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Technical Documents - Documentos Técnicos: tobera, tubo Venturi, tubos de Pitot

Ecuación de Bernoulli

Cuando un fluido está en movimiento, su flujo puede caracterizarse como uno de dos tipos principales: Fluido estable o laminar y fluido no estable o turbulento. Se dice que el flujo será laminar o estable si cada partícula del fluido sigue una trayectoria uniforme, por lo que las trayectorias de diferentes partículas no se cruzan entre sí. Si el flujo es constante la velocidad del fluido en cualquier punto se mantiene constante en el tiempo. la ecuación de continuidad es posible demostrar utilizando el hecho que masa se conserva v1A1=v2A2. La cual señala que en el caso de un fluido incompresible, el producto del área y de la velocidad del fluido en todos los puntos a lo largo del tubo, por donde se mueve el fluido, es una constante.

A partir del teorema de conservación de la energía para el fluido, también es posible demostrar la llamada Ecuación de Bernoulli:

Que de forma más sencilla nos dice que las presiones son constantes en un fluido.

TUBO VENTURI

En algunas aplicaciones puede ser deseable usar un productor diferencial distinto a una placa  orificio. En grandes tamaños de tuberías, a veces es deseable utilizar un para reducir la pérdida de presión total. Los costos asociados con el bombeo de grandes caudales, en particular los flujos de vapor, puede ser muy alto. Si, mediante la instalación de un venturi en lugar de una placa de orificios, los costes de bombeo pueden reducirse en gran medida, el coste adicional del   puede bien valer la pena. Cuando un tubo venturi se utiliza, una toma de alta presión se instala justo en el entrada del venturi y la toma de baja presión se instala en el centro de la garganta del mismo (el pasaje más pequeño es el venturi) .

Este elemento primario de medida se inserta en la tubería como si fuera un tramo de la misma. Puede instalarse en todo tipo de tuberías mediante bridas de conexión adecuadas. El tubo clásico está caracterizado por su entrada convergente y salida divergente, tal como se muestra en la figura siguiente :

Figura . Tubo Venturi

La presión interna se mide en su sección de entrada, la cual tiene el mismo diámetro que la tubería.

Luego sigue una sección de transición, en la cual el diámetro interno se reduce hasta el diámetro de la sección de la garganta. La presión estática se mide en la sección de la garganta, la cual se dimensiona para producir un diferencial de presión deseado a una determinada tasa de flujo. En la sección de salida del tubo Venturi, el diámetro de la garganta incrementa gradualmente hasta hacerse igual al diámetro de la tubería. El tubo Venturi se utiliza para medir flujo de líquidos y gases, cuando se quiere minimizar la pérdida de presión. Su medidor puede manejar entre un 25 y 50% mayor flujo que una placa de orificio, para diámetros de tubería y pérdidas de presión comparables.

El Venturi tiene una sección de entrada de diámetro igual al de la conducción a la cual se conecta. La sección de entrada conduce hacia un cono de convergencia angular fija, terminando en una garganta de un diámetro más reducido, fabricada exactamente según las dimensiones establecidas por el cálculo. Dicha garganta comunica con un cono de salida o de descarga con divergencia angular fija, cuyo diámetro final es habitualmente igual al de entrada.

La sección de entrada está provista de tomas de presión que acaban en un racord anular, cuyo fin es el de uniformar la presión de entrada. Es en este punto donde se conecta a la toma de alta presión del transmisor. La conexión de la toma de baja presión se realiza en la garganta mediante un dispositivo similar. La diferencia entre ambas presiones servirá para realizar la determinación del caudal.

El tubo Venturi puede fabricarse en materiales diversos según las necesidades de la aplicación a que se destine. El más comúnmente empleado es el acero al carbono, aunque también se utiliza el latón, bronce, acero inoxidable, cemento, y revestimientos de elastómeros para paliar los efectos de la corrosión.

No tiene partes móviles y no existe la posibilidad de que se puedan acumular partículas en la garganta; esto trae como consecuencia un bajo mantenimiento, lo que lo hace atractivo para manejar flujos viscosos o lodos. El coeficiente de descarga para el tubo Venturi clásico oscila entre 0,984 y 0,985. La relación de diámetro recomendable es 0,4 < Β < 0,75. Para fluidos compresibles se tiene la siguiente limitación.

Existen modificaciones del diseño del tubo Venturi clásico, la selección del modelo correcto se debe realizar con el auxilio de las Normas previamente mencionadas.

El Venturi ofrece ciertas ventajas con respecto a otros captadores, como son:

1. Pérdida de carga permanente poco elevada, menor que la del diafragma y la de la , gracias a los conos de entrada y salida.

2. Posibilidad de medir caudales superiores a un 60% a los obtenidos por el diafragma para la misma presión diferencial e igual diámetro de tubería.

3. En general, el Venturi requiere un tramo recto de entrada más corto que otros elementos primarios.

4. Facilidad para la medida de líquidos con sólidos en suspensión.

Generalmente los tubos Venturi se utilizan en conducciones de gran diámetro (de 12" en adelante), donde las placas de orificio producirían pérdidas de carga muy importantes y no conseguirían una buena medida. También se utilizan en conductores de aire o humos con conductos no cilindricos, en grandes tuberías de cemento, para conducción de agua, etc.

Según la naturaleza de los fluidos de medida, se requieren modificaciones en la construcción del tubo Venturi: eliminación de los anillos de ecualización; inclusión de registros de limpieza, instalación de purgas, etc.

En el corte transversal se aprecian los anillos circulares que rodean el tubo Venturi en los puntos de medida. Esos anillos huecos conectan el interior del tubo mediante orificios en número de cuatro o más, espaciados uniformemente por la periferia. El fluido, al circular, pasa por estos orificios y por el anillo donde se encuentran los racores que conectan con el transmisor.

Venturi de Inserción

El Venturi de inserción es una versión del elemento primario recién descrito, utilizada en aplicaciones de alta presión. Se mantiene en su lugar entre las bridas mediante una brida suplementaria que hace cuerpo con la tubería y permite eliminar la costosa construcción en materiales especiales que exigiría el Venturi estándar para este tipo de servicio. La perdida de carga permanente es más elevada que la del Venturi estándar, pero inferior a la de la placa orificio.

Tubos de baja pérdida

Los tubos de baja pérdida que se muestran en las figuras se denominan «Venturi corto» y constituyen la más reciente variación de este tipo de elementos primarios. Al igual que el Venturi clásico, pueden utilizarse para medir caudales de líquidos con partículas en suspensión.

La característica más notable del Venturi corto es la de producir la menor pérdida de carga de todos los captadores de este tipo. Es así mismo de volumen más reducido, y de hecho, más fácil de instalar.

Los tubos de baja presión son de construcción bridada,pudiendo fabricarse tanto en fundición como mediante mecanización. Pueden así mismo montarse insertándose en el interior de la tubería. En el caso de construcción bridada, la toma de alta presión se encuentra situada en la propia brida. Los tipos de inserción tienen sus dos tomas en el anillo de fijación.

Los tubos de baja presión son de construcción bridada,pudiendo fabricarse tanto en fundición como mediante mecanización. Pueden así mismo montarse insertándose en el interior de la tubería. En el caso de construcción bridada, la toma de alta presión se encuentra situada en la propia brida. Los tipos de inserción tienen sus dos tomas en el anillo de fijación.

Tubo de baja pérdida (venturi corto) completo, con bridas, realizado en fundición

Tubo de baja pérdida, tipo inserción, realizado en material plástico.

TOBERA

Otros tipos de productores diferenciales son toberas de flujo y tubos de flujo. Estos son a veces fabricados  en el sitio de trabajo, por lo que es probable que requieran ser calibrados en el sitio mismo. Son útiles cuando puede haber algunos sólidos presentes en la corriente de flujo, ya que permitiría a los sólidos pasar corriente abajo y no formar obstrucciones detrás de una placa de orificios.

La pude considerarse como una variación del tubo Venturi. La abertura de la tobera es una restricción elíptica tal como se muestra en las figuras siguientes. La tobera es otro tipo de elemento primario. Se trata de un dispositivo con una entrada perfilada por una garganta cilíndrica. La toma de alta presión se realiza en la pared de la tubería, a una distancia D de la entrada, mientras que la de baja presión suele colocarse a la salida, donde la sección del flujo es mínima. Esta toma se realiza directamente en la pared de la tubería y suele estar a ½D de la placa. También se hacen toberas en ángulo. Por medio de la pueden medirse caudales superiores a 60% en aquellos que se pueden determinar mediante el diafragma o placa orificio, siendo menor la pérdida de carga permanente. Su instalación es muy simple, montándose entre las bridas de la tubería.

Las tomas de presión se localizan aproximadamente ½ D aguas abajo y 1 D aguas arriba; donde D es el diámetro de la tubería. La tobera se utiliza principalmente cuando la turbulencia es alta (Re> 50.000), tal como flujo de vapor a altas temperaturas. La caída de presión que se produce en la tobera es mayor que en un tubo Venturi pero menor que en una placa de orificio.

Fig. Tobera

El tubo de flujo es muy similar a la tobera en que se permite que objetos extraños pasen por la tubería sin crear obstrucciones detrás del productor diferencial (ver figura).

TUBOS DE PITOT

Otro productor de presión diferencial es el tubo de pitot y el tubo de Pitot distribuido (véase la figura). Estos se insertan en la tubería, con frecuencia a través de una toma en caliente que permite que el tubo de Pitot sea insertado y eliminado sin necesidad de cortar el flujo del proceso. Los mismos se utilizan a menudo en tubos de tamaños más grandes para reducir la pérdida de presión y reducir el costo de la instalación. Nota: la ilustración del tubo de Pitot distribuido (Annubar) muestra la toma de alta presión y de baja presión separadas para dar mayor claridad. En realidad están juntos en una conexión única a través de la pared del tubo. En algunas líneas de grandes tamaños, los usuarios no instalan un productor de presión diferencial  especial, en su lugar se  instalan tomas en el interior y exterior de los radios de un codo de tubería existente. Si bien esto  no es normalmente una instalación de alta precisión, funciona adecuadamente para las mediciones no críticas para las que la repetibilidad puede ser más importante y el gran tamaño de la tubería hace la instalación de una placa de orificios muy costosa.

El tubo de Pitot utilizado para la medición de caudal está constituido por dos tubos que detectan la presión en dos puntos distintos de la tubería. Pueden montarse por separado o agrupados dentro de un alojamiento, formando un dispositivo único. Uno de los tubos mide la presión de impacto (presión dinámica más presión estática) en un punto de la vena. El otro mide únicamente la presión estática, generalmente mediante un orificio practicado en la pared de la conducción.

Un tubo Pitot mide dos presiones simultáneamente: presión de impacto (Pt ) y presión estática (Ps). La unidad para medir la presión de impacto es un tubo con el extremo doblado en ángulo recto hacia la dirección del flujo. El extremo del tubo que mide presión estática es cerrado pero tiene una pequeña ranura en un lado. Los tubos se pueden montar separados o en una sola unidad. En la figura siguiente se muestra un esquema de un tubo Pitot.

Para determinar el lugar de inserción de los tubos, es necesario localizar el punto de máxima velocidad, desplazando el orificio de los mismos a lo largo del diámetro de la tubería. A pesar de que un tubo de Pitot puede calibrase para medir caudal en ± 0,5%, la distribución inestable de velocidades puede desencadenar errores importantes. Esto constituye uno de los motivos por lo que estos elementos se utilizan sobre todo para la medida de caudal de gases, ya que la variación de velocidad de la mediana con respecto al centro no constituye un inconveniente grave.

La presión diferencial medida a través del tubo Pitot puede calcularse utilizando la ecuación de Bernoulli, y resulta ser proporcional al cuadrado de la velocidad del fluido:

Cambios en los perfiles de velocidad del flujo pueden causar errores significativos. Por esta razón los tubos Pitot se utilizan principalmente para medir flujo de gases, ya que en este caso, los cambios en la velocidad del flujo no representan un inconveniente serio. Los tubos Pitot tienen limitada aplicación industrial debido a que pueden obstruirse fácilmente con las partículas que pueda tener el fluido.

Las aplicaciones de los tubos de Pitot están muy limitadas en la industria, dada la facilidad con que se obstruyen por la presencia de cuerpos extraños en el fluido a medir. En general, se utilizan en tuberías de gran diámetro, con fluidos limpios, principalmente gases y vapores. Su precisión depende de la distribución de las velocidades y generan presiones diferenciales muy bajas, que resultan difíciles de medir.

Medidor de impacto Target

El último desarrollo de interés en medidores diferenciales es el medidor de impacto (figura siguiente ).

Figura - Medidor de impacto.

Puede ser visto como una placa de orificio instalada al revés. En realidad, el elemento primario es un disco sólido circular montado perpendicularmente al flujo y suspendido al nivel del eje de la tubería por una barra de fuerza controlada por un sistema electrónico o neumático. Este sistema mide la fuerza de impacto F¡ sobre el disco, la cual se expresa por la ecuación siguiente :

De acuerdo al teorema de Bernuolli, esta fuerza Fi, es proporcional a la diferencia entre la presión total y la presión estática, de tal manera que el caudal Qv, puede obtenerse una vez más por la relación de raíz cuadrada.

Este tipo de medidor es apropiado para flujos “sucios” y de bajo número de Reynolds, donde el elemento primario clásico no es adecuado; también pueden usarse para líquidos limpios y gas natural. Una vez efectuada su calibración y adecuada instalación, el medidor de impacto provee buena exactitud, pero sus mejores características son su rangoabilidad y rápida respuesta dinámica.

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