Regímenes de flujo en mediciones de caudal de vapor

En este artículo veremos los regímenes de flujo en mediciones de caudal de vapor. Si se ignoran los efectos de viscosidad y fricción de la tubería, un fluido viajaría a través de la tubería con una velocidad uniforme a través de todo el diámetro de la tubería.

El “perfil de velocidad” aparecería como se muestra en la siguiente figura:

Sin embargo, esto sería en realidad un caso ideal, en condiciones reales, la viscosidad afecta al caudal del fluido, junto con la fricción de la tubería hacen que se reduzca la velocidad del fluido cerca de la pared de la tubería. Esto se puede ver claramente en la siguiente figura:

Con un número de Reynolds bajo (2300 o menor) al caudal se le conoce como “laminar”, tal y como se explicó en el artículo acerca de la medición del caudal de vapor, es decir, todo el movimiento se produce a lo largo del eje de la tubería. En estas condiciones, la fricción del fluido contra la pared del tubo significa que se producirá una mayor velocidad de fluido en el centro de la tubería, como en la siguiente figura:

A medida que aumenta la velocidad, y el número de Reynolds supera los 2300, el flujo se convierte cada vez más turbulento con un aumento de remolinos, hasta que alcanza el número de Reynolds 10 000 en que el flujo es completamente turbulento, como se muestra en la siguiente figura:

Los ejemplos mostrados en todas las figuras anteriores son útiles ya que proporcionan una comprensión de las características del fluido dentro de las tuberías, sin embargo, el objetivo de estos artículos no es otro que proporcionar información específica acerca del vapor saturado y agua (o condensado).

Si bien estas son dos fases del mismo fluido, sus características son completamente diferentes. Esto se ha demostrado en las secciones anteriores relativas a la Viscosidad Absoluta (m) y la Densidad (r). La siguiente información, por lo tanto, es específicamente relevante para los sistemas de vapor saturado. 

Ejemplo de regímenes de fluido en mediciones de caudal de vapor 

Un sistema de tuberías de 100 mm transporta vapor saturado a 10 bar a una velocidad media de 25 m/s. Determinar el número Reynolds. Los siguientes datos están disponibles en las tablas de vapor:

• Si el número de Reynolds (Re) en un sistema de vapor saturado es inferior a 10.000 (104) el  flujo puede ser laminar o de transición. Bajo condiciones de flujo laminar, la caída de presión es directamente proporcional al caudal.
• Si el número de Reynolds (Re) es mayor que 10.000 (104) el régimen de flujo es turbulento. En estas condiciones la caída de presión es proporcional a la raíz cuadrada del caudal.
• Para una medición de caudal de vapor precisa, es esencial tener condiciones constantes y para sistemas de vapor saturado es habitual especificar el número de Reynolds (Re) mínimo como 1 x 105 = 100.000.
• En el extremo opuesto de la escala, cuando el número de Reynolds (Re) es superior a 1×106, las pérdidas de carga debidas a la fricción dentro de la tubería se hacen importantes, y esto se especifica como el máximo. 

Basándonos en la información anterior, determinar los caudales máximo y mínimo para un caudal turbulento con vapor saturado a 10 bar r en una tubería de 100 mm de diámetro interno. Un sistema de tuberías de 100 mm transporta vapor saturado a 10 bar a una velocidad media de 25 m/s. 

Volviendo al anterior, e introduciendo valores en esta última ecuación:

En resumen:

• El caudal másico de vapor saturado a través de tuberías está en función de la densidad, 
• viscosidad y velocidad.
• Para una medición de caudal de vapor precisa, el tamaño de la tubería seleccionado debe dar lugar a números Reynolds de entre 1 x 105 y 1 x 106 en condiciones de mínimo y máximo respectivamente.
• Dado que la viscosidad, etc, son valores fijos para una condición que se está considerando, el número Reynolds correcto se consigue mediante una selección cuidadosa del tamaño de la tubería.
• Si el número de Reynolds se incrementa por un factor de 10 (1×105 se convierte en 1×106), entonces también lo hace la velocidad (por ejemplo 2,695 m/s se convierte en 26,95 m/s, respectivamente), siempre que la presión, la densidad y la viscosidad permanezcan constantes. 

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