Un tubo de Pitot es un dispositivo que se utiliza para medir la velocidad del flujo de un fluido mediante la conversión de la energía cinética del flujo en energía potencial. Inventado por el ingeniero francés Henri Pitot en 1732 para medir la velocidad del caudal de los ríos, estos dispositivos detectan la presión dinámica del flujo de fluido en un punto concreto captando la diferencia entre la presión de estancamiento (presión total) y la presión estática dentro del fluido.
Más tarde, en 1858, Henry Darcy lo modificó hasta darle su forma moderna, mejorando su precisión y aplicabilidad.
¿Qué es un tubo Pitot?
El tubo Pitot es una alternativa económica a una placa de orificio, y su precisión oscila entre el 0,5 % y el 5 % FS, lo que es comparable a la de un orificio. Su rango de caudal de 3:1 (algunos funcionan a 4:1) también es similar a la capacidad de la placa de orificio. Los tubos de Pitot, al igual que las placas de orificio y otros caudalímetros de presión diferencial, funcionan según los principios de la ecuación de Bernoulli, que establece que a medida que aumenta el flujo de un fluido, se produce una pérdida de presión.
La principal diferencia entre los tubos de Pitot y las placas de orificio es que, mientras que un orificio mide el flujo completo, el tubo de Pitot detecta la velocidad del flujo en un solo punto del flujo. Una ventaja del tubo de Pitot delgado es que puede insertarse en tuberías existentes y presurizadas (lo que se denomina «perforación en caliente») sin requerir un apagado y sin causar tiempos de inactividad no deseados.
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Principio de funcionamiento de los tubos de Pitot
Un tubo de Pitot consiste en un diseño de doble tubo dentro de una sola sonda, que se utiliza para medir tanto la presión total como la estática en un flujo de fluido. El tubo interior tiene un extremo abierto que mira directamente hacia el flujo, captando la presión total (estancamiento), que incluye tanto los componentes de presión estática como dinámica. Alrededor de este, el tubo exterior tiene pequeños orificios radiales perpendiculares al flujo, lo que le permite detectar la presión estática del fluido. El espacio anular entre los tubos interior y exterior permite la transmisión de estas presiones a conexiones de presión separadas en el extremo opuesto de la sonda.
Figura 1: Los tubos de Pitot miden dos presiones La presión de impacto total (P T) es la suma de las presiones estática y cinética y se detecta cuando la corriente que fluye impacta en la abertura del tubo de Pitot. Para medir la presión de impacto, la mayoría de los tubos de Pitot utilizan un tubo pequeño, a veces en forma de L, con la abertura directamente orientada hacia la corriente entrante. La velocidad puntual de aproximación (V P) se puede calcular tomando la raíz cuadrada de la presión dinámica, que es la diferencia entre la presión total (PT) y la presión estática (P), y multiplicándola por la relación C/D, donde C es una constante dimensional y D es la densidad:
V P = C(P T – P) 1/2 / D
Cuando el caudal se obtiene multiplicando la velocidad puntual (V P) por el área transversal de la tubería o conducto, es fundamental que la medición de la velocidad se realice a una profundidad de inserción que corresponda a la velocidad media. A medida que aumenta la velocidad del flujo, el perfil de velocidad en la tubería cambia de alargado (laminar) a más plano (turbulento). Esto cambia el punto de velocidad media y requiere un ajuste de la profundidad de inserción. Los tubos de Pitot se recomiendan solo para flujos muy turbulentos (números de Reynolds > 20 000) y, en estas condiciones, el perfil de velocidad tiende a ser lo suficientemente plano como para que la profundidad de inserción no sea crítica.
Medición de la presión estática
En los diseños de tubos de Pitot con camisa (de doble pared), el puerto de presión de impacto mira hacia delante, hacia el flujo, mientras que los puertos estáticos están espaciados alrededor del tubo exterior. Ambas señales de presión (P T y P) se envían a través de tubos a un indicador o transmisor d/p. En aplicaciones industriales, la presión estática (P) se puede medir de tres maneras:
- A través de tomas en la pared de la tubería: las tomas de presión conectan el tubo a un manómetro donde se indica la diferencia de presión.
- Mediante sondas estáticas insertadas en la corriente del proceso.
- Mediante pequeñas aberturas situadas en el propio tubo Pitot o en un elemento aerodinámico separado.
Los errores en la detección de la presión estática se deben a la viscosidad, la velocidad y la compresibilidad de los fluidos. La clave para una detección precisa de la presión estática es minimizar el componente cinético en la medición de la presión.
Tubos de Pitot de un solo puerto
Un tubo de Pitot de un solo puerto puede medir la velocidad del flujo en un solo punto de la sección transversal de una corriente (Figura 2). La sonda debe insertarse en un punto de la corriente en el que la velocidad del flujo sea la media de las velocidades en toda la sección transversal, y su puerto de impacto debe estar orientado directamente hacia el flujo del fluido. El tubo Pitot puede hacerse menos sensible a la dirección del flujo si el puerto de impacto tiene un bisel interno de aproximadamente 15°, que se extiende aproximadamente 1,5 diámetros dentro del tubo.
Figura 2: Instalación del tubo Pitot en una tubería Si la diferencia de presión generada por el venturi es demasiado baja para una detección precisa, el tubo Pitot convencional puede sustituirse por un Pitot venturi o un sensor de doble venturi. Esto producirá una diferencia de presión más alta.
Un tubo Pitot de un solo puerto calibrado, limpio y correctamente insertado puede proporcionar una precisión de flujo de ±1 % de la escala completa en un rango de flujo de 3:1; y, con cierta pérdida de precisión, puede incluso medir en un rango de 4:1. Sus ventajas son su bajo coste, la ausencia de piezas móviles, su simplicidad y el hecho de que provoca muy poca pérdida de presión en la corriente que fluye. Sus principales limitaciones incluyen los errores resultantes de los cambios en el perfil de velocidad o de la obstrucción de los puertos de presión. Los tubos Pitot se utilizan generalmente para mediciones de caudal de importancia secundaria, donde el coste es una preocupación importante, y/o cuando el diámetro de la tubería o del conducto es grande (hasta 72 pulgadas o más).
Se han desarrollado sondas Pitot especialmente diseñadas para su uso con flujos pulsátiles. Uno de los diseños utiliza una sonda Pitot llena de aceite de silicona para transmitir las presiones del proceso a la célula d/p. En aplicaciones pulsátiles de alta frecuencia, el aceite sirve como medio de amortiguación de las pulsaciones y de promediado de la presión.
Los tubos Pitot también se pueden utilizar en conductos de aire cuadrados, rectangulares o circulares. Normalmente, el tubo Pitot encaja en un orificio de 5/16 pulgadas de diámetro en el conducto. El montaje puede realizarse mediante una brida o un prensaestopas. El tubo suele estar provisto de un indicador externo, de modo que su puerto de impacto se puede girar con precisión para que quede directamente orientado hacia el flujo. Además, el tubo puede diseñarse para detectar el perfil de velocidad completo realizando traversas rápidas y consistentes a través del conducto.
En algunas aplicaciones, como el muestreo de partículas en chimeneas exigido por la EPA, es necesario atravesar un muestreador Pitot a través de una chimenea o conducto. En estas aplicaciones, en cada punto indicado en la figura 3, se realiza una medición de temperatura y de caudal, además de tomar una muestra de gas, cuyos datos se combinan y se llevan a un laboratorio para su análisis. En tales aplicaciones, una sola sonda contiene un tubo Pitot, un termopar y una boquilla de muestreo.
Figura 3: Ubicaciones de los puntos de travesía Un tubo de Pitot también se puede utilizar para medir la velocidad del agua en canales abiertos, en caídas, rampas o sobre crestas de cascadas. A las bajas velocidades de flujo típicas de las condiciones laminares, no se recomienda el uso de tubos Pitot porque es difícil encontrar la profundidad de inserción correspondiente a la velocidad media y porque el elemento Pitot produce una diferencia de presión muy pequeña. El uso de un Pitot Venturi mejora esta situación al aumentar la diferencia de presión, pero no resuelve el problema causado por el perfil de velocidad alargado.
Tubos de Pitot promediadores
Los tubos de Pitot promediadores se han introducido para superar el problema de encontrar el punto de velocidad media. Un tubo de Pitot promediador está provisto de múltiples puertos de presión estática y de impacto, y está diseñado para extenderse a lo largo de todo el diámetro de la tubería. Las presiones detectadas por todos los puertos de presión de impacto (y por separado por todos los estáticos) se combinan y se mide la raíz cuadrada de su diferencia como indicación del flujo medio en la tubería (Figura 4). El puerto más cercano a la salida de la señal combinada tiene una influencia ligeramente mayor que el puerto más alejado, pero, para aplicaciones secundarias en las que se utilizan comúnmente tubos Pitot, este error es aceptable.
Figura 4: Tubo de Pitot de promedio con múltiples aberturas El número de puertos de impacto, la distancia entre ellos y el diámetro del tubo de Pitot de promedio pueden modificarse para adaptarse a las necesidades de una aplicación concreta. Los puertos de detección de los tubos Pitot promediadores suelen ser demasiado grandes para que el tubo se comporte como una verdadera cámara promediadora. Esto se debe a que las aberturas sobredimensionadas de los puertos no están optimizadas para el promedio, sino para evitar obstrucciones. En algunas instalaciones, se utiliza una purga con gas inerte para mantener los puertos limpios, lo que permite al sensor utilizar puertos más pequeños.
Los tubos Pitot de promedio ofrecen las mismas ventajas y inconvenientes que los tubos de un solo puerto. Son ligeramente más caros y un poco más precisos, especialmente si el flujo no está completamente formado. Algunos sensores Pitot de promedio se pueden insertar a través de la misma abertura (o toma en caliente) que aloja un tubo de un solo puerto.
Area Averaging
Las estaciones pitot de promedio de área se utilizan para medir los grandes flujos de aire a baja presión en calderas, secadoras o sistemas de climatización. Estas unidades están disponibles para los distintos tamaños estándar de conductos circulares o rectangulares (Figura 5) y para tubos. Están diseñadas de tal manera que cada segmento de la sección transversal cuenta con un puerto de presión estática y otro de presión dinámica. Cada conjunto de puertos está conectado a su propio colector, que combina las señales de presión estática media y presión dinámica media. Si existe la posibilidad de obstrucción, los colectores se pueden purgar para mantener los puertos limpios.
Figura 5: Estación Pitot de promedio de área Dado que las estaciones Pitot de promedio de área generan diferencias de presión muy pequeñas, puede ser necesario utilizar células d/p de baja diferencia con intervalos tan bajos como 0-0,01 en columna de agua. Para mejorar la precisión, se puede instalar un enderezador de flujo tipo célula hexagonal y una boquilla de flujo aguas arriba del sensor de flujo Pitot de promedio de área. El enderezador de flujo elimina la turbulencia local, mientras que la boquilla amplifica la presión diferencial producida por el sensor.
Installation
Los tubos Pitot pueden utilizarse como sensores de flujo instalados de forma permanente o como dispositivos de monitorización portátiles que proporcionan datos periódicos. Las unidades de acero al carbono o acero inoxidable instaladas de forma permanente pueden funcionar a presiones de hasta 1400 PSIG y se insertan en la tubería mediante conexiones con bridas o tornillos. Su instalación suele realizarse antes de la puesta en marcha de la planta, pero pueden conectarse en caliente a un proceso en funcionamiento.
En una instalación en caliente (Figura 6), primero se suelda un accesorio a la tubería. A continuación, se fija una válvula de perforación al accesorio y se perfora un orificio a través de la tubería. Luego, después de retirar parcialmente el taladro, se cierra la válvula, se retira el taladro y se inserta el tubo Pitot. Por último, se abre la válvula y se inserta completamente el tubo Pitot.
Figura 6: Instalación en caliente de un tubo de Pitot El perfil de velocidad de la corriente que fluye dentro de la tubería se ve afectado por el número de Reynolds del fluido que fluye, la rugosidad de la superficie de los tubos y las perturbaciones aguas arriba, como válvulas, codos y otros accesorios. Los tubos Pitot solo deben utilizarse si el número de Reynolds mínimo supera los 20 000 y si se puede proporcionar un tramo recto de aproximadamente 25 diámetros aguas arriba del tubo Pitot o si se pueden instalar álabes enderezadores.
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