Medidor de caudal de masa de gas térmico: la mejor opción para medir el caudal de biogás

Thread Content

La recuperación y utilización del biogás es un proyecto técnico beneficioso para el país y sus ciudadanos, que contribuye a la protección del medio ambiente. Todos los países están invirtiendo recursos humanos y materiales para desarrollar activamente las tecnologías de recuperación y uso del biogás. Su tecnología de generación de energía a partir de biogás también se considera una tecnología de vanguardia a nivel internacional; solo un pequeño número de países la poseen. A las empresas les interesan los beneficios económicos y sociales; lo que les importa es cuántos kilovatios-hora puede generar 1 m³ de gas Diversos medidores de caudal tradicionales, en aplicaciones de medición de biogás, han demostrado en la práctica no ser muy eficaces. Con la maduración de la tecnología de los medidores de caudal de masa de gas por método térmico y la excelente practicidad de estos productos, cada vez más empresas dedicadas a la generación de energía a partir del biogás o a la recuperación de este comienzan a utilizar dichos medidores. El uso exitoso de los sistemas térmicos permitió resolver el problema de medición del biogás, que había planteado dificultades a la industria durante mucho tiempo. A continuación, se describen las características, el principio de funcionamiento y el uso del medidor de caudal de masa de gas por método térmico, además de una comparación con el rendimiento de otros tipos de medidores de caudal. Medidor de caudal por vórtices (gases) ▲ Características del medidor de caudal por vórtices: no tiene partes móviles, ofrece alta precisión en la medición y presenta una baja pérdida de presión. El elemento de detección no entra en contacto con el fluido que se mide, y la señal de salida no depende de parámetros como la temperatura, presión, densidad, composición o viscosidad del fluido. 　　▲ Principio del medidor de caudal por vórtices: Se basa en el principio de los vórtices de Karman, proveniente de la mecánica de fluidos, para medir el caudal del fluido. Al insertar verticalmente un generador de vórtices (un cilindro, un prisma triangular u otro cuerpo simétrico no aerodinámico) dentro de la tubería, cuando el fluido fluye por ella, se forman vórtices alternativamente a ambos lados detrás del generador de vórtices, creando así una serie de vórtices. Estas dos columnas de vórtices se forman de manera paralela entre sí, apareciendo alternadamente a la izquierda y a la derecha, con direcciones de rotación opuestas. La frecuencia de las vórtices, f (en Hz), está relacionada con la velocidad promedio del fluido, v (en m/s), y con el ancho del elemento que genera los vórtices, d (en m), según la siguiente fórmula: f = St * v / d. Aquí, St es el coeficiente de Strouhal, el cual está relacionado con el ancho del elemento que genera los vórtices, d, y con el número de Reynolds del fluido. ▲ El medidor de caudal por vórtices es relativamente sencillo de utilizar y su instalación también es fácil. Existen dos tipos de este dispositivo: el de tipo insertable y el de tipo tubular. Durante la instalación, se debe tener en cuenta que la dirección del flujo del fluido debe ser la misma que la indicada por el medidor de caudal. 　　▲ Desventajas del medidor de caudal por efecto vórtice: su rango de medición es menor que el de los medidores de caudal de gas de tipo térmico (en la mayoría de los casos, solo 10:1); es muy sensible a las vibraciones; el tamaño de la tubería está directamente relacionado con su precio; se necesita compensación de temperatura y presión para poder realizar mediciones precisas; en los rangos de caudal más bajos, el dispositivo no es lo suficientemente sensible, resultando inestable e incapaz de realizar mediciones fiables. Medidor de caudal por ultrasonidos (gases) ▲Características del medidor de caudal por ultrasonidos: no hay pérdida de presión; su instalación es sencilla; no depende de las propiedades del fluido como su temperatura, presión o viscosidad; no cuenta con partes móviles; puede medir gases sucios, corrosivos y gases multicomponentes. 　　▲Principio del medidor de caudal por ultrasonidos: Se mide el tiempo de propagación de las ondas ultrasónicas en la dirección del flujo y en la dirección contraria, dentro de la tubería. A partir de estos datos, se calcula la velocidad del fluido. El caudal del fluido se puede determinar a partir de la velocidad de flujo del medio, del diámetro del tubo, y también mediante una corrección dinámica del fluido utilizando el número de Reynolds. 　　En concreto: en el conducto se coloca una pareja de sensores ultrasónicos en forma de “Z”; la distancia L entre los dos sensores representa la distancia que recorre la onda ultrasónica. Los tiempos de propagación de las ondas ultrasónicas en dirección corriente y en contra corriente entre los dos sensores se expresan como: Ts = L/(C + Vcosθ); Tn = L/(C – Vcosθ). En estas ecuaciones, C representa la velocidad de las ondas sonoras en el aire estacionario; esta velocidad varía en función de las propiedades del gas. La unidad de medida es m/s. V es la velocidad del flujo en el medio gaseoso, con unidades de m/s. θ es el ángulo entre la trayectoria de la onda sonora y el eje del tubo. 　　▲El uso de los medidores de flujo por ultrasonidos también es bastante sencillo. Se instalan en la superficie del tubo en forma de “Z”. Es importante pulir bien el lugar donde se colocará el sensor y aplicarle grasa. Luego, se fija el sensor al tubo con los dispositivos de sujeción adecuados. 　　▲Desventajas del medidor de flujo por ultrasonidos: su rango de medición es ligeramente más reducido en comparación con los medidores de flujo de gas de tipo térmico, y su mantenimiento es relativamente complicado. Los gases de alta precisión son caros, su medición requiere compensación de temperatura y presión, y su configuración es complicada. Medidor de caudal por rotor (gases) ▲Características del medidor de caudal por rotor: muestra los valores en el lugar donde se utiliza, no necesita alimentación eléctrica; su precio es relativamente bajo. Existen dos tipos de estos dispositivos: los medidores de caudal por rotor con tubo de vidrio, que son los más utilizados, y los medidores de caudal por rotor con tubo metálico. Se puede mostrar en el lugar mismo o a distancia; las interfaces incluyen HART, señales de corriente estándar y PROFIBUS, entre otras. 　　▲Principio del medidor de caudal por rotor: El medidor de caudal por rotor también es un tipo de medidor de caudal basado en la velocidad. Está compuesto por dos partes: un tubo cónico de mayor tamaño en la parte superior y menor en la inferior, y otro componente que es el rotor (también llamado flotador), el cual se encuentra dentro del tubo cónico. Se utiliza la diferencia de presión ΔP que se genera cuando el fluido pasa por el espacio entre el rotor y las paredes del tubo cónico (área de estrangulamiento) para equilibrar el peso del rotor. Durante el funcionamiento, el fluido a medir entra por el extremo inferior del tubo cónico y sale por el extremo superior. La fuerza que el fluido ejerce sobre el rotor, en dirección hacia arriba, siempre es igual al peso del rotor, G. Es decir:
F = ΔP * A; G = V * (ρt – ρf) * g.
Dado que F = G, entonces ΔP * A = V * (ρt – ρf) * g.
Por lo tanto, ΔP = V * (ρt – ρf) * g / A (1).
En esta ecuación, V representa el volumen del rotor; A, la área transversal máxima del rotor; g, la aceleración de gravedad local; ρt y ρf son las densidades del material del rotor y del fluido respectivamente; y ΔP representa la diferencia de presión entre los fluidos en la dirección vertical. Según la ecuación (1), se puede observar que, durante todo el proceso de trabajo, la diferencia de presión permanece constante. Cuando el caudal aumenta, por supuesto, la velocidad del flujo a través de la área de restricción también aumenta. Para mantener constante la diferencia de presión ΔP, es necesario aumentar el área de restricción y, así, disminuir la velocidad del flujo. Por lo tanto, se puede determinar el caudal según la altura de la posición de equilibrio del rotor. Se puede expresar mediante la ecuación (2):
Q = k * h * (2△P/ρf)¹/² (2)
Donde k es una constante del instrumento; h es la altura a la que se eleva el rotor. Al sustituir la expresión (1), se obtiene:
Q = k * h * √[2gV(ρt – ρf) / (ρf * A)].
▲ El uso del medidor de caudal por rotación es bastante sencillo; basta con apretar los tornillos correspondientes durante su instalación. Sin embargo, hay que asegurarse de que la dirección del flujo del fluido sea siempre vertical hacia arriba. 　　▲Desventajas del caudalímetro de rotor: relación de rango de 10:1; pérdida de presión relativamente alta; fácil obstrucción por suciedad; instalación y mantenimiento relativamente complejos; sensible a las vibraciones; requiere compensación de temperatura y presión, etc.; el diámetro del tubo es directamente proporcional al precio, generalmente por debajo de DN200. Medidor de caudal de masa de tipo térmico ▲Características del medidor de caudal de masa de tipo térmico: tiene un rango de medición amplio, de hasta 1000:1; es sensible en rangos de caudal bajos; no se ve afectado por la temperatura ni la presión, lo que permite medir directamente la masa del gas; la pérdida de presión es insignificante; permite realizar mediciones de alta precisión incluso con diámetros grandes y caudales bajos; su precio no varía mucho en función del tamaño de la tubería; puede alcanzar una precisión del 1%; su rango de temperatura es amplio, desde -40°C hasta 400°C; además, no es sensible a los polvos ni a las partículas sólidas. 　　▲Principio del medidor de caudal por difusión térmica: Es un medidor de caudal basado en el principio de difusión térmica. En términos sencillos, cuando hay una fuente de calor dentro de un fluido, esta pierde calor a medida que el fluido pasa por ella. Cuanto mayor sea el caudal de masa del fluido, mayor será la cantidad de calor que pierde la fuente de calor. De esta manera, en condiciones ideales, el caudal del fluido debería ser igual a la cantidad de calor perdida por la fuente térmica. Por lo tanto, al conocer el valor de la energía térmica, podemos determinar el caudal del fluido. 　　En concreto, para la implementación de un medidor de caudal de masa de tipo térmico (en lo sucesivo, “medidor de caudal térmico”), esto significa que el sensor del medidor cuenta con dos sondas: una de ellas sirve como punto de referencia para medir la temperatura del fluido; la otra, en cambio, funciona como fuente de calor. Según lo anterior, podemos obtener la siguiente ecuación (3):
P/△T = A + B * (Q)^m  (3)
Donde P representa la potencia que proporciona el módulo electrónico como fuente de calentamiento; △T es la diferencia de temperatura entre la fuente de calentamiento y el punto de referencia; A y B son constantes relacionadas con las propiedades del propio fluido; m es un coeficiente exponencial también relacionado con las propiedades del fluido; y Q representa el caudal de masa del fluido. Desde la ecuación (3), podemos ver que existen dos métodos para realizar la medición del caudal: fijar el valor de P corresponde al método de potencia constante; fijar el valor de △T corresponde al método de diferencia de temperatura constante. Por lo general, utilizamos el método de diferencia de temperatura constante para las mediciones. Las características de este método son: una alta sensibilidad en rangos de medición pequeños y una rápida velocidad de respuesta. Actualmente, todos los productos disponibles en el mercado emplean este método. 　　▲El medidor de caudal de masa térmico es fácil de utilizar e instalar; existe en dos formas: de tipo insertable y de tipo tubular. Ya sea de tipo insertable o de tipo tubular, su mantenimiento y operación son extremadamente sencillos. Al instalarlo, hay que asegurarse de que la dirección del flujo de fluido sea la misma que la indicada por el medidor de caudal de tipo térmico. 　　▲Desventajas del caudalímetro de masa térmico: No es adecuado para su instalación en entornos con alta viscosidad; tampoco es apropiado para ser utilizado en lugares donde el contenido de gotas de agua supera el 40%. Según los numerosos casos de aplicación práctica en diversos sectores, las ventajas de los medidores de caudal de masa de gas de tipo térmico son especialmente evidentes en la medición de gases, sobre todo en situaciones de baja presión y con composiciones complejas de los gases. En comparación con otros medidores de caudal, el medidor de caudal de masa por calor presenta ventajas como una menor pérdida de presión, un rango de medición amplio y alta sensibilidad en rangos de caudal bajos, lo que lo hace más adecuado para ahorrar energía. Su aplicación exitosa proporcionó equipos de medición precisa para la futura medición del flujo de biogás.