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Guia de especificaciones técnicas

ELEMENTOS PRIMARIOS DE FLUJO

 I INFORMACION TECNICA

La medición exacta del flujo de fluídos (gases y líquidos), en tuberías y ductos. es de principal importancia en las modernas industrias de proceso. Sin conocer exactamente esta variable, no sería posible realizar los complejos procesos de producción de las industrias químicas, siderúrgicas, criogénicas, del petróleo, de generación de vapor y, en general, de todas las que involucran flujos de fluídos. En esta información, hablando de flujo, nos referimos al "Flujo Instantáneo", o sea a la cantidad de fluído que está pasando en una determinada sección en la unidad de tiempo (por ejemplo: en un segundo o en un minuto).

Para efectuar esta medición, existen varios métodos que utilizan propiedades mecánicas, eléctricas y magnéticas de los fluídos. En esta información, nos referimos exclusivamente a la medición de flujo basada en los fenómenos que acompañan el movimiento de un fluído en una línea cerrada que tiene una restricción en una sección.

Consideremos el flujo constante de un fluído en una línea de sección transversal uniforme en la cual se haya colocado una restricción como indicado en la Sección 2

Dado que el flujo es constante, el mismo número de moléculas de fluído debe pasar por todas las sec­ciones del tubo en la unidad de tiempo. Entonces, las moléculas deben movérse con mayor veloci­dad en la Sección 2 que en la Sección 1.  A este aumento de velocidad correspondiente un aumento de energía cinética. Dado que la cantidad de energía total del fluído es constante, a este aumento de energía cinética, debe corresponder una disminución de energía en alguna otra forma. En los casos prácticos de flujo industrial, esta disminución de energía se presenta en forma de disminución de presión estática.

La disminución de presión estática entre las Secciones 1 y 2 se denomina "Presión Diferencial". En la Sección 3 de la restricción, si no se consideran los efectos de la fricción, las condiciones de flujo regresan a sus valores originales.

Por medio de la aplicación de fórmulas matemáticas derivadas de los principios fisicos que rigen el flujo de fluídos e introduciendo todos los parametros característicos del caso específico que se con­sidera, se puede deducir de la Presión Diferencial el Flujo Instantáneo.

La ecuación básica para calcular el flujo, conociendo la Presión Diferencial, se puede expresar, en su forma más sencilla. .           .                                                                      

Q   Flujo
h. = Presión Diferencial
K = Constante que es el producto de una serie de factores relacionados con los parámetros específicos de cada caso. (Geometría del sistema, tipo de fluído, condiciones de flujo, tipo de medidor, etc.).

La Presión Diferencial generada por la restricción es transmitida a un instrumento que la elabora y la convierte directamente en unidades de flujo.

Este es el principio sobre el cual se basan los Medidores de Flujo que utilizan una restricción en la línea para generar una Presión Diferencial.
A la restricción qué genera la Presión Diferencial se le denomina ELEMENTO PRIMARIO DE FLUJO.

ELEMENTOS PRIMARIOS DE FLUJO

Los elementos primarios de flujo del tipo descrito, que tienen mayor aplicación en la industria son: La Placa Orificio, el Tubo Venturi y la Tobera de Flujo, con todas sus variantes.

La decisión de cuál utilizar en cada caso específico depende de varios factores:

• Características del Fluído: Estado, densidad, gravedad específica, viscosidad.
• Variables de Flujo: Flujo máximo, presión, temperatura, velocidad.
• Geometría del Sistema: Dimensiones de la línea, localización del elemento primario.
• Medidor Utilizado: Tipo del medidor, rango de presión diferencial.

PLACA DE ORIFICIO CONCENTRICA CON ESQUINAS RECTAS

 Es el elemento primario que, por su bajo costo, debería tener prioridad, todas las veces que es compatible con el sistema. Está constituído por un disco metálico pulido a espejo, de espe­sor relativamente pequeño.  El diámetro exterior es tal que la Placa pueda montarse entre los tornillos de la Brida Porta-Placa.

Tiene una oreja, con los datos de flujo grabados, que, en el mon­taje, sobresale de la Brida.
La restricción, que se denomina "Orificio", es circular y concén­trica con el diámetro exterior. El orificio es maquinado recto, sin chaflanes. El diámetro del orificio se identifica en general con la letra "d" y la relación d/D, donde D es el diámetro interior de la línea, se denomina "Relación Beta".

PLACA DE ORIFICIO EXCENTRICA

En este tipo de Placa, el orificio es excéntrico respecto al diáme­tro exterior. Se usa especialmente para fluídos que tienen sólidos en suspen­sión. Se instala en forma tal, que el bordo inferior del orificio sea tangente con la superficie inferior del tubo.

En esta forma, se evita acumulación de sólidos en el lado de en­trada de la Placa.

PLACA DE ORIFICIO SEGMENTAL

En este tipo de Placa, el orificio está constituído por un segmen­to de círculo y es montada en forma tal, que la parte circular del segmento coincida con la superficie interior del tubo.
Este tipo es apropiado para flujos de gases y líquidos que contie­nen muchos sólidos porque previene la acumulación de sólidos en el lado de entrada.

Para tratar de balancear los efectos de las variaciones de velocidad y viscosidad en las mediciones con bajo número de Reynolds, se han desarrollado varios perfiles especiales de orificio que minimizan es­tos efectos:

INSTALACION DE PLACAS ORIFICIO

Después de la restricción representada por el orificio, normalmente el área de la corriente de fluído sigue disminuyendo hasta un valor mínimo y luego vuelve a aumentar, hasta alcanzar nuevamente el área total del tubo.  La sección donde el área de la corriente tiene su valor mínimo se denomina "Vena Contracta", Este es el punto que genera la máxima presión diferencial.  De esto, se deduce la importancia de la localización de las tomas de presión diferencial (taps), res­pecto a la placa.
Los métodos utilizados más frecuentemente para localizar las tomas de presión diferencial en placas orificios son:

TOMAS DE BRIDA

Las tomas de presión diferencial están localizadas a 1" de distan­cia, antes y después de las caras de la Placa Orificio.  Es aplicable a tuberías de 2" diámetro y mayores.  Como las tomas son colocadas por el mismo fabricante de las bridas, este sistema elimina posibles errores de localización en el campo.  Es el método mayormente utilizado.

TOMAS DE ESQUINA

Las tomas de presión diferencial están localizadas directamente e inmediatamente antes y después de las caras de la Placa Orificio  Se utilizan en tuberías con diámetro menor de 2".

TOMAS DE VENA CONTRACTA

Las tomas de presión diferenciai están localizadas, la de alta presión a una distancia igual a 1 diámetro de tubería y la de baja presión en el punto de mínima presión estática, o sea en la sec­ción de "Vena Contracta".

Esta localización genera el máximo de presión diferencial. Tiene el inconveniente que las tomas se localizan en el campo con con­siguiente posibilidad de errores. Es bastante usada en mediciones de flujo de vapor.  Los taladros de las tomas de presión diferencial deben tener superficies lisas, ser ligeramente redon­deados en los extremos y ser rectos desde la entrada por una longuitud no inferior a 2-1/2 veces el diámetro de la toma.  La Placa orificio debe ser instalada en forma tal que la cara de la oreja, grabada con los datos, mire hacia el lado antes de la Placa Orificio, respecto al flujo.  Esto asegura que el perfil del orificio quede en el lado correcto.  Además, la oreja debe ser alineada con las tomas de presión.

TUBO DE MEDICION

Para el máximo de precisión en la medición del flujo con Placas Orificios, son disponibles Tubos de Medición, completamente prefabricados, hechos de tubos seleccionados, con bridas y tomas de pre­sión exactamente instaladas.  Estos Tubos de Medición tienen la ventaja de ser fabricados por personal especializado, en talleres bien equipados, así que los resultados son en general, más satisfactorios y, a la larga, más económi­cos de los que se obtienen con la fabricación en el campo.  El Tubo de Medición tiene una longitud mínima igual a 10 diámetros antes de la Placa Orificio y 5 diámetros después.

TUBO VENTURI

El Tubo Venturi clásico consiste en un breve tramo de tubo recto de entrada, unido, con un radio, a un cono truncado con un ángulo de 19° a 23°.  Este cono de entrada está, a su vez, unido, a través de un radio, a una sección cilíndrica de diámetro menor del tubo recto de entrada.  Esta sección es la restricción del Tubo Venturi y es denominada "Garganta".  A la garganta sigue, através de un radio, el cono difusor de salida, con un ángulo de 5° a 15°.
En algunos casos, después del cono de salida, se coloca un tramo recto del tubo.  Donde existe problema de espacio o por razones de economía, se puede conectar directamente el cono de salida a la línea.
Las tomas de presión diferencial están localizadas: las de alta presión en el tramo recto de entrada y las de baja presión en el centro de la garganta.  En algunos casos, con el objeto de promediar las presiones, las tomas son varias, distribuídas en el mismo diámetro y unidas con un anillo que se denomina "Anillo Piezométrico".

El Tubo Ventura se instala en la línea por medio de bridas o soldado.

Este elemento primario de flujo tiene ventajas y desventajas respecto a la Placa Orificio:

Ventajas:

• Menor pérdida de presión permanente.
• Tomas integrales.
• Requiere menor longitud de tubo recto a la entrada.
• No está sujeto a obstrucciones por sólidos suspendidos en el fluído.
• Sé puede usar en una tubería que no tiene bridas.
• Su coeficiente de descarga es bien conocido.

Desventajas:

• Es el elemento primario de mayor costo.
• Es el de mayor peso y dimensiones.

Las características arriba descritas hacen que el Tubo Venturi sea particularmente recomendable cuando el fluído contiene grandes cantidades de sólidos en suspensión y cuando es necesario tener una caída de presión muy baja.

También el Tubo Venturi es importante observar las normas sobre el acabado de las tomas de presión descritas en un párrafo anterior, para obtener la máxima exactitud de la medición.

Del Tubo Venturi clásico, derivan varios elementos primarios de flujo, patentados, cuyas caracterís­ticas sobresalientes son: menores dimensiones y menor pérdida permanente de presión, respecto al Venturi clásico. En estos, mencionamos: El tubo de flujo de baja pérdida, el tubo Dall y el tubo de flujo Foster.

TOBERA DE FLUJO

La tobera de flujo es básicamente una boquilla que se instala en la línea de flujo para reducir gradual­mente su sección desde el diámetro interior del tubo hasta un tramo recto de diámetro mínimo, que es la restricción de este elemento primario y que se denomina "Garganta".

Desde la garganta, la corriente de flujo descarga nuevamente en la línea.  Como indicado en el dibujo, el perfil interior de la Tobera es elíptico.

Este perfil debe ser uniforme, gradual, y tangencial a la garganta, su superficie debe ser tersa y sin cambios bruscos de sección.

La Tobera tiene en general, un disco en el lado de entrada para montarse en la tubería entre los torni­llos de las Bridas Porta-Tobera. Se puede también montar una Tobera soldada en la tubería.

Las tomas de presión diferencial están localizadas: la de alta presión a un diámetro de la cara de la To­bera donde comienza la curva elíptica y la de baja presión a 1/2 diámetro de la misma cara. La toma de baja presión cae, por lo general, en la Brida Porta-Tobera, así que es localizada por el mismo fabri­cante de la Brida.

En las Toberas de Flujo es particularmente importante que las tomas de presión estén hechas con las precauciones y especificaciones indicadas en el párrafo que se refiere a Placas Orificio.

Debido a su perfil aerodinámico, Ia Tobera de Flujo tiende a arrastrar los sólidos en suspensión por la garganta. En el caso de muchos sólidos, si es posible, se debe instalar la Tobera en un tramo vertical con el flujo hacia abajo.                                                                                        .

La Tobera de Flujo tiene las siguientes ventajas: puede usarse en una tubería que no tiene Bridas (Tobera soldada). cuesta menos que un Tubo Venturi y puede manejar las mismas capacidades. En cambio, es más cara que una Placa Orificio pero tiene 60 % más capacidad y es más fuerte y más resistente al desgaste.

 

L a Tobera de Flujo es muy apropiada para medición de flujos a muy alta velocidad.

PERDIDA Y RECUPERACION DE PRESION

Si las tomas de presión diferencial estuvieran, la alta a 2 1/2 diámetros antes del elemento primario y la de baja a 8 diámetros después, la lectura de presión diferencial indicaría la pérdida de presión total provocada por el elemento primario (pérdida de presión permanente).

En este caso, no habría recuperación posterior de presión.

Sin embargo, si las tomas de presión diferencial estan colocadas como descrito en los párrafos ante­riores, todos los elementos primarios tienen un cierto grado de recuperación de presión respecto a la diferencial utilizada para la medición.

La recuperación de presión es determinada por la geometría de la sección de salida después de la toma de baja presión.

Para poder comparar la pérdida de pre­sión permanente de los varios elementos primarios, éstos se deben comparar a igualdad de presión diferencial y de condiciones de flujo, o sea a igualdad del factor:

donde:
                                                                                              KI = Coeficiente de descarga
                                                                                              d = Diámetro del orificio
                                                                                              D = Diámetro de la tubería

 

La determinación de la pérdida de pre­sión permanente puede ser importante del punto de vista económico porque afecta el costo de bombeo del fluído.

 

LOCALIZACION DEL ELEMENTO PRIMARIO EN LA TUBERIA

Algunos arreglos de tubería que se encuentran en la práctica provocan alteraciones en el flujo que afectan la exactitud de la medición.

Por esta razón, se han establecido ciertas normas (A. G. A.) que determinan las longitudes mínimas de tubo recto que se deben dejar antes y después de un elemento primario, en función de la relación d/D, expresadas en número de diámetros de tubería

Cuando, por el diseño de la instalación, es materialmente imposible cumplir con estas normas, se pueden compensar parcialmente los efectos negativos introduciendo en la tubería los enderezadores de flujo que consisten en una serie de ductos paralelos, de sección relativamente pequeña, instalados longitudinalmente en el interior de la tubería.
Estos Enderezadores eliminan parcialmente lá turbulencia del flujo.

La dimensión mayor "a" de la sección transversal interior de cada ducto no debe exceder la cuarta parte del diáme­tro interior del tubo "D".

La longitud de los ductos "L" debe ser, como mínimo 10 veces la dimensión "a".

DIAGRAMAS TIPICOS DE ELEMENTOS PRIMARIOS A INSTRUMENTO

CALCULOS DE FLUJO
Arpisa  puede efectuar el cálculo y el diseño de elementos primarios de flujo, sobre la base
de los datos de flujo proporcionados por el cliente.
Los datos necesarios para el cálculo son los siguientes:

II PLACAS DE ORIFICO

Arpisa manufactura Placas Orificio bajo un estricto programa de control de calidad que acompaña el proceso de producción desde la selección de los materiales hasta el empaque y el embarque.

 Las láminas de Acero Inoxidable para fabricación de Placas, son estiradas en frío y extraplanas y son me­ticulosamente escogidas por ausencia de cualquier defecto superficial.

Los discos para las Placas son totalmente maquinados en tornos de precisión.
Las superficies son pulidas a un acabado de 15-30 micra-pulgadas.
Las orillas son escuadradas y con esquinas vivas.
Las caras son planas dentro de una tolerancia de 0.010" por pulgada de ancho del anillo (D-d)/2.
La tolerancia en el diámetro del orificio es estrictamente de acuerdo con las Normas A.G.A., A.S.M.E., I.S.A. y las recomendaciones de otros códigos.

Una vasta gama de materiales es disponible: Aceros Inoxidables y aleaciones especiales para satisfacer las más exigentes especificaciones de temperatura, corrosión y desgaste.

Arpisa puede suministrar Placas Orificio de diseños standard o de cualquier diseño especial, para líneas de 1/4" hasta 60".

Nuestro Departamento de Ventas está a su disposición para estudiar su caso especffico y desarrollar las recomendaciones, los cálculos y los diseños correspondientes.

Arpisa fabrica dos tipos básicos de Placas Orificio:

MATERIALES PARA PLACAS ORIFICIO

PLACAS ORIFICIO TIPO "A" PARA ANILLOS PORTA-PLACA

DIMENSIONES PLACAS ORIFICIO TIPO "A",PULGADAS

DIMENSIONES DE PLACAS ORIFICIO TIPO ”B”, NORMA I.S.A. RP3-2-1960

PLACAS DE DIMENSIONES ESPECIALES SON DISPONIBLES SOBRE PEDIDO
           
TOLERANCIAS EN DIMENSIONES DEL ORIFICIO

ANILLOS PORTA-PLACA PARA BRlDAS RTJ

Cuando la Placa Orificio va entre Bridas tipo RTJ (Junta de Anillo), se utiliza la Placa Orificio tipo "A" montada en un Anillo Porta-Placa tipo RTJ
.

Según el método de montaje de la Placa, hay tres tipos de Anillo:

Los anillos Porta-Placa se fabrican normalmente en Acero Bajo Carbono y cadminizados. Sobre pedido se pueden fabricar en otros materiales.
               .
TABLA 5.- DIMENSIONES DE ANI.LLOS PORTA-PLACA, PULGADAS.

.

CALCULOS DE PLACAS ORIFICIO

Arpisa, puede hacer el cálculo de diámetros de orificios sobre la base de los datos de flujo proporcionados por el el cliente.

Los datos necesarios para el cálculo están indicados en la Tabla siguiente:

DATOS PARA CALCULO DE PLACA ORIFICIO

III BRIDAS PORTA-PLACA

Por los elevados standards de control de calidad empleados en la fabricación de las Bridas Porta Placa ARPISA constituyen un sístema económico y preciso de montar Placas Orificio para la medición de flujos de , fluídos. Las Bridas son maquinadas en tornos especialmente acondicionados y las tolerancias igualan o mejoran las especificaciones de las normas más estrictas.

Las Bridas se fabrican de Acero ASTM A 105, Grados 1 y 2.  La localización de las tomas de presión es estrictamente controlada para que sus centros queden a 1" de las caras de la Placa Orificio. La tolerancia es ± 1/64" para Bridas de 3" y menores, y ± 1/32" para Bridas de 4" y mayores.

Los taladros de las tomas de presión son cuidadosamente inspeccionados para eliminar cualquier irregu­laridad superficial o rebabas.

Las roscas de las tomas de presión son normalmente 1/2" N.P.T. Sobre pedido se pueden suministrar otras dimensiones.  Las tomas llevan tapones machos roscados.

Las caras de las Bridas están de acuerdo con las normas ANSI para todos los rangos de presión.

Con cada Juego de Bridas se suministran dos empaques de asbesto de 1/16" de espesor. Sobre pedido, se pueden suministrar empaques de otros materiales.

Los espárragos son de Acero ASTM A 193, Grado B7.
Las tuercas son de Acero ASTM A 194, Grado 2.

Las Bridas Porta.Placa Orificio son suministradas en forma de juego completo constituído por dos Bridas, empaques, espárragos o tornillos, tuercas, tapones y tornillos separadores si se requieren partes separadas, favor especificar en su orden.
La Placa Orificio no está incluída.

Los tipos de Bridas Porta-Placa Orificio de mayor aplicación en la industria son:

                                                                     

TABLAS PARA BRIDAS PORTA-PLACAS

PORTA-PLACA ORIFICIO CUELLO PARA SOLDAR CARA REALZADA

BRIDAS PORTA-PLACA ORIFICIO CUELLO PARA SOLDAR JUNTA ANILLO

BRIDAS PORTA-PLACA ORIFICIO CUELLO PARA SOLDAR JUNTA ANILLO

BRIDAS PORTA PLACA ORIFICIO DESLIZABLE CARA REALZADA

BRIDAS PORTA-PLACA ORIFICIO ROSCADAS CARA REALZADA

IV TOBERAS DE FLUJO

 

La exactitud en la medición de flujo por medio de una Tobera de Flujo, depende en gran parte de la correcta ejecución de su perfil interior, no solamente por lo que respecta a las dimensiones, sino a la forma y la calidad de la superficie.

           garantiza el diámetro de la garganta dentro de las siguientes tolerancias:

± 0.0005" Para garganta hasta 3" de diámetro.
± 0.001" Para garganta de 3.01" hasta 6" de diámetro.
± 0.002" Para garganta de 6.01" hasta 10" de diámetro.
Las Toberas de Flujo de                 son maquinadas bajo control muy estricto, para dar un
 perfil uniforme, gradual y tangencial a la garganta, con una superficie tersa y acabada a espejo.

Tres diseños son más frecuentemente utilizados:

V TOBERAS DE FLUJO

También en los Tubos Venturi, el buen acabado de las superficies interiores es condición indispensable para obtener una medición exacta. Las dimensiones críticas del Tubo Venturi Clásico son indicadas en el diseño siguiente:

En general, para líneas hasta 4" el Venturi es maquinado de barra maciza.  Para línea de 6" puede ser maquinado de barra maciza o estructurado, dependiendo de la relación d/ D.

Para líneas de 8" y mayores, el Venturi es estructurado (rolado y soldado), con los conos pulidos pero no maquinados.  En todos los casos, la garganta es maquinada con tolerancia en diámetro.  El Venturi puede tener tramos rectos integrales en la entrada y la salida, o por razones de economía, estos tramos pueden ser eliminados y sustituidos por tramos de la misma línea.  El Venturi puede ser bridado o para soldar.

Puede tener cuerpo y garganta del mismo máterial, o de materiales diferentes.
Favor dar todas las especificaciones anteriores y los datos de flujo en su solicitud de Tubos Venturi.

TOLERANCIAS EN DIAMETRO GARGANTA DE VENTURI

MATERIALES PARA TOBERAS DE FLUJO Y TUBOS VENTURI

OTROS MATERIALES DISPONIBLES SOBRE PEDIDO.

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