El acondicionamiento del flujo garantiza que el entorno del "mundo real" se parezca mucho al entorno del " laboratorio " para el funcionamiento adecuado de los caudalímetros 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 aguas arriba del medidor de flujo pueden reducir la longitud de tubería recta requerida. Sin embargo, producen sólo mejoras marginales en la precisión de la medición y aún pueden requerir una longitud significativa de tubería recta, lo que un sitio de instalación estrecho puede no permitir.
Un enderezador de flujo , a veces llamado panal , es un dispositivo utilizado 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 giratorio en el flujo de aire durante la entrada. Las formas de la sección transversal de estos "panales" pueden ser 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 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 del mismo tamaño y colocarse en un marco.
La eficacia del panal para reducir el nivel de turbulencia y remolino se estudia simulando el campo de flujo utilizando el modelo de turbulencia k-ε estándar en dinámica de fluidos computacional (CFD) comercial. CFD es el método más preciso y económico para estimar la efectividad de un panal.
Modelo computacional
Se crea un dominio computacional de panal como se muestra en la Fig. 1.
Sabemos que, computacionalmente, 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 entrar al panal desde cualquier dirección y con cualquier nivel de turbulencia. Por lo tanto, se diseña un dominio especial para introducir condiciones de entrada prácticas.
Mallado de modelos computacionales
El modelo sólido de panal está mallado en GAMBIT 2.3.16. Como se muestra en la Fig. 2. Se utiliza una malla rectangular estructurada para la simulación con una configuración de panal cuadrado. Las ecuaciones que rigen las conservaciones de masa y momento para el flujo subsónico junto con las ecuaciones para la turbulencia y el flujo poroso se resuelven para el panal mediante CFD comercial. El modelo RANS tipo RNG k-ε se utiliza para el modelado de turbulencia.
Condiciones de borde
El dominio separado creado aguas arriba del panal está provisto de diversas condiciones de entrada para lograr el movimiento desordenado en la salida, que debe proporcionarse como entrada a las células del panal. Básicamente, esto simula el caso más realista de que el flujo puede entrar 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 deberá tener necesariamente movimientos turbulentos y giratorios. Por lo tanto, para incorporar estos requisitos, se construye un dominio de fluido separado.
Las caras circulares superior e inferior se consideran entradas a este dominio para obtener un campo de flujo con mayor magnitud de velocidad lateral. Este dominio está provisto de cilindros verticales y horizontales como obstrucción a la entrada para producir suficiente remolino a la salida de esta sección. Para esta geometría se genera una malla tetraédrica como se muestra en la Fig. 3 con elementos tetraédricos. 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 de 1 m/s, que está en el túnel de viento operativo.
Se utiliza una condición límite de presión de salida 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 entrelazando todo el dominio del fluido; sin embargo, simulación para la predicción de todo el campo de flujo utilizando condiciones de frontera 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 antideslizante. 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 se incorpora en el interior. En el panal como se muestra en la Fig. 2, el perfil de intensidad de la turbulencia sale del panal como se muestra en la Fig. 5. En este perfil podemos ver que la intensidad de la turbulencia se reduce del 30% al 1,2% en el centro y al 16%. al 3,5%, significa que la efectividad del panal es muy alta, alrededor del 96%.
El gas natural que transporta 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 del flujo son las condiciones del flujo dentro de una tubería aguas arriba de un medidor. Las condiciones de flujo se refieren principalmente al perfil de velocidad del flujo , irregularidades en el perfil, niveles variables de turbulencia dentro del perfil de velocidad del flujo o intensidad de turbulencia, turbulencias y cualquier otra característica del flujo de fluido que hará que el medidor registre un flujo diferente al esperado. Cambiará el valor del estado de calibración original denominado condiciones de referencia que están libres de efectos de instalación. [1]
Los efectos de la instalación, como una tubería recta insuficiente, una rugosidad o suavidad excepcional de la tubería, codos, válvulas , tes y reductores, hacen que las condiciones de flujo dentro de la tubería varíen de las condiciones de referencia. Es muy importante cómo estos efectos de instalación impactan el medidor, 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 y al mismo tiempo mantener un diseño estándar de medidor competitivo en costos. Los factores de calibración del medidor son válidos sólo si existe similitud geométrica y dinámica entre las condiciones de medición y calibración. En mecánica de fluidos, esto comúnmente se conoce como 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 flujo. 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 muestra 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 tanto dinámica como geométrica entre la instalación de campo y la instalación de laboratorio del artefacto. Un patrón experimental de fabricante adecuado localiza 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 muestra 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 tanto dinámica como 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 del 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 del flujo viene dada por la siguiente ecuación, ---- (1)
El valor de n determina la forma del perfil de velocidad del 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, las velocidades del flujo transversal se estaban midiendo dentro del entorno de gas natural a alta presión utilizando tecnología de alambre 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 an 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 del 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 cuentan con el equipo adecuado para medir realmente las velocidades del flujo dentro de la tubería. Se utilizó la siguiente longitud equivalente de tubería recta en la ecuación (3) 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, permitiendo que los paquetes de medición sean precisos y competitivos en términos de costos. Aquí el perfil de velocidad del flujo es generalmente tridimensional. Normalmente, la descripción no requiere indicación de orientación axial si el perfil es asimétrico y, si existe, entonces se requiere orientación axial con respecto a algún plano de referencia adecuado. Existe asimetría después de los efectos de instalación, como codos o tees. Normalmente, el perfil de velocidad del flujo se describe en dos planos separados 90°. Utilizando la última tecnología de software es posible obtener 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 cero error de medición en momentos en que el perfil de velocidad no estaba completamente desarrollado. Por lo tanto, este comportamiento se refirió a la intensidad de la turbulencia del flujo de gas que puede causar un error de polarización de medición. Este comportamiento explica en parte el rendimiento poco adecuado 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 resolver en tres componentes mutuamente ortogonales, el perfil de velocidad solo representa el componente axial de la velocidad. Fig. (2) que muestra el ángulo de turbulencia que explica la definición de turbulencia de flujo y ángulo de turbulencia. Tenga en cuenta que el remolino generalmente se refiere a la rotación del cuerpo completo (aquello en el que todo el flujo de la tubería sigue un eje de remolino). En condiciones reales de tuberías, como aguas abajo de codos, pueden estar presentes dos o más mecanismos de turbulencia.
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 del 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. Las normas API 14.3 (1990) y ISO determinaron el coeficiente de descarga completando numerosas pruebas de calibración en las que 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 ingresara a la placa de orificio. [8] Por lo tanto, los diseños de medidores precisos que cumplan con los estándares deben garantizar que un perfil de flujo completamente desarrollado y libre de turbulencias incida en la placa de orificio. Existen numerosos métodos disponibles para lograr esto. Estos métodos se conocen comúnmente como "acondicionamiento de flujo". La primera opción de instalación es volver a ningún acondicionamiento de flujo, pero la ecuación (2) mencionada anteriormente debe proporcionar longitudes de tubería adecuadas. Esto generalmente hace que los costos de fabricación de una instalación de medición de flujo sean poco realistas debido a los tubos medidores excesivamente largos; Imaginemos tubos de un metro 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 una 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 provocando 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 reducen 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 paquete de prueba convencional de 19 tubos. [10] Los resultados individuales deben revisarse para determinar detalles como la relación beta, las longitudes de los tubos medidores, 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 excesivos de hasta un 1,5% cuando el haz de tubos tiene entre 1 diámetro de tubería y aproximadamente 11 diámetros de tubería desde 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. Hay 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 sub-registro de caudales para distancias entre aproximadamente 15 y 25 diámetros de tubería. Esto se debe a un perfil de velocidad máxima que crea presiones diferenciales más bajas que un perfil completamente desarrollado. A distancias superiores a 25 diámetros de tubería, el error es asíntota a cero. Fig. (3) que muestra el rendimiento del haz de tubos convencional y explica el comportamiento característico típico del popular haz 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 proporciona errores que dependen mucho de los detalles de la instalación, es decir, los codos dentro y fuera del plano, las tes, las válvulas y las distancias desde la última instalación de tubería hasta el acondicionador y desde el acondicionador hasta la placa de orificio. Estos errores tienen un gran significado. Por lo tanto, se deben revisar los últimos hallazgos sobre el rendimiento del haz de tubos convencionales antes del diseño e instalación de la estación de medición. La opción de instalación final para la medición por orificio son los acondicionadores de flujo de placa perforada. Hay una gran variedad de placas perforadas que han entrado en el mercado. Estos dispositivos generalmente están diseñados para rectificar los inconvenientes del haz de tubos convencional ( precisión e insuficiencia de 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 fabricantes de un tema común; palas de turbina y dispositivos configurados en rotores . Estos dispositivos están diseñados de manera que cuando una corriente de gas pasa a través de ellos, girarán proporcionalmente a la cantidad de gas que pasa sobre las palas de forma repetible. Luego, la precisión se garantiza al completar 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 fluido (una derivación de la primera 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 asumir desviaciones de las expectativas teóricas según el coeficiente de descarga. Por lo tanto, se puede fabricar un medidor de orificio de incertidumbre conocida con sólo el estándar de medición en la mano y acceso a un taller mecánico. La necesidad de acondicionamiento del flujo y, por lo tanto, de un perfil de flujo de velocidad completamente desarrollado se deriva de la determinación original de Cd que utilizó "perfiles de referencia" completamente desarrollados 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 sólidos principios de ingeniería que proporcionan una base teórica. Es esencialmente un dispositivo extremadamente repetible al que luego se le garantiza la precisión mediante la calibración. La calibración proporciona la precisión. Se realiza en buenas condiciones de flujo (condiciones de flujo libre de turbulencias y perfil de velocidad de flujo uniforme) esto se realiza 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 la instalación es de interés. La necesidad de acondicionamiento del flujo surge de la sensibilidad del medidor a las desviaciones de las condiciones calibradas de perfil de velocidad y remolino. En general, 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 relativa antigüedad de la tecnología, puede resultar beneficioso analizar el funcionamiento del medidor ultrasónico de trayectos múltiples para ilustrar los efectos de la distorsión y la turbulencia del perfil de flujo. 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 de tiempo de vuelo con la corriente se compara con el tiempo de vuelo contra la corriente. Esta diferencia se utiliza para inferir la velocidad promedio del flujo en la ruta del sonido. [14] Fig. (5) que muestra la ruta 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 sin flujo da la trayectoria real del sonido cuando hay flujo cero (equipando la ecuación (5) con 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 ruta del sonido del medidor ultrasónico: perfil de velocidad uniforme que ilustra la ruta del sonido resultante.
Una 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 perfecto y completamente desarrollado del medidor ultrasónico que se muestra en la Fig. (7), se indica una posible ruta del sonido como resultado de una instalación en un flujo real.
Aquí también se vuelve muy complicada la derivación matemática de este medidor ultrasónico. Desarrollar un algoritmo de flujo sólido para calcular la velocidad media del flujo para la ruta del sonido puede resultar bastante complicado. Ahora agregue a esto; La reflexión de la trayectoria del sonido desde la pared de la tubería, múltiples trayectorias para agregar grados de libertad, remolinos y salidas del perfil de flujo axisimétrico completamente desarrollado y el problema de integrar el perfil de velocidad real del flujo para producir el caudal volumétrico pueden ser un logro. De ahí que se requiera el rendimiento real de los medidores ultrasónicos aguas abajo de las perturbaciones y la necesidad de calibraciones. [15]
El medidor Coriolis que se muestra en la figura (8) es muy preciso en condiciones monofásicas, pero impreciso para medir flujos bifásicos. Plantea un complejo problema de interacción fluido-estructura en caso de funcionamiento en dos fases. Hay escasez de modelos teóricos disponibles para predecir los errores reportados por el medidor Coriolis en las condiciones antes mencionadas.
Los acondicionadores de flujo no afectan la precisión del medidor cuando se usa 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 mediciones precisas incluso en presencia de perturbaciones graves del flujo. No es necesario acondicionar el flujo antes del medidor para obtener lecturas precisas, como sería el caso en otras tecnologías de medición como el orificio y la turbina. Por otro lado, en flujos de dos fases, el medidor siempre da errores negativos. El uso de acondicionadores de flujo afecta claramente a la lectura del contador en líquidos aireados. Este fenómeno se puede utilizar para obtener una estimación bastante precisa del caudal en flujos de líquido con baja fracción de volumen de gas. [dieciséis]
El acondicionamiento del flujo tiene un efecto enorme en la precisión del medidor de turbina de líquido, lo que provoca perturbaciones en el flujo. Estos efectos son causados principalmente por desechos en los filtros, para diversas geometrías de tuberías aguas arriba y diferentes tipos de acondicionadores de flujo. La eficacia de un acondicionador de flujo puede indicarse mediante las dos medidas clave siguientes:
![{\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 PipeDiameters=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_{Soundpath}}{2\cos \phi }}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3b896405f2fb42f3a8d233b4957ac8863dd65839)