Il misuratore di portata a piastra con orifizio è un tipo di misuratore di portata a pressione differenziale comunemente utilizzato nella misurazione della portata massica di liquidi puliti, gas e flussi. È disponibile per tutte le dimensioni di tubi e, se la perdita di pressione necessaria è libera, è molto conveniente per la misurazione dei flussi di liquidi in tubi di grandi dimensioni (diametro superiore a 6"). La piastra con orifizio è inoltre approvata da numerosi organismi di normazione
per il trasferimento di custodia di liquidi e gas. Le equazioni di flusso con orifizio, che utilizzano l'equazione di Bernoulli, attualmente in uso differiscono ancora tra loro, sebbene i vari organismi di normazione stiano lavorando per adottare un'unica equazione di flusso con orifizio universalmente accettata. I programmi di dimensionamento degli orifizi consentono solitamente all'utente
di selezionare l'equazione di flusso
desiderata tra diverse opzioni. < 1% dell'intervallo> Come funziona un misuratore di portata a piastra con orifizio? L'orifizio tradizionale è una piastra circolare sottile (con una linguetta per la manipolazione e per i dati), inserita nella tubazione tra le due flange di un raccordo a orifizio. Questo metodo di installazione è economico, ma richiede l'arresto del processo ogni volta che la piastra viene rimossa per manutenzione o ispezione. Al contrario, un raccordo a orifizio consente di rimuovere l'orifizio dal processo senza depressurizzare la linea e interrompere il flusso. In tali raccordi viene utilizzata la piastra dell'orifizio universale, una piastra circolare senza linguetta. La piastra dell'orifizio concentrico (Figura 1 - A) ha un foro concentrico affilato (con bordi squadrati) che fornisce un contatto quasi puro tra la piastra e il fluido, con
un attrito trascurabile al confine. I rapporti beta (o diametro) delle piastre dell'orifizio concentriche hanno una Range da 0,25 a 0,75. La velocità massima e la pressione statica minima si verificano a circa 0,35-0,85 diametri del tubo a valle della piastra dell'orifizio. Questo punto è chiamato vera contracta. La misurazione della pressione differenziale in un punto vicino alla piastra dell'orifizio riduce al minimo l'effetto della rugosità del tubo, poiché l'attrito ha un effetto sul fluido e sulla parete del tubo. Figura 1: Aperture della piastra dell'orifizio I rubinetti a flangia sono utilizzati prevalentemente negli Stati Uniti e si trovano a 1 pollice dalla superficie della piastra dell'orifizio (Figura 2).
Il loro utilizzo non è raccomandato su tubazioni con diametro inferiore a 2 pollici. I rubinetti angolari sono prevalenti in Europa per tubi di tutte le dimensioni e vengono utilizzati negli Stati Uniti per tubi con diametro inferiore a 2 pollici (Figura 2). Con i rubinetti angolari, gli spazi relativamente ridotti rappresentano un potenziale problema di manutenzione. I rubinetti a vena contracta (che sono simili ai rubinetti a raggio, Figura 1) sono posizionati a un diametro del tubo a monte della piastra e a valle nel punto di vena contracta. Questa posizione varia (con il rapporto beta e il numero di Reynolds) da 0,35D a 0,8D. Figura 2: Alternative per la posizione dei rubinetti di pressione differenziale I rubinetti della vena contracta forniscono la massima differenza di pressione, ma
anche il massimo rumore. Inoltre, se la piastra viene sostituita, potrebbe essere necessaria una modifica della posizione del rubinetto. Inoltre, nei tubi di piccole dimensioni, la vena contracta potrebbe trovarsi sotto una flangia. Pertanto, i rubinetti vena contracta vengono normalmente utilizzati solo in tubi di dimensioni superiori a sei pollici. I rubinetti a raggio sono simili ai rubinetti vena contracta, tranne per il fatto che il
rubinetto a valle è fissato a 0,5D dalla piastra dell'orifizio (Figura 2). I rubinetti per tubi sono situati a 2,5 diametri del tubo a valle dell'orifizio (Figura 2). Rilevano la minima differenza di pressione e, a causa della distanza del rubinetto dall'orifizio, gli effetti della rugosità del tubo, le incongruenze dimensionali e, di conseguenza, gli errori di misurazione sono maggiori. Tipi di orifizi e selezione La piastra dell'orifizio concentrico è consigliata per
liquidi puliti, gas e flussi
di vapore in tubi di diametro inferiore a sei pollici quando i numeri di Reynolds sono compresi tra 20.000 e 107. Poiché le equazioni di base del flusso dell'orifizio presuppongono che le velocità di flusso siano ben al di sotto di quelle soniche, è necessaria una teoria e una computazione diversa se si prevedono velocità soniche. Il numero di Reynolds minimo raccomandato per il flusso attraverso un orifizio (Figura 3) varia con il rapporto beta dell'orifizio e con le dimensioni del tubo. Nei tubi di dimensioni maggiori, anche il numero di Reynolds minimo aumenta. A causa di questa considerazione sul numero minimo di Reynolds, gli orifizi a spigolo quadrato sono raramente utilizzati su liquidi viscosi. Le piastre con orifizio a spigolo quadrante e conico (Figura 4) sono consigliate in caso il numero di Reynolds sia inferiore a 10.000. I rubinetti a flangia, angolari e radiali possono essere utilizzati con orifizi a spigolo quadrante, ma solo i rubinetti angolari devono essere utilizzati con un orifizio conico. Figura 3: Effetto
dei numeri di Reynolds su vari misuratori di portata Figura 4: 
Orifizi per flussi viscosi Le piastre con orifizio concentrico possono essere dotate di fori di scarico per impedire l'accumulo di liquidi trascinati nei flussi di gas, oppure di fori di sfiato per lo scarico dei gas trascinati dai liquidi (Figura 1-A). Il flusso non misurato che passa attraverso il foro di sfiato o di scarico è solitamente inferiore all'1% del flusso totale se il diametro del foro è inferiore al 10% del foro dell'orifizio. L'efficacia dei fori di sfiato/scarico è tuttavia limitata, poiché spesso si intasano. Le piastre
con orifizio concentrico non sono consigliate per liquidi multifase in linee orizzontali, poiché la fase secondaria può accumularsi attorno al bordo a monte della piastra. In casi estremi, ciò può ostruire l'apertura o modificare il modello di flusso, creando errori di misurazione. Le piastre con orifizio eccentrico e segmentato sono più adatte a tali applicazioni. Gli orifizi concentrici sono ancora preferiti per i flussi multifase nelle linee verticali perché l'accumulo di materiale è meno probabile e i dati di dimensionamento per queste piastre sono più affidabili. L'orifizio eccentrico (Figura 1) è
simile a quello concentrico, tranne per il fatto che l'apertura è sfalsata rispetto alla linea centrale del tubo. L'apertura dell'orifizio segmentale (Figura 1-C) è un segmento di cerchio. Se la fase secondaria è un gas, l'apertura di un orifizio eccentrico sarà situata verso la parte superiore del tubo. Se la fase secondaria è un liquido in un gas o un fanghio in un flusso liquido, l'apertura dovrebbe essere nella parte inferiore del tubo. L'area di drenaggio dell'orifizio segmentale è maggiore di quella dell'orifizio eccentrico e, pertanto, è preferibile in applicazioni con elevate proporzioni della fase secondaria. Queste piastre sono solitamente utilizzate in tubi di diametro superiore a quattro
pollici e devono essere installate con cura per assicurarsi che nessuna parte della flangia o della guarnizione interferisca con l'apertura. I rubinetti a flangia sono utilizzati con entrambi i tipi di piastre e si trovano nel quadrante opposto all'apertura per l'orifizio eccentrico, in linea con l'altezza massima della diga per l'orifizio segmentale. Per la misurazione di portate basse, una cella d/p con orifizio integrato può
essere la scelta migliore. In questo modello, il flusso totale del processo passa attraverso la cella d/p, eliminando la necessità di linee di alimentazione. Si tratta di dispositivi proprietari con pochi dati pubblicati sulle loro prestazioni; i loro coefficienti di flusso si basano su calibrazioni di laboratorio effettive. Sono consigliati solo per fluidi puliti e monofase perché anche piccole quantità di accumuli possono creare errori di misurazione significativi o intasare l'unità. Gli orifizi di restrizione sono installati per rimuovere la pressione in eccesso e di solito funzionano a velocità soniche con rapporti beta molto piccoli. La caduta di pressione attraverso un singolo orifizio di restrizione non deve superare i 500 psid a causa di intasamenti o grippaggi. Nelle installazioni con orifizi di restrizione multi-elemento, le piastre sono posizionate a una distanza pari a circa un diametro del tubo l'una dall'altra, al fine di impedire il recupero di pressione tra le piastre. Prestazioni dell'orifizio Sebbene sia un dispositivo semplice, la
piastra dell'orifizio è,
in linea di principio, uno strumento di precisione. In condizioni ideali, l'imprecisione di una piastra dell'orifizio può essere compresa tra lo 0,75 e l'1,5% AR. Le piastre dell'orifizio sono tuttavia piuttosto sensibili a una serie di condizioni che inducono errori. La precisione nei calcoli del foro, la qualità dell'installazione e le condizioni della piastra stessa determinano le prestazioni complessive. I fattori di installazione includono la posizione e le condizioni del rubinetto, le condizioni del tubo di processo, l'adeguatezza dei tratti di tubo rettilinei, l'interferenza delle guarnizioni, il disallineamento dei fori del tubo e dell'orifizio e la progettazione della linea di alimentazione. Altre condizioni avverse includono l'ottundimento del bordo affilato o le scheggiature causate da corrosione o erosione, la deformazione della piastra dovuta a colpi d'ariete e sporcizia e i depositi di grasso o di fase secondaria su entrambe le superfici dell'orifizio. Qualsiasi delle condizioni sopra indicate può modificare il coefficiente di scarico dell'orifizio fino al 10%. In combinazione, questi problemi possono essere ancora più preoccupanti e l'effetto netto imprevedibile. Pertanto, in condizioni operative medie, un'installazione tipica dell'orifizio può presentare un'imprecisione complessiva compresa tra
il 2 e il 5% AR. Il tipico misuratore a orifizio di grado custody-transfer è più preciso perché può essere calibrato in un laboratorio di prova ed è dotato di sezioni di tubo levigate, raddrizzatori di flusso, raccordi per orifizi senior e involucri a temperatura controllata.
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