UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

Manual de Operación CAUDALIMETRO

2018

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EQUIPO DE MEDICION DE CAUDAL

1. INTRODUCCIÓN

Es un instrumento de medida para la medición de caudal. Estos equipos suelen colocarse

en línea con la tubería que transporta el fluido. También se los encuentra con el nombre

de medidores de caudal, medidores de flujo o flujo metros.

Los medidores de flujo son equipos diseñados para originar una caída de presión que

puede medirse y relacionarse con la velocidad de flujo, estos medidores producen un

cambio de la energía cinética del fluido que se está estudiando. La precisión en la

medición del flujo, permite entregar donde esta se requiere los volúmenes adecuados y

evitar así su desperdicio.

La medición de flujo o de caudal es una de las funciones más importantes en las plantas

industriales como método de conocimiento de la cantidad de materiales utilizados en la

fabricación o desarrollo de un proceso tecnológico.

Sus aplicaciones fundamentales se relacionan con la medición de gasto de agua, de vapor

o de hidrocarburos. Por lo que resulta una etapa esencial para aumentar la eficiencia de

las operaciones productivas.

2. TEORÍA

2.1. PROPIEDAD DE LOS FLUIDOS

Los fluidos como todos los materiales tienen propiedades físicas que permiten

caracterizar y cuantificar su comportamiento, así como distinguirlos entre sí. Algunas de

estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias.

Características como la viscosidad y la presión de vapor solamente se pueden definir en

los fluidos, sin embargo, la densidad y el peso específico son propiedades de sólidos y

líquidos. El conocimiento de las características, propiedades y la dinámica de los fluidos

es necesario para diseñar adecuadamente ductos que sirven de transporte para los mismos,

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bombas, compresores, aviones, automóviles, sistemas de bombeo, así como elementos de

mediación de flujo.

(McCabe & Smith, 2007)

2.2. DENSIDAD

Se denomina densidad a la relación que existe entre la masa de una sustancia cualquiera

y el volumen que ocupa, se expresa con la siguiente ecuación.

(McCabe & Smith, 2007)

𝝆 =𝒎

𝑽 (1)

2.3. VISCOSIDAD

La viscosidad es una propiedad distintiva de los fluidos que está ligada a la resistencia

que opone un fluido a deformarse continuamente cuando se somete a una fuerza de corte.

Esta propiedad es utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y sólidos.

Además, los fluidos pueden ser en general clasificados de acuerdo a la relación que exista

entre el esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de deformación. Existen dos tipos de

viscosidad, los cuales se explican a continuación.

La viscosidad dinámica o absoluta (µ) se define como la relación entre la fuerza y el

gradiente de velocidad con que una capa de fluido se desplaza con respecto a una

superficie fija. En la práctica corresponde a la resistencia de un líquido a la deformación

mecánica.

La viscosidad cinemática (ν), relaciona la viscosidad dinámica con la densidad del fluido

utilizado.

(McCabe & Smith, 2007)

ν =𝜇

𝜌 (2)

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2.4. PRESION

Es importante la diferencia entre cómo actúa la fuerza sobre un fluido y como lo hace

sobre un sólido. Puesto que el sólido es un cuerpo rígido, puede soportar que se le aplique

una fuerza sin que cambie apreciablemente su forma. Por otra parte, un líquido puede

soportar una fuerza únicamente en una superficie o frontera cerrada. Si el fluido no está

restringido en su movimiento empezará a fluir bajo el efecto del esfuerzo cortante, en

lugar de deformarse elásticamente. La presión se define como la acción que ejerce una

fuerza sobre un área determinada.

𝑃 =𝐹

𝐴 (3)

Si todas las moléculas de una cámara son removidas con un perfecto vacío y no hay

fuerzas de presión sobre las paredes de la cámara, este estado ideal se define como la

presión de cero absolutos. La presión absoluta es aquella presión que está sobre la presión

del cero absoluto, además la presión absoluta es la suma de la presión atmosférica y la

presión manométrica. La mayoría de los dispositivos que permiten medir la presión

directamente miden en realidad la diferencia de presiones entre la presión absoluta y la

presión atmosférica, el resultado se conoce como presión manométrica.

(Geankopolis, 2010)

𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 + 𝑃𝑚𝑎𝑛 (4)

2.5. ECUACION DE BERNOULLI

La dinámica de los fluidos, está regida por el mismo principio de la conservación de la

energía que para los sólidos en movimiento. Este último fue aplicado a los fluidos por el

físico suizo Daniel Bernoulli (1700-1782), obteniendo como resultado una ecuación muy

útil en este estudio, que se conoce con su nombre. Sobre fluidos, se destacan cuatro

parámetros; presión (P), densidad (ρ), velocidad (v) y altura (h) sobre algún nivel de

referencia, ya que estos parámetros influyen en la energía contenida en el fluido en

general. Para un flujo estable, viscoso e incompresible se tiene la siguiente ecuación.

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𝑃1 + 𝜌𝑔ℎ1 +1

2𝜌𝑣1

2 = 𝑃2 + 𝜌𝑔ℎ2 +1

2𝜌𝑣2

2 (5)

En vista a que los subíndices 1 y 2 se refieren a dos puntos cualesquiera, la ecuación de

Bernoulli se puede enunciar en una forma más simple como:

𝑃 + 𝜌𝑔ℎ +1

2𝑝𝑣2 = 𝑐𝑡𝑒 (6)

La ecuación de Bernoulli encuentra aplicación en casi todos los aspectos del flujo de

fluidos. Las unidades de cada término de la ecuación de Bernoulli son unidades de

presión.

(McCabe & Smith, 2007)

3. EQUIPO

3.1. FUNCIONAMIENTO

a) Verificar que todas las válvulas del equipo se encuentren cerradas, y que la bomba

esté cebada.

b) Llenar el tanque hasta el nivel adecuado.

c) Se enciende el equipo, y se procede a llenar con el fluido en el recipiente colocado

en la parte inferior derecha.

d) Se enciende la bomba y el fluido es mandado asía los medidores, esta parte consta de

tubos en posición vertical. El fluido circula a través del tubo elevando al flotador

hasta una posición con suficiente área libre para permitir el paso del flujo. Esta área

libre está relacionada con el caudal circulante, el peso del flotador y la densidad y

viscosidad del fluido.

e) Antes de llegar a este punto existen dos caminos donde se abren o cierran las válvulas

según las especificaciones requeridas.

f) En la parte izquierda del equipo existe una regla que mide la altura del agua y por

consiguiente el caudal además de acuerdo a la velocidad y presión que se marca en

el rotámetro se lee la diferencia de presión.

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g) De aquí pasa por el rotámetro llegando así a la parte superior donde se termina el

proceso y el fluido es vaciado a un recipiente. La pérdida de carga en el caudalímetro

permanece constante para todo el rango de caudal, ya que está relacionada con la

densidad del fluido y el peso y dimensiones del flotador. La indicación de caudal se

obtiene al aumentarse el área de flujo cuando el caudal aumenta.

3.2. CALIBRACIÓN DEL CAUDALIMETRO

La calibración de los caudalímetros es muy importante para asegurarnos de que éstos

están dentro de las especificaciones que el cliente necesita y mantenemos un registro de

todas las calibraciones que efectuamos.

La calibración de los medidores de flujo consiste en la comparación de las señales de

salida de un instrumento en particular contra un patrón de incertidumbre conocida, esta

requiere una medición de flujo con máxima exactitud, usualmente con sistemas que

colectan el flujo total de fluido durante un intervalo de tiempo medido. Este flujo es

convencionalmente medido volumétricamente o gravimetricamente, la medición o

cálculo de la densidad es frecuentemente requerida en ambos casos.

Para medir el flujo de líquidos para calibración se requieren instrumentos para medir

masa, tiempo, longitud y temperatura muy exactos y con incertidumbre conocida. Las

incertidumbres implicadas en mediciones de flujo de fluidos resultan del tipo de

instalaciones y procedimientos utilizados en la calibración. Estas incertidumbres se deben

a la falta de habilidad para:

Establecer y mantener un flujo estable.

Procedimiento de medición de flujo.

Separar la imprecisión debida a la estabilidad de flujo de la imprecisión del patrón

de calibración de flujo.

Determinar y establecer de forma pertinente las propiedades de los fluidos.

Suprimir completamente perturbaciones sistemáticas de flujo.

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Puesto que un líquido puede ser contenido dentro de un recipiente abierto, uno de los

métodos más convenientes para la calibración de medidores de flujo de líquidos es el

empleo de patrones volumétricos calibrados, este método es utilizado en muchos

laboratorios del mundo. Los instrumentos y el equipo que se requieren para la calibración

son.

Medida volumétrica cuya capacidad debe ser igual o mayor al volumen colectado

al flujo máximo del medidor en un minuto.

Sensores de temperatura instalados en la medida volumétrica y en la línea, lo más

cercano al medidor de flujo con resolución de 0.1 ºC o mejor.

Incertidumbre en la medición de temperatura ± 0.2 ºC o mejor.

Sensor de presión con una incertidumbre en la medición d ± 0.05MPa o mejor.En

algunas mediciones de hidrocarburos recomiendan una incertidumbre de ± 0.025

MPa o mejor.

Cronómetro con resolución de 0.01 s.

Para realizar la calibración de forma correcta y confiable se deben tener en cuenta las

siguientes consideraciones:

El medidor de flujo debe de ser calibrado con el líquido o líquidos a emplear.

El medidor de flujo debe ser instalado de acuerdo a las instrucciones del

fabricante.

No debe existir vibración o pulsaciones que puedan afectar el comportamiento del

medidor de flujo.

El número de valores de flujo seleccionados debe estar entre 2 y 5 flujos diferentes

dentro del alcance del medidor.

El procedimiento general para la calibración de medidores de flujo empleando una

medida volumétrica se describe a continuación.

1. Nivelar la medida volumétrica.

2. Corridas de ambientación con el objeto de estabilizar las condiciones de prueba

tanto del medidor de flujo como de la medida volumétrica a emplear.

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3. Verificar la instalación por fugas.

4. Fijar el flujo de prueba a través de la operación de la válvula instalada a la salida

del medidor de flujo.

5. Determinar el flujo empleando el indicador del medidor y/o un cronómetro

durante la prueba, cerrar la válvula de drenado de la medida volumétrica con el

objeto de llenarlo.

6. Cuando la medida volumétrica se ha llenado hasta algún punto de la escala, de

preferencia el cero, cerrar la válvula de llenado del patrón.

7. Abrir la válvula de drenado de la medida volumétrica para vaciarla. Cuando el

nivel de líquido aparece en la mirilla del cuello inferior de la medida volumétrica,

se debe cerrar la válvula de drenado y abrir la válvula de ajuste del cero dando un

tiempo de escurrimiento de 30 s antes de cerrarla.

8. Verificar que el indicador del medidor marqué cero y/o efectué la lectura inicial

del medidor.

9. Iniciar las corridas al flujo predeterminado, abriendo la válvula de llenado de la

medida volumétrica.

10. Mientras se recolecta el volumen en la medida volumétrica efectuar y registrar la

lectura de temperatura y de la presión de la línea, así como el flujo indicado.

11. Cuando aparezca el líquido en el cuello superior dejar que se acerque al volumen

nominal y cerrar la válvula de llenado de la medida volumétrica.

12. Registrar la lectura del medidor.

13. Registrar la lectura de la escala de la medida volumétrica.

14. Registrar la temperatura de la medida volumétrica.

15. Repetir el procedimiento, al menos tres veces para cada flujo.

16. Calcular el mensurando e incertidumbre con los datos obtenidos.

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3.3. DIAGRAMA DE FLUJO

Figura 1

4. CARACTERÍSTICAS

Tabla 2

Propiedades fisicoquímicas del agua

Propiedades Valor Unidad

ρ agua, (Temperatura 20

ºC) 997,00

kg/m3

µ, (Temperatura 20ºC) 0,001 Pa*s

FUENTE: Cengel, Y. A. (2007). Transferencia de Calor y Masa (Tercera ed.). México:

McGraw Hill

CONTROL Y

SEGURIDAD

ENCENDIDO

DEL EQUIPO CALIBRACIÓN

DEL EQUIPO

MEDICION DEL

CAUDAD QUE

FLUYE POR LA

TUBERIA

APAGADO DEL

EQUIPO

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Tabla 3

Rango de caudal

Tipo de fluido Valor Unidad

Liquidos 0,0008 hasta 1.200 l/min

Gases 0.001 hasta 15.000 l/min

FUENTE: https://www.gometrics.net/laboratorio-movil-de-calibracion-de-caudal-de-

liquidos/

Tabla 2

Valores a tomar en la bomba

Rango Valor Unidad

maximo 80 m3/h

minimo 10 m3/h

FUENTE: https://www.gometrics.net/laboratorio-movil-de-calibracion-de-caudal-de-

liquidos/

5. ALCANCE Y LIMITACIONES

5.1. ALCANCE

5.1.1. Unidad piloto completamente instrumentada para prácticas de laboratorio.

5.1.2. Compuesta de varios tubos horizontales, una bomba y un rotámetro que mide el

caudal, estas unidades están interconectadas entre sí formando una sola instalación.

5.1.3. Tanque de alimentación mediano (10 litros)

5.1.4. Bomba centrifuga de alimentación, con motor de 1/2 HP, 3450 RPM.

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5.1.5. Tubería y accesorios de alimentación y descarga de agua al sistema, fabricados en

cobre de tubería ¾ in tipo M 19.05mm. Válvula, tubería y accesorios de By-pass,

Válvula Pote 5/16 SAMPER.

5.1.6. Tiene 1 rotámetros de flotador para medición de flujo

5.1.7. Un manómetro relleno de mercurio con conexión de cobre para medición de la

presión, uno a la entrada de cada columna.

5.2. LIMITACIONES

5.2.1. Únicamente aplicación de un sistema líquido.

5.2.2. Estudio de la caída de presión

5.2.3. Determinación experimental del flujo del líquido circulante

5.2.4. Variación y comparativo de resultados de caudal bajo diferentes condiciones de

operación.

5.2.5. Funcionamiento en circuito de agua cerrado.

6. PRECAUCIONES Y RECOMENDACIONES

6.1. PRECAUCIONES

En cada encendido del equipo

- Verificar que el nivel del líquido en el tanque sea como mínimo la mitad de este.

- Verificar que en el nivel de mercurio este a la mitad del rotámetro con el propósito

de evitar la descalibración del rotámetro

- Comprobar fugas o rupturas en las válvulas para determinar que el caudalimetro

funciona apropiadamente.

- Verificar que todas las válvulas de los lechos estén cerradas.

- Verificar que los rotámetros empiecen desde cero y que funcionen correctamente,

ya que en ocasiones el rotámetro1 suele mantenerse en la mitad del rango.

- No trabajar durante periodos prolongados de tiempo, puesto que se puede calentar

la bomba.

- Cebar la bomba para evitar que se produzca la cavitación en la misma.

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6.2. RECOMENDACIONES

- Debe tener altas caídas de presión en el seno de la columna ya que, las pérdidas de

carga son función de la velocidad de los fluidos.

- Abrir las válvulas de toma de presión superior e inferior al mismo tiempo, evitando

que las válvulas inferiores estén más abiertas, debido a que el cambio brusco de

presión provoca la pérdida de mercurio.

- Abrir la válvula de entrada de agua, manteniendo el resto de válvulas cerradas, para

que el flujo se dirija solamente a ese tubo.

- Al momento de la medición tener en cuenta la diferencia de mercurio presente en

el rotámetro.

7. BIBLIOGRAFÍA

Cengel, Y. A. (2007). Transferencia de Calor y Masa (Tercera ed.). México: McGraw

Hill

Geankopolis, C. J. (2010). Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias. México:

Patria.

McCabe, W. L., & Smith, J. (2007). Operaciones unitarias en ingeniería química.

México: Mc. Graw Hill Interamericana.

Martinez J. F. (2005). DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EVALUACIÓN DE UN

MEDIDOR DE BAJO COSTO, PARA EL FLUJO DE AGUA EN TUBERIAS.

Recuperado:

http://repositorio.uaaan.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/123456789/3583/T08774%20

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Campos O.A. (2008). Dimensionamiento de medidores de flujo, Recuperado:

http://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/30/Tesis+Omar+Campos.pdf?seq

uence=1

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ANEXOS

Anexo 1

Diagrama del equipo

NOMBRE: FECHA: UNIVERSIDAD CENTRAL DEL

ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÌMICA

CARRERA DE INGENIERÌA QUÍMICA

DIBUJA: Grupo 7/17/2018

REVISA: Ing. Delgado A 7/17/2018

ESCALA:

TEMA:

CAUDALIMETRO

Lamina

1

Válvulas

Manómetro

Rotámetro

Bomba

Tanque de agua

Sistema de

tuberías