Un medidor de flujo Venturi es un tipo de medidor de flujo por presión diferencial que genera una medición de caudal midiendo la diferencia de presión en dos puntos diferentes de una tubería. Esta diferencia de presión se crea al reducir el diámetro de la tubería, lo que provoca un aumento de la velocidad del flujo y la correspondiente caída de presión. Es a través de estos cambios en el flujo del fluido que se puede deducir el caudal.
Los caudalímetros Venturi, al igual que todos los otros tipos de caudalímetros de presión diferencial, funcionan según los principios de la ecuación de Bernoulli, que establece que a medida que aumenta la velocidad del flujo de un fluido, se produce una pérdida de presión.
Los tubos Venturi están disponibles en tamaños de hasta 72 pulgadas y pueden pasar entre un 25 y un 50 % más de caudal que un orificio con la misma caída de presión. Además, la pérdida de carga total no recuperada rara vez supera el 10 % de la d/p medida (Figura 1). El coste inicial de los tubos Venturi es alto, por lo que se utilizan principalmente en caudales mayores o en aplicaciones de caudal más difíciles o exigentes. Los venturis son insensibles a los efectos del perfil de velocidad y, por lo tanto, requieren menos tubería recta que un orificio. Su naturaleza contorneada, combinada con la acción de autolimpieza del flujo a través del tubo, hace que el dispositivo sea inmune a la corrosión, la erosión y la acumulación de incrustaciones internas. A pesar de su alto costo inicial, el costo total de propiedad de este tipo de instrumentación puede seguir siendo favorable debido al ahorro en los costos de instalación, funcionamiento y mantenimiento.
Pérdida de presión: Venturi frente a orificio El venturi clásico de Herschel tiene un elemento de flujo muy largo que se caracteriza por una entrada cónica y una salida divergente. La presión de entrada se mide en la entrada y la presión estática en la sección de la garganta. Las tomas de presión alimentan una cámara anular común, lo que proporciona una lectura de presión media en toda la circunferencia del elemento. El venturi clásico es limitado en su aplicación a líquidos y gases limpios y no corrosivos.
En el venturi de forma corta, se aumenta el ángulo de entrada y las cámaras anulares se sustituyen por tomas de tubería (Figura 2-A). El venturi corto mantiene muchas de las ventajas del venturi clásico, pero con un coste inicial reducido, una longitud menor y un peso reducido. Las tomas de presión se encuentran entre ¼ y ½ del diámetro de la tubería aguas arriba del cono de entrada y en el centro de la sección de garganta. Se pueden utilizar anillos piezómetros con tubos venturi grandes para compensar las distorsiones del perfil de velocidad. En el servicio de lodos, las tomas de tubería se pueden purgar o sustituir por sellos químicos, lo que puede eliminar todas las cavidades sin salida.
Elementos de flujo gradual Existen varios diseños patentados de tubos de flujo que proporcionan una recuperación de presión aún mejor que el venturi clásico. El más conocido de estos diseños patentados es el venturi universal (Figura 2-B). Los distintos diseños de tubos de flujo varían en cuanto a sus contornos, la ubicación de las tomas, la presión diferencial generada y la pérdida de carga no recuperada. Todos ellos tienen longitudes cortas, que suelen variar entre 2 y 4 diámetros de tubería. Estos tubos de flujo patentados suelen ser más baratos que los venturis clásicos y de forma corta debido a su corta longitud. Sin embargo, también pueden requerir un tramo de tubería más recto para acondicionar sus perfiles de velocidad de flujo.
El rendimiento de los tubos de flujo se ve muy afectado por la calibración. La imprecisión del coeficiente de descarga en un venturi universal, con números de Reynolds superiores a 75 000, es del 0,5 %. La imprecisión de un venturi clásico con Re > 200 000 está entre el 0,7 y el 1,5 %. Los tubos de flujo suelen suministrarse con gráficos del coeficiente de descarga, ya que este cambia a medida que disminuye el número de Reynolds. La variación del coeficiente de descarga de un venturi causada por la rugosidad de la tubería es inferior al 1 %, ya que existe un contacto continuo entre el fluido y la superficie interna de la tubería.
La alta turbulencia y la ausencia de cavidades en las que se pueda acumular material hacen que los tubos de flujo sean muy adecuados para servicios de lodos y fangos. Sin embargo, los costes de mantenimiento pueden ser altos si la purga de aire no puede evitar la obstrucción de las tomas de presión y las líneas de plomo. Se pueden instalar dispositivos similares a émbolos (limpiadores de ventanas) para eliminar periódicamente la acumulación de las aberturas interiores, incluso mientras el medidor está en línea. Las líneas de plomo también se pueden sustituir por elementos de sellado tipo botón acoplados hidráulicamente al transmisor d/p mediante capilares rellenos. La precisión general de la medición puede disminuir si el sello químico es pequeño, su diafragma es rígido o si el sistema capilar no está compensado térmicamente o no está protegido de la luz solar directa.
Boquillas de flujo
La boquilla de flujo es dimensionalmente más estable que la placa de orificio, especialmente en servicios de alta temperatura y alta velocidad. Se ha utilizado a menudo para medir caudales elevados de vapor sobrecalentado. La boquilla de flujo, al igual que el venturi, tiene una mayor capacidad de flujo que la placa de orificio y requiere una inversión inicial menor que un tubo venturi, pero también proporciona una menor recuperación de presión (Figura 1). Un inconveniente importante de la boquilla es que es más difícil de sustituir que el orificio, a menos que se pueda retirar como parte de una sección de carrete. La boquilla de flujo con toma de tubería ASME es la más utilizada en Estados Unidos (Figura 2-C). El extremo aguas abajo de una boquilla es un tubo corto que tiene el mismo diámetro que la vena contracta de una placa de orificio equivalente. Los diseños de baja beta tienen relaciones de diámetro que oscilan entre 0,2 y 0,5, mientras que los diseños de alta beta varían entre 0,45 y 0,8. La boquilla debe estar siempre centrada en la tubería, y la toma de presión aguas abajo debe estar dentro de la salida de la boquilla. La conicidad de la garganta debe disminuir siempre el diámetro hacia la salida. Las boquillas de flujo no se recomiendan para lodos o fluidos contaminados. La boquilla de flujo más común es la de tipo brida. Las tomas se suelen situar a un diámetro de tubería aguas arriba y a ½ diámetro de tubería aguas abajo de la cara de entrada.
La precisión de las boquillas de flujo suele ser del 1 % AR, con un potencial del 0,25 % AR si se realizan pruebas de calibración. Aunque los datos del proceso sobre el coeficiente de descarga están disponibles para números de Reynolds tan bajos como 5000, es aconsejable utilizar boquillas de flujo solo cuando el número de Reynolds supera los 50 000. Las boquillas de flujo mantienen su precisión durante largos periodos, incluso en condiciones de servicio difíciles. Las boquillas de flujo pueden ser una forma muy precisa de medir los flujos de gas. Cuando la velocidad del gas alcanza la velocidad del sonido en la garganta, la velocidad no puede aumentar más (incluso si se reduce la presión aguas abajo) y se alcanza una condición de flujo estrangulado. Estas «boquillas de flujo crítico» son muy precisas y a menudo se utilizan en laboratorios de flujo como estándares para calibrar otros dispositivos de medición de flujo de gas.
Las boquillas se pueden instalar en cualquier posición, aunque se prefiere la orientación horizontal. Se prefiere el flujo vertical descendente para corrientes húmedas, gases o líquidos que contienen sólidos. Los requisitos de recorrido recto de los tubos son similares a los de las placas de orificio.
Nozzles can be installed in any position, although horizontal orientation is preferred. Vertical downflow is preferred for wet stream, gasses, or liquids containing solids. The straight pipe run requirements are similar to those of orifice plates.
Segmental Wedge Elements
El elemento de cuña segmentada (Figura 3-A) es un dispositivo patentado diseñado para su uso en aplicaciones con lodos, corrosivos, erosivos, viscosos o de alta temperatura. Es relativamente caro y se utiliza principalmente con fluidos difíciles, en los que el importante ahorro en mantenimiento justifica el coste inicial. La restricción de flujo única está diseñada para durar toda la vida útil de la instalación sin deteriorarse.
Elementos patentados para fluidos difíciles Los elementos de cuña se utilizan con sellos químicos de 3 pulgadas de diámetro, lo que elimina tanto las líneas de plomo como las cavidades sin salida. Los sellos se fijan al cuerpo del medidor inmediatamente aguas arriba y aguas abajo de la restricción. Rara vez requieren limpieza, incluso en servicios como lodos deshidratados, licor negro, lodos de carbón, lodos de cenizas volantes, taconita y petróleo crudo. El número mínimo de Reynolds es solo 500, y el medidor solo requiere cinco diámetros de tubería recta aguas arriba.
La cuña segmentada tiene una restricción en forma de V caracterizada por la relación H/D, donde H es la altura de la abertura por debajo de la restricción y D es el Diámetro. La relación H/D puede variarse para adaptarse al rango de flujo y producir el d/p deseado. El flujo entrante crea una acción de barrido a través del medidor. Esto proporciona un efecto de limpieza en ambas caras de la restricción, lo que ayuda a mantenerla limpia y libre de acumulaciones. Las cuñas segmentadas pueden medir el flujo en ambas direcciones, pero el transmisor d/p debe calibrarse para un rango dividido, o el elemento de flujo debe estar provisto de dos conjuntos de conexiones para dos transmisores d/p (uno para el flujo directo y otro para el flujo inverso).
Se puede esperar que un elemento de cuña sin calibrar tenga una imprecisión AR del 2 % al 5 % en un rango de 3:1. Un elemento de cuña calibrado puede reducir esa imprecisión al 0,5 % AR si la densidad del fluido es constante. Si la densidad de la lechada es variable y/o no se mide, el error aumenta.
Elemento de cono Venturi
El elemento de cono Venturi (cono V) (Figura 3-B) es otro diseño patentado que promete un rendimiento constante a bajos números de Reynolds y es insensible a la distorsión del perfil de velocidad o a los efectos de remolino. Sin embargo, también es relativamente caro. La restricción del cono en V tiene una geometría única que minimiza la degradación de la precisión debido al desgaste, lo que lo convierte en una buena opción para flujos de alta velocidad y aplicaciones erosivas/corrosivas.
El cono en V crea una región de turbulencia controlada que aplana el perfil de velocidad irregular entrante e induce una presión diferencial estable que es detectada por una toma aguas abajo. La relación beta de un cono en V se define de tal manera que un orificio y un cono en V con relaciones beta iguales tendrán áreas de apertura iguales.
Donde d es el diámetro del cono y D es el diámetro interior de la tubería.
Con este diseño, la relación beta puede superar 0,75. Por ejemplo, un medidor de 3 pulgadas con una relación beta de 0,3 puede tener un rango de 0 a 75 gpm. Los resultados de las pruebas publicadas sobre flujos de líquidos y gases sitúan la precisión del sistema entre el 0,25 y el 1,2 % AR.
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