El principio de medición de caudal Vortex

Este principio de medición se basa en el hecho de que aguas abajo de un obstáculo se forman remolinos (vórtices) en el fluido, tanto en una tubería cerrada como en un canal abierto. Es posible observar este fenómeno, por ejemplo, en los remolinos (zona de turbulencia) que se forman aguas abajo del pilar de un puente (Fig. 1). La frecuencia de desprendimiento de los vórtices (o remolinos) a cada lado del pilar (cuerpo con frente ancho de interferencia) es proporcional a la velocidad de flujo media y, por lo tanto, al caudal volumétrico. Ya en 1513, Leonardo da Vinci describió la formación y el desprendimiento de remolinos estacionarios detrás de un obstáculo en una corriente de fluido.

En 1878, Strouhal estudiaba una descripción científica de los remolinos que se formaban detrás de los cuerpos con frente ancho de interferencia. Sus estudios revelaron que un cable tensado de través en un chorro de aire oscilará. Descubrió que la frecuencia de esta oscilación es proporcional a la velocidad del chorro de aire. Podemos observar este fenómeno en nuestro propio coche o casa: El silbido que produce el viento al pasar por alguna rendija se debe al desprendimiento de remolinos, y aumenta o disminuye según cambia la velocidad. Este fenómeno se denomina "tono eólico".

El número de Strouhal empleado en este contexto describe la relación entre la frecuencia de desprendimiento de vórtices, la velocidad del fluido y el diámetro del cuerpo con frente ancho de interferencia (véase la Fig. 2):

El físico Theodore von Kármán asentó las bases teóricas para la medición de caudales con caudalímetros Vortex en 1912, cuando describió lo que se ha venido en llamar "zona de turbulencia". Su análisis de la doble hilera de vórtices formados detrás de un cuerpo con frente ancho de interferencia en un caudal revelaba una relación fija entre la distancia transversal (d) de separación de las dos hileras y la distancia longitudinal (L) de separación entre vórtices en una misma hilera. Si, por ejemplo, el cuerpo con frente ancho de interferencia es cilíndrico, esta relación es de 0,281. Así, para un diámetro de tubería uniforme, el volumen de cada remolino es constante. Si admitimos que los remolinos son del mismo tamaño independientemente de las diferentes condiciones de ejecución, entonces el recuento del número de vórtices por unidad de tiempo nos da directamente una estimación del caudal.

El fluido alcanza su velocidad máxima en la parte más ancha del cuerpo con frente ancho de interferencia a partir de ese punto pierde parte de su velocidad. La Figura 3 muestra que el caudal intenta desprenderse del contorno del cuerpo con frente ancho de interferencia (a), en lugar de bordearlo. Más allá del punto (a) la presión disminuye y se producen reflujos, y en última instancia, remolinos (b). Estos remolinos se desprenden alternativamente por cada lado del cuerpo con frente ancho de interferencia y son transportados por el fluido.

La forma de los cuerpos con frente ancho de interferencia varían según el fabricante. Los hay de forma rectangular, triangular, esférica, en delta o en formas más específicas, correspondientes a los diversos modelos patentados. En cada modelo, el número de Strouhal se debe mantener constante para todo el rango de medición; es decir, la frecuencia de desprendimiento de vórtices ha de ser independiente de la presión, la temperatura y la densidad. En este rango de medición de caudal con un número de Strouhal constante (Re > 10.000) trabajan los caudalímetros Vortex (véase la Fig. 4). Los cuerpos con frente ancho de interferencia en forma de delta presentan un comportamiento lineal casi ideal y han demostrado ser particularmente fiables. Los ingenieros de la NASA han sometido este modelo de cuerpo con frente ancho de interferencia a estudios exhaustivos. La precisión de la medición con esta geometría puede llegar a ser de ±0,75 % v.l., y su reproducibilidad se sitúa en torno al 0,1%.

Las características de los caudalímetros Vortex se suelen definir en términos del parámetro K. Este parámetro representa el número de remolinos que se detectan por unidad de tiempo (impulsos por unidad de volumen). El fabricante obtiene dicho parámetro K durante el proceso de calibración del equipo e incluye esta información en la placa de características del instrumento. Este parámetro depende de la geometría del cuerpo con frente ancho de interferencia y del tamaño de la tubería.

En un caudalímetro Vortex (DN 50/2") cuyo parámetro K es 10 impulsos por litro, cada impulso corresponde a un volumen de 0,1 litros, independientemente de si que el fluido sea agua, vapor o cualquier otro fluido.

Los caudalímetros Vortex se emplean en numerosos ámbitos de la industria para medir caudales volumétricos de vapor, líquidos y gases. Estos caudalímetros son cada vez más habituales en aplicaciones que anteriormente utilizaban caudalímetros de presión diferencial, como por ejemplo de disco de diafragma. Esta tendencia se mantiene aún, por dos razones: los caudalímetros Vortex son más fáciles de instalar y además tienen una rangeabilidad más amplia. La figura 5 muestra un ejemplo de ello.

Desde la década de los años ochenta del siglo XX, los caudalímetro Vortex han adquirido gran popularidad, en particular en todos los sectores industriales de medición de caudales de vapor. Los caudalímetros Vortex solamente miden caudales volumétricos, pero los sistemas de vapor suelen transportar además una cierta proporción de contenido masivo y energético, de modo que estos se suelen emplear en combinación con un sensor de presión y/o temperatura integrados o instalados por separado.

A diferencia de los caudalímetros electromagnéticos (también conocidos como magnetómetros), los caudalímetros Vortex permiten determinar el caudal de líquidos no conductivos o solo ligeramente conductivos, como hidrocarburos, agua desmineralizada, condensación o agua de alimentación de calderas. También se pueden emplear en condiciones de altas presiones y de temperaturas mucho más altas que los caudalímetros magnéticos.

En aplicaciones de esta naturaleza, los caudalímetros Vortex hallan un amplio uso en la medición de caudales de aire comprimido, de gas natural o de componentes individuales del aire como nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, hidrocarburos, etc.

La prioridad de los clientes finales ha pasado de medir solo el volumen a centrarse en la medición de masa compensada. Este avance posibilita la creación de hojas de balance precisas. Al considerar tanto la presión como la temperatura, es posible lograr mediciones de masa precisas, lo cual resulta fundamental para un balance exacto, un control eficiente de los procesos y la optimización de los mismos.

Además, la medición específica de vapor húmedo (fracción de sequedad/calidad del vapor) ayuda a los operadores a evaluar la calidad del vapor y detectar posibles acumulaciones de humedad en línea. De esta manera, se mejora de forma fiable la seguridad y la eficiencia. Y es posible obtener una gran precisión en entornos de vapor saturado/húmedo, lo que permite a los clientes superar los posibles problemas en sus balances de masa.

Los caudalímetros Proline Prowirl de Endress+Hauser combinan la medición de caudal, presión y temperatura en un único instrumento, lo que se traduce en un aumento significativo de la eficiencia y la precisión.

• Precisión: al registrar simultáneamente la presión y la temperatura, es posible medir el caudal con una precisión que no se ve afectada por las fluctuaciones en las condiciones de operación, lo que la hace ideal para equilibrar la masa de gas y vapor.
• Eficiencia: la integración de múltiples parámetros en un solo equipo facilita significativamente la instalación y reduce los costes de mantenimiento.
• Fiabilidad: los caudalímetros Prowirl son robustos y duraderos, lo que garantiza un rendimiento fiable incluso en condiciones exigentes.