MEDIDOR DE TURBINA Y CAUDALIMETROS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

ANDERSON VARGAS CABRERA 2007165006IVAN CAMILO ALDANA GALLEGO 2006136568

PRESENTADO A: HAYDEE MORALES

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANAPROGRAMA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS

NEIVA-HUILA2010

MEDIDOR DE TURBINA Y CAUDALIMETROS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

ANDERSON VARGAS CABRERA 2007165006IVAN CAMILO ALDANA GALLEGO 2006136568

PRESENTADO A: HAYDEE MORALES

ASIGNATURA: INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANAPROGRAMA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS

NEIVA-HUILA2010

INTRODUCCIÓN

La medición del caudal es muy importante en la industria petrolera y la selección de un sistema adecuado dependerá del tipo de fluido que se maneje y de las condiciones de este.

En este trabajo se hace un recorrido por el medidor de turbina y los diferentes tipos de caudalimetros de desplazamiento positivo, explicando sus principios de funcionamiento y los elementos que los componen. El primero basado en la velocidad del fluido y el segundo tipo basado en el desplazamiento de un volumen conocido en una unidad de tiempo.

En nuestra industria son muy utilizados los medidores de desplazamiento positivo del tipo rotativo, debido a que pueden manejar altos caudales con una linealidad y repetibilidad buena.

Los medidores de turbina son utilizados generalmente para medir agua en la industria alimenticia y farmacéutica.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................................3

1. MEDIDOR DE TURBINA...................................................................................................................5

2. MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO................................................................................9

2.1 Medidor de disco oscilante........................................................................................................12

2.2 Medidor de pistón oscilante.......................................................................................................12

2.3 Medidor de pistón alternativo...................................................................................................13

2.4 Medidores rotativos...................................................................................................................14

3. Rotámetros...................................................................................................................................18

BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................................27

1. MEDIDOR DE TURBINA

Los medidores de turbina consisten de un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad proporcional a este. Generalmente son utilizados en fluidos limpios o filtrados.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

Principio de Bernoulli:P1ρ

+Z1 g+V 1

2

2=P2ρ

+Z2g+V 2

2

2

P=presionmediaen laseccionV=velocidad mediaen la seccionZ=alturamedia de la seccion

Suposiciones de la ecuación de Bernoulli

El fluido es ideal (viscosidad cero)El flujo es irrotacional (Las partículas se trasladan sin realizar giro alguno alrededor de su centro de gravedad).La ecuación de Bernoulli no es más que una forma de expresar el principio de conservación de la energía, que dice que la energía no se crea ni se destruye. En el flujo de fluidos dentro de un dispositivo horizontal, la presión es proporcional a la energía potencial, mientras el cuadrado de las velocidades es proporcional a la energía cinética del fluido. Entonces cualquier cambio en la velocidad produce un cambio en la presión para que la energía sea conservada.

Componentes

Rotor Cono posterior Cono anterior Imán Bobina

Funcionamiento

El fluido entra al sistema ejerciendo una fuerza de arrastre en el rotor; la diferencia de presiones debida al cambio de área entre el rotor y el cono posterior ejerce una fuerza igual y opuesta, de esta forma el rotor está equilibrado hidrodinámicamente y gira entre los conos anterior y posterior sin necesidad de utilizar rodamientos axiales. El

movimiento de las palas (que giran a una velocidad proporcional al caudal) modifica la reluctancia o inductancia de una bobina dependiendo del tipo de sistema utilizado para convertir la velocidad del rotor.

Cada medidor de turbina posee un factor k, que representa el número de pulsos de salida trasmitidos por cada galón de fluido que pasa a través del instrumento.A medida que el caudal aumenta el factor k toma un comportamiento lineal y casi constante, teniendo en cuenta que no se pase del 100% del rango de medida.

Generalmente los medidores de turbina para líquidos poseen un rango con una relación de 10:1 pero algunos diseños especiales pueden lograr 25:1. Para fluidos compresibles, la rangeabilidad varía con la densidad del gas, que es una función de la temperatura y la presión. Un medidor de turbina de gas con rangeabilidad de 10:1 en la condición de la atmósfera puede tener un rangeabilidad superior a 100:1 a 1400 PSI de presión.Un medidor de turbina solo posee una parte móvil, ya menos que la fricción del cojinete o la integridad de las aspas cambie, el rendimiento de la turbina no cambiara.A altas velocidades de flujo, la transferencia de energía cinética es alta y el efecto de la fuerza de rozamiento de un cojinete todavía son relativamente pequeños para afectar el desempeño del medidor. Para los líquidos, la repetibilidad del caudalimetro de turbina puede ser de + / 0,02% o mejor con una linealidad superior a + / -0,25%. Para los flujos de gas, la repetibilidad es del orden de + / -0,1% para una linealidad de + / -1,0% o mejor. Una lectura en una medición del medidor de turbina se ve afectada por la turbulencia del flujo, la desviación de la lecturapuede ser positiva. En estos caudalimetros es recomendable mantener un flujo laminar.

Sistema de reluctanciaEn este sistema existe un imán montado en una bobina captadora exterior, el movimiento de cada pala del rotor dentro del campo magnético del imán hace que la reluctancia del circuito varíe, esta variación hace que el flujo magnético cambie induciendo en la bobina captadora un corriente alterna que es proporcional al giro de la turbina.

Sistema de inductanciaEn este sistema el rotor tiene incorporado un imán permanente, el cambio magnético giratorio que se produce induce una corriente alterna en una bobina captadora exterior.

Limitaciones

El medidor de turbina está limitado por la viscosidad del fluido, debido al cambio que se produce en la velocidad del perfil del fluido a través de la tubería cuando aumenta la viscosidad. Como sabemos el fluido se mueve más lentamente en las paredes, haciendo que los extremos de las aspas no giren a mayor velocidad.

Existen formas de “fricción” que retardan el movimiento rotacional del rotor de la turbina. Estos son: el arrastre magnético ocasionado por la fuerza electromagnética de los transductores Pick-up y el arrastre mecánico debido a la fricción de las mangas de los ejes.

Precisión La precisión es del orden del 0,3%. La máxima precisión se obtiene con un régimen laminar instalando el instrumento.

2. MEDIDORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Generalidades

Los medidores por desplazamiento positivo operan atrapando un volumen unitario y conocido de líquido (Vu), desplazándolo desde la entrada hasta la salida, y contando el número de volúmenes desplazados (N) en un tiempo determinado (t).

Q=Vu× Nt

La lectura se realiza por medio de un sistema de transmisión mecánica desde el interior del contador hasta el exterior, en cuyo final se encuentra un conjunto de engranajes que hacen mover un contador totalizador de caudal.

En el diagrama 1 se tiene atrapado un volumen M conocido, en el diagrama 2 el volumen M empieza a ser desplazado, y en el diagrama 3 el volumen M sale del sistema.

Descripción

Los caudalimetros de desplazamiento positivo tienen tres componentes básicos: la carcasa externa, unidad de medida y el dispositivo contador, pero los diseños de este tipo de medidores varían ampliamente. Los diseños de medidores de desplazamiento positivopara líquidosson generalmente diferentes de los diseños de medidores para gas.

Casi todos los medidores de desplazamiento positivo absorben una cantidad muy pequeña de energía para superar las fricciones internas. Estos caudalimetros son los únicos que no requieren electricidad ya que poseen un indicador mecánico de flujo y flujo totalizado.La mayoría de medidores de desplazamiento positivo utilizan un tren de engranaje mecánico que es impulsado por un eje, que requiere de sellos o de una glándula de

M

empaque para evitar fugas del líquido que fluye. Los mecanismos de pick-up varían ampliamente y son electromagnéticos, magnéticos, mecánicos, electromecánicos, fotoeléctricos, o una combinación de estos.El medidor de caudal está formado por un mecanismo de desplazamiento y una cámara de medición. Los principales diseños de este tipo de instrumentos son: El pistónoscilante, el pistón convencional, medidor rotativo y de paredes deformables.El mecanismo contador recibe el movimiento interno de la unidad de medida para ser convertido en una señal de salida utilizable.

Los caudalimetros de líquido están disponibles en tamaños que van desde una fracción de pulgada a 16 pulgadas. La mayoría de los medidores funcionan en un rango de caudal de gran tamaño. En los caudalimetros de flujo líquido, la acción capilar de los productos medidos forma el sello de líquido entre las partes móviles y fijas. Los medidores están diseñados para tolerancias muy ajustadas, por lo que el flujo de líquido debe ser muy limpio, por esta razón se hace necesario instalar filtros en la entrada de los dispositivos y más metros PD requieren filtros de partículas, si se espera que en el flujo. Las propiedades viscosas del flujo sellan la tolerancia a través de la acción capilar, por lo que el aumento de viscosidad extiende los límites de rango significativamente, pero también aumenta la caída de presión resultando en el desgaste de las partes y más fugas a través de las juntas capilares.

En el flujo de gases se utilizan los diafragmas y los fuelles. Estos sistemas generalmente son utilizados en aplicaciones de baja presión, para aplicaciones de alta presión se utilizan sistemas de doble fuelle.

La mayoría de caudalimetros de desplazamiento positivo no responden inmediatamente a los cambios de caudal. Los cambios grandes de caudal pueden dañar el sistema de movimiento y detener el dispositivo.

Los caudalimetros de desplazamiento positivo para líquidos generalmente tienen una linealidad de ± 0,25% y una repetibilidad de ± 0,02%, mientras que los medidores de gas tienen una linealidad de ± 2% y una repetibilidad de ±0,5%.

Principio de funcionamiento:

El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Esta disminución de volumen es llevada a cabo por un embolo o un rotor.Para explicar el principio de desplazamiento positivo, debemos suponer que tenemos un cilindro (fig.) con un fluido a la presión p dentro del cual se mueve uniformemente un embolo con velocidad v. Tanto el cilindro como el embolo son indeformables y el fluido es incompresible. La fuerza F mueve el embolo, este último al moverse desplaza al fluido a través del orificio de la gráfica. Si el embolo recorre un espacio l hacia la izquierda el volumen ocupado por el líquido se reducirá en un valor igual a A . l, donde A es el área transversal del embolo. Debido a que el fluido es incompresible, el volumen que sale por el orificio será tambiénA . l. El tiempo t empleado en recorrer la distancia l es

t= lv

El caudal Q, será igual a:

Q= Alt

Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas, Claudio Mataix, segunda edición, pág. 554

2.1 Medidor de disco oscilante

Este instrumento consta de una cámara circular con un disco plano móvil dotado de una ranura en la que esta intercalada una placa fija. Esta placa se encarga de separar la entrada y la salida y de evitar el giro del disco durante el paso del fluido. La cara baja del disco está siempre en contacto con la parte inferior de la cámara en el lado opuesto, debido a esto la cámara está dividida en dos partes de volúmenes conocidos.

Con el paso del fluido, el disco toma un movimiento similar al de un trompo caído de modo que cada punto de su circunferencia exterior sube y baja alternativamente estableciendo contacto con las paredes de la cámara desde su parte inferior a la superior. Este movimiento se transmite mediante el eje del disco a un tren de engranajes y este último movimiento es trasmitido a un registrador o a un trasmisor de pulsosSe utiliza generalmente en la medición de caudales de agua fría, agua caliente, aceite y líquidos alimenticios. El caudal máximo es de 600L/min y es utilizado para tuberías con diámetro pequeño.Precisión: ±1-2%

2.2 Medidor de pistón oscilante

Está compuesto por un cilindro con una placa divisora que separa los orificios de entrada y salida. Un pistón cilíndrico oscila suavemente en un movimiento circular entre las dos caras planas de la cámara y que tiene una ranura que desliza en la placa divisora fija que hace de guía del movimiento oscilante. El eje del pistón al girar, transmite su movimiento a un tren de engranajes y a un contador. El par disponible es elevado de modo que el instrumento puede accionar los accesorios mecánicos que sean necesarios.

La precisión normal es de ±1% pudiéndose llegar a ±0,2% con pistónmetálico y ±0,5% con ppiston sintético, dentro de un margende caudal de 5:1. Se fabrican para tamaños de tubería hasta de 2” con caudales máximos de 600 l/min.

2.3 Medidor de pistón alternativo

Este instrumento es el más antiguo de los caudalimetros de desplazamiento positivo.Puede estar compuesto por varios pistones, pistones de doble acción, válvulas rotativas o por válvulas deslizantes horizontales. Este tipo de instrumento puede alcanzar una precisión del 0,2%, pero tiene la desventaja de tener un alto costo inicial, da una pérdida de carga alta y es difícil de reparar.

2.4 Medidores rotativos

Estos caudalimetros se usan comúnmente en la medida de crudos y gasolina con intervalos de medida que van de unos pocos l/min de líquidos limpios de baja viscosidad hasta 64000l/min de crudos viscosos.

Medidores rotativos cicloidales

Están compuestos por dos lóbulos del tipo Root engranados entre si que giran en direcciones opuestas manteniendo una posición relativa fija y desplazando un volumen fijo de fluido cada revolución. Estos caudalimetros están disponibles en tamaños de 2 a 24 pulgadas y con caudales de líquidos de 30 a 66500 l/min. Poseen una precisión de ±1%. Una de sus desventajas es la disminución de su precisión para caudales bajos debido a los huelgos que hay entre los lóbulos.

Medidores rotativos de sistema birrotor

Son utilizados en la industria petrolera. Consisten en dos rotores sin contacto mecánico entre sí, que están equilibrados estática y dinámicamente, apoyados en rodamientos de bola inoxidable que giran como las únicas partes móviles de la cámara de medida.Están disponibles en tamaños que varían de 3 a 12 pulgadas, con una precisión de ±0,2%, con una pérdida de carga de 5 psi y con una margen de caudal de 5 a 1.Ventajas

Vida útil larga y fácil mantenimiento Puede trabajar a bajas presiones diferenciales del orden de 1 pulg3 de agua. Son reversibles Admiten sobrevelocidades esporádicas No requieren filtros. Permiten desmontar fácilmente la unidad de medida sin necesidad de

desmontar el conjunto completo. Su calibración es sencilla mientras el instrumento este bajo presión y sin

pérdida de líquido.

Medidores ovales

Estos caudalimetros constan de dos engranajes ovales que engranan entre si y que giran debido a la presión diferencial creada por el líquido. La acción del fluido actúa alternativamente sobre cada uno de los óvalos, ocasionando un giro suave de un par casi constante. El instrumento se basa en la medición del volumen (por medio del efecto hall o un sensor reedswitc) que queda alojado en la cámara en cada media revolución de giro. Las mediciones de este tipo de instrumentos son prácticamente independientes de la viscosidad y la densidad del fluido gracias a que todas sus partes internas están mecanizadas con gran precisión para conseguir un deslizamiento mínimo entre las partes, sin formación de bolsas o espacios muertos en la cámara de medida.

Estos instrumentos poseen un amplio rango de medición y admiten una gran variedad de líquidos como solventes livianos, grasas, aceites, combustibles y hasta aceites pesados.Tienen una precisión de ±0,5 %.

En los medidores ovales es recomendable tener instalado un filtro a la entrada, ya que solidos de un tamaño mayor al recomendado pueden atascar el instrumento, con la consecuencia de bloquear totalmente la circulación del fluido.

Ventajas de los medidores de desplazamiento positivo

Buena exactitud y amplio rango de medida Muy buena repetibilidad Toleran altas viscosidades Lectura local directa en unidades de volumen No necesita alimentación eléctrica Amplio rango de caudal

Desventajas de los medidores de desplazamiento positivo

Alto costo. No apto para fluidos sucios. Las partes móviles tienen muy poca tolerancia, debido a esto están expuestas a

bloqueos. Limitan el caudal de paso a través del sistema Pueden averiarse por sobrevelocidad

3. Rotámetros

Medidores de caudal de área variable en los que los flotadores cambian su posición dentro de un tubo, proporcional al flujo del fluido. Las fuerzas que actúan son:

En condiciones de equilibrio:

Resolviendo las ecuaciones anteriores:

Cd depende de la viscosidad del fluido.

La expresión final es:

Los cálculos se normalizan cambiando los caudales de líquido y vapor en sus equivalentes en agua y aire. Se usan:

Caudal de líquido:

Caudal equivalente en agua:

(Densidad flotador: 8.04)

Y finalmente:

Para el aire:

Y en el caso del vapor:

Donde vg es volumen especifico de vapor de agua y Q de vapor es caudal másico.

Con los caudales se calculan los rotámetros entrando en las tablas del fabricante.

Estas dan el tamaño y numero del tubo, y el del flotador con forma y peso.

Los tubos del rotámetro pueden ser de vidrio o metálicos. Pueden ser con nervios interiores para guiar el flotador o lisos. La conicidad es la relación entre el diámetro interior del tubo y el diámetro de la cabeza del flotador. Esta varía de 1.20 a 1.35.

Algunos perfiles de construcción son:

- Esférico (pos 1.) para caudales bajos y poca precisión, con influencia considerable de la viscosidad del fluido.

- Cilíndrico con borde plano (pos 2.) para caudales medios a elevados con influencia media de la viscosidad del fluido.

- Cilíndrico con borde saliente, de cara inclinada contra el flujo (pos 3.) con menor influencia de la viscosidad que, por sus características de caudal se compara con una tobera.

- Cilíndrico con borde saliente contra el flujo (pos 4.) y con la mínima influencia de la viscosidad del fluido, que por su funcionamiento, puede compararse a una placa de orifico o diafragma.

Esta figura indica la influencia de la viscosidad sobre el coeficiente de descarga del rotámetro. El material más empleado es acero inoxidable 316 para satisfacer los requerimientos de corrosión. También se usan de plástico.

En las siguientes tablas se usan las densidades de los materiales más comunes empleados en los flotadores normales y esféricos.

Las escalas de los rotámetros están grabadas en latón o aluminio montada a lo largo del tubo y situada en coincidencia con la línea de cero del tubo. La escala puede estar graduada en unidades de caudal o en porcentaje de 10-100% de la escala total. En este caso se añade un factor de multiplicación a la escala para convertir a caudal o peso de fluido. Otra forma de graduar la escala es en mm acompañada de una curve de calibración caudal-lectura en mm para determinar el caudal de fluido. LA curva de calibración se emplea en rotámetros de baja capacidad en los cuales el caudal no es lineal dentro del intervalo del campo de medida de 10 a 1. La amplitud de medida de los rotámetros es de 10 a 1.

LA perdida de carga es constante a lo largo del rotámetro y puede hacerse muy baja mediante una adecuada forma de este. La pérdida de carga se puede determinar de:

Gt= peso del flotador;

Vf= volumen del flotador;

D1=densidad del fluido;

Af= Sección transversal máxima del flotador.

A esta pérdida de carga se suma la presente en el tubo y uniones para obtener la total. El valor aproximado de esta es el doble de la del flotador.

El caudal del rotámetro depende de la densidad del fluido y el flotador. Si cambian las condiciones de empleo de un rotámetro es necesario aplicar factores de corrección al caudal leído. El cálculo es como viene:

Factor en un líquido:

Factor en un gas

En las que Q1 son las condiciones de calibración y Q2 las de servicio.

Si se aprecian los cambios en la temperatura y por ende densidad:

Factor en un líquido:

En un gas la densidad varía inversamente con la temperatura absoluta:

Factor en un gas:

Expresado en volumen.

Variación en la presión:

En un líquido no influye por ser incompresible. En los gases la densidad varía con presión:

Así al tener en cuenta las variaciones simultaneas de presión, densidad y temperatura:

Las variaciones de viscosidad deben tenerse en cuanta, relacionadas con el número de Reynolds. Entre más alto su valor menor dependencia de la viscosidad se tiene.

Este número de Reynolds se manifiesta en el espacio anular comprendido entre el flotador y la pared del tubo. Así, se desprecia la influencia de la viscosidad en gases debido al alto número de Reynolds. En líquidos un adecuado diseño del flotador evita tener en cuenta los efectos de la fuerza viscosa.

En la figura cuatro veintidós se ilustran distintos flotadores de peso y densidad que se relacionan a diferentes curvas de viscosidad.

La curva del flotador 4 es casi plana, de tal forma que se usan siempre que los efectos de viscosidad sean apreciables.

La simulación hidráulica para obtener las curvas de corrección de la viscosidad se basa en usar un aceite con características conocidas. (Viscosidad, temperatura y densidad) y suponer una densidad (correspondiente a una temperatura dada) para el fluido cuyas curvas de viscosidad desean determinarse. Se verifica la ecuación

En las que las condiciones 1 son del aceite y las de 2 del fluido simulado.

Esta expresión permite calcular la viscosidad del fluido simulado 2. El mayor problema en las calibraciones de viscosidad es la obtención de las curvas correctas de temperatura-viscosidad, de modo que los datos conocidos de la viscosidad se corresponden con las temperaturas de trabajo de la planta.

La calibración se consigue manteniendo constante el paso del caudal a través del rotámetro y midiendo la cantidad de líquido o de gas recogido en un tiempo dado. En los líquidos se mide volumen con buretas o basculas mientras que en los gases se usan gasómetros y calibradores, graduados con sello de mercurio. Para medir el tiempo se emplean cronómetros capaces de medir 0.01 segundos como mínimo.

Según la aplicación, los rotámetros pueden dividirse en rotámetros de purga, de indicación directa para usos generales y armados con indicación magnética y transmisión neumática y electrónica.

Los rotámetros de purga se usan para caudales muy pequeños. Algunas de sus aplicaciones típicas son la purga hidráulica de los sellos mecánicos de las bombas generales de la planta. La medición del nivel de burbujeo, la purga de elementos de presión diferencial para la medida de caudal evitando la obturación de las tuberías y la purga de instrumentos que trabajan en atmósferas corrosivas o polvorientas.

Los rotámetros de vidrio pueden adoptar varias disposiciones: llevar placas laterales, estar cerrados con cuatro placas en la ventana de cristal para ver el tubo; disponer de armadura de seguridad o blindada de cierre estanco para evitar que en caso de rotura del tubo el gas o el liquido interiores pueden dañar al operador; disponer de armadura anti-hielo con gel de sílice para evitar la presencia de humedad en el espacio entre la armadura y el tubo que podría impedir la visibilidad del flotador.

Estos se usan también como rotámetros bypass conectadas a una placa de orificio. Se mide el caudal de fluido que circula de la toma de alta presión a la baja en vez de la presión diferencial. El rotámetro determina un caudal proporcional linealmente al principal de paso por la tubería de bypass. Existe una graduación hasta 100% en donde este valor corresponde al caudal que pasa en el orificio con un 100% de presión diferencial. Como el rotámetro mide caudal y no presión diferencial la escala de medida es lineal y no raíz cuadrada como seria de suponerse siendo el elemento de medida un diafragma.

Existen transmisores neumáticos y transductores eléctricos acoplados a rotámetros. Estos últimos pueden ser potencio métrico o puente de impedancias.

El intervalo de medida de los rotámetros es de 1-10 (relación caudal mínimo a máximo) con una escala lineal. Su precisión es del 2% de toda la escala cuando esta sin calibrar y del 1% con calibración. Los rotámetros son adecuados para la medida de pequeños caudales llegando a límites mínimos de 0.1 cc/ minuto En agua y 1cc/minuto en aire. El valor máximo que pueden alcanzar es de 3.5 m3/min En agua y de 30 m3/min En aire. Pueden usarse en la medida de mayores caudales montándose como rotámetros bypass en la tubería.

BIBLIOGRAFÍA

• Saleh, Jamal. Manual de flujo de fluidos. Nueva York, NY, EE.UU.: Editorial McGraw-Hill Professional, 2002. p 420, 431, 432, 433.

• Acedo Sánchez, José. Control Avanzado De Procesos. Teoría y práctica., España: Ediciones Díaz de Santos, 2004. p 6.

• Antonio Creus Solé. Instrumentación industrial. México: Grupo editor Alfaomega, 1998. p