Un manómetro de tubo en U diferencial determina la caída de presión a través de una placa de orificio convirtiendo la diferencia de presión en una diferencia de nivel de líquido medible. Las dos conexiones del manómetro se fijan a las tomas de presión aguas arriba y aguas abajo del orificio. El desplazamiento de la columna medido se convierte entonces en presión diferencial utilizando las densidades del fluido manométrico y del fluido de proceso.
La caída de presión se obtiene a partir del equilibrio hidrostático en el tubo en U: para el flujo de líquido entre tomas a la misma elevación, (\Delta p=p_1-p_2=(\rho_m-\rho_p)gd), donde (d) es la diferencia en los niveles del líquido manométrico.
Cómo mide el manómetro la caída de presión del orificio
El papel de la placa de orificio
Una placa de orificio crea una restricción deliberada en la tubería. A medida que el fluido pasa a través de la abertura más pequeña, su velocidad aumenta y su presión estática disminuye, produciendo una diferencia de presión medible entre la presión aguas arriba (p_1) y la presión aguas abajo (p_2).
Esta diferencia de presión está relacionada con el caudal, razón por la cual una placa de orificio puede funcionar como un dispositivo de medición de flujo.
Conexión de las tomas de presión
Una rama del manómetro diferencial se conecta a una toma de presión aguas arriba del orificio, y la otra rama se conecta a una toma aguas abajo.
La presión aguas arriba es normalmente mayor, por lo que el líquido manométrico es presionado en el lado de aguas arriba y sube en el lado de aguas abajo cuando el fluido manométrico es más denso que el fluido de proceso.
Lectura de la diferencia de nivel de líquido
Después de que el flujo se estabilice, mida la diferencia vertical (d) entre los dos niveles del líquido manométrico.
La lectura es la diferencia entre los niveles, no la altura de cada columna individual medida desde una referencia arbitraria.
Cálculo de la caída de presión
Fluido de proceso líquido y fluido manométrico líquido
Cuando tanto el fluido de proceso como el fluido manométrico son líquidos, se debe incluir la densidad del fluido de proceso sobre el líquido manométrico.
Para tomas de presión a la misma elevación:
[ \Delta p=p_1-p_2=(\rho_m-\rho_p)gd ]
donde:
- (\Delta p) = caída de presión a través del orificio
- (\rho_m) = densidad del fluido manométrico
- (\rho_p) = densidad del fluido de proceso
- (g) = aceleración gravitacional
- (d) = diferencia en los niveles del líquido manométrico
La fórmula asume que el fluido manométrico es más denso que el fluido de proceso y que las líneas de conexión están correctamente llenas.
Gas fluyendo a través del orificio
Para una corriente de proceso de gas, la densidad del gas suele ser mucho menor que la densidad de un fluido manométrico líquido. Por lo tanto, el término de densidad del fluido de proceso a menudo puede despreciarse:
[ \Delta p \approx \rho_mgd ]
Esta aproximación es apropiada solo cuando la densidad del gas es suficientemente pequeña en comparación con la densidad del fluido manométrico y cuando las condiciones de presión y temperatura no hacen que los efectos de la densidad del gas sean significativos.
Corrección por diferentes elevaciones de las tomas
La ecuación simple se aplica directamente cuando las tomas de presión aguas arriba y aguas abajo están a la misma elevación.
Si las tomas están a diferentes elevaciones, también debe incluirse la presión hidrostática causada por el fluido de proceso entre las tomas. En ese caso, utilice un balance de presión completo en lugar de aplicar ((\rho_m-\rho_p)gd) sin corrección.
Procedimiento de medición práctico
Establecer un flujo constante
Inicie la bomba o el soplador y ajuste la válvula de control de flujo hasta que el sistema alcance una condición de operación estable.
Se debe permitir que las fluctuaciones de presión se estabilicen antes de registrar el desplazamiento del manómetro.
Verificar las conexiones del manómetro
El lado de alta presión debe conectarse a la toma del orificio aguas arriba, y el lado de baja presión debe conectarse aguas abajo.
Las líneas de impulso deben estar completamente llenas con el fluido de proceso y libres de aire atrapado. Las burbujas de aire pueden comprimirse o expandirse y causar que la lectura del manómetro se retrase o sea inexacta.
Registrar el desplazamiento del manómetro
Lea los niveles a la altura de los ojos para evitar errores de paralaje. Registre la diferencia vertical (d), junto con la densidad del fluido de proceso y la densidad del fluido manométrico.
Utilice unidades consistentes en todo el cálculo, particularmente para la densidad, la aceleración gravitacional y la longitud.
Calcular la pérdida de presión
Sustituya el desplazamiento medido en la ecuación hidrostática apropiada. El resultado es la caída de presión entre las dos tomas del orificio.
Por ejemplo, para flujo de líquido:
[ p_1-p_2=(\rho_m-\rho_p)gd ]
Una mayor diferencia de nivel indica una mayor caída de presión, asumiendo que las densidades permanecen constantes.
Relación entre la caída de presión y el caudal
Uso de la caída de presión del orificio
La caída de presión medida se utiliza junto con la geometría del orificio y el coeficiente de descarga para estimar el caudal.
En general, el caudal aumenta aproximadamente con la raíz cuadrada de la presión diferencial:
[ Q \propto \sqrt{\Delta p} ]
La relación exacta depende de las dimensiones del orificio, las propiedades del fluido y el coeficiente de descarga.
Calibración de un aparato de enseñanza
En una planta piloto o laboratorio de operaciones unitarias, el medidor de orificio puede operarse en un rango de caudales utilizando un medidor de flujo de referencia, como un rotámetro calibrado.
Para cada punto de operación, registre el caudal de referencia y el desplazamiento del manómetro correspondiente. Convierta el desplazamiento a (\Delta p), luego desarrolle una relación de calibración entre el caudal y la caída de presión.
Evaluación del rendimiento del equipo
El mismo método de medición puede utilizarse para estudiar las pérdidas de presión, comparar caudales y evaluar cómo las restricciones afectan el consumo de energía del fluido.
También ayuda a los estudiantes a conectar el principio hidrostático del manómetro con la medición de flujo práctica en equipos de proceso.
Comprensión de las compensaciones
El manómetro es simple pero no siempre conveniente
Un manómetro de tubo en U no requiere un sensor de presión electrónico y proporciona una medición visual directa. Sin embargo, es menos conveniente para flujos que cambian rápidamente porque los niveles de líquido pueden oscilar.
También requiere que un operador lea y registre el desplazamiento, a menos que el sistema esté equipado con instrumentación adicional.
Las propiedades del fluido afectan el resultado
La corrección de densidad es esencial para mediciones líquido-líquido. Ignorar la densidad del fluido de proceso puede producir un error de presión significativo cuando las densidades del fluido de proceso y del fluido manométrico son comparables.
La densidad también puede cambiar con la temperatura, la concentración o la presión, por lo que los valores utilizados deben representar las condiciones operativas reales.
Los errores de instalación pueden distorsionar la lectura
La colocación incorrecta de la toma de presión, las líneas de impulso bloqueadas, las fugas o el gas atrapado pueden producir una presión diferencial incorrecta.
Las tomas del orificio deben instalarse de acuerdo con la disposición de medición prevista, como la configuración especificada de tomas de esquina o de brida, porque la ubicación de la toma afecta la diferencia de presión medida.
La caída de presión medida no siempre es una pérdida de presión permanente
La presión diferencial entre las tomas incluye el cambio de presión asociado con la aceleración a través del orificio y la recuperación de presión posterior, así como las pérdidas irreversibles.
Por lo tanto, la diferencia de presión medida entre tomas no debe interpretarse automáticamente como la pérdida de presión permanente que queda lejos aguas abajo de la placa.
Cómo aplicar esto a su proyecto
Utilice el siguiente enfoque al realizar un experimento de placa de orificio:
- Si su objetivo principal es determinar la caída de presión: Conecte el manómetro a través de las tomas de aguas arriba y aguas abajo, mida el desplazamiento vertical (d) y calcule (\Delta p) utilizando la ecuación corregida por densidad apropiada.
- Si su objetivo principal es medir el flujo de líquido: Incluya tanto las densidades del fluido manométrico como del fluido de proceso, verifique que las tomas estén a la misma elevación y utilice la (\Delta p) resultante con la relación de flujo del orificio.
- Si su objetivo principal es medir el flujo de gas: Utilice (\Delta p\approx\rho_mgd) solo después de confirmar que la densidad del gas es despreciable en relación con la densidad del fluido manométrico.
- Si su objetivo principal es la calibración: Registre el desplazamiento del manómetro y el caudal de referencia en varios puntos de operación estables, luego construya la relación entre el caudal y la presión diferencial.
- Si su objetivo principal es la precisión de la medición: Elimine el aire atrapado, verifique si hay fugas, utilice las ubicaciones de toma correctas y lea los dos niveles de líquido a la altura de los ojos.
Al combinar una lectura confiable del manómetro con el equilibrio hidrostático correcto, la caída de presión a través de una placa de orificio puede medirse de forma sencilla, precisa y relacionarse significativamente con el flujo de fluido.
Tabla resumen:
| Factor de medición | Información clave |
|---|---|
| Puntos de conexión | Conecte el manómetro aguas arriba y aguas abajo de la placa de orificio. |
| Valor medido | Registre la diferencia vertical, d, entre los niveles del líquido manométrico. |
| Ecuación de flujo de líquido | (\Delta p=(\rho_m-\rho_p)gd) para tomas a igual elevación. |
| Aproximación de flujo de gas | (\Delta p\approx\rho_mgd) cuando la densidad del gas es despreciable. |
| Relación de caudal | El caudal del orificio generalmente aumenta con la raíz cuadrada de la caída de presión: (Q\propto\sqrt{\Delta p}). |
| Verificaciones de precisión | Elimine el aire atrapado, verifique fugas, confirme las elevaciones de las tomas, utilice densidades correctas y lea los niveles a la altura de los ojos. |
| Limitación importante | La presión diferencial entre tomas no es necesariamente la pérdida de presión permanente aguas abajo. |
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