Uno de los conceptos básicos que todo ingeniero de planta debe dominar sobre la medición de caudal de vapor, es entender las características del fluido. Cada fluido tiene un conjunto único de características y para el vapor ocurre lo mismo, incluyendo la densidad y la viscosidad, tanto dinámica como cinemática.
En este artículo, le daremos continuidad a cómo incrementar la eficiencia de la planta al medir el caudal de vapor con el caudalímetro adecuado al desarrollar cada una de las características del fluido que detallamos a continuación:
Medición del caudal de vapor: Densidad
La densidad (r) de una substancia es la masa (m) por unidad de volumen (V) de la substancia, tal y como se muestra en la siguiente ecuación:
La densidad de agua saturada y de vapor saturado varía según la temperatura. Esto se puede ver en la siguiente figura:
La densidad del vapor saturado aumenta con la temperatura (es un gas y es comprimible), mientras que la densidad del agua saturada disminuye con la temperatura (es un líquido que se expande. En estas figuras vemos la densidad (r) del agua saturada (rf) y vapor saturado (rg) a diferentes temperaturas.
Medición del caudal de vapor: Viscosidad dinámica
La viscosidad dinámica es la propiedad interna de resistencia al flujo que posee un fluido. Si un fluido tiene una alta viscosidad (por ejemplo, un aceite pesado) tendrá una alta resistencia al flujo. También, un fluido altamente viscoso precisará una mayor energía para moverlo por la tubería que un fluido con una viscosidad más baja.
Hay varias maneras de medir la viscosidad, incluyendo una llave dinamométrica conectada a una pala y haciendo que se retuerza en el fluido, o midiendo la velocidad a la que un fluido cae por un orificio. Un sencillo experimento de laboratorio escolar, demuestra claramente la viscosidad y sus unidades: Se le permite a una esfera caer a través de un fluido bajo la influencia de la gravedad. Midiendo la distancia (d) que cae y el tiempo (t) que tarda en caer la esfera se puede determinar la velocidad (u).
La siguiente ecuación se puede usar para determinar la viscosidad dinámica:
Hay que hacer tres notas notas importantes:
- El resultado de la ecuación anterior se le conoce como viscosidad absoluta o dinámica del fluido y se mide en pascales segundo. La viscosidad dinámica también se le conoce como fuerza viscosa.
- Los elementos físicos de la ecuación dan un resultado en kg/m, no obstante, las constantes (2 y 9) toman en cuenta tanto los datos experimentales como la conversión de unidades a pascales segundo (Pa s).
- Algunas publicaciones dan valores de viscosidad absoluta o viscosidad dinámica en centiPoise (cP), 1 cP = 10-3 Pa s.
Ejemplo de viscosidad dinámica en la medición del caudal de vapor
Una bola de acero (densidad 7800 kg/m3) de 20 mm de diámetro tarda 0,7 segundos en caer 1 m en aceite a 20oC (Densidad = 920 kg/m3). Determinar la viscosidad donde:
Los valores para la viscosidad dinámica de vapor y agua saturados a diferentes temperaturas están en las tablas de vapor y se pueden ver representados en la siguiente figura:
Los valores para agua saturada disminuyen con la temperatura, mientras que los de vapor saturado aumentan con la temperatura. Estamos viendo la viscosidad dinámica del agua saturada (mf) y vapor saturado (mg) a diferentes temperaturas.
Medición del caudal de vapor: Viscosidad cinemática
Expresa la relación entre la viscosidad absoluta (o dinámica) y la densidad del fluido, tal y como se muestra en la siguiente ecuación:
- Número Reynolds (Re)
Todos los factores introducidos arriba tienen un efecto en el flujo del fluido en las tuberías. Se toman todos juntos en una cantidad adimensional para expresar las características del flujo, es decir, el número de Reynolds (Re), tal y como mostramos en la siguiente ecuación:
- Evaluación de la relación del número Reynolds
Para un fluido en particular, si la velocidad es baja, el número Reynolds resultante también será bajo.
Si se transporta otro fluido con una densidad similar, pero con una viscosidad dinámica más alta, a la misma velocidad, el número Reynolds será más bajo.
En un sistema dado en el que el tamaño de tubería, viscosidad dinámica (y consecuentemente la temperatura) permanecen constantes, el número Reynolds será directamente proporcional a la velocidad. El fluido usado en los ejemplos anteriores se bombea a 20 m/s por una tubería de 100 mm de diámetro. Determinar el número Reynolds (Re) usando la siguiente ecuación, donde: r = 920 kg/m3 m = 1,05 Pa s
Viendo el número Reynolds de arriba, se pude ver que el flujo está en zona laminar.
Para conocer más acerca de la medición del caudal de vapor o los métodos para medir el vapor industrial que ayudan a reducir costes, te invitamos a suscribirte al Newsletter de Vapor para La Industria, un recurso que te servirá para recibir más contenido sobre las nuevas tendencias del vapor industrial, como los métodos de cálculo de consumo de vapor para plantas industriales.
Medir el caudal de vapor con el caudalímetro adecuado incrementa la eficiencia de la planta
