Un medidor de flujo de área variable (Figura 1) es un tipo de medidor de flujo de presión diferencial (d/p). Los medidores de flujo de área variable son dispositivos simples y versátiles que funcionan con una caída de presión relativamente constante y proporcionan mediciones de caudal de líquidos, gases y vapor.
Figura 1: Varios diseños de medidores de flujo de área variable El medidor de flujo de área variable es muy popular para la indicación de flujo industrial porque tiene una escala lineal, un rango de medición relativamente largo y una caída de presión baja, además de ser bastante sencillo de instalar y mantener.
Los caudalímetros de área variable, al igual que todos los demás tipos de medidores de flujo 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.
Cómo funcionan los caudalímetros de área variable
La posición del flotador, pistón o paleta en línea del caudalímetro de área variable cambia a medida que el aumento del caudal abre un área de flujo mayor para que pase el fluido que circula. La posición del flotador, pistón o paleta proporciona una indicación visual directa del caudal. Las variaciones de diseño incluyen el rotámetro (un flotador en un tubo cónico), combinación de orificio/rotámetro (rotámetro de derivación), compuerta variable de Canal abierto, tapón cónico y diseños de paleta o pistón.
Se utiliza la fuerza de la gravedad o un resorte para devolver el elemento de flujo a su posición de reposo cuando el flujo disminuye. Los medidores que funcionan por gravedad (rotámetros) deben instalarse en posición vertical, mientras que los que funcionan por resorte pueden montarse en cualquier posición. Todos los caudalímetros de área variable están disponibles con indicadores locales. La mayoría también pueden suministrarse con sensores de posición y transmisores (neumáticos, electrónicos, digitales o de fibra óptica) para conectarlos a pantallas o controles remotos.
Principio de funcionamiento del medidor de flujo de área variable
El funcionamiento del medidor de flujo de área variable se basa en el principio de área variable: el flujo de fluido eleva una coma flotante en un tubo cónico, aumentando el área de paso del fluido. Cuanto mayor es el flujo, más se eleva la coma flotante. La altura de la coma flotante es directamente proporcional al caudal. En el caso de los líquidos, el flotador se eleva por una combinación de la flotabilidad del líquido y la altura de velocidad del fluido. Con el flujo de gas, la flotabilidad es insignificante y el flotador responde únicamente a la altura de velocidad. El flotador se mueve hacia arriba o hacia abajo en el tubo en proporción al caudal del fluido y al área anular entre el flotador y la pared del tubo. El flotador alcanza una posición estable en el tubo cuando la fuerza ascendente ejercida por el fluido que fluye es igual a la fuerza gravitatoria descendente ejercida por el peso del flotador. Un cambio en el caudal altera este equilibrio de fuerzas. El flotador se mueve entonces hacia arriba o hacia abajo, cambiando el área anular hasta que vuelve a alcanzar una posición en la que las fuerzas están en equilibrio. Para satisfacer la ecuación de fuerzas, el flotador del caudalímetro de área variable asume una posición distinta para cada caudal constante. Sin embargo, es importante señalar que, dado que la posición del flotador depende de la gravedad, los caudalímetros de área variable deben orientarse y tener un montaje vertical.
Reguladores de flujo de purga
Si se coloca una válvula de aguja en la entrada o salida de un rotámetro y un regulador d/p controla la diferencia de presión a través de esta combinación, el resultado es un regulador de flujo de purga. Estos paquetes de instrumentación se utilizan como caudalímetros de purga autónomos (Figura 2). Se encuentran entre los caudalímetros más utilizados y son de bajo coste. Su principal aplicación es controlar pequeños flujos de purga de gas o líquido. Se utilizan para proteger los instrumentos del contacto con fluidos calientes y corrosivos, para proteger las tomas de presión contra obstrucciones, para proteger la limpieza de los dispositivos de óptica y para proteger los dispositivos eléctricos contra la ignición por contacto con combustibles.
Figura 2: Diseño del medidor de flujo de purga Los medidores de purga son muy útiles para añadir gas nitrógeno a los espacios de vapor de los depósitos y otros equipos. La purga con gas nitrógeno reduce la posibilidad de que se forme una mezcla inflamable, ya que desplaza los gases inflamables. El regulador de flujo de purga es fiable, intrínsecamente seguro y económico.
Como se muestra en la imagen 2, los medidores de purga pueden funcionar en modo de flujo constante, donde P 2 – P 0 se mantiene constante en aproximadamente 60 a 80 en H 2 0 diferencial. En aplicaciones de burbujeo y purga, la presión de entrada (P1) se mantiene constante y la presión de salida (P 0) es variable. La figura 2 describe una configuración donde la presión de salida (P 0) se mantiene constante y la presión de entrada (P 1) es variable.
Pueden manejar caudales extremadamente pequeños, desde 0,01 cc/min para líquidos y desde 0,5 cc/min para gases. El tamaño más común es un rotámetro de tubo de vidrio con conexiones de 1/4 pulgada (6 mm), un rango de 0,05-0,5 gpm (0,2-2,0 lpm) en agua o de 0,2-2,0 scfm (0,3-3,0 cmph) en aire. La precisión típica es de ±5 % FS en un rango de 10:1, y la presión nominal más común es de 150 psig (1 MPa).
Rotámetros
El rotámetro es el medidor de flujo variable más utilizado debido a su bajo coste, simplicidad, baja caída de presión, rango relativamente amplio y salida lineal. Su funcionamiento es sencillo: para pasar a través del tubo cónico, el flujo de fluido eleva la Coma flotante. Cuanto mayor es el flujo, más se eleva la Coma flotante. En el servicio con líquidos, el flotador se eleva debido a una combinación de la flotabilidad del líquido y la altura de velocidad del fluido. Con los gases, la flotabilidad es insignificante y el flotador responde principalmente a la velocidad.
En un rotámetro (Figura 1), el tubo de medición está montado verticalmente, con el extremo pequeño en la parte inferior. El fluido que se va a medir entra por la parte inferior del tubo, pasa hacia arriba alrededor del flotador y sale por la parte superior. Cuando no hay flujo, el flotador descansa en la parte inferior. Cuando entra el fluido, el flotador de medición comienza a subir.
El flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo en proporción al caudal del fluido y al área anular entre el flotador y la pared del tubo. A medida que el flotador sube, aumenta el tamaño de la abertura anular. A medida que aumenta esta área, disminuye la presión diferencial a través del flotador. El flotador alcanza una posición estable cuando la fuerza ascendente ejercida por el fluido que fluye es igual al peso del flotador. Cada posición del flotador corresponde a un caudal concreto para una densidad y viscosidad concretas del fluido. Por este motivo, es necesario dimensionar el rotámetro para cada aplicación. Cuando se dimensiona correctamente, el caudal se puede determinar haciendo coincidir la posición del flotador con una escala calibrada en el exterior del rotámetro. Muchos rotámetros vienen con una válvula incorporada para ajustar el caudal manualmente.
Hay disponibles varias formas de comas flotantes para diversas aplicaciones. Uno de los primeros diseños tenía ranuras, lo que hacía que la coma flotante girara con fines de estabilización y centrado. Debido a que esta coma flotante giraba, se acuñó el término «rotámetro».
Los rotámetros suelen proporcionar datos de calibración y una escala de lectura directa para aire o agua (o ambos). Para dimensionar un rotámetro para otros servicios, primero hay que convertir el caudal real en un caudal estándar. Para los líquidos, este caudal estándar es el equivalente en agua en gpm; para los gases, el caudal estándar es el caudal de aire equivalente en pies cúbicos estándar por minuto (scfm). Los fabricantes de rotámetros proporcionan tablas con los valores estándar equivalentes en gpm de agua y/o scfm de aire. Los fabricantes también suelen proporcionar reglas laterales, nomogramas o software informático para dimensionar los rotámetros.
Cómo seleccionar un medidor de flujo de área variable: variaciones de diseño
Existe una amplia gama de materiales disponibles para comas flotantes, empaquetaduras, juntas tóricas y racores. Los tubos de los rotámetros para aplicaciones seguras, como el aire o el agua, pueden ser de vidrio, mientras que, si su rotura pudiera crear una situación de inseguridad, se suministran con tubos metálicos. Los tubos de vidrio son los más comunes, ya que están fabricados con precisión en vidrio borosilicato con protección de seguridad. Los flotadores suelen estar fabricados en vidrio, plástico, metal o Acero inoxidable para resistir la corrosión. Otros materiales utilizados para los flotadores son el carboloy, el zafiro y el tantalio. Los racores finales están disponibles en metal o plástico. Algunos fluidos atacan el tubo de medición de vidrio, como el vapor húmedo o el agua con un pH superior a 194 °F (que puede ablandar el vidrio); la sosa cáustica (que disuelve el vidrio); y el ácido fluorhídrico (que corroe el vidrio).
Los flotadores tienen un borde afilado en el punto donde se debe observar la lectura en la escala montada en el tubo. Para mejorar la precisión de la lectura, se debe instalar un rotámetro de tubo de vidrio a la altura de los ojos. La escala se puede calibrar para la lectura directa de aire o agua, o puede leer el porcentaje del rango. En general, los rotámetros de tubo de vidrio pueden medir caudales de hasta aproximadamente 60 gpm de agua y 200 scfh de aire.
Un rotámetro de correlación tiene una escala desde la que se toma una lectura (Figura 1). A continuación, esta lectura se compara con una tabla de correlación para un gas o líquido determinado, a fin de obtener el caudal real en unidades de ingeniería. Existen tablas de correlación fácilmente disponibles para nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, helio, argón y dióxido de carbono. Aunque no es tan cómodo como un dispositivo de lectura directa, un medidor de correlación es más preciso. Esto se debe a que un dispositivo de lectura directa solo es preciso para un gas o líquido específico a una temperatura y presión determinadas. Un medidor de flujo de correlación se puede utilizar con una amplia variedad de fluidos y gases en diversas condiciones. En el mismo tubo, se pueden manejar diferentes caudales utilizando diferentes comas flotantes.
Los rotámetros de tubo de vidrio pequeño son adecuados para trabajar con presiones de hasta 500 psig, pero la presión de operación máxima de un tubo grande (2 pulgadas de diámetro) puede ser tan baja como 100 psig. El límite de temperatura práctico es de unos 400 °F, pero el funcionamiento a temperaturas tan altas reduce considerablemente la presión de operación del tubo. En general, existe una relación lineal entre la temperatura de operación y la presión. Los rotámetros de tubo de vidrio se utilizan a menudo en aplicaciones en las que se miden varias corrientes de gases o líquidos al mismo tiempo o se mezclan en un colector, o en las que un solo fluido se expulsa a través de varios canales (Figura 3). Los caudalímetros de tubos múltiples permiten el montaje de hasta seis rotámetros en el mismo bastidor.
Figura 3: Estación de rotámetro multitubo También es posible utilizar un rotámetro en vacío. Si el rotámetro tiene una válvula, debe colocarse en la salida situada en la parte superior del medidor. Para aplicaciones que requieren un amplio rango de medición, se puede utilizar un rotámetro de doble bola. Este instrumento tiene dos flotadores de bola: una bola ligera (normalmente negra) para indicar caudales bajos y una bola pesada (normalmente blanca) para indicar caudales altos. Se lee la bola negra hasta que se sale de la escala y luego se lee la bola blanca. Uno de estos instrumentos tiene un rango de medición negro de 235 a 2350 ml/min y uno blanco de hasta 5000 ml/min.
Para presiones y temperaturas más altas que el rango práctico del vidrio, se pueden utilizar rotámetros de tubo metálico. Estos tubos suelen estar fabricados en Acero inoxidable, y la posición del flotador se detecta mediante seguidores magnéticos con lecturas de salida fuera del tubo de medición. Los rotámetros de tubo metálico se pueden utilizar para álcalis fuertes y calientes, flúor, ácido fluorhídrico, agua caliente, vapor, lodos, gases ácidos, aditivos y metales fundidos. También se pueden utilizar en aplicaciones donde las altas presiones de operación, los golpes de ariete u otras fuerzas podrían dañar los tubos de vidrio. Los rotámetros de tubo metálico están disponibles en diámetros de 3/8 pulgadas a 4 pulgadas, pueden funcionar a presiones de hasta 750 psig, temperaturas de hasta 540 °C (1000 °F) Los rotámetros de tubo metálico son disponibles como transmisores de caudal para su integración con controles analógicos o digitales remotos. Los transmisores suelen detectar la posición del flotador mediante un acoplamiento magnético y a menudo se proporcionan con indicación externa a través de una hélice magnética giratoria que mueve el indicador. El transmisor puede ser intrínsecamente seguro, estar basado en un Microprocesador y puede estar provisto de alarmas y una salida de impulsos para la totalización.
Los rotámetros de tubo de plástico son rotámetros de bajo coste ideales para aplicaciones que implican fluidos corrosivos o agua desionizada.
Plastic-tube rotameters are low-cost rotameters that are ideal for applications involving corrosive fluids or deionized water.
Precisión
Los rotámetros de laboratorio pueden calibrarse con una precisión del 0,50 % AR en un rango de 4:1, mientras que la imprecisión de los rotámetros industriales suele ser del 1-2 % de la escala completa en un rango de 10:1. Los errores de los rotámetros de purga y derivación están en el rango del 5 %.
Los rotámetros se pueden utilizar para ajustar manualmente los caudales regulando la apertura de la válvula mientras se observa la escala para establecer el caudal de proceso requerido. Si las condiciones de funcionamiento no varían, los rotámetros pueden repetirse con una precisión del 0,25 % del caudal real.
La mayoría de los rotámetros son relativamente insensibles a las variaciones de viscosidad. Los más sensibles son los rotámetros muy pequeños con comas flotantes de bola, mientras que los rotámetros más grandes son menos sensibles a los efectos de la viscosidad. Las limitaciones de cada diseño son publicadas por el fabricante (Figura 4). La forma de la coma flotante afecta al límite de viscosidad. Si se supera el límite de viscosidad, el caudal indicado debe corregirse en función de la viscosidad.
Figura 4: Velocidad máxima del rotámetro Dado que el flotador es sensible a los cambios en la densidad del fluido, un rotámetro puede equiparse con dos flotadores (uno sensible a la densidad y otro a la velocidad) y utilizarse para calcular aproximadamente el caudal másico. Cuanto más se acerque la densidad del flotador a la densidad del fluido, mayor será el efecto de un cambio en la densidad del fluido sobre la posición del flotador. Los rotámetros de caudal másico funcionan mejor con fluidos de baja viscosidad, como el jugo de azúcar sin refinar, la gasolina, el combustible para aviones y los hidrocarburos ligeros.
La precisión del rotámetro no se ve afectada por la configuración de las tuberías aguas arriba. El medidor también se puede instalar directamente después de un codo de tubería sin que ello afecte a la precisión de la medición. Los rotámetros son intrínsecamente autolimpiantes porque, a medida que el fluido fluye entre la pared del tubo y la Coma flotante, produce una acción de limpieza que tiende a evitar la acumulación de materias extrañas. No obstante, los rotámetros solo deben utilizarse con fluidos limpios que no recubran la Coma flotante ni el tubo. También deben evitarse los líquidos con materiales fibrosos, abrasivos y partículas grandes.
Caudalímetros de área variable Omega
Caudalímetros de tubo de vidrio con área variable
El medidor de flujo de área variable básico es el tipo indicador de tubo de vidrio. El tubo está fabricado con precisión en vidrio borosilicato y la coma flotante está mecanizada con precisión en metal, vidrio o plástico. La escala del medidor se puede calibrar para la lectura directa de aire o agua, o puede tener una escala para leer un porcentaje del rango o una escala arbitraria para ser utilizada con ecuaciones o gráficos de conversión. Los caudalímetros de área variable con tubo de vidrio con protección de seguridad se utilizan en general en toda la industria para medir tanto líquidos como gases.
Caudalímetros de tubo metálico
Los caudalímetros de tubo metálico se utilizan en servicios en los que la alta presión de operación, el amplio rango de temperaturas, los golpes de ariete u otras fuerzas podrían dañar los tubos de medición de vidrio. Los caudalímetros de tubo metálico se pueden utilizar para la mayoría de los fluidos, incluidos los líquidos y gases corrosivos. Son especialmente adecuados para aplicaciones de vapor, donde los tubos de vidrio no son aceptables.
Caudalímetros de flujo variable con tubo de plástico
Los tubos de plástico se utilizan en algunos diseños de medidores de flujo de área variable debido a su menor coste y alta resistencia al impacto. Normalmente están fabricados en policarbonato, con accesorios metálicos o plásticos en los extremos. Con los accesorios de plástico, hay que tener cuidado durante la instalación para no deformar las roscas. Hay disponibles medidores con estructura totalmente de plástico para aplicaciones en las que no se pueden tolerar las piezas metálicas en contacto con el fluido, como en el caso del agua desionizada o los corrosivos.
Otros tipos de caudalímetros de área variable
Las principales desventajas del rotámetro son su coste relativamente alto en tamaños más grandes y el hecho de que sea requerido que se instale verticalmente (puede que no haya suficiente espacio libre). El coste de la instalación de un rotámetro grande puede reducirse utilizando un bypass de orificio o un tubo de Pitot en combinación con un rotámetro más pequeño. El rotámetro de bypass del mismo tamaño puede utilizarse para medir una variedad de caudales, siendo la única diferencia entre las aplicaciones la placa de orificio y el diferencial que produce.
Las ventajas de un rotámetro de derivación incluyen su bajo coste; su principal inconveniente es la imprecisión y la sensibilidad a la acumulación de material. Los rotámetros de derivación suelen estar provistos de válvulas de aislamiento para que puedan retirarse para el mantenimiento sin necesidad de cerrar la línea de proceso.
Los medidores de flujo cónicos son medidores de flujo de área variable con un núcleo fijo y un pistón que se mueve a medida que varía el flujo. En un diseño, el movimiento del pistón mueve mecánicamente un indicador, mientras que en otro mueve magnéticamente un indicador de caudal externo. El segundo diseño tiene un cuerpo metálico para aplicaciones de hasta 1000 psig.
Un medidor de flujo de área variable de tipo compuerta se asemeja a una válvula de mariposa. El flujo a través del medidor obliga a girar una paleta accionada por resorte, y una conexión mecánica proporciona una indicación local del caudal. La imprecisión de estos medidores es del 2-5 % FS. El medidor se puede utilizar con aceite, agua y aire, y está disponible en tamaños de hasta 4 pulg. También se utiliza como interruptor de caudal en sistemas de enclavamiento de seguridad.
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