El acondicionamiento de flujo garantiza que el entorno del "mundo real" se parezca mucho al entorno del " laboratorio " para el correcto funcionamiento de los medidores de flujo inferenciales como los de orificio , turbina , Coriolis , ultrasónicos , etc.
Básicamente, el flujo en tuberías se puede clasificar de la siguiente manera:
Los acondicionadores de flujo que se muestran en la figura (a) se pueden agrupar en los siguientes tres tipos:
Los dispositivos de enderezamiento, como panales y paletas, insertados antes del caudalímetro pueden reducir la longitud de tubería recta necesaria. Sin embargo, solo producen mejoras marginales en la precisión de la medición y aún pueden requerir una longitud significativa de tubería recta, que un sitio de instalación reducido puede no permitir.
Un enderezador de flujo , a veces llamado panal , es un dispositivo que se utiliza para enderezar el flujo de aire en un túnel de viento. Es un pasaje de conductos, colocados a lo largo del eje de la corriente de aire principal para minimizar los componentes de velocidad lateral causados por el movimiento de remolino en el flujo de aire durante la entrada. Las formas de sección transversal de estos "panales" pueden ser de celdas cuadradas, circulares y hexagonales regulares.
Se puede construir un enderezador de flujo de bajo costo utilizando pajitas para beber , ya que tienen un bajo costo y una buena eficiencia. El programa de televisión MythBusters utilizó una construcción de este tipo para su túnel de viento, al igual que un túnel de viento experimental en el MIT (Maniet). Las pajitas deben cortarse al mismo tamaño y colocarse en un marco.
Se estudia la eficacia del panal para reducir el nivel de turbulencia y remolinos mediante la simulación del campo de flujo utilizando el modelo de turbulencia k-ε estándar en dinámica de fluidos computacional (CFD) comercial. La CFD es el método más preciso y económico para estimar la eficacia de un panal.
Modelo computacional
Se crea un dominio computacional de panal como se muestra en la figura 1.
Sabemos que, desde el punto de vista computacional, es muy difícil proporcionar un flujo no uniforme realista en la entrada del panal, como se experimentó en los experimentos. Estas condiciones de entrada aleatorias simularían esencialmente el caso realista en el que el aire puede ingresar al panal desde cualquier dirección y con cualquier nivel de turbulencia. Por lo tanto, se diseñó un dominio especial para introducir condiciones de entrada prácticas.
Mallado de modelos computacionales
El modelo sólido del panal se malla en GAMBIT 2.3.16, como se muestra en la figura 2. Se utiliza una malla rectangular estructurada para la simulación con una configuración de panal cuadrada. Las ecuaciones que rigen la conservación de la masa y el momento para el flujo subsónico, junto con las ecuaciones para la turbulencia y el flujo poroso, se resuelven para el panal utilizando CFD comercial. El modelo RNG k-ε de tipo RANS se utiliza para el modelado de la turbulencia.
Condiciones de contorno
El dominio separado creado aguas arriba del panal se proporciona con varias condiciones de entrada para llegar al movimiento desordenado en la salida, que debe darse como entrada a las celdas del panal. Esto simula esencialmente el caso más realista de que el flujo pueda ingresar al panal desde cualquier dirección. Aquí se mencionan las especificaciones de esta entrada junto con otras condiciones límite necesarias. El flujo en la entrada del panal debe tener necesariamente movimientos turbulentos y arremolinados. Por lo tanto, para incorporar estos requisitos, se construye un dominio de fluido separado.
Las caras circulares superior e inferior se consideran como entradas a este dominio para obtener un campo de flujo con una mayor magnitud de velocidad lateral. Este dominio está provisto de cilindros verticales y horizontales como una obstrucción a la entrada para producir suficiente remolino en la salida de esta sección. Se genera una malla tetraédrica como se muestra en la Fig. 3 con elementos tetraédricos para esta geometría. El número de nodos es 1,47,666. Tres caras de esta configuración se especifican como entradas con condiciones de contorno de velocidad. La velocidad del fluido en estas caras de entrada se ha tomado de manera que la velocidad media promedio en la salida sea 1 m/s, que es la del túnel de viento operativo.
Se utiliza una condición de contorno de salida de presión a la salida de la cámara de sedimentación, donde la presión en la salida se establece en cero para la presión manométrica. Siempre es posible predecir todo el campo de flujo mediante la malla de todo el dominio del fluido; sin embargo, la simulación para la predicción de todo el campo de flujo utiliza la condición de contorno de simetría. Este enfoque reduce el requisito de malla y los esfuerzos computacionales. Por lo tanto, el límite de simetría se utiliza en la periferia del dominio computacional.
Todos los límites sólidos en el dominio computacional se especifican como paredes viscosas con condición de límite de pared sin deslizamiento. El perfil de intensidad de turbulencia a la salida del modelo de turbulencia se muestra en la Fig. 4. Esta figura muestra la intensidad de turbulencia y que es máxima en el centro (30%) y en las paredes es de alrededor del 16-18%, ahora este perfil está incorporado dentro del panal como se muestra en la Fig. 2, el perfil de intensidad de turbulencia que sale del panal se muestra en la Fig. 5. En este perfil podemos ver que la intensidad de turbulencia se reduce del 30% al 1,2% en el centro y del 16% al 3,5%, lo que significa que la efectividad del panal es muy alta, que es de alrededor del 96%.
El gas natural que lleva consigo una gran cantidad de líquidos se conoce como gas húmedo, mientras que el gas natural que se produce sin líquido se conoce como gas seco . El gas seco también se trata para eliminar todos los líquidos. A continuación se explica el efecto del acondicionamiento del flujo para varios medidores populares que se utilizan en la medición de gas.
Los aspectos más importantes y difíciles de medir de la medición de caudal son las condiciones de caudal dentro de una tubería aguas arriba de un medidor. Las condiciones de caudal se refieren principalmente al perfil de velocidad del caudal , irregularidades en el perfil, niveles variables de turbulencia dentro del perfil de velocidad del caudal o intensidad de la turbulencia, remolinos y cualquier otra característica del caudal del fluido que haga que el medidor registre un caudal diferente al esperado. Esto cambiará el valor del estado de calibración original , conocido como condiciones de referencia que están libres de efectos de instalación. [1]
Los efectos de instalación, como tuberías rectas insuficientes, rugosidad o suavidad excepcionales, codos, válvulas , tes y reductores, hacen que las condiciones de flujo dentro de la tubería varíen con respecto a las condiciones de referencia. La forma en que estos efectos de instalación afectan al medidor es muy importante, ya que los dispositivos que crean efectos de instalación aguas arriba son componentes comunes de cualquier diseño de medición estándar. El acondicionamiento de flujo se refiere al proceso de generar artificialmente un perfil de flujo de referencia completamente desarrollado y es esencial para permitir una medición precisa mientras se mantiene un diseño estándar de medidor competitivo en términos de costos. Los factores de calibración del medidor son válidos solo si existe similitud geométrica y dinámica entre las condiciones de medición y calibración. En mecánica de fluidos, esto se conoce comúnmente como la Ley de similitud. [2]
El principio de la Ley de similitud se utiliza ampliamente en máquinas de fluidos teóricas y experimentales. Con respecto a la calibración de caudalímetros, la Ley de similitud es la base de los estándares de medición de caudal. Para satisfacer la Ley de similitud, el concepto de instalación central requiere similitud geométrica y dinámica entre el medidor de laboratorio y las condiciones instaladas de este mismo medidor durante todo el período de transferencia de custodia . Este enfoque supone que la tecnología seleccionada no exhibe ninguna sensibilidad significativa a las variaciones operativas o mecánicas entre calibraciones. El factor del medidor determinado en el momento de la calibración es válido si existe similitud dinámica y geométrica entre la instalación de campo y la instalación del artefacto en el laboratorio. Un patrón experimental adecuado del fabricante ubica regiones sensibles para explorar, medir y ajustar empíricamente. El método de correlación recomendado por el fabricante es una base racional para la predicción del rendimiento siempre que la física no cambie. Por ejemplo, la física es diferente entre el flujo subsónico y el sónico. Para satisfacer la Ley de similitud, el concepto de calibración in situ requiere similitud geométrica y dinámica entre el medidor calibrado y las condiciones instaladas de este mismo medidor durante todo el período de transferencia de custodia. Este enfoque supone que la tecnología seleccionada no presenta ninguna sensibilidad significativa a las variaciones mecánicas o operativas entre calibraciones. El factor de medición determinado en el momento de la calibración es válido si existe similitud dinámica y geométrica en la "instalación del medidor de campo" durante todo el período de transferencia de custodia. [3]
La descripción más comúnmente utilizada de las condiciones de flujo dentro de la tubería es el perfil de velocidad de flujo. La figura (1) muestra el perfil de velocidad de flujo típico para la medición de gas natural. [4] La forma del perfil de velocidad de flujo se da mediante la siguiente ecuación: ---- (1)
El valor de n determina la forma del perfil de velocidad de flujo. La ecuación (1) se puede utilizar para determinar la forma del perfil de flujo dentro de la tubería ajustando una curva a los datos de velocidad medidos experimentalmente. En 1993, se midieron las velocidades de flujo transversal dentro del entorno de gas natural a alta presión utilizando tecnología de hilo caliente para lograr el ajuste de los datos. Se utilizó un perfil de flujo completamente desarrollado como estado de referencia para la calibración del medidor y la determinación del coeficiente de descarga (Cd). Para el número de Reynolds de n es aproximadamente 7,5; para Re de , n es aproximadamente 10,0 donde se asumió un perfil completamente desarrollado en una tubería lisa. Dado que n es una función del número de Reynolds y el factor de fricción , se pueden estimar valores más precisos de n utilizando la ecuación (2), ---- (2)
Donde, f es el factor de fricción. [5] Se puede utilizar una buena estimación de un perfil de velocidad completamente desarrollado para aquellos que no tienen el equipo adecuado para medir realmente las velocidades de flujo dentro de la tubería. La siguiente longitud equivalente de tubería recta en la ecuación (3) se utilizó para garantizar que exista un perfil de flujo completamente desarrollado. [6] ---- (3)
En la ecuación (3), las longitudes de tubería requeridas son significativas, por lo tanto, necesitamos algunos dispositivos que puedan acondicionar el flujo en una longitud de tubería más corta, lo que permite que los paquetes de medición sean competitivos en términos de costos y precisos. Aquí, el perfil de flujo de velocidad es generalmente tridimensional. Normalmente, la descripción no requiere una indicación de orientación axial si el perfil es asimétrico y, si existe, se requiere una orientación axial con respecto a algún plano de referencia adecuado. La asimetría existe aguas abajo de los efectos de la instalación, como codos o tes. Por lo general, el perfil de flujo de velocidad se describe en dos planos separados 90°. Usando la última tecnología de software, es posible una descripción completa de la sección transversal de la tubería del perfil de velocidad siempre que se proporcionen suficientes puntos de datos.
La segunda descripción del estado del campo de flujo dentro de la tubería es la intensidad de la turbulencia. Según un experimento realizado en 1994, los errores de medición pueden existir incluso cuando el perfil de velocidad del flujo está completamente desarrollado con condiciones perfectas de flujo en la tubería. Por el contrario, se encontró que el error de medición era cero en momentos en que el perfil de velocidad no estaba completamente desarrollado. Por lo tanto, este comportamiento se atribuyó a la intensidad de la turbulencia del flujo de gas que puede causar un error de sesgo de medición. Este comportamiento explica en parte el rendimiento insuficiente del haz de tubos convencional. [7]
La tercera descripción del estado del campo de flujo es el remolino. El remolino es el componente de flujo tangencial del vector de velocidad. El perfil de velocidad debe denominarse perfil de velocidad axial. Como el vector de velocidad se puede descomponer en tres componentes mutuamente ortogonales, el perfil de velocidad solo representa el componente axial de la velocidad. La figura (2) muestra el ángulo de remolino, que explica la definición de remolino de flujo y ángulo de remolino. Tenga en cuenta que el remolino generalmente se refiere a la rotación de cuerpo completo (aquella en la que el flujo completo de la tubería sigue un eje de remolino). En condiciones de tubería reales, como aguas abajo de los codos, pueden estar presentes dos o más mecanismos de remolino.
La condición de un flujo puede afectar el rendimiento y la precisión de los dispositivos que miden el flujo.
La ecuación básica de flujo másico de orificio proporcionada por API 14.3 e ISO 5167 se da como, ----(4) Donde, = Flujo másico = Coeficiente de descarga = Factor de velocidad de aproximación
Y = Factor de expansión
d = diámetro del orificio = densidad del fluido = presión diferencial
Ahora para usar la ecuación (4), el campo de flujo que ingresa a la placa de orificio debe estar libre de remolinos y exhibir un perfil de flujo completamente desarrollado. API 14.3 (1990) y las normas ISO determinaron el Coeficiente de Descarga completando numerosas pruebas de calibración donde el flujo másico indicado se comparó con el flujo másico real para determinar el coeficiente de descarga. En todas las pruebas, el requisito común fue un perfil de flujo completamente desarrollado que ingresa a la placa de orificio. [8] Por lo tanto, los diseños de medidores precisos que cumplen con las normas deben garantizar que un perfil de flujo completamente desarrollado y sin remolinos incida en la placa de orificio. Hay numerosos métodos disponibles para lograr esto. Estos métodos se conocen comúnmente como "acondicionamiento de flujo". La primera opción de instalación es volver a no tener acondicionamiento de caudal, pero se deben proporcionar longitudes de tubería adecuadas según la ecuación (2) mencionada anteriormente. Esto generalmente hace que los costos de fabricación de una instalación de medición de caudal sean poco realistas debido a que los tubos de medición son excesivamente largos; imagine tubos de medición de 75 diámetros de largo.
La segunda opción y la más conocida es el acondicionador de flujo de haz de tubos de 19 tubos. La mayoría de las instalaciones de flujo en América del Norte contienen el haz de tubos. Con la ayuda de sistemas de medición computarizados basados en alambre caliente, tubo de Pitot y láser que permiten la medición detallada del perfil de velocidad y la intensidad de la turbulencia; sabemos que el haz de tubos no proporciona un flujo completamente desarrollado. [9] Por lo tanto, este dispositivo está causando una medición de flujo de orificio sesgada. Como resultado de estos hallazgos recientes, se especifican pocos haces de tubos para la medición de flujo y se reduce el uso de dicho dispositivo. Hay numerosas referencias disponibles que proporcionan resultados de rendimiento que indican un rendimiento del medidor inferior al aceptable cuando se utiliza el haz de prueba convencional de 19 tubos. [10] Los resultados individuales deben revisarse para determinar detalles como la relación beta, las longitudes de los tubos del medidor, Re y las condiciones de prueba.
Las indicaciones generales son que el haz de tubos convencional hará que la instalación del orificio registre valores de flujo superiores a los de hasta 1,5 % cuando el haz de tubos se encuentra a una distancia de 1 a aproximadamente 11 diámetros de tubería de la placa de orificio. Esto se debe a un perfil de velocidad plano que crea presiones diferenciales más altas que con un perfil completamente desarrollado. Existe una región de cruce de aproximadamente 10 a 15 diámetros de tubería donde la banda de error es aproximadamente cero. Luego se produce un ligero subregistro de flujos para distancias de entre aproximadamente 15 y 25 diámetros de tubería. Esto se debe a un perfil de velocidad pico que crea presiones diferenciales más bajas que un perfil completamente desarrollado. A distancias mayores de 25 diámetros de tubería, el error se vuelve asíntota a cero. La figura (3) muestra el desempeño del haz de tubos convencional y explica el comportamiento característico típico del popular haz de tubos de 19 tubos. Un inconveniente adicional del haz de tubos convencional de 19 tubos es la variación en el tamaño. El haz de tubos convencional presenta errores que dependen en gran medida de los detalles de la instalación, es decir, los codos en el plano y fuera del plano, las tes, las válvulas y las distancias desde la última instalación de tuberías hasta el acondicionador y el acondicionador hasta la placa de orificio. Estos errores tienen una gran importancia. Por lo tanto, se deben revisar los últimos hallazgos con respecto al rendimiento del haz de tubos convencional antes del diseño e instalación de la estación de medición. La opción de instalación final para la medición de orificio son los acondicionadores de flujo de placa perforada. Existe una variedad de placas perforadas que han ingresado al mercado. Estos dispositivos generalmente están diseñados para rectificar los inconvenientes del haz de tubos convencional ( insuficiencia de precisión y repetibilidad ). Se advierte al lector que revise cuidadosamente el rendimiento de la placa perforada elegida antes de la instalación. Se debe utilizar una guía de prueba de rendimiento del acondicionador de flujo para determinar el rendimiento. [11] Los elementos clave de una prueba de acondicionador de flujo son:
El medidor de turbina está disponible en varias configuraciones de fabricante de un tema común; álabes de turbina y dispositivos configurados con rotor . Estos dispositivos están diseñados de tal manera que cuando una corriente de gas pasa a través de ellos, girarán proporcionalmente a la cantidad de gas que pasa sobre los álabes de una manera repetible. La precisión se garantiza luego mediante la realización de una calibración, que indica la relación entre la velocidad de rotación y el volumen , en varios números de Reynolds. La diferencia fundamental entre el medidor de orificio y el medidor de turbina es la derivación de la ecuación de flujo. El cálculo del flujo del medidor de orificio se basa en los fundamentos del flujo de fluidos (una derivación de la 1.ª Ley de la Termodinámica que utiliza el diámetro de la tubería y los diámetros de la vena contracta para la ecuación de continuidad ). Se pueden suponer desviaciones de la expectativa teórica bajo el Coeficiente de Descarga. Por lo tanto, se puede fabricar un medidor de orificio de incertidumbre conocida con solo el estándar de medición en la mano y el acceso a un taller de máquinas. La necesidad de acondicionamiento del flujo y, por lo tanto, un perfil de flujo de velocidad completamente desarrollado se impulsa a partir de la determinación original de Cd que utilizó perfiles completamente desarrollados o "de referencia" como se explicó anteriormente.
Por el contrario, el funcionamiento del medidor de turbina no está profundamente arraigado en los fundamentos de la termodinámica. Esto no quiere decir que el medidor de turbina sea de ninguna manera un dispositivo inferior. Existen principios de ingeniería sólidos que proporcionan una base teórica. Es esencialmente un dispositivo extremadamente repetible cuya precisión se garantiza mediante calibración. La calibración proporciona la precisión. Se lleva a cabo en buenas condiciones de flujo (condiciones de flujo libres de remolinos y un perfil de flujo de velocidad uniforme) y se lleva a cabo para cada medidor fabricado. Las desviaciones de las condiciones calibradas se considerarían efectos de la instalación, y la sensibilidad del medidor de turbina a estos efectos de instalación es de interés. La necesidad de acondicionamiento del flujo se debe a la sensibilidad del medidor a las desviaciones de las condiciones calibradas de remolino y perfil de velocidad. En general, las investigaciones recientes indican que los medidores de turbina son sensibles al remolino pero no a la forma del perfil de velocidad. Se recomienda un perfil de velocidad uniforme, pero no se indican requisitos estrictos para perfiles de flujo completamente desarrollados. Además, no se evidencian errores significativos al instalar medidores de turbina de rotor simple o doble aguas abajo de dos codos fuera del plano sin dispositivos de acondicionamiento de flujo. [12] [13]
Debido a la antigüedad relativa de la tecnología, puede resultar beneficioso analizar el funcionamiento del medidor ultrasónico de trayectoria múltiple para ilustrar los efectos de la distorsión del perfil de flujo y el remolino. Existen varios tipos de mediciones de flujo que utilizan sonido de alta frecuencia. Los dispositivos de medición de transferencia de custodia disponibles en la actualidad utilizan el concepto de tiempo de viaje. La diferencia en el tiempo de vuelo con el flujo se compara con el tiempo de vuelo en contra del flujo. Esta diferencia se utiliza para inferir la velocidad de flujo promedio en la trayectoria del sonido. [14] Fig. (5) que muestra la trayectoria del sonido del medidor ultrasónico sin flujo que ilustra este concepto.
La ecuación de flujo resultante para la velocidad media experimentada por la trayectoria del sonido está dada por, ----(5)
El caso de que no haya flujo da la trayectoria real del sonido cuando hay flujo cero (igualando la ecuación (5) a cero). En el caso de un perfil de flujo teórico, digamos un perfil de flujo de velocidad uniforme donde no se aplica la condición de no deslizamiento en las paredes de la tubería, la Fig. (6) muestra la trayectoria del sonido del medidor ultrasónico: perfil de velocidad uniforme que ilustra la trayectoria del sonido resultante.
La derivación teórica de la ecuación de velocidad media para esta trayectoria del sonido se vuelve mucho más complicada en el caso de un perfil de velocidad real completamente desarrollado del medidor ultrasónico que se muestra en la figura (7) que indica una posible trayectoria del sonido como resultado de una instalación en un flujo real.
En este caso, la derivación matemática de este medidor ultrasónico también se vuelve muy complicada. Desarrollar un algoritmo de flujo robusto para calcular la velocidad media del flujo para la trayectoria del sonido puede ser bastante complicado. Ahora, añada a esto la reflexión de la trayectoria del sonido desde la pared de la tubería, las trayectorias múltiples para agregar grados de libertad, el remolino y la desviación del perfil de flujo completamente desarrollado axisimétrico y el problema de integrar el perfil de flujo de velocidad real para obtener el caudal volumétrico puede ser un logro. De ahí que el rendimiento real de los medidores ultrasónicos aguas abajo de las perturbaciones sea necesario y que se requieran calibraciones. [15]
El medidor Coriolis que se muestra en la figura (8) es muy preciso en condiciones monofásicas, pero inexacto para medir flujos bifásicos. Plantea un problema complejo de interacción fluido-estructura en caso de operación bifásica. Hay una escasez de modelos teóricos disponibles para predecir los errores informados por el medidor Coriolis en las condiciones mencionadas anteriormente.
Los acondicionadores de flujo no tienen ningún efecto sobre la precisión del medidor cuando se utiliza gas húmedo debido al régimen de flujo anular, que no se ve muy afectado por los acondicionadores de flujo. En condiciones monofásicas, el medidor Coriolis proporciona una medición precisa incluso en presencia de perturbaciones de flujo severas. No hay necesidad de acondicionamiento de flujo antes del medidor para obtener lecturas precisas de él, lo que sería el caso en otras tecnologías de medición como orificio y turbina. Por otro lado, en flujos bifásicos, el medidor arroja constantemente errores negativos. El uso de acondicionadores de flujo afecta claramente la lectura del medidor en líquidos aireados. Este fenómeno se puede utilizar para obtener una estimación bastante precisa del caudal en flujos de líquidos con baja fracción de volumen de gas. [16]
El acondicionamiento del flujo tiene un gran efecto en la precisión del medidor de turbina de líquido, lo que da como resultado perturbaciones del flujo. Estos efectos son causados principalmente por residuos en las mallas de los filtros, para diversas geometrías de tuberías ascendentes y diferentes tipos de acondicionadores de flujo. La eficacia de un acondicionador de flujo se puede indicar mediante las siguientes dos mediciones clave:
![{\displaystyle {\frac {U_{y}}{U_{max}}}=\left[1-{\frac {Y}{R}}\right]^{1/n}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3132256480946f68fa254cc284f5759e8130ce0a)
![{\displaystyle Diámetros de tubería=4.4D\left[R_{e}\right]^{1/6}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0d68ee47a42f35a08c605eba40b951b3ed854074)
^{2}{\sqrt {2\rho \Delta P}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ea2641c3d26933925e8c5cd0f72884d960ffefca)
![{\displaystyle {\bar {V}}_{flujo}=\left[{\frac {1}{T_{ab}}}-{\frac {1}{T_{ba}}}\right]\left[{\frac {Dist_{Trayectoria del sonido}}{2\cos \phi }}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b896405f2fb42f3a8d233b4957ac8863dd65839)