Un medidor de vórtices es un tipo de medidor de flujo volumétrico que aprovecha un fenómeno natural que se produce cuando un líquido fluye alrededor de un objeto romo. Los caudalímetros de vórtice funcionan según el principio de desprendimiento de vórtices, en el que los vórtices (o remolinos) se desprenden alternativamente aguas abajo del objeto. La frecuencia del desprendimiento de vórtices es directamente proporcional a la velocidad del líquido que fluye a través del caudalímetro.
Los caudalímetros de vórtice son los más adecuados para mediciones de caudal donde la introducción de piezas móviles presenta problemas. Están disponibles en calidad industrial, latón o plástico. La sensibilidad a las variaciones en las condiciones del proceso es baja y, al no tener piezas móviles, el desgaste es relativamente bajo en comparación con otros tipos de caudalímetros.
Vortex-Shedding History
Theodor von Karman, mientras pescaba en los arroyos de montaña de los Alpes de Transilvania, descubrió que, cuando se coloca un objeto no aerodinámico (también llamado cuerpo romo) en la trayectoria de una corriente rápida, el fluido se separa alternativamente del objeto en sus dos lados aguas abajo y, a medida que la capa límite se desprende y se curva sobre sí misma, el fluido forma vórtices (también llamados remolinos o torbellinos). También observó que la distancia entre los vórtices era constante y dependía únicamente del tamaño de la roca que los formaba.
En el lado del cuerpo romo donde se forma el vórtice, la velocidad del fluido es mayor y la presión es menor. A medida que el vórtice se desplaza río abajo, aumenta su fuerza y tamaño, y finalmente se desprende o se desprende. A continuación, se forma un vórtice en el otro lado del cuerpo romo (Figura 1). Los vórtices alternos están espaciados a distancias iguales.
Figura 1: Cálculo de la velocidad del flujo con un medidor de vórtices El fenómeno de desprendimiento de vórtices se puede observar cuando el viento se desprende de un mástil (que actúa como un cuerpo romo); esto es lo que provoca las ondulaciones regulares que se ven en una bandera. Los vórtices también se desprenden de los pilares de los puentes, los pilotes, los soportes de las plataformas de perforación marinas y los edificios altos. Las fuerzas causadas por el fenómeno de desprendimiento de vórtices deben tenerse en cuenta al diseñar estas estructuras. En un sistema de tuberías cerrado, el efecto vórtice se disipa a pocos diámetros de tubería aguas abajo del cuerpo romo y no causa ningún daño.
Diseño del medidor de flujo de vórtice
Un medidor de flujo de vórtice suele estar fabricado en acero inoxidable 316 o Hastelloy e incluye un cuerpo romo, un conjunto de sensores de vórtice y la electrónica del transmisor, aunque esta última también puede montarse de forma remota (Figura 2). Normalmente están disponibles en tamaños de brida de ½ pulgada a 12 pulgadas. El coste de instalación de los medidores de vórtices es competitivo con el de los medidores de orificio en tamaños inferiores a seis pulgadas. Los medidores con cuerpo tipo oblea (sin brida) son los más económicos, mientras que los medidores con brida son los preferidos si el fluido del proceso es peligroso o está a alta temperatura.
Figura 2: Sensor de detección de vórtices Se han experimentado con formas (cuadradas, rectangulares, en forma de T, trapezoidales) y dimensiones de cuerpos romos para lograr las características deseadas. Las pruebas han demostrado que la linealidad, la limitación del número de Reynolds bajo y la sensibilidad a la distorsión del perfil de velocidad varían solo ligeramente con la forma del cuerpo romo. En tamaño, el cuerpo romo debe tener una anchura que sea una fracción lo suficientemente grande del diámetro de la tubería como para que todo el flujo participe en la separación. En segundo lugar, el cuerpo romo debe tener bordes salientes en la cara aguas arriba para fijar las líneas de separación del flujo, independientemente del caudal. En tercer lugar, la longitud del cuerpo romo en la dirección del flujo debe ser un múltiplo determinado de la anchura del cuerpo romo.
Hoy en día, la mayoría de los medidores de vórtice utilizan sensores piezoeléctricos o de capacitancia para detectar la oscilación de presión alrededor del cuerpo romo. Estos detectores responden a la oscilación de presión con una señal de salida de bajo voltaje que tiene la misma frecuencia que la oscilación. Estos sensores son modulares, económicos, fáciles de reemplazar y pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas, desde líquidos criogénicos hasta vapor sobrecalentado. Los sensores pueden estar situados dentro del cuerpo del medidor o fuera de él. Los sensores húmedos están sometidos directamente a las fluctuaciones de presión del vórtice y están encerrados en cajas endurecidas para resistir los efectos de la corrosión y la erosión.
Los sensores externos, normalmente galgas extensométricas piezoeléctricas, detectan el desprendimiento de vórtices indirectamente a través de la fuerza ejercida sobre la barra desprendedora. Los sensores externos son preferibles en aplicaciones altamente erosivas/corrosivas para reducir los costes de mantenimiento, mientras que los sensores internos proporcionan una mejor capacidad de rango (mejor sensibilidad al flujo). También son menos sensibles a las vibraciones de las tuberías. La carcasa de los componentes electrónicos suele estar clasificada como resistente a explosiones y a la intemperie, y contiene el módulo transmisor electrónico, las conexiones de terminación y, opcionalmente, un indicador de caudal y/o un totalizador.
Tipos de medidores de flujo de vórtice
Los medidores de vórtice inteligentes proporcionan una salida digital que contiene más información que el simple caudal. El microprocesador del medidor de flujo puede corregir automáticamente las condiciones de tubería recta insuficiente, las diferencias entre el diámetro interior y el de la tubería de acoplamiento, la expansión térmica del cuerpo romo y los cambios del factor K cuando el número de Reynolds cae por debajo de 10 000.
Los transmisores inteligentes también están provistos de subrutinas de diagnóstico para señalar fallos en los componentes u otros fallos. Los transmisores inteligentes pueden iniciar rutinas de prueba para identificar problemas tanto con el medidor como con la aplicación. Estas pruebas bajo demanda también pueden ayudar en la verificación de la norma ISO 9000.
Algunos caudalímetros de vórtices pueden detectar el flujo másico. Uno de estos diseños mide simultáneamente la frecuencia del vórtice y la intensidad del pulso del vórtice. A partir de estas lecturas, se puede determinar la densidad del fluido del proceso y calcular el caudal másico con una precisión del 2 % del intervalo.
Otro diseño cuenta con múltiples sensores para detectar no solo la frecuencia del vórtice, sino también la temperatura y la presión del fluido del proceso. A partir de esos datos, determina tanto la densidad como el caudal másico. Este medidor ofrece una precisión del 1,25 % al medir el caudal másico de líquidos y del 2 % al medir gases y vapor. Si el conocimiento de la presión y la temperatura del proceso es importante por otras razones, este medidor ofrece una alternativa cómoda y menos costosa que la instalación de transmisores independientes.
Precisión y rango
Dado que el número de Reynolds disminuye a medida que aumenta la viscosidad, el rango del caudalímetro de vórtices se ve afectado cuando aumenta la viscosidad. El límite máximo de viscosidad, en función de la precisión y el rango permitidos, está entre 8 y 30 centipoises. Se puede esperar una capacidad de rango superior a 20:1 para servicios de gas y vapor y superior a 10:1 para aplicaciones de líquidos de baja viscosidad si el medidor de vórtice se ha dimensionado adecuadamente para la aplicación.
La imprecisión de la mayoría de los medidores de vórtice es del 0,5-1 % de la tasa para números de Reynolds superiores a 30 000. A medida que el número de Reynolds disminuye, el error de medición aumenta. Con números de Reynolds inferiores a 10 000, el error puede alcanzar el 10 % del caudal real.
Mientras que la mayoría de los caudalímetros siguen dando alguna indicación con caudales cercanos a cero, el medidor de vórtices cuenta con un punto de corte. Por debajo de este nivel, la salida del medidor se fija automáticamente en cero (4 mA para transmisores analógicos). Este punto de corte corresponde a un número de Reynolds igual o inferior a 10 000. Si el caudal mínimo que se necesita medir es al menos el doble del caudal de corte, esto no supone ningún problema. Por otro lado, puede seguir siendo un inconveniente si se desea obtener información sobre el caudal bajo durante el arranque, la parada u otras condiciones de perturbación.
Aplicaciones y limitaciones
Los medidores de vórtices no suelen recomendarse para aplicaciones de dosificación u otras aplicaciones de flujo intermitente. Esto se debe a que el ajuste del caudal de goteo de la estación de dosificación puede caer por debajo del límite mínimo del número de Reynolds del medidor. Cuanto menor sea el lote total, más significativo será el error resultante.
Los gases de baja presión (baja densidad) no producen un pulso de presión lo suficientemente fuerte, especialmente si las velocidades del fluido son bajas. Por lo tanto, es probable que en tales servicios la capacidad de rango del medidor sea deficiente y no se puedan medir los caudales bajos. Por otro lado, si la capacidad de rango reducida es aceptable y el medidor tiene el tamaño adecuado para un caudal normal, se puede seguir considerando el caudalímetro de vórtices.
Si el fluido del proceso tiende a recubrir o acumularse en el cuerpo romo, como en el servicio de lodos y lodos, esto acabará cambiando el factor K del medidor. Los caudalímetros de vórtices no se recomiendan para tales aplicaciones. Sin embargo, si un fluido contaminado solo contiene cantidades moderadas de sólidos que no se adhieren, es probable que la aplicación sea aceptable. Esto se demostró en una prueba de 2 años con lodos de piedra caliza. Al final de la prueba, se comprobó que el factor K solo había cambiado un 0,3 % con respecto a la calibración original de fábrica, aunque el cuerpo rompedor y el tubo de flujo presentaban graves marcas y picaduras.
Al medir un flujo multifásico (partículas sólidas en gas o líquido; burbujas de gas en líquido; gotas de líquido en gas), la precisión del medidor de vórtices disminuirá debido a la incapacidad del medidor para diferenciar entre las fases. El vapor húmedo de baja calidad es una de estas aplicaciones: la fase líquida debe dispersarse de manera homogénea dentro del vapor y deben evitarse las líneas de flujo verticales para prevenir los golpes. Cuando la tubería es horizontal, es probable que la fase líquida se desplace por el fondo de la tubería, por lo que el área interior de la tubería debe mantenerse abierta en la parte inferior. Esto se puede lograr instalando el cuerpo romo horizontalmente. La imprecisión de la medición en estas aplicaciones es de aproximadamente el 5 % del caudal real, pero con una buena repetibilidad.
La pérdida de presión permanente a través de un medidor de vórtice es aproximadamente la mitad de la de una placa de orificio, aproximadamente dos cabezas de velocidad. (Una cabeza de velocidad se define como V2/g, donde V es la velocidad del flujo y g es la constante gravitacional en unidades consistentes). Si la tubería y el medidor tienen el tamaño adecuado y son del mismo tamaño, es probable que la caída de presión sea de solo unos pocos psi. Sin embargo, reducir el tamaño (instalar un medidor más pequeño que el tamaño de la línea) para aumentar el Reynolds puede aumentar la pérdida de carga a más de 10 psi. También hay que asegurarse de que la presión de la vena contracta no caiga por debajo de la presión de vapor del fluido de proceso, ya que eso provocaría cavitación. Naturalmente, si la contrapresión en el medidor es inferior a la presión de vapor, el fluido de proceso se evaporará y la lectura del medidor no tendrá sentido.
Las principales ventajas de los medidores de vórtices son su baja sensibilidad a las variaciones en las condiciones del proceso y su bajo desgaste en comparación con los medidores de orificio o de turbina. Además, los costes iniciales y de mantenimiento son bajos. Por estas razones, han ido ganando una mayor aceptación entre los usuarios.
Recomendaciones de instalación
Al instalar un caudalímetro de vórtices en un proceso existente en el que se desconoce el rango de flujo, se recomienda realizar primero algunas mediciones aproximadas (utilizando tubos de Pitot portátiles o dispositivos ultrasónicos de pinza). De lo contrario, no hay garantía de que un medidor de vórtice de tamaño de línea funcione.
El medidor de vórtice requiere un perfil de velocidad de flujo bien desarrollado y simétrico, libre de distorsiones o remolinos. Esto requiere el uso de tuberías rectas aguas arriba y aguas abajo para acondicionar el flujo. La longitud recta de la tubería debe ser del mismo tamaño que el medidor (Figura 3) y su longitud debe ser aproximadamente la misma que la requerida para una instalación de orificio con una relación beta de 0,7. La mayoría de los fabricantes de caudalímetros de vórtices recomiendan un mínimo de 30 diámetros de tubería aguas abajo de las válvulas de control y de 3 a 4 diámetros de tubería entre el medidor y las tomas de presión aguas abajo. Los elementos de temperatura deben ser pequeños y estar situados a 5 o 6 diámetros aguas abajo.
Figura 3: Recomendaciones de instalación Aproximadamente la mitad de todas las instalaciones de medidores de vórtices requieren el «estrechamiento» de las tuberías de proceso sobredimensionadas mediante reductores y expansores concéntricos. Incluso si se instalan enderezadores de flujo, seguirá siendo requerido algún tipo de tubería recta (de relajación).
Los medidores de vórtices pueden instalarse verticalmente, horizontalmente o en cualquier ángulo si se mantienen inundados. El medidor puede mantenerse inundado instalándolo en una línea de flujo vertical ascendente (Figura 3-B). Cuando se instala el medidor de flujo en un flujo descendente (Figura 3-C) u horizontal (Figura 3-D), la tubería aguas abajo debe mantenerse elevada. Se pueden utilizar válvulas de retención para mantener la tubería llena de líquido cuando no hay flujo. Se requieren válvulas de bloqueo y derivación si la sustitución del sensor en un diseño concreto requiere la interrupción del flujo y la apertura del proceso.
Las bridas de acoplamiento (en las tuberías de acoplamiento de schedule 40 o schedule 80) deben tener el mismo diámetro y el mismo diámetro interior liso que el caudalímetro. Se prefieren las bridas con cuello soldado y no se utilizan bridas reductoras. La superficie interior de la tubería de acoplamiento debe estar libre de cascarilla de laminación, picaduras, agujeros, marcas de escariado y protuberancias en una distancia de 4 diámetros aguas arriba y 2 diámetros aguas abajo del caudalímetro. Los orificios del medidor, las juntas y las tuberías adyacentes deben alinearse cuidadosamente para eliminar cualquier obstrucción o escalón.
La vibración excesiva de las tuberías puede eliminarse apoyando las tuberías a ambos lados del medidor o girando el medidor para que el sensor se desplace fuera del plano de la vibración. El ruido del proceso debido al traqueteo de las válvulas, las trampas de vapor o las bombas puede dar lugar a lecturas altas o lecturas distintas de cero en condiciones de caudal nulo. La mayoría de los medidores electrónicos permiten aumentar los ajustes del filtro de ruido, pero el aumento de la reducción del ruido suele disminuir también la sensibilidad del medidor a los caudales bajos. Una opción es reubicar el medidor en una parte menos ruidosa del proceso.
Dimensionamiento y rango de medición
La frecuencia de desprendimiento de vórtices es directamente proporcional a la velocidad del fluido en la tubería y, por lo tanto, al caudal volumétrico. La frecuencia de desprendimiento es independiente de las propiedades del fluido, como la densidad, la viscosidad, la conductividad, etc., excepto que el flujo debe ser turbulento para que se produzca el desprendimiento de vórtices. La relación entre la frecuencia de vórtice y la velocidad del fluido es:
St = f(d/V)
Donde St es el número de Strouhal, f es la frecuencia de desprendimiento de vórtices, d es la anchura del cuerpo romo y V es la velocidad media del fluido. El valor del número de Strouhal se determina experimentalmente y, por lo general, se considera constante en un amplio rango de números de Reynolds. El número de Strouhal representa la relación entre el intervalo entre el desprendimiento de vórtices (l) y la anchura del cuerpo romo (d), que es de aproximadamente seis (Figura 4). El número de Strouhal es un factor de calibración adimensional que se utiliza para caracterizar diversos cuerpos romos. Si su número de Strouhal es el mismo, dos cuerpos romos diferentes se comportarán de manera similar.
Figura 4: Cálculo de la velocidad del flujo con un medidor de vórtices Dado que el caudal volumétrico Q es el producto de la velocidad media del fluido y del área transversal disponible para el flujo (A):
Q = AV = (A f d B)/St
donde B es el factor de obstrucción, definido como el área abierta que deja el cuerpo romo dividida por el área total del diámetro interior del tubo. Esta ecuación, a su vez, se puede reescribir como:
Q = fK
donde K es el coeficiente del medidor, igual al producto (A f d B). Al igual que con los caudalímetros de turbina y otros caudalímetros de frecuencia, el factor K se puede definir como impulsos por unidad de volumen (impulsos por galón, impulsos por pie cúbico, etc.). Por lo tanto, se puede determinar el caudal contando los pulsos por unidad de tiempo. Las frecuencias de vórtice oscilan entre uno y miles de pulsos por segundo, dependiendo de la velocidad del flujo, las características del fluido del proceso y el tamaño del medidor. En el servicio de gas, las frecuencias son aproximadamente 10 veces más altas que en las aplicaciones de líquidos.
El factor K lo determina el fabricante, normalmente mediante una calibración con agua en un laboratorio de flujo. Dado que el factor K es el mismo para aplicaciones de líquidos, gases y vapores, el valor determinado a partir de una calibración con agua es válido para cualquier otro fluido. El factor de calibración (K) a números de Reynolds moderados no es sensible a la nitidez de los bordes ni a otros cambios dimensionales que afectan a los medidores de orificio de bordes cuadrados.
Aunque las ecuaciones de los medidores de vórtice son relativamente sencillas en comparación con las de las placas de orificio, hay muchas reglas y consideraciones que hay que tener en cuenta. Los fabricantes ofrecen software informático gratuito para el dimensionamiento, con el que el usuario introduce las propiedades del fluido (densidad, viscosidad y rango de flujo deseado) y el programa dimensiona automáticamente el medidor.
La fuerza generada por el pulso de presión del vórtice es una función de la densidad del fluido multiplicada por el cuadrado de la velocidad del fluido. El requisito de que haya un flujo turbulento y una fuerza suficiente para accionar el sensor determina el rango de medición del medidor. Esta fuerza debe ser lo suficientemente alta como para distinguirse del ruido. Por ejemplo, un medidor de vórtices típico de 2 pulgadas tiene un rango de flujo de agua de 12 a 230 gpm. Si la densidad o la viscosidad del fluido difiere de la del agua, el rango del medidor cambiará.
Para minimizar el ruido de medición, es importante seleccionar un medidor que maneje adecuadamente tanto los caudales mínimos como los máximos del proceso que se van a medir. Se recomienda que el caudal mínimo que se va a medir sea al menos el doble del caudal mínimo detectable por el medidor. La capacidad máxima del medidor debe ser al menos cinco veces el caudal máximo previsto.
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