MEDICION DE FLUJO / CAUDAL

Siempre que se trabaja con un fluido, existe la necesidad de realizar un conteo de la cantidad que se transporta por un determinado punto, dentro de un período específico de tiempo, para lo cual se utiliza medidores de flujo.

La medición de flujo es uno de los más importantes aspectos cuando se requiere un óptimo control de un proceso dinámico. Determinar volúmenes en unidad de tiempo y volúmenes totales permite a un sistema de control regular con alta precisión, las cantidades de sustancias que van a conformar un producto; además aumentar la eficiencia de producción.

Básicamente el flujo puede ser medido como la relación de la masa por unidad de tiempo (por ej. : Kg/hr) que corresponde al Flujo Másico ó mediante el Flujo Volumétrico que es la relación volumen por unidad de tiempo (por ej.: M³/hr) .

La medición de flujo másico es más ideal, ya que su valor no depende de la presión y temperatura de trabajo.

Los volúmenes de líquidos generalmente no son afectados por la presión; sin embargo la temperatura en algunos casos puede causar que la medida necesite una corrección. El volumen corregido es:

V2= V1 ( 1 + g . DT ).

g[ K¯ ¹]: Coeficiente de expansión térmica.

T[ºK]: Temperatura

Tecnologías recientes de medidores de flujo, incluyen amplificadores, los cuales pueden aplicar correcciones calculadas para obtener V2.

Los efectos de la temperatura y la presión se hacen mucho más significantes cuando se mide flujo de gases. La medición exacta de flujo de gas es difícil de obtener, ya que es un fluido compresible; esto significa que el volumen de una masa fija de gas depende de la presión y temperatura en que se encuentre. Como un ejemplo de esto, se puede considerar un globo que contiene un pie cúbico de gas a una temperatura de 70ºF (ambiente). Un incremento en la temperatura ambiente hace que el globo aumente de tamaño. Un incremento en la presión hace que se disminuya el volumen dentro del globo.

Aunque el volumen en el globo cambia con las variaciones de temperatura y presión, la masa de gas en el interior del globo permanece constante. Esto explica la diferencia entre la medición volumen real (ACTUAL) y volumen másico (ESTANDAR) .

Que es medición de flujo másico?.

Flujo másico es la medición directa de una variación de masa en el tiempo, considerando las condiciones del proceso. Flujo másico es equivalente al flujo volumétrico multiplicado por la densidad (M= Q x r). Como la presión y temperatura cambien el volumen cambia, causando un cambio en la densidad; pero sin embargo la masa permanece constante.

Para obtener una estandarización en la medición de gas, se utilizan presión y temperatura a condiciones estándar. La forma como un gas es medido se llama condición ACTUAL ó real utilizan

do unidades como ACFM ( pies cúbicos por minuto a condiciones de operación), sin embargo como vimos el volumen cambia cuando la temperatura y presión cambian, aunque la masa permanece constante. Así que es necesario estandarizar el volumen utilizando condiciones, donde la densidad es fija; y unidades como SCFM (pies cúbicos por minuto a condiciones estándar) ó su equivalente métrico NCMH (metros cúbicos por hora a condiciones normales). Teniendo uno de estos últimos volúmenes es fácil pasar a flujo másico, simplemente multiplicando por la densidad a condiciones estándar (rSTD) , que es la que normalmente encontramos en tablas. A continuacion se tiene un cuadro de comparación entre condiciones actuales, estándar y normales:

CONDICIONES REALES Ó ACTUALESTANDAR NORMALES

Presión y A las que se encuentra P= 14.7 PSIA. P= 1.013 bar(14.7 PSIA)

Temperatura el fluido T= 70 º F(21ºC) T= 0 ºC (32 ºF)

Es importante saber que la entrada mas critica para hacer compensación, es la presión. Ya que un cambio de temperatura de 0 a 100 ºF varia la densidad acerca del 10 %, mientras que un cambio de 50 a 100 psia, varia la densidad cerca del 25%.

Muchas veces se conoce la gravedad especifica del gas, la cual es la relación entre la densidad del gas y la densidad del aire a condiciones estándar (0.0749Lb/ft³).

Otro factor que influye en la medición de gas es Z, factor de compresibilidad el cual se define como: el volumen ocupado por el gas real dividido por el volumen ocupado por la misma masa de un gas teóricamente perfecto, teniendo el mismo peso molecular y el cual esta a la misma temperatura y presión. Si el gas real actúa como gas ideal entonces Z es 1. De lo contrario debe ser considerado para hallar la densidad del gas, como en la siguiente formula:

Densidad = Psia x (peso mol.) / (Z * R* Ta)

Si la densidad se quiere en lb/ft³ , entonces: R=10.73 y Ta=(ºF+460)

Peso mol.= ( gr/mol)del compuesto.

Los gases deben ser siempre medidos como flujo volumétrico a condiciones estándar en unidades como SCFM o flujo gravimétrico en unidades como Lb/h. En cuanto a los líquidos se pueden medir a condiciones reales como ACFM o gravimetricas Lb/hr, pero nunca a condiciones estándar.

VISCOSIDAD

La viscosidad de un fluido es la habilidad para resistir cambios de forma. Esta es el resultado de la fricción interna del fluido causada por las fuerzas entre las moléculas. Puesto que el movimiento molecular esta relacionado con la temperatura, la viscosidad es también función de la temperatura. La viscosidad absoluta en Pas(pascales por segundo) es definida como: la viscosidad absoluta del flujo laminar de un fluido homogéneo entre dos placas paralelas planas, con una longitud de separación de 1 metro con una diferencia de velocidad de 1m/s ,en la cual existe una fuerza de 1 Pascal.

Factores influyentes en los fluidos

La viscosidad como se definió, es una propiedad de los fluidos y a través del numero Reynolds es posible conocer los efectos de la viscosidad. Para números Reynolds menores de 2300, es decir flujos laminares la viscosidad tiene un gran efecto; Mientras que en flujos turbulentos Re>3000, hay muy pocas limitaciones debido a la viscosidad. Principalmente la viscosidad afecta la medición de fluidos líquidos, ya que puede aumentar el rango mínimo que mide un instrumento, haciéndolo impreciso para medir flujos bajos. El efecto de la viscosidad en los gases es muy poco apreciable.

Los sólidos no deseables y presentes en el fluido, pueden alterar la medición real de flujo y hasta llegar a destruir los medidores ya que alcanzan grandes velocidades como en caso de los gases.

Burbujas de aire presentes en líquidos son frecuentemente causa de una mala medición, ya que los medidores de flujo miden volumen total, sin darse cuenta de que partículas gaseosas están presentes en el fluido.

La rugosidad de la tubería también afecta el perfil de velocidad, por tanto existe un factor de rugosidad.

Los efectos de la corrosión pueden ser solo evitado por una apropiada selección del material. Normalmente existen materiales resistentes como el acero inoxidable, Hastelloy, Platino, Titanio y carbón. Todo depende de la compatibilidad del material con respecto al fluido.

Presión de vapor de un liquido, la cual es la presión en el punto de ebullición del liquido a temperatura de operación. Si la presión de operación de un liquido es menor o igual a la presión de vapor del mismo entonces el liquido cambia a estado gaseoso, formando cavidades de vapor, si esto ocurre a altas velocidades y en otro punto de la tubería más adelante la presión de operación es mayor a la presión de vapor entonces estas cavidades o bolsas de gas se condensan rápidamente y chocan con las partes metálicas, causando daños; fenómeno conocido como cavitación. El agua puede cambiar de estado a 68ºF y 0.339 psi (presión de vapor del agua). La presión de vapor de un liquido aumenta con la temperatura. Para garantizar que la presión de operación sea siempre mayor a la presión de vapor de un liquido se puede aplicar la siguiente formula:

Psm> 1.3 Pv + 2.6 Pd

Psm: Presión en la sección de medición.

Pv: presión de vapor del liquido

Pd: caida de presión a través del medidor.