Medidor de tubo calentado.
(F68)
Donde:
QL: Calor (BTU/h).
h: Coeficiente de transferencia de calor (BTU/h pie2 °F).
A: Área de la sección transversal de la tubería (pie2).
Tp: Temperatura de la pared de la tubería(°F).
Tf: Temperatura del fluido (°F).
Figura F55. Medidor de tubo calentado
El coeficiente de transferencia de calor (h) se puede expresar en términos de las propiedades del fluido, las dimensiones de la tubería y el flujo másico de fluido, para los casos de flujo turbulento y laminar como:
Para flujo turbulento se utiliza la expresión F69:
(F69)
Par flujo laminar se utiliza la expresión F70:
(F70)
Donde:
K: Conductividad térmica del fluido (BTU/h pie °F).
D: Diámetro de la tubería (pie).
L: Longitud de la tubería (pie).
u: Viscosidad absoluta del fluido (lbf/h pie).
W: potencia del calentador (BTU)
De las expresiones anteriores se obtiene:
Para flujo turbulento:
(F71)
Para flujo laminar:
(F72)
Figura F56. Orientación típica del medidor de inserción.
Ventajas de los medidores térmicos:
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Poseen una alta exactitud en la medición por ser su salida independiente de cambios de presión, temperatura, densidad, etc.
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La salida de caudal másico es directa.
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Son inmunes a ruidos y vibraciones.
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Son adecuados para la medición de flujos muy bajos. Pueden medir flujo de gases a velocidades tan bajas como 0,001 pie/seg.
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No poseen partes móviles.
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Son de bajo costo en comparación con otros tipos de instrumentos de medición de flujo másico.
Desventajas de los medidores térmicos:
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Su uso está limitado a la medición de flujo de aire y gases, aunque algunos diseños se pueden usar para líquidos.
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Son afectados por recubrimientos (en los de inserción).
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Algunos diseños son frágiles.
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Requieren calibración cuidadosa.
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En el caso de los instrumentos de tubo calentado el fluido debe ser limpio, ya que la forma como se diseñan los hace sensibles a las partículas de fluido. Para este tipo de aplicaciones se debe pensar en la posibilidad de instalar el tipo de inserción.
Aplicaciones de los medidores térmicos
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En algunas aplicaciones tales como: ventiladores y compresores, entre otros, la caída de presión causada por turbinas o medidores de presión diferencial pueden originar pérdidas de potencia significativas. En este caso los medidores térmicos de flujo son adecuados debido a que producen una caída de presión en el flujo muy pequeña.
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Debido a sus características de capacidad de medir flujos muy bajos y facilidad de mantenimiento, son utilizados en aplicaciones de medición de flujo en gases de mechurrios.
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Se utiliza en aplicaciones de detección de fugas de gases, dada su capacidad de medir bajos flujos.
Se pueden emplear en cualquier aplicación que requiera de medición de flujo másico, como por ejemplo, medición de gas combustible
Cuando un fluido fluye en una tubería (turbulento o laminar), se forma una fina capa entre el fluido y las paredes de la tubería. Esta capa se conoce como capa límite térmica.
Si se tiene un medidor como el representado en la figura F55, cuando pasa calor desde las paredes de la tubería al fluido, esta ofrece resistencia, Mientras mayor sea la rata de flujo, menor es el ancho de le capa y mayor es la transferencia de calor. Si se aísla el calentador y el material de la tubería es un buen conductor, la transferencia de calor desde el calentador al fluido se puede expresar por la ecuación F68:
Donde se cumple:
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Para un fluido dado μ, K y Cp permanecen constantes sobre un cierto rango de temperatura.
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D y A son constantes.
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Q se puede mantener constante.
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Ubicación del sensor de temperatura:
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El sensor de temperatura que se encuentra aguas arriba del calentador está localizado lo más cerca posible del calentador, de forma de medir la temperatura Tp.
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El sensor de temperatura que se encuentra aguas abajo del calentador está localizado donde la temperatura de la pared y la del fluido estén en equilibrio.
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El flujo se puede obtener de dos formas:
- Midiendo la diferencia de temperatura (ΔT), conociendo la geometría del medidor, la capacidad térmica, la viscosidad del fluido y manteniendo constante la potencia al calentador.
- Manteniendo constante ΔT y midiendo la potencia al calentador.
Características de los medidores térmicos:
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Miden flujo másico directamente por lo que su salida no depende de las variaciones de parámetros críticos tales como: presión, temperatura, viscosidad o densidad.
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Se pueden utilizar para medir flujo en un rango de 0,12 a 12 l/min y con un rango de velocidad de 0,08 a 61 m/seg.
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Poseen una repetitividad de ±1 % de la escala completa.
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Rangoabilidad de 10:1.
Normas de instalación de los medidores térmicos
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En el caso de los instrumentos tipo cuerpo completo se requiere un tramo recto mínimo aguas arriba de 10 m y no requiere tramo recto aguas abajo.
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En algunos instrumentos de los del tipo de inserción, la cabeza del sensor no debe tocar la pared opuesta de la tubería.
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La calibración del instrumento es sensible a la orientación de los sensores con respecto a la dirección del flujo. Los instrumentos del tipo de inserción tienen requerimientos en la orientación las cuales varían con el diseño. Una orientación típica para este caso se muestra en la figura F56.