El medidor de flujo de placa de orificio es un tipo de medidor de flujo de presión diferencial que se utiliza comúnmente en la medición del flujo másico de líquidos, gases y corrientes limpios. Está disponible para todos los tamaños de tubos y, si la pérdida de presión requerida es libre, resulta muy rentable para medir el caudal de fluidos en tubos más grandes (con un diámetro superior a 6 pulgadas). La placa de orificio también cuenta con la aprobación de muchas organizaciones de normalización para la transferencia de custodia de líquidos y gases.
Las ecuaciones de flujo de orificio, que utilizan la ecuación de Bernoulli, que se utilizan en la actualidad siguen difiriendo entre sí, aunque las distintas organizaciones de normalización están trabajando para adoptar una única ecuación de flujo de orificio universalmente aceptada. Los programas de dimensionamiento de orificios suelen permitir al usuario seleccionar la ecuación de flujo deseada entre varias.
¿Cómo funciona un medidor de flujo con placa de orificio?
La placa de orificio puede estar fabricada con cualquier material, aunque el acero inoxidable es el más habitual. El grosor de la placa utilizada (1/8 – 1/2") depende del tamaño de la línea, la temperatura del proceso, la presión y la presión diferencial. El orificio tradicional es una placa circular delgada (con una lengüeta para su manipulación y para los datos del proceso), que se inserta en la tubería entre las dos bridas de una unión de orificio. Este método de instalación es rentable, pero requiere la parada del proceso cada vez que se retira la placa para su mantenimiento o inspección. Por el contrario, un accesorio de orificio permite retirar el orificio del proceso sin despresurizar la línea y sin detener el flujo. En estos accesorios se utiliza la placa de orificio universal, una placa circular sin lengüeta.
La placa de orificio concéntrica (Figura 1 - A) tiene un orificio concéntrico afilado (de bordes cuadrados) que proporciona un contacto casi puro entre la placa y el fluido, con una resistencia por fricción insignificante en el límite. El rango de las relaciones beta (o diámetro) de las placas de orificio concéntricas es de 0,25 a 0,75. La velocidad máxima y la presión estática mínima se producen a unos 0,35 a 0,85 diámetros de tubería aguas abajo de la placa de orificio. Ese punto se denomina vera contracta. La medición de la presión diferencial en un lugar cercano a la placa de orificio minimiza el efecto de la rugosidad de la tubería, ya que la fricción afecta al fluido y a la pared de la tubería.
Figura 1: Aberturas de la placa de orificio Las tomas de brida se utilizan principalmente en Estados Unidos y se encuentran a 1 pulgada de las superficies de la placa de orificio (Figura 2). No se recomienda su uso en tuberías de menos de 2 pulgadas de diámetro. Las tomas en esquina predominan en Europa para todos los tamaños de tubo y se utilizan en Estados Unidos para tubos de menos de 2 pulgadas (Figura 2). Con las tomas en esquina, los espacios relativamente pequeños representan un posible problema de mantenimiento. Las tomas de vena contracta (que son similares a las tomas radiales, Figura 1) se encuentran a un diámetro de tubería aguas arriba de la placa y aguas abajo en el punto de vena contracta. Esta ubicación varía (con la relación beta y el número de Reynolds) entre 0,35D y 0,8D.
Figura 2: Alternativas de ubicación de la toma de presión diferencial Las tomas de vena contracta proporcionan la presión máxima, pero también el mayor ruido. Además, si se cambia la placa, puede ser necesario cambiar la ubicación de la toma. Asimismo, en tubos pequeños, la vena contracta podría encontrarse debajo de una brida. Por lo tanto, las tomas de vena contracta normalmente solo se utilizan en tubos de más de seis pulgadas.
Las tomas de radio son similares a las tomas de vena contracta, excepto que la toma aguas abajo se fija a 0,5D de la placa de orificio (Figura 2). Las tomas de tubería se encuentran a 2,5 diámetros de tubería aguas abajo del orificio (Figura 2). Detectan la menor diferencia de presión y, debido a la distancia de la toma al orificio, los efectos de la rugosidad de la tubería, las inconsistencias dimensionales y, por lo tanto, los errores de medición son los mayores.
Tipos de orificios y selección
La placa de orificio concéntrica se recomienda para fluidos limpios, gases y flujos de vapor cuando los números de Reynolds oscilan entre 20 000 y 107 en tubos de menos de seis pulgadas. Dado que las ecuaciones básicas de flujo por orificio asumen que las velocidades de flujo están muy por debajo de la velocidad del sonido, se requiere un enfoque teórico y computacional diferente si se esperan velocidades sónicas. El número de Reynolds mínimo recomendado para el flujo a través de un orificio (Figura 3) varía con la relación beta del orificio y con el tamaño del tubo. En tubos de mayor tamaño, el número de Reynolds mínimo también aumenta. Debido a esta consideración del número mínimo de Reynolds, los orificios de bordes cuadrados rara vez se utilizan en fluidos viscosos. Se recomiendan placas de orificio con bordes cuadrantes y cónicos (Imagen 4) al número de Reynolds es inferior a 10 000. Las tomas de brida, las tomas de esquina y las tomas de radio se pueden utilizar con orificios de bordes cuadrantes, pero solo se deben utilizar tomas de esquina con un orificio cónico.
Figura 3: Efecto de los números de Reynolds en varios caudalímetros 
Figura 4: Orificios para flujos viscosos Las placas de orificio concéntricas pueden estar provistas de orificios de drenaje para evitar la acumulación de líquidos arrastrados en las corrientes de gas, o de orificios de ventilación para ventilar los gases arrastrados de los líquidos (Figura 1-A). El flujo no medido que pasa a través del orificio de ventilación o drenaje suele ser inferior al 1 % del flujo total si el diámetro del orificio es inferior al 10 % del diámetro interior del orificio. Sin embargo, la eficacia de los orificios de ventilación/drenaje es limitada, ya que a menudo se obstruyen.
Las placas de orificio concéntricas no se recomiendan para fluidos multifásicos en líneas horizontales, ya que la fase secundaria puede acumularse alrededor del borde aguas arriba de la placa. En casos extremos, esto puede obstruir la abertura o cambiar el patrón de flujo, lo que da lugar a errores de medición. Las placas de orificio excéntricas y segmentadas son más adecuadas para este tipo de aplicaciones. Los orificios concéntricos siguen siendo los preferidos para los flujos multifásicos en líneas verticales, ya que es menos probable que se acumule material y los datos del proceso para estas placas son más fiables.
El orificio excéntrico (Figura 1-B) es similar al concéntrico, excepto que la abertura está desviada con respecto a la línea central de la tubería. La abertura del orificio segmentado (Figura 1-C) es un segmento de círculo. Si la fase secundaria es un gas, la abertura de un orificio excéntrico se situará hacia la parte superior de la tubería. Si la fase secundaria es un líquido en un gas o una suspensión en una corriente líquida, la abertura debe estar en la parte inferior de la tubería. El área de drenaje del orificio segmentado es mayor que la del orificio excéntrico y, por lo tanto, es preferible en aplicaciones con altas proporciones de la fase secundaria.
Estas placas se utilizan normalmente en tuberías de más de cuatro pulgadas de diámetro y deben instalarse con cuidado para asegurarse de que ninguna parte de la brida o la junta interfiera con la abertura. Las tomas de brida se utilizan con ambos tipos de placas y se encuentran en el cuadrante opuesto a la abertura del orificio excéntrico, en línea con la altura máxima de la presa para el orificio segmentado.
Para la medición de caudales bajos, una célula d/p con orificio integral puede ser la mejor opción. En este diseño, el flujo total del proceso pasa a través de la célula d/p, lo que elimina la necesidad de líneas de plomo. Se trata de dispositivos patentados sobre los que hay pocos datos publicados acerca de su rendimiento; sus coeficientes de flujo se basan en calibraciones reales de laboratorio. Se recomiendan solo para fluidos limpios y monofásicos, ya que incluso pequeñas acumulaciones pueden provocar errores de medición significativos u obstruir la unidad. Los orificios de restricción se instalan para eliminar el exceso de presión y suelen funcionar a velocidades sónicas con relaciones beta muy pequeñas. La caída de presión a través de un solo orificio de restricción no debe superar los 500 psid debido a la obstrucción o el desgaste. En las instalaciones de orificios de restricción de múltiples elementos, las placas se colocan aproximadamente a un diámetro de tubería entre sí para evitar la recuperación de presión entre ellas.
Rendimiento del orificio
Aunque se trata de un dispositivo sencillo, la placa de orificio es, en principio, un instrumento de precisión. En condiciones ideales, la imprecisión de una placa de orificio puede estar en el rango del 0,75-1,5 % AR. Sin embargo, las placas de orificio son bastante sensibles a una variedad de condiciones que provocan errores. La precisión en los cálculos del diámetro interior, la calidad de la instalación y el estado de la placa determinan el rendimiento total. Los factores de instalación incluyen la ubicación y el estado de la toma, el estado de la tubería de proceso, la adecuación de los tramos rectos de tubería, la interferencia de las juntas, la desalineación de la tubería y los orificios, y el diseño de la línea de plomo. Otras condiciones adversas incluyen el embotamiento del borde afilado o las muescas causadas por la corrosión o la erosión, la deformación de la placa debido a golpes de ariete y suciedad, y los depósitos de grasa o fase secundaria en cualquiera de las superficies del orificio. Cualquiera de las condiciones anteriores puede cambiar el coeficiente de descarga del orificio hasta en un 10 %. En combinación, estos problemas pueden ser aún más preocupantes y el efecto neto impredecible.
El medidor de orificio típico de grado de transferencia de custodia es más preciso porque puede ser calibrado en un laboratorio de pruebas y se suministra con secciones de tubería pulidas, enderezadores de flujo, accesorios de orificio superiores y alojamientos con control de temperatura.
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