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Jul 17, 2023

Desmitificando la turbulencia de fluidos, la velocidad y la medición de flujo

Una de las preguntas filosóficas de larga data sobre la vida es si la luz de un frigorífico se apaga cuando se cierra la puerta. Para los ingenieros de procesos, una pregunta aún más profunda se relaciona con saber qué

Una de las preguntas filosóficas de larga data sobre la vida es si la luz de un frigorífico se apaga cuando se cierra la puerta. Para los ingenieros de procesos, una cuestión aún más profunda se relaciona con saber qué sucede dentro de las tuberías. Al igual que el frigorífico, es difícil ver el interior y determinar la respuesta. El comportamiento de los fluidos a medida que fluyen de un lugar a otro ha causado mucha consternación y sigue siendo un misterio para muchos.

Es fácil imaginar que el líquido fluye a través de una tubería como una columna uniforme, pero sabemos que es todo lo contrario. Las características o características de las tuberías provocan una variedad de velocidades a través de la tubería. La fuente principal es la fricción. Si bien puede parecer que no hay mucha resistencia al flujo, es una consideración importante. Incluso en tuberías rectas con interior liso, el líquido más cercano a la pared se mueve más lento porque roza contra la pared de la tubería. La siguiente capa es ralentizada por la más externa, y así sucesivamente. Como resultado, el líquido en el centro de la tubería se mueve más rápido (Figura 1). Esta es una descripción del flujo laminar, donde se mantienen distintas capas. En condiciones de flujo turbulento, que ocurren a velocidades más altas, los vórtices y remolinos causan la mezcla de estas capas a medida que el fluido desciende por la tubería. Si hablamos de la velocidad del fluido en una tubería, estamos describiendo un promedio como si se moviera como una columna perfectamente uniforme, pero no es así.

El flujo laminar es más eficiente desde el punto de vista de la pura pérdida de energía; sin embargo, este no es un régimen de flujo que pueda mantenerse de manera realista en las tuberías de proceso, ya que los tamaños de las líneas tendrían que ser muy grandes en comparación con el flujo. El flujo turbulento se encuentra en todos los flujos de fluidos excepto en los más viscosos. El flujo turbulento resultante de velocidades de flujo más altas no debe confundirse con perturbaciones del flujo que agregan un gradiente de velocidad al flujo. Estos pueden deberse a configuraciones de tuberías, como codos y válvulas.

Figura 1: El flujo laminar es en realidad una distribución de velocidad, con el fluido que se mueve más rápido en el centro.

Las perturbaciones de flujo son inherentes a los sistemas de tuberías debido a la necesidad de cambiar de dirección (codos), controlar el flujo (válvulas) y tomar medidas (termopozos), entre otras cosas. El diseño adecuado y el reconocimiento de estas perturbaciones son fundamentales para garantizar que el proceso general funcione según las expectativas. Las perturbaciones pueden tener muchas fuentes en las tuberías:

Hay muchas ecuaciones para calcular todo tipo de valores relacionados con el flujo y las tuberías, que ahora se utilizan principalmente para torturar a los estudiantes de ingeniería, ya que las herramientas de software de instrumentación y modelado ahora manejan la mayoría de estas tareas. En el mundo real, el objetivo generalmente es minimizar las perturbaciones del flujo, lo que significa evitar la creación de fuentes de ellas siempre que sea posible. Algunos dispositivos son particularmente sensibles a las turbulencias, como la entrada de una bomba centrífuga, muchos tipos de boquillas pulverizadoras y la mayoría de los tipos de caudalímetros. La solución para todos estos problemas es requerir una cierta longitud de tubería recta (a menudo junto con un enderezador de flujo) delante y, a veces, después del dispositivo. Pensemos en cómo funciona esto.

Sin entrar demasiado en matemáticas, dos variables principales que afectan los regímenes de flujo son el diámetro de la tubería y la velocidad del fluido. El aspecto del diámetro de la tubería no es difícil de conceptualizar. A medida que aumenta el diámetro de la columna de líquido, también aumenta la complejidad del perfil de velocidad, razón por la cual los requisitos de tubería recta se expresan en términos de diámetros de tubería.

La velocidad del fluido también es un factor, pero generalmente se asume en gran medida. Cuanto más lento se mueve el líquido a través de una tubería, más drástico será el perfil del flujo. Nuevamente, esto no es difícil de conceptualizar: el líquido que se mueve lentamente crea menos turbulencia, lo que permite una mayor disparidad entre la velocidad del fluido cerca de la pared de la tubería en comparación con el centro de la tubería. La velocidad tiende a omitirse en estas discusiones porque normalmente cae dentro de las pautas sobre los diámetros de tubería necesarios para manejar volúmenes de flujo basados ​​en la velocidad. Una regla general para líquidos exige una velocidad inferior a 7 pies por segundo (fps) para tuberías de tamaño mediano. Los diámetros más pequeños, como los de menos de 1 pulgada de diámetro, necesitan una velocidad menor.

En consecuencia, muchas de las recomendaciones de longitud de tubería recta suponen una velocidad de flujo dentro de estas pautas. Sin embargo, en los últimos años, los diseñadores de plantas han superado estos límites en un esfuerzo por reducir costos. Por ejemplo, si se dimensiona una tubería para manejar un flujo de 200 galones por minuto (gpm), una tubería de 4 pulgadas proporcionaría una velocidad de aproximadamente 5,0 fps y una caída de presión de apenas 1 libra por pulgada cuadrada (psi) en una distancia de 100 pies. El diseñador podría intentar ahorrar algo de costo reduciendo la tubería a 3 pulgadas, pero la velocidad aumentará significativamente a aproximadamente 8.7 fps y la presión caerá casi 4 psi en 100 pies.

La cuestión de si seguir o no este enfoque se reducirá a los mayores costos de bombeo esperados y al posible mayor desgaste de las tuberías debido a la mayor velocidad.

Para los propósitos de esta discusión, limitaremos el análisis a medidores de flujo de presión diferencial (DP), aunque esto no es una limitación importante ya que DP sigue siendo la tecnología más común. Existen numerosas variaciones del concepto, pero en su implementación más básica, se inserta un orificio con un diámetro de orificio más pequeño que el diámetro de la tubería entre bridas. Cuando el fluido fluye a través de la restricción, provoca una caída de presión que puede medirse con un transmisor DP (Figura 2).

Figura 2: Un medidor de flujo DP básico puede tomar mediciones de presión en una variedad de ubicaciones.

La ubicación de los grifos en relación con la vena contracta determinará el cálculo exacto utilizado. Las tomas de presión pueden ubicarse a diferentes distancias de la placa de orificio (u otro elemento primario), lo que afecta la presión diferencial detectada por el transmisor DP. En cualquier caso, el caudal será proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial.

Una de las razones por las que DP es tan popular para medir el flujo es su simplicidad. Los usuarios han creado innumerables instalaciones con todas las configuraciones imaginables porque todas funcionan y se pueden adaptar a necesidades específicas. La exactitud y precisión de una instalación de bricolaje dependen del constructor, pero siempre que los usuarios comprendan las peculiaridades de una instalación determinada, este es un buen enfoque.

Este no es el caso de un medidor de flujo DP fabricado comercialmente. Un usuario que desea un medidor de flujo lo compra con la expectativa de que pueda ofrecer el tipo de rendimiento descrito en el catálogo. Si las especificaciones prometen una precisión de ±1 por ciento con una relación de reducción de 10 a 1, tiene que poder ofrecer ese rendimiento, siempre que el usuario cumpla con requisitos de instalación razonables.

Es probable que tales requisitos requieran una longitud mínima de tubería recta y lisa aguas arriba y aguas abajo del elemento primario. La longitud real variará de un diseño a otro. Los requisitos aguas arriba pueden ser tan bajos como cero, pero a menudo son de 20 diámetros e incluso más. La longitud de la tubería aguas abajo suele ser de un tercio a la mitad de la longitud aguas arriba.

Un perfil de flujo perturbado es un problema para la lectura de DP real. Los grifos se colocan en lugares críticos donde el flujo tiene características conocidas. Puede que sea turbulento, pero como era de esperar, es turbulento. Si el flujo tiene características que los diseñadores del medidor de flujo no anticiparon, como colocar una válvula de globo a solo unos pocos diámetros de tubería del elemento primario, la señal DP podría ser muy errática o cambiar el perfil de flujo lo suficiente como para cambiar la lectura mucho más allá de lo normal. tolerancia.

El rango de velocidad está implícito en el rango de medición del caudalímetro. Por ejemplo, un medidor de flujo diseñado para una tubería de 2 pulgadas probablemente no se extenderá más allá de los 100 gpm y puede alcanzar un máximo incluso menor dadas las velocidades necesarias para mover esa cantidad de líquido a través de una tubería de 2 pulgadas. En el otro extremo, también se requerirá un flujo mínimo para crear una caída de presión lo suficientemente alta a través del elemento primario para generar una señal DP utilizable.

A veces, encontrar el espacio necesario para una longitud de tubería recta puede ser un problema. Por ejemplo, el medidor de flujo de orificio integral Rosemount™ 3051SFP de Emerson (Figura 3) utiliza un elemento primario de orificio único convencional y está construido como un conjunto completo. La unidad dimensionada para una tubería de 1 pulgada incluye una tubería recta en ambas direcciones con una longitud total de casi 30 pulgadas, por lo que la tubería recta requerida está integrada en el diseño. Pero ¿qué pasa si el medidor de flujo tiene que instalarse en un lugar donde tanta tubería recta simplemente no es práctico, por ejemplo, dentro de una unidad patín donde el espacio es escaso?

Figura 3: Algunos medidores de flujo, como el Rosemount 3051SFP, se construyen con secciones de tubería rectas como parte del diseño.

El instalador podría verse tentado a cortar la tubería y ver qué sucede. El efecto probable será difícil de predecir con exactitud, pero probablemente implicará cierta pérdida de precisión, que podría ser tolerable según la aplicación.

Una mejor solución es cambiar la naturaleza del elemento primario para minimizar el efecto de una perturbación del flujo. Reemplazar un orificio grande por cuatro más pequeños (Figura 4), que se denominan orificios acondicionadores, puede causar la misma caída de presión y brindar la misma precisión de medición, pero sin la misma necesidad de una longitud de tubería recta. Naturalmente, esto tiene el costo del paso libre, lo que aumenta ligeramente el potencial de obstrucción, pero al menos ofrece otro mecanismo para resolver un difícil enigma de aplicación.

Figura 4: El uso de un orificio acondicionador puede reducir la necesidad de una longitud de tubería recta.

La capacidad de resolver desafíos de aplicaciones específicas depende de tener las herramientas adecuadas capaces de optimizar las compensaciones cuando sea necesario. Un medidor de flujo preciso y eficaz requiere un elemento primario construido con precisión combinado con un transmisor DP preciso y estable equipado con electrónica de alto rendimiento. Este emparejamiento crítico es el corazón de la medición y es el lugar donde comienzan la precisión y la confiabilidad.

Sobre el Autor

Dan Cychosz es gerente global de productos de flujo DP para Emerson Automation Solutions en Boulder, CO, y responsable de los medidores de flujo DP Rosemount. Tiene una licenciatura en ingeniería química de la Universidad Estatal de Iowa. Antes de unirse a Emerson, pasó un tiempo en la industria química en un puesto de ventas técnicas.

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