. Medida de caudal de vapor en instalaciones industriales

El señor Kelvin dijo una vez, "Cuando usted está hablando de algo que se puede medir y expresar con números, entonces sabe algo sobre ello; pero cuando no puede medirlo, cuando no puede expresarlo con números, su conocimiento es escaso y poco satisfactorio."

Muchos negocios industriales y comerciales han reconocido el valor de contabilidad del coste de la energía, conservación de energía, ahora y técnicas de monitorización para lograr una mayor eficacia de energía y que sea más aprovechable.

El vapor, "La herramienta más maravillosa, flexible, adaptable de la industria" no es medio más fácil de medir. El objeto de esta guía de referencia técnica es lograr una mayor comprensión de los requisitos para permitir la medida de caudal de vapor con precisión, con repetibilidad, y de manera fiable.

La mayoría de los medidores de caudal actualmente disponibles se han diseñado para medir el caudal de varios líquidos y gases. Muy pocos se ha desarrollado específicamente por medir el caudal de vapor.

Esta guía intentará proporcionar las razones de la necesidad de medir el vapor. Considerará los principios fundamentales y los principios de funcionamiento de los diversos tipos de medidor de caudal de vapor. También proporcionará una guía de la importancia de una instalación correcta del medidor de caudal en los sistemas de vapor.

¿Qué es el vapor?

Cuando el agua se calienta, su temperatura subirá. Al calor añadido se le llama "calor sensible" y al contenido de calor del agua se le llama su "entalpía". El punto de referencia normal para calcular la entalpía es 0?8C.

Cuando el agua alcanza su punto de ebullición, cualquier nueva adición de energía provocara que parte del agua hierva y se convierta en estado gaseoso, es decir en vapor. A este calor se le llama "entalpía de evaporación". Al cambiar de estado no hay cambio de temperatura, el vapor estará en equilibrio con el agua y se dirá que hay "condiciones de saturación". Las condiciones de saturación pueden ocurrir a cualquier presión, aunque a cada presión sólo hay una temperatura en la que puede ocurrir la saturación.

Si se le añade más calor al vapor saturado, la temperatura subirá y el vapor se convertirá en "recalentado"· A esto le sigue otro aumento de entalpía.

En las tablas de vapor se han documentado bien, y se han clasificado las relaciones entre la presión de vapor, temperatura saturada, temperatura recalentada y las entalpías y densidades de agua y vapor.

Uno de los muchos beneficios del vapor es que su energía calorífica disponible es inmensa comparada con una masa similar de agua o, de hecho, la mayoría de las otras sustancias que se utilizan para el traslado de energía y le hace que sea un medio ideal para este propósito.

Conceptos básicos y datos

¿Por qué medir el vapor?

No se pueden evaluar los medidores de caudal de vapor de la misma manera que otros equipos o programas de ahorro energía. El medidor de caudal de vapor es muy importante para una buena administración del vapor – proporciona el conocimiento de la cantidad de vapor usado y el coste que es vital para que una planta o edificio trabajen eficazmente. Los principales beneficios de la medición de vapor son:

• Eficacia de la planta: Un medidor de caudal de vapor indicará la eficiencia del proceso cuando la maquinaria se para, cuando la planta se carga a su capacidad o cuando se está trabajando satisfactoriamente. Con el tiempo nos mostrará el deterioro de planta y permitirá que se calcule la limpieza reposición óptima en la planta. También puede establecer los momentos de mayor uso de uso de vapor, identifica las secciones o partes de planta que son los principales usuarios de vapor. Esto puede llevar a un cambio en métodos de la producción para un uso de vapor más económico y para solucionar los problemas de cargas puntuales en la planta.

• Eficacia de la energía: Los medidores de caudal pueden usarse para supervisar los resultados de los planes de ahorro de energía y comparar la eficacia de una parte de planta con otra.

• Control de procesos: Los medidores de caudal de vapor pueden indicar si es correcta la cantidad de vapor que se está proporcionando a un proceso y si tiene la temperatura y presión correcta. También, al controlar el aumento de caudal en la puesta en marcha, pueden utilizarse como dispositivos lentos de calentamiento.

• Coste: Los medidores de caudal de vapor pueden medir el vapor utilizado y por tanta calcular centralmente el coste del vapor o en los principales centros usuarios de vapor. Se puede calcular el coste del vapor como una materia prima en las diferentes fases del proceso de producción permitiendo calcular el verdadero coste de las líneas individuales de producción.

• Calidad del vapor y volumen específico: En la práctica, el vapor saturado arrastra a menudo gotas diminutas de agua y no puede describirse como vapor seco. No obstante, es importante que el vapor que se use para el proceso o para calentar esté lo más seco posible. La calidad de vapor se expresa por su porcentaje de vapor seco – la proporción de vapor completamente seco presente en el de vapor. Normalmente se expresa como un valor decimal menor a 1, es decir 0,95 representa 95% de vapor seco. Las gotas pequeñas de agua en el vapor húmedo tienen masa pero ocupan un espacio inapreciable. Al volumen de 1 kg de vapor a una presión dada se le llama "su volumen específico y el volumen ocupado por una unidad de masa de vapor disminuye según aumenta su presión.

Datos.

Presión: Presión es la fuerza ejercida por unidad de área. La presión atmosférica es la cantidad de presión ejercida por la atmósfera por encima de cero de presión absoluta. La presión atmosférica cambia según la elevación sobre el nivel del mar (la presión atmosférica disminuye según aumenta la altitud). La mayoría de los manómetros indican una presión relativa a la presión atmosférica, es decir, la presión atmosférica = 0 bar relativo (normalmente expresado como 0 bar r) al nivel del mar.

Para obtener presión absoluta, se debe añadir la presión atmosférica a la presión registrada. Al nivel del mar, la media de presión atmosférica absoluta = 1,013 bar. Presión absoluta a:

0 bar r = 0 bar r + 1,013 = 1,013 bar abs.

2 bar r = 2 bar r + 1,013 = 3,013 bar abs etc.

Viscosidad (dinámica) (&µ) es la fricción molecular dentro de un fluido o la resistencia temporal al flujo de un fluido.

A la viscosidad se le llama a menudo viscosidad absoluta para distinguirla de viscosidad cinemática. Aunque la unidad de SI para viscosidad es el Pascal segundo (Pa s), en la practica la viscosidad se expresa en centipoise (cP) (1 cP = 10-³ Pa s).

Nota: La viscosidad cinemática es la viscosidad absoluta dividida por la densidad del fluido y se expresa en (cSt).

La melaza es un líquido viscoso; su viscosidad es mucho mayor que la del agua. El petróleo es menos viscoso que el agua. En general, la viscosidad de la mayoría de los líquidos disminuye con el aumento de temperatura. Lo contrario ocurre con los gases. Es, quizás, más fácil pensar en la viscosidad como una medida del "espesor" de un fluido – cuanto mayor la viscosidad, más espeso es el fluido. Por ejemplo, el aire tiene una viscosidad de aprox. 0,02 cP., &µ agua = 1 c* aprox. , &µ aceite motor = 1 000 cP aprox.

Fluidos en las tuberías.

Los factores que afectan el flujo de un fluido en una tubería incluyen:

• Velocidad del fluido (velocidad media).

• Viscosidad del fluido.

• Densidad del fluid*.

• Rozamiento del fluido con las tuberías.

En condiciones ideales, en que se pueden despreciar la viscosidad y el rozamiento, el perfil del flujo en la tubería es uniforme, es decir, en todos los puntos de una sección transversal de tubería la velocidad es la misma. El perfil de velocidad aparecería así:

En condiciones reales, sin embargo, la viscosidad afecta al caudal, el flujo de vapor cerca de la superficie de la tubería es menor que en el centro de la misma y el perfil se convierte en convexo. Se puede representar así:

La ecuación de Reynolds (Re) tiene en cuenta todos los factores que afectan el flujo y genera un factor que expresa la relación entre las fuerzas dinámicas y las de viscosidad.

La ecuación de Reynolds,

Donde: ?= Densidad (kg/m3)

Vd= Velocidad media del fluido (m/s)

D= Diámetro interior de la tubería (m)

&µ = Viscosidad dinámica (kgs/ms)

Debe tomarse en cuenta que el número de Reynolds (Re) es sencillamente un número. En términos sencillos:

Re =

Para velocidades muy bajas, la fuerza dinámica será baja y, por consiguiente, el número de Reynolds será bajo. De igual manera, un fluido de alta viscosidad producirá un número de Reynolds bajo. Las fuerzas de viscosidad reducen la velocidad en las paredes de la tubería y la velocidad mayor se encuentra en el centro de la misma. Es similar a la Figura 2 sólo que el perfil de velocidad es de forma parabólica (Figura 3). El flujo es laminar en el sentido del eje de la tubería y normalmente ocurre con números Reynolds mayores a 2 000.

Para números de Reynolds mayores de 20 000, es decir altas velocidades y / o viscosidad baja, el flujo se convierte en turbulento (Figura 4). En el mundo de procesos, a menos que se eleven por tuberías fluidos muy viscosos, el flujo suele ser turbulento. Éste es el caso con el vapor con números Reynolds superiores a 20 000.

Vapor como fluido.

Generalmente se considera que el vapor saturado es un fluido de dos fases aunque homogéneo (tiene un origen común) ya que puede existir como gas (vapor) y líquido (agua) de forma simultánea en su estado saturado. El vapor recalentado puede tratarse como un verdadero gas porque se ha evaporado toda la humedad con las altas temperaturas.

Casi todo el vapor que se utiliza para procesos industriales y para calentar es vapor saturado. Al flujo en las tuberías con dos fases se le conoce como régimen y tenemos que considerar cuatro para la medición de vapor. El primero de éstos se le conoce como "flujo con olas" (Figura 6).

En el flujo con olas, la característica es que se alterna el vapor y el agua. Las olas de agua viajan a la misma velocidad que el vapor y será perjudicial para cualquier tipo de medidor de vapor.

Los golpes de ariete, aparte de dañar al medidor de caudal, provocarán estragos en cualquier válvula o accesorio que encuentren en su camino y puede tener consecuencias letales.

Se deben evitar a toda costa y, ya que normalmente es debido a un mal diseño y / o instalación, se puede evitar fácilmente poniendo más atención en los detalles y buena práctica de ingeniería de vapor.

El segundo régimen es "el flujo anular (Figura 7).

El modelo de flujo consiste en una película de agua anular alrededor de la pared de la tubería con el centro de vapor. El centro de vapor se moverá a una velocidad superior a la película de agua. En una tubería horizontal, la película de agua en la parte inferior será generalmente más gruesa que la de la parte superior debido al efecto de gravedad.

El comportamiento más común del flujo de vapor húmedo es "el anular disperso" (Figura 8).

Es similar al flujo anular sólo que también contiene humedad arrastrada en forma de una suspensión de gotas líquidas.

La ingeniería correcta de vapor y el purgado adecuado del vapor ayudarán a reducir la película anular de agua aunque la separación eficaz antes del medidor de caudal ayudará quitando muchas de las gotas de agua arrastradas para que el vapor esté lo más "seco" posible en el punto de medición. Estos temas se estudiarán más tarde, el objetivo es lograr y mantener el flujo lo más disperso posible.

Resumen.

Para resumir, hay tres categorías de vapor:

• Vapor recalentado que se comporta similar a un gas.

• Vapor húmedo homogéneo con un porcentaje de vapor seco de 0,95 y superior.

• Mezclas de agua y vapor, con un porcentaje de vapor seco inferior a 0,95.

En la industria, generalmente se mide el vapor de categoría 2. A menudo, el vapor es de categoría 3 y puede dañar algunos tipos de medidores de vapor (y otros partes de planta o el sistema de tuberías) produciendo inexactitudes en las mediciones.

Acondicionando correctamente el vapor de categoría 3 mejorará su calidad a categoría 2. Esto debe empezar en el punto de generación siguiendo con atención los métodos correctos de funcionamiento de la caldera y el tratamiento del agua de alimentación, continuando con métodos correctos de distribución a los puntos de trabajo.

Principios de medición de caudal

Si medimos la velocidad media (Vd) de un fluido en una tubería y multiplicamos por el área transversal de la tubería (A), nos dará un caudal volumétrico (Qv).

Qv (m³/s) = Vd (m/s) x A (m²)

A este tipo de medidor se le conoce como medidor del caudal. Es importante comprender que este tipo de medidor de caudal indica sólo el caudal instantáneo. Con un uso fluctuante por tanto variaciones de caudal, la cifra Qv cambiará segundo a segundo.

El volumen (V) (m³) que pasa durante un tiempo específico, puede provenir de un medidor del caudal integrando su señal de salida durante un periodo de tiempo. Hay también medidores de caudal que indican el volumen total V (m³) y se les suele llamar "medidores de masa total". Cuando consideramos el vapor y medimos la proporción volumétrica o el volumen total, esta será de uso muy limitado por si sola. Como normalmente se calcula el coste del vapor dependiendo de la cantidad másica (es decir el coste por 1 000 kg) un medidor de caudal másico o una lectura másica del caudal es más beneficioso para el usuario.

A menos que la presión de vapor se mantenga completamente constante en el punto de medición, la densidad de vapor variará con los cambios de presión.

Por consiguiente, es necesario determinar la densidad de vapor para aplicar "la compensación de densidad". El medidor de caudal puede indicar caudal másico (Qm) o cantidad másica (M). La cantidad másica es el total de vapor que pasa durante un periodo de tiempo específico.

Nota: Algunos medidores de caudal también pueden mostrar valores de energía (kJ) o potencia (kW).

Para hacer esto, debe determinarse la presión y / o la temperatura del vapor. Si la presión es completamente constante, la densidad no variará. En realidad, esto no suele ocurrir por tanto es necesario medir la temperatura y / o presión y computar la densidad para que el caudal volumétrico se mida junto con la temperatura y / o presión del vapor. Entonces, se establecerá la densidad del vapor con la temperatura y / o la señal de presión, y la multiplicación de caudal volumétrico (Qv) por la densidad (r) nos dará el caudal másico.

Qm (kgs/s) = ? (kg/m³) x Qv (m³/s)

Si no se introdujera la compensación de densidad, la medida másica resultaría inevitablemente inexacta. Por ejemplo, una variación de 1°C de temperatura puede producir un error de un 2% en la medida de caudal; una variación de 2% en presión puede producir un error de un 1% en el caudal. Los medidores de caudal pueden indicar "velocidad" o "cantidad" de caudal. Pueden expresarse en términos del volumen o masa del fluido que fluye. Para vapor se requiere la medida másica y por tanto es necesario determinar la densidad de vapor. En lugar de "la cantidad de caudal" se usa a menudo la expresión "caudal totalizado".

Repetividad.

Describe la capacidad de indicar el mismo valor para un mismo flujo en dos o más ocasiones sucesivas. No debe confundirse con precisión, es decir su repetibilidad puede ser excelente porque muestra el mismo valor de un caudal idéntico en varias ocasiones, pero la lectura podría ser constantemente errónea (o inexacta).

La buena repetibilidad es importante, sin embargo, para muchos procesos es tanto o más importante obtener valores repetitivos que muy exactos.

Precisión.

Describe la calidad del instrumento y la veracidad de las lecturas. Los fabricantes pueden expresar la precisión de sus medidores de dos maneras:-

• Valor que se mide en cada momento

Si un medidor tiene una precisión de +/- 3% del valor medido y se está leyendo 1 000 kg/h, "la incertidumbre de la medida" está comprendida entre 1 030 y 970 kg/h. Cuando el valor es 500 kg/h, el error sigue siendo +/- 3%, el valor real está comprendido entre 515 y 485 kg/h.

F.S.D. o valor de final de escala

Esencialmente significa que un error de medida se da como un porcentaje del caudal máximo que el medidor de caudal puede manejar. Si asumimos que 1 000 kg/h es el caudal máximo y consideramos un medidor de caudal con una precisión de + / – 3 % de final de escala, entonces a 500 kg/h "la incertidumbre de la medida" está entre 530 (500 + 30) y 470 (500 – 30) kg/h. Esto es muy distinto y en términos del "valor medido", representa una incertidumbre de la medida de +/- 6 % con el caudal mínimo. Según disminuye el caudal real, aumenta considerablemente "la incertidumbre de la medida".

Rango.

Cuando se especifica un medidor de caudal, la precisión es uno de los requerimientos básicos, pero también es esencial que el medidor de caudal se dimensione correctamente y lo más próximo posible a las necesidades del cliente. "Rango" "zona de reglaje" o "alcance efectivo" son términos que describen el rango de caudales por los que el medidor de caudal trabajará dentro de las tolerancias dadas de precisión y de repetibilidad. Básicamente:

Rango = Caudal máximo / Caudal mínimo.

Ejemplo.

En un sistema de vapor típico después de un pico en la demanda, los caudales varían con una demanda baja durante el periodo del almuerzo y hacia el final del día. Puesto que cada medidor de caudal debe dimensionarse con el caudal máximo que se espera que maneje, en este ejemplo está alrededor de 1 000 kg/h. El rango de una placa de orificio es generalmente de 4:1, es decir dimensionado con el caudal máximo de 1 000 kg/h puede tener la precisión exigida inferior a 1 000 Kg/h dividido por 4, es decir 250 kg/h. Con caudales inferiores a este valor, el medidor de caudal no puede alcanzar su especificación, así que empiezan a intensificarse los errores de caudal. Con caudales inferiores a 250 kg/h puede que la medida se haga imprecisa o puede llegar a "perderse".

En este ejemplo, en el peor caso, el "caudal perdido" es de 1 700 Kg/h o aproximadamente el 30% del vapor total usado durante el día. Cuando las fluctuaciones de demanda son inferiores a la capacidad de rango de un medidor de caudal, el problema desaparece, pero con muchos procesos industriales las fluctuaciones a lo largo del día o de un lote a otro pueden ser muy grandes. Si hay que medir con precisión el consumo de vapor, hay que hacerlo correctamente y entender realmente cuál es la demanda. Esto sólo se puede hacer seleccionando un medidor de caudal con un rango lo suficientemente grande para que abarque todas las variaciones de caudal que se anticipen. La importancia de un rango alto se ve muy claramente a largo plazo: los aumentos o disminuciones en la demanda pueden manejarse con un medidor de caudal con rangos altos y se eliminaran completamente las lecturas falsas.

En la Tabla 1 vemos los rangos típicos de los medidores de caudal más comunes.

Tipos de medidores de caudal.

Hay muchos tipos de medidores de caudal de vapor:-

• Medidores de placa orificio.

• Medidores rotativos Shunt.

• Medidores de área variable.

• Medidores de área variable con resorte.

• Tubos pitot.

• Medidores de turbina.

• Medidores Vortex.

Todos estos medidores de caudal tienen sus ventajas e inconvenientes y a veces son más adecuados para alguna aplicación de medición de caudal específica. Sin embargo, todos ellos se pueden utilizar con vapor saturado y normalmente son los medidores de caudal que más se usan. Esta sección describe brevemente cada uno junto con sus ventajas e inconvenientes.

Medidor de placa orificio.

La placa orificio pertenece al grupo de medidores de caudal de presión diferencial. Otros de este grupo son los Venturi y toberas. La placa orificio es sencillamente una restricción en forma de placa con un orificio anular colocado en el paso del flujo. La velocidad del fluido al pasar por este orificio es proporcional a la presión diferencial.

La diferencia de presión a través del orificio, o presión diferencial, se utiliza para determinar el caudal volumétrico de acuerdo con la ecuación de Bernoulli.

El elemento primario es la placa orificio. Para medir la presión diferencial, deben conectarse líneas de impulso desde las tomas de presión aguas arriba y aguas abajo a un dispositivo secundario conocido como un transmisor DP (de presión diferencial). Del transmisor DP, la información puede pasar a un indicador de caudal o a un procesador de caudal junto con la temperatura y / o información de presión, para proporcionar una compensación de densidad.

En una línea horizontal debe haber un orificio de drenaje en el fondo de la placa para evitar que aguas arriba del orificio se acumule agua (o condensado). Debe tomarse en cuenta el efecto de este orificio cuando se determina el coeficiente de descarga.

Se puede variar considerable la geometría de las placas orificio, sobre todo en el posicionamiento de las tomas de presión. La instalación correcta es esencial y la aplicación de placa orificio para mediciones de caudal está documentada en las normativas Británica BS 1042 e internacional ISO 5167.

Ventajas.

Sencillo y robusto

Buena precisión

Bajo coste

No necesita calibración o *ecalibración

• Sencillo y robusto

• Buena precisión

• Bajo coste

• No necesita calibración o recalibración

Desventajas.

• El rango está limitado 4 o 5:1 por la relación de raíz cuadrada .

• Se pueden deformar con los golpes de ariete y tienden a acumular suciedad.

• El borde cuadrado del orificio puede desgastarse, especialmente si el vapor tiene agua, y puede alterar el Cd produciendo lecturas bajas, por consiguiente es necesario inspeccionar y reemplazar regularmente para asegurar la fiabilidad y precisión.

• Para una instalación correcta deberemos tener un tramo de longitud mínima equivalente a de 20 diámetros de tubería aguas arriba y 10 aguas abajo. En la práctica esto puede ser difícil de lograr cuando no se dispone de suficiente espacio sin restricciones.

Medidores rotativos shunt.

Son un tipo de medidores de turbina. Consisten en una placa orificio que se coloca en la tubería en el punto donde se inserta una derivación.

En esta derivación se instala un sistema de tobera-turbina. El fluido que pasa por la derivación es proporcional al flujo total y se reconduce a la tubería principal en un punto posterior al de toma. Para que la turbina no gire a velocidad excesiva, se instala un cilindro de frenado inmerso en una cámara de aceite. La medida puede efectuarse mediante un totalizador arrastrado por el rotor o mediante la medida de la velocidad del rotor con sensor magnético.

Ventajas.

• Coste relativamente bajo proporcionando una manera sencilla de indicar el caudal total.

Inconvenientes.

• La precisión es moderada aunque generalmente no dispone de compensación de densidad.

• El medidor de caudal se calibra para una presión de línea específica, cualquier variación en la presión del valor puede producir lecturas que no son precisas.

• Es difícil indicar el rango de caudal.

Medidores de caudal de área variable.

Este tipo de medidor de caudal consiste en un tubo cónico vertical con el orificio pequeño en el extremo inferior. Un flotador se mantiene en una posición vertical dentro del tubo por la fuerza que ejerce el caudal sobre él. La diferencia de presión a través del flotador es constante que significa que el área anular del paso alrededor del flotador, y de la altura del flotador, varía y depende del caudal. El tubo puede ser metálico para que se pueda usar con altas temperaturas y presiones.

Ventajas.

• Señal de salida lineal produciendo un rango más alto.

• Sencillo y robusto.

Inconvenientes.

• El tubo ha de montarse en plano vertical.

• Precisión moderada.

• Caudales limitados.

Medidores de caudal de área variable con resorte.

Cuando se describe este tipo de medidor de caudal debe recordarse los dos principios fundamentales de medición de caudal: –

A. El medidor de caudal de presión de diferencial (por ejemplo placa orificio) produce una diferencia de presión que varía dependiendo del caudal a través del medidor. Al aumentar el caudal aumenta la presión diferencial. Si medimos esta diferencia de presión se puede calcular el caudal a través del medidor. El área de restricción (por ejemplo el tamaño del orificio en la placa) permanece constante.

B. En el medidor de caudal del área variable ocurre lo inverso: porque está equilibrado por el peso del flotador, la presión del diferencial permanece constante según varía el caudal. Permite aumentar el área de la abertura por donde pasa el caudal. En la Figura 15 se comparan los dos principios.

El principio del área variable con resorte es en realidad un híbrido entre estos dos. Mientras que todos los medidores detallados hasta ahora trabajan con el principio de área constante y presión diferencial variable, en los de área variable, varían tanto la presión diferencial como el área, la cual también aumenta cuando lo hace el caudal. En términos matemáticos significa que semejante medidor de caudal tiene dos grados de libertad y como consecuencia tiene un buen de rango.

La señal de salida de este tipo de medidor puede ser:

• La posición de la parte móvil (Figura 16a). Esta disposición lo utiliza Spirax Sarco en el medidor de caudal "Spiraflo" donde la señal eléctrica de salida está relacionada con la posición de la parte móvil, o

• Una señal de salida de presión de diferencial como mostrado por un Gilflo ILVA (Área variable en Línea), un medidor de caudal de área de variable con resorte (Figura 16b).

El medidor de caudal ILVA usa un cono perfilado situado en el centro del orificio anular para perfeccionar la señal de salida de presión de diferencial. La fuerza aplicada al cono por el fluido actúa contra la precisión del resorte de precisión produciendo una presión del diferencial predecible a través del medidor de caudal. Esta diferencia de presión la detecta la célula de DP.

Como consecuencia, el rango del medidor es mayor que para los otros tipos que miden la presión diferencial.

Ventajas.

Las ventajas generales del medidor de área variable con resorte son que son robustos, proporcionan un rango alto con buena precisión y son menos sensibles a los cambios de viscosidad.

Inconvenientes.

La única desventaja de este tipo de medidor de caudal es que es susceptible al desgaste cuando se usa durante periodos excepcionalmente largos con vapor sucio y húmedo. La instalación correcta usando filtros y separadores corregirán esto.

Tubos pitot.

A diferencia de los otros medidores de momento que imponen una restricción del flujo y miden la consiguiente pérdida de presión, los tubos de pitot detectan la diferencia entre la presión de impacto (dinámica) y la presión estática del fluido que se mueve. En general consiste en un tubo con uno agujero que se sitúa de cara al flujo para detectar la presión de impacto y otro o más agujeros en la otra cara para medir la presión estática. El agujero de impacto sólo mide la velocidad en un punto localizado. Un solo tamaño será adecuado para una variedad de tamaños de tuberías y las ventajas económicas son evidentes. La colocación en el perfil del fluido es crítica.

El tubo de pitot es sensible al ángulo de ataque y por tanto a los torbellinos. Por tanto, se recomienda que el flujo se estabilice en una longitud de tubería de unas quince veces el diámetro. Si esto no es posible, hay que utilizar estabilizadores de flujo. Una de las ventajas es que presenta muy poca resistencia al flujo. Cuando se utiliza para medir vapor, se debe garantizar que los agujeros inferiores no quedan bloqueados con agua, por lo que se debe eliminar todo el condensado que se forme. Existe una relación entre velocidad y caída de presión que limita sus valores de rango.

Donde Vd = Velocidad media axial del fluido (m/s)

C= Coeficiente de caudal del tubo de Pitot.

P0= Presión total.

P = Presión estática.

? = Densidad.

El tubo Pitot tiene el inconveniente de que debe estar correctamente colocado para medir correctamente la media de caudal en el área de la sección transversal de la tubería.

El Tubo Annubar es una innovación del tubo pitot se desarrolló con numerosos diversos agujeros aguas arriba para obtener un valor más representativo de la velocidad media. La separación entre agujeros depende del número de éstos. Se debe pretender que cada uno cobra una zona anular de flujo equivalente.

Ventajas.

• Presenta poca resistencia al flujo.

• Económico

• Se pueden utilizar diversos diámetros de tuberías.

Inconvenientes.

• Solo realiza medidas de velocidad del fluido en un punto localizado.

• Su rango se debe limitar a valores del orden 4:1 y si el vapor está húmedo los agujeros se pueden taponar, aunque hay ciertos modelos que pueden instalarse horizontalmente.

• El tubo de pitot es sensible a los torbellinos y requiere una instalación y mantenimiento cuidadoso.

• Los ?P bajos incrementan la incertidumbre, especialmente con el uso con vapor.

Medidores de turbina:

El medidor de turbina consiste de un rotor de varias paletas o una hélice montada en un eje con cojinetes o soportes de centrado para que gire libremente. El fluido hace girar el rotor a una velocidad proporcional a la velocidad del fluido. Las puntas de las paletas pasan por una bobina captadora y cada impulso eléctrico representa un cierto caudal. Se requiere más instrumentación para convertir los impulsos en un caudal volumétrico.

Ya que el medidor de turbina consiste en varias piezas móviles, deberemos tomar nota de ciertos factores que influyen en la medición:

• Temperatura, presión y viscosidad del fluido a medir.

• Propiedades lubrificantes del fluido.

• Desgaste y fricción del cojinete.

• Cambios en el estado y dimensional de las paletas.

• Perfil de velocidad de entrada y efectos de los torbellinos.

• Caída de presión a través del medidor.

Por estas razones la calibración de los medidores de turbina debe realizarse en condiciones de trabajo. Es muy importante mantener la incertidumbre de la calibración al nivel más bajo posible.

Ventajas.

• Preciso sobre un amplio rango.

Inconvenientes.

• Desgaste o suciedad en las superficies hace que se requieran recalibraciones. Pero el mayor de los inconvenientes es que los cojinetes deben permitir que el rotor gire a alta velocidad y trabajar con temperaturas altas. Por tanto la vida útil cojinete es el factor que más puede influenciar.

• Susceptible a los efectos de los torbellinos.

Medidores de VOLTEX.

Estos medidores operan con el principio de que cuando un fluido contorna a un obstáculo, efectos relacionados con la viscosidad producen secuencialmente torbellinos después del mismo. Se pueden detectar, contar y visualizar estos torbellinos. Poseen una frecuencia proporcional a la velocidad del fluido dividido por la anchura del obstáculo. En realidad, se está midiendo la velocidad.

El obstáculo está colocado para que cause un bloqueo al fluido que tiene que contornear el obstáculo. Al forzar el fluido alrededor del obstáculo, la velocidad del fluido experimenta un cambio. El fluido cercano al obstáculo experimenta fricción de la superficie del obstáculo y reduce su velocidad. Debido a la reducción del área, se acelera el fluido que está más alejado del obstáculo para que pueda pasar la suficiente cantidad de fluido por el obstáculo. Una vez que el fluido ha pasado el cuerpo, se mueve para rellenar el espacio muerto que se ha producido detrás de él que a su vez produce un movimiento rotatorio en el fluido creando un vórtice.

La velocidad del fluido producida por el obstáculo no es constante en ambos lados del cuerpo del obstáculo. Según aumenta la velocidad en un lado disminuye en el otro. Lo mismo ocurre con la presión. En el lado de alta velocidad la presión es baja y en el lado de baja velocidad la presión es alta. La presión procura redistribuirse, la zona de alta presión se mueve hacia la zona de baja presión, las zonas de presión cambian de lugar y se producen vórtices a ambos lados del obstáculo.

La frecuencia de los torbellinos y la velocidad del fluido tienen una relación casi lineal cuando se encuentran las condiciones adecuadas. La frecuencia de los torbellinos es proporcional al número de Stronhal, la velocidad del fluido y la inversa del diámetro del obstáculo.

f 8 St * Vd / d

Donde: f = Frecuencia de vórtices (hz)

St = Número de Strouhal

Vd= Velocidad media del fluido (m/s)

d= Diámetro del obstáculo (m)

El número Strouhal permanece constante para una gama amplia de números Reynolds, lo que indica que la frecuencia de torbellinos seguirá siendo la misma si cambia la densidad y que es directamente proporcional a la velocidad para cualquier diámetro de obstáculo, es decir:

f = k * Vd

donde: K = Es una constante para todos los fluidos en un determinado tipo de

medidor.

Por tanto, Vd = f/ k

Entonces el caudal Qv en la tubería se puede calcular de este modo,

Qv= A* Vd = A* f/k

Donde A= Área del orificio del medidor (m2).

Ventajas.

• Rango razonable (siempre cuando sean aceptables altas velocidades y caídas de presión).

• No tiene partes móviles.

• Poca resistencia al flujo.

Inconvenientes.

• Con caudales bajos, no se generan impulsos y el medidor puede dar lecturas bajas e incluso cero.

• A menudo citan velocidades máximas de 80 o 100 m/s que darían problemas graves en sistemas de vapor.

• Las vibraciones pueden causar errores en la precisión.

• Una instalación correcta es fundamental, ya que una junta mal colocada o restos de soldadura pueden producir torbellinos que causarían lecturas imprecisas.

• Se requieren tramos largos de tubería sin obstáculos aguas arriba, igual que las placas orificio.

Instrumentación

Un medidor de caudal de vapor consta de dos partes – el 'primario' o la unidad de tubería, colocada en el paso del vapor y la 'secundaria' que convierte las señales a una norma utilizable.

Además, habrá un tipo de procesador que pueda recibir, precisar y visualizar la información que requiere el usuario. Este procesador también puede recibir señales de presión y / o densidad para poder realizar compensación por densidad. La Figura 22 muestra un esquema de un sistema típico.

Cuando la unidad de tubería es de presión diferencial, como una placa orificio o tubo pitot etc., y se requiere una señal eléctrica, la unidad secundaria será un transmisor DP que convierte la señal de presión a una señal eléctrica. Esta señal se puede transmitir a un procesador electrónico capaz de aceptar, almacenar y procesar estas señales según requiera el usuario.

Un transmisor DP típico aplica la presión diferencial producida por el elemento primario a través de un diafragma que está sumergido en un aceite dieléctrico, a cada lado del diafragma hay una placa capacitiva y el movimiento del diafragma crea una variación de capacitancia fue se mide por medio de circuitos eléctricos, linearizada y convertida a una señal eléctrica para su transmisión (4 – 20 mA, 10 – 50 mA, etc.). El movimiento del diafragma es directamente proporcional a la diferencia de presión.

Esta señal se puede enviar a cualquier instrumento electrónico diseñado para convertir la señal y proporcionar una lectura del caudal. Lo sofisticado del instrumento dependerá del tipo de información que requiera el usuario.

Transmisores DP multivariables.

Recientemente, cuando se mide vapor, se pide la compensación de densidad utilizando entradas de temperatura o presión. Los beneficios se describen en la siguiente sección, 'Requerimientos especiales para mediciones precisas de caudal de vapor.'

Generalmente, se instala otro transmisor de presión aguas arriba del elemento primario y la señal analógica se transmite a un procesador externa junto con la señal analógica de salida del transmisor de presión diferencial. Ultimamente, en el mercado está apareciendo una nueva generación de transmisores de presión diferencial que detectan la presión aguas arriba, además poseen una electrónica sofisticada que permiten realizar la compensación de densidad sin otro equipo. Por tanto, el transmisor DP Multivariable puede medir la presión diferencial y la presión absoluta y aplica las correcciones necesarias. De este modo, se puede obtener una señal de salida del caudal másico del vapor sin necesidad de más equipos.

Para la medición de caudal de vapor recalentado se necesitará una señal temperatura.

Recopilación de datos.

Hay muchos métodos de recuperación y proceso de estos datos, como ordenadores especializados, PLCs (Programmable Logic Computer systems), o DCS* (Distributed Control Systems) y SCADAS (Supervisor y Control and Data Acquisition Systems).

Uno de los métodos más sencillos de recopilación de datos, almacenamiento y visualización es el Procesador. Con la llegada del microprocesador ahora disponemos de procesadores sumamente versátiles para la medición de caudal. Se pueden visualizar los siguientes datos:-

• Caudal actual.

• Vapor total utilizado.

• Temperatura / Presión del vapor.

Partes: 1, 2