Fluidos y flujo

Los usuarios pueden desear medir el flujo de vapor para ayudar con la eficiencia de la planta, eficiencia energética, control de procesos o propósitos de costeo. Este tutorial considera las características de los fluidos en flujo y los requisitos básicos para una buena práctica de medición de vapor.

‘Cuando puedes medir de lo que estás hablando y expresarlo en números, sabes algo al respecto; pero cuando no puedes medirlo, cuando no puedes expresarlo en números, tu conocimiento es de una clase escasa e insatisfactoria’. William Thomson (Lord Kelvin) 1824 - 1907

Introducción

Muchas empresas industriales y comerciales ahora han reconocido el valor de:

• Contabilidad de costos energéticos.
• Conservación de energía.
• Técnicas de monitoreo y establecimiento de objetivos. Estas herramientas permiten una mayor eficiencia energética. El vapor no es el medio más fácil de medir. El objetivo de este Bloque es lograr una mayor comprensión de los requisitos para permitir la medición precisa y fiable del caudal de vapor. La mayoría de los medidores de flujo actualmente disponibles para medir el flujo de vapor han sido diseñados para medir el flujo de varios líquidos y gases. Muy pocos se han desarrollado específicamente para medir el flujo de vapor. Spirax Sarco desea agradecer al EEBPP (Programa de Mejores Prácticas de Eficiencia Energética) de ETSU por contribuir a algunas partes de este Bloque.

¿Por qué medir el vapor?

Los medidores de flujo de vapor no pueden evaluarse de la misma manera que otros equipos de ahorro de energía o esquemas de ahorro energético. El medidor de flujo de vapor es una herramienta esencial para una buena gestión del vapor. Proporciona el conocimiento del uso del vapor y el costo que es vital para una planta o edificio eficientemente operado. Los principales beneficios del uso de medición de flujo de vapor incluyen:

• Eficiencia de la planta.
• Eficiencia energética.
• Control de procesos.
• Costeo y custodia. Eficiencia de la planta ****Un buen medidor de flujo de vapor indicará el caudal de vapor a un elemento de planta a lo largo del rango completo de su operación, es decir, desde cuando la maquinaria está apagada hasta cuando la planta está cargada a capacidad. Al analizar la relación entre el flujo de vapor y la producción, pueden determinarse las prácticas de trabajo óptimas. El medidor de flujo también mostrará el deterioro de la planta a lo largo del tiempo, permitiendo que se realice la limpieza o reemplazo óptimo de la planta. El medidor de flujo también puede usarse para:

Esto puede llevar a cambios en los métodos de producción para asegurar un uso económico del vapor. También puede reducir los problemas asociados con las cargas pico en la planta de calderas. Eficiencia energética Los medidores de flujo de vapor pueden usarse para monitorear los resultados de esquemas de ahorro energético y comparar la eficiencia de un equipo con otro. Control de procesos La señal de salida de un sistema adecuado de medición de flujo de vapor puede usarse para controlar la cantidad de vapor suministrado a un proceso, e indicar que está a la temperatura y presión correctas. Además, monitoreando la tasa de aumento del flujo en el arranque, un medidor de flujo de vapor puede usarse en combinación con una válvula de control para proporcionar una función de calentamiento lento. Costeo y custodia Los medidores de flujo de vapor pueden medir el uso de vapor (y por tanto el costo del vapor) centralmente o en puntos de usuario individuales. El vapor puede costearse como materia prima en varias etapas del proceso de producción permitiendo así calcular el costo real de líneas de producto individuales. Para comprender la medición de flujo, podría ser útil profundizar en algo de teoría básica sobre mecánica de fluidos, las características del fluido a medir, y la manera en que viaja a través de sistemas de tuberías.

Características del fluido

Cada fluido tiene un conjunto único de características, incluyendo:

• Densidad.
• Viscosidad dinámica.
• Viscosidad cinemática. Densidad Esto ya se ha discutido en el Bloque 2, Principios de ingeniería de vapor y transferencia de calor, sin embargo, debido a su importancia, los puntos relevantes se repiten aquí. La densidad (ρ) define la masa (m) por unidad de volumen (V) de una sustancia (ver Ecuación 2.1.2). La densidad tanto del agua saturada como del vapor saturado varían con la temperatura. Esto se ilustra en la Figura 4.1.1. Viscosidad dinámica ****Esta es la propiedad interna que posee un fluido que resiste el flujo. Si un fluido tiene una alta viscosidad (por ejemplo, aceite pesado) resiste fuertemente el flujo. Además, un fluido altamente viscoso requerirá más energía para empujarlo a través de una tubería que un fluido con baja viscosidad. Hay varias formas de medir la viscosidad, incluyendo fijar una llave de torsión a una paleta y girarla en el fluido, o medir qué tan rápido un fluido fluye a través de un orificio. Un experimento simple de laboratorio escolar demuestra claramente la viscosidad y las unidades usadas: Se permite que una esfera caiga a través de un fluido bajo la influencia de la gravedad. La medición de la distancia (d) a través de la cual cae la esfera, y el tiempo (t) tomado para caer, se usan para determinar la velocidad (u). La siguiente ecuación se usa entonces para determinar la viscosidad dinámica: Hay tres notas importantes que hacer:

1. El resultado de la Ecuación 4.1.1 se denomina viscosidad absoluta o dinámica del fluido y se mide en pascal segundos. La viscosidad dinámica también se expresa como ‘fuerza viscosa’.
2. Los elementos físicos de la ecuación dan un resultado en kg/m, sin embargo, las constantes (2 y 9) tienen en cuenta tanto los datos experimentales como la conversión de unidades a pascal segundos (Pa s).
3. Algunas publicaciones dan valores de viscosidad absoluta o dinámica en centipoise (cP), por ejemplo: 1 cP = 10-3 Pa s Ejemplo 4.1.1 Toma 0.7 segundos para que una esfera de acero de 20mm de diámetro (densidad 7 800 kg/m3) caiga 1 metro a través de aceite a 20°C (densidad = 920 kg/m3).

Viscosidad cinemática

Esto expresa la relación entre la viscosidad absoluta (o dinámica) y la densidad del fluido (ver Ecuación 4.1.2). Ejemplo 4.1.2 En el Ejemplo 4.1.1, la densidad del aceite se da como 920 kg/m3 - Ahora determine la viscosidad cinemática: Número de Reynolds (Re) Los factores introducidos anteriormente todos tienen un efecto en el flujo de fluidos en tuberías. Todos se reúnen en una cantidad adimensional para expresar las características del flujo, es decir, el número de Reynolds (Re).