medidores de flujo oscilatorios
TRANSCRIPT
Standards
Certification
Education & Training
Publishing
Conferences & Exhibits
CAPITULO 6 CAPITULO 6 MEDIDORES DE FLUJOMEDIDORES DE FLUJO
OSCILATORIOSOSCILATORIOS
Medidores de flujo oscilatoriosMedidores de flujo oscilatorios
INTRODUCCION
Los medidores de flujo oscilatorios emplean el fenómeno físico que inherentemente causa cambios discretos en algunos parámetros en la cual es función del flujo a través del medidor de flujo.
Algunos de esos medidores son aplicados independientemente del estado del fluido (liquido o vapor).
El costo bajo de instalación y mayor funcionalidad de algunos medidores de flujo oscilatorios, comparados con las tecnologías tradicionales, esto esta dirigiendo a los medidores de flujo oscilatorios hacia muchas aplicaciones.
Los medidores tipo oscilatorio conocidos son: Shedding Vortex, vortex swirl o vortex de precisión y el fluídico.
El medidor tipo Vortex o vortices esta basado en un fenómeno natural conocido como generador de vortices.
MEDIDOR DE FLUJO VORTEX SHEDDING (DERRAMADOR DE VORTICES)
El fenómeno de derramador ò generador de vortices no es nuevo. Esto ocurre en la naturaleza. El primer registro fue observado por Leonardo da Vinci hace mas de 400 años cuando noto la formación de remolinos-vortices corriente abajo de una roca en la corriente de agua de un rio. En aquel tiempo el interés de observar el fenómeno no tuvo valor practico. Esto requería electrónica moderna para hacer uso de este fenómeno.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
El fenómeno de Vortex Shedding (derramamiento de vortices, formados a partir de remolinos), es descrito matemáticamente por efecto Von Karman y es ilustrada en la figura 6-1
FIGURA 6-1 FENOMENO DE SHEDDING VORTEX
Conforme el fluido pasa a un objeto de forma de risco a baja velocidad, el resto del patrón de flujo permanece en la líneas de fuerza o corriente. Como la velocidad se incrementa, el fluido se separa alternamente a partir de cada lado de cuerpo del risco (BLUFF) y los remolinos forman vortices corriente abajo de este. Un vortice ocupa una área de movimiento del arremolinamiento con alta velocidad local, aquí la presión es mas baja que alrededor del fluido. Los ejemplos de Von Karman son la formación de vortices. El susurro del sonido de las ramas de los árboles; el sonido de los cables eléctricos por el paso del viento; y la ondulación de una bandera por el paso del viento.
El principio de Shedding Vortex es aplicado a los medidores por introducción de un cuerpo en forma de risco dentro de la tubería y sensando la frecuencia de generación de vortices. Esta frecuencia es proporcional a la velocidad del fluido y se expresa como:
vAQ ×= 6-1
La salida del medidor de flujo Shedding Vortex es dependiente del numero de Strouhal, el cual es un numero adimensional. Esta relación es representada por:
ShedderanchovStf ×=
Para propósitos prácticos, el número de Strouhal no es una constante y puede variar con el número de Reynolds, tal que el medidor de flujo Shedding Vortex son dispositivos cuyas características de operación son dependientes del número de Reynolds como esta ilustrado en figura 6-2.
FIGURA 6-2 NUMERO STROUHAL Y NUMERO DE REYNOLDS
La operación linear esta unida cuando el medidor de flujo esta operando enla región horizontal plana de la curva, la cual dicta virtualmente el ancho del Shedder necesario para la operación linear del medidor de flujo y la inmunidad óptima para los efectos del desgaste del Shedder (risco derramador de vortices). Como resultado, muchos medidores de flujo Shedding Vortex tienen anchos Shedder similares.
El diseño hidráulico y desempeño puede y varía mucho.
Mientras muchos diseños usan un Shedder sencillo, un diseño introduce dos cuerpos adicionales dentro de la corriente de flujo, los cuales son activos en la formación de Vortex o vortices. Estos cuerpos activos combinan el fenómeno del Shedding Vortex de von Karman y el de Coanda. El efecto para formar vórtices fuertes y estables por el desarrollo alternante en una zona estancada entre el Shedder y cada uno de los cuerpos, como se muestra en la figura 6-3.
Otro diseño del Shedder Vortex exclusivamente para servicio de gas utiliza un alambre relativamente delgado para generar vórtices dentro de la tubería.
FIGURA 6-3 SHEDDING VORTEX Y EL EFECTO COANDA
CONSTRUCCION. El Shedder y el sistema sensante son montados sobre el cuerpo del medidor de flujo Shedding Vortex.
SHEDDER. El Shedder es el cuerpo del Bluff (risco) que es introducida dentro de la corriente del flujo de fluido. El diseño Shedder, aunque típicamente el ancho es similar es independientemente del fabricante, varia significativamente a partir de fabricante a fabricante. Los fabricantes han optimizado los Bluff (derramadores de vortices) en formas: trapezoidal, rectangular, triangular, formas de T, y semejantes, en un esfuerzo para desarrollar de un Shedder que optimicé el criterio de diseño de los fabricantes, el cual incluyen:
• Inmunidad para la hidráulica en tubería corriente arriba
• Inmunidad para la vibración en tubería
• Sensitividad del sistema sensante
• Insensibilidad a la alineación incorrecta
• Exactitud
• Repetibilidad
• Linearidad
Los cambios de diseño son hechos para unir las características deseadas por el fabricante.
De tal manera que el diseño se deberá examinar cuidadosamente para determinar que cambios fueron hechos y como ellos pueden afectar la operación del medidor en una dada aplicación.
SISTEMAS SENSANTES
Los sistemas sensantes varían significativamente a partir de fabricante a fabricante y son usualmente patentados. Conforme los vortices que son formados dentro del cuerpo del medidor de flujo son localizados en áreas de alta velocidad, también son localizados en áreas de baja presión y relativamente baja densidad hacia los alrededores del fluido. El fluido también tiene momentum a través de la tubería, algunos de los cuales puede ser usado para accionar el sistema sensante. Esas observaciones son explotadas para medir generación de vortices, algunas de las implementación de las cuales son discutidas abajo.
CUERPO DUAL
Los vortices son formados por el Shedder y son medidos corriente abajo por un segundo cuerpo, el cual contiene el sensor. Los vortices desarrollados entre los cuerpos resulta en vortices fuertemente y fácilmente medibles. (ver figura 6-4).
DISCO OSCILANTE
La formación de vortices hacia el Shedder causa presión alternante de la misma frecuencia ejercida sobre el Shedder.
La oscilación del disco es medida por un sensor magnético localizado en un ensamble cerca del disco. (ver figura 6-5).
PÍVOTE DE SHEDDER
La formación de vortices hacia el Shedder causa presión alternante para ser ejercida sobre el Shedder, resultando en una fuerza alternante que causa un arremolinamiento momentáneo en el Shedder a la misma frecuencia que la formación de vortices. Esos movimientos de arremolinamiento son medidos por un elemento piezoeléctrico sobre el Shedder. (ver figura 6-6, 6-7).
FIGURA 6-4 MEDIDOR DE FLUJO SHEDDING VORTEX (CUERPO DUAL)
FIGURA 6-5 MEDIDOR DE FLUJO SHEDDING VORTEX (DISCO OSCILANTE)
FIGURA 6-6 MEDIDOR DE FLUJO SHEDDING VORTEX (PIVOTE DE SHEDDER)
FIGURA 6-7 MEDIDOR DE FLUJO SHEDDING VORTEX (PIVOTE DE SHEDDER) CONTINUACION
PRESION
La presión alternante ejercida sobre el Shedder por la formación de vortices es medida por sensores de presión localizados en el mismo Shedder (ver figura 6-8, 6-9 y 6-10).
TEMPERATURA
La presión ejercida sobre el Shedder son empujados vía un pasaje a partir de una toma o cerca del otro lado del Shedder. Como resultado el flujo de fluidos alternativamente de acá para allá va en el pasaje, y un sensor térmico es usado para medir la presencia de este flujo (ver figura 6-11).
INSTALACION
Los medidores de flujo de Vortex Shedding son típicamente de un diseño Bluffer con el sándwich Wafer entre dos bridas. El diseño bridado también esta disponible.
FIGURA 6-8 MEDIDOR DE FLUJO SHEDDING VORTEX (PRESION)
FIGURA 6-9 MEDIDOR DE FLUJO SHEDDING VORTEX (PRESION) CONTINUACION
FIGURA 6-10 MEDIDOR DE FLUJO SHEDDING VORTEX (PRESION) CONTINUACION
FIGURA 6-11 MEDIDOR DE FLUJO SHEDDING VORTEX (SENSOR TERMICO)
REQUERIMIENTOS HIDRAULICOS
El medidor de flujo Shedding Vortex el cual mide flujo volumétrico tiende a variar los grados de sensitividad corriente arriba y corriente abajo de la tubería dependiendo de la hidráulica del diseño del medidor de flujo. Los requerimientos de tubería corriente arriba y corriente abajo son 10D a 20D, y en corriente abajo 5D y de 25D a 45D con corriente abajo de 8D.
MEDIDORES DE FLUJO VORTEX DE PRECISION
La tecnología de medidores de flujo de Vortex precisión es un método viable de medición de gases y líquidos de baja viscosidad con un gran o alto turndown y exactitud razonable.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
El medidor de flujo Vortex de precisión usa un elemento estático para impartir la rotación a el fluido entrante y causa que el fluido forme vortices corriente arriba que es parecido a un ciclón. La porción corriente abajo de los Vortex rota alrededor de la línea de centro axial de la tubería. En otras palabras esta rota en un ciclo hacia la pared del tubo. La velocidad a la cual rotan los vortices es proporcional a la velocidad del fluido y por lo tanto al flujo volumétrico (ver figura 6-12).
FIGURA 6-12 MEDIDOR DE FLUJO VORTEX DE PRECISION O SWIRLMETER
CONSTRUCCION
La construcción básica del medidor de flujo Vortex de precisión es mostrada en la figura 6-13.
La precisión del Vortex creado por la geometría del medidor de flujo es detectada por un detector en el cuerpo del medidor del flujo. Un rompedor de vortices es instalado a la salida del medidor de flujo para estabilizar los vortices y mantener esta propagación corriente abajo donde esta puede generar disturbios a otros dispositivos hidráulicos tales como válvulas de control.
Las partes humedas del medidor de flujo Vortex de precisión incluye ensamble de cuerpo y sensor que son típicamente construidos de acero inoxidable y hastelloy.
FIGURA 6-13 SWIRLMETER
INTRODUCCION
La tecnología de medición de flujo fluidica representa un método de medición de líquidos de baja viscosidad con un alto turndowm y una exactitud razonable.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
Los medidores de flujo están basados sobre el efecto Coanda, el cual causa que el liquido se una a si mismo a una superficie y los fluidico, el cual es tipificado por una acción retroalimentada de liquido sobre el mismo.
El medidor de flujo oscilatorio opera cuando el fluido entra en el cuerpo del medidor y la corriente del flujo se sujeta, a una pared del pasaje. Una pequeña porción de flujo es canaleada a través de la retroalimentación al pasaje, provocando que la corriente de flujo a separarse de un lado del cuerpo se une al mismo del lado opuesto del cuerpo del medidor.
MEDIDOR DE FLUJO OSCILATORIO TIPO FLUIDICO
Otro pasaje de retro-alimentación existe en el otro lado del medidor, y para este caso, el flujo da la vuelta sobre el otro lado del cuerpo del medidor donde el proceso se esta repitiendo continuamente (ver figuras 6-14 y 6-15).
La frecuencia de oscilación es directamente proporcional a la velocidad de flujo a través del medidor. El sensor se localiza en uno de los pasajes para detectar la oscilación.
Los sensores pueden ser: un medidor de esfuerzo strain gage o un termistor. El strain gage puede detectar una presión conforme el flujo pasa a través del canal de retroalimentación. El termistor puede detectar un cambio en la temperatura provocada por el flujo de retroalimentación.
La salida del sensor es acoplada a un transmisor de 4-20 mA. CD o una salida de pulsos.
PRINCIPIO DE OPERACIÓN
FIGURA 6-14 CUERPO DEL MEDIDOR DE FLUJO FLUIDICO
FIGURA 6-15 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE FLUJO TIPO FLUIDICO
El medidor fluidico esta diseñado para ser usado solo sobre aplicaciones de flujo líquido. Estos no pueden ser usados en gas o vapor. Este tipo de medidor no es usado para medir lodos (slurry), sin embargo, sólidos pequeños pueden ser tolerados mientras que los sólidos no excedan el 2% en volumen.
Los medidores fluidicos están disponibles en tamaños de 1” hasta 4” y en tamaños de línea mayores, la unidad de 1” puede usarse en arreglos en bypass en conjunto con una placa de orificio.La instalación es sencilla ya que es montado en bridas, considerando sus diámetros de tubería recta adecuados corriente arriba y abajo.
MEDIDOR FLUIDICO
DIMENSIONAMIENTO
Los medidores fluidico son diseñado para que se utilicen solamente en aplicaciones de flujo de líquidos; este no puede ser usado en gas o vapor. Este tipo de medidor no puede ser usado en flujo Slurry; sin embargo, los pequeños sólidos pueden ser tolerados mientras los sólidos no excedan 2% en volumen.
Los medidores fluidicos están disponible en tamaños en línea desde de 1” a 4” pulg. (ver figura 6-16 y la Tabla 6-1 ). En tamaños de línea grandes, el de 1”puede ser usado en un arreglo de bypass en conjunto con una placa de orificio. En el modo de bypass, una placa de orificio crea una caída de presión en la línea principal. Esta caída de presión causa una pequeña cantidad de flujo a pasar a través del bypass de la tubería. Este flujo de bypass es una proporción directa a la línea principal de flujo. Por la medición de el flujo bypass y aplicando el valor de escalacion correcto, la línea principal de flujo es determinada. Debido a que el medidor no esta midiendo la cantidad de caída de presión a través de la placa de orificio, no es requerido extractor de raíz.
FIGURA 6-16 GRAFICA DE CAPACIDAD PARA MEDIDORES DE FLUJO TIPO FLUIDICOS
TABLA. 6-1 MEDIDORES FLUIDICOS
La rangeabilidad del medidor fluidico puede ser hasta 30:1, con una exactitud de el ±1% de la lectura, la cual típica de otros medidores de flujo oscilatorios. La selección de la sensores (Strain gage o termistor) es dependiente del rango de flujo requerido y de propiedades del recubrimiento del fluido. El sensor Strain gage es menos costoso, pero no medirá relaciones de flujo tan bajas como el termistor.
CONSTRUCCION
La construcción básica de los medidores de flujo fluídico se muestra en la figura 6-17. Las oscilaciones creadas por la geometría del medidor de flujo son detectadas por cambios en el enfriamiento efectivo de un termistor calentado o por el movimiento de la desviación de un sensor instalado en uno de los pasajes de retroalimentación. El flujo a través del pasaje de retroalimentación causa un mayor efecto de enfriamiento sobre el termistor que el pasaje de retroalimentación bajo condiciones de no flujo. Esta diferencia de temperatura es detectada y condicionada por el transmisor, en la desviación del diseño del sensor, el flujo a través del pasaje de retroalimentación causa el movimiento del sensor con respecto a la posición del sensor de no flujo. La señal del sensor es condicionada por el transmisor.
DIMENSIONAMIENTO
FIGURA 6-17 CONSTRUCCION DEL MEDIDOR DE FLUJO TIPO FLUIDICO (SENSOR TERMICO
Las partes humedas de un medidor de flujo fluídico incluye el cuerpo, el cual es construido de acero inoxidable y el ensamble del sensor el cual es construido de acero inoxidable y de teflón.
INSTALACION
Los medidores de flujo fluidicos son de un diseño Wafer en el cual el medidor de flujo es instalado entre dos bridas por longitudes de espárragos especial como se muestra en la figura 6-18. Algunos modelos están disponibles con diseños bridados.
REQUERIMIENTOS HIDRAULICOS
Los medidores de flujo fluidico, los cuales son sensitivos a distorsión en el perfil de flujo de liquido a la entrada del medidor de flujo tienen requerimientos de tubería recta corriente arriba y corriente abajo de 9D a 50D y de 4D a 5D dependiendo sobre la configuración de la tubería.
CONSTRUCCION
FIGURA 6-18 DISEÑO DE UN MEDIDOR DE FLUJO TIPO FLUIDICO
DIMENSIONAMIENTO
El dimensionamiento de los medidores de flujo Shedding Vortex esacompañado por la determinación del fluido que pueda suministrar suficiente momentum para dar un tamaño de Shedding Vortex para operar al flujo deseado mínimo, y un numero Reynolds suficientemente alto para que el medidor de flujo opere linealmente. En muchos fabricantes de Shedding Vortex presentan datos de dimensionamiento en términos de flujo de agua, aire y vapor a partir del cual la aplicabilidad de diferentes aplicaciones es determinada. Se deberá de tener cuidado a realizar los cálculos para líquidos arriba de 1cP de viscosidad y para gases diferentes a aire y vapor pueden variar significativamente los rangos del fluido estándar, ver figura de cartas de dimensionamiento (ver figuras 6-19).
FIGURA 6-19 CARTAS DE DIMENSIONAMIENTO PARA LIQUIDOS
FIGURA 6-19 CARTAS DE DIMENSIONAMIENTO PARA GAS
FIGURA 6-19 CARTAS DE DIMENSIONAMIENTO PARA VAPOR
CCáálculo y seleccilculo y seleccióón de MF Vortex para ln de MF Vortex para lííquidosquidos
CCáálculo y seleccilculo y seleccióón de MF Vortex para ln de MF Vortex para lííquidosquidos
CCáálculo y seleccilculo y seleccióón de MF Vortex para ln de MF Vortex para lííquidosquidos
Ejemplo de MF Vortex para lEjemplo de MF Vortex para lííquidosquidos
Ejemplo de MF Vortex para lEjemplo de MF Vortex para lííquidosquidos
L/s
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0 30 60 90 120 150 180 210 240
0
10
20
30
40
REGIÓN DE OPERACIÓNRECOMENDADA
Región Lineal
REGIÓN NO LINEAL
Tamaño 50 mm 2”
VISC
OSI
DA
D C
INEM
ATI
CA
Cen
tisto
kes
GPM
R D30
00R D
10,000 RELACIÓN DE FLUJO MÍNIMAINOPERABLE
a)
Calculando el flujo equivalenteb)
Ejemplo de MF Vortex para lEjemplo de MF Vortex para lííquidosquidos
c)
Ejemplo de MF Vortex para lEjemplo de MF Vortex para lííquidosquidos
d)
= 543.66 psia
Ejemplo de MF Vortex para lEjemplo de MF Vortex para lííquidosquidose)
V =V
Pf