1. Cálculo de una placa orificio.

La placa de orificio es un elemento de medición de flujo muy utilizado en la industria

debido a su bajo costo de fabricación, la determinación de las dimensiones óptimas de la

placa orificio se rigen por la norma ISO 5167-1.

1.1Principio de funcionamiento de la placa orificio.

El principio básico de funcionamiento de la placa se basa en comprender que a medida

que la velocidad de un flujo disminuye aumenta la presión, y cuando la velocidad del flujo

se incrementa disminuye la presión de este. La placa orificio incrementa la velocidad del

flujo y disminuye la presión de operación.

Ilustración 1 Corte transversal de una placa orificio.

En la ilustración 1 se muestra claramente un flujo cruzando la placa para el caso de

análisis este flujo se trata de aire comprimido, si el aire circula libremente sin

obstrucciones en la tubería puede afirmarse que la velocidad del flujo de un punto a otro

en la tubería será el mismo, por consiguiente cuando el aire choca con la placa orificio en

el punto C disminuye su velocidad, debido a esta reducción de velocidad la presión justo

antes del orificio punto B es un poco mayor que la presión de operación en la línea de

conducción aguas arriba punto A, cuando el aire circula por el orificio para compensar la

disminución del área la velocidad aumenta y la presión disminuye llegando a su valor

menor cuando la velocidad es máxima, aguas debajo de este punto el flujo de aire se

dispersa disminuye su velocidad y se incrementa la presión en el punto D.

2.Ventajas y desventajas de la placa orificio.

Ventajas

Pocas restricciones de instalación

Simple diseño

Bajo costo

Fácil manejo

Sin piezas móviles

Buen precisión + o – 1%

Desventajas

Rango limitado de medición

No apto para flujos con partículas en suspensión

Deterioro con el tiempo

Alta pérdida de carga

3. Caso de estudio.

En una empresa de la ciudad de se utiliza aire comprimido a la presión de operación de

100 Psig generados en la sala de compresores, se requiere instalar una placa orificio a la

salida del compresor con el fin de verificar los CFM de placa con los CFM reales de

operación de este compresor.

.

4.Diseño de la placa orificio.

La medición del caudal con este tipo de dispositivos se realiza conociendo sus

características geométricas, la presión diferencial y las propiedades del fluido, la

determinación del caudal se puede determinar por medio de la siguiente ecuación la cual

resulta de combinar la ecuación de Bernoulli con la ecuación de continuidad.

√

√

Q=Flujo volumétrico

d=diámetro orificio

h=caída de presión

Cd=coeficiente de descarga

Esta relación entre diámetros debe estar comprendida entre 0.2 a 0.75, el coeficiente de

descarga Cd depende de la forma de cómo se coloquen las tomas de presión y del

número de Reynolds el cual se determina con la siguiente ecuación.

Ilustración 2 Tomas de presión a D-D/2

(

)

Donde L1 y L2 se determinan con la ayuda de la siguiente tabla

Tabla 1 Selección L1 y L2

Con la ayuda del software flow calc se logra determinar la relación de diámetros óptima

para las condiciones de operación que se muestran a continuación.

Diámetro tubería D=4 pulg SCHED 40

Diámetro del orificio d=3.005pulg=76.327mm

Material placa orificio= AISI 316

Temperatura del Flujo =100 °F

Presión=100 Psig

Flujo volumétrico Q=2000 CFM

Ilustración 3 Cálculo placa orificio.

Por consiguiente se obtuvo una relación de diámetros menor a 0.75

La norma ISO 5761-1 establece el espesor de la placa y la proporción que debe tener el

orifico en relación al diámetro de la tubería como se muestra a continuación.

Tabla 2 Dimensiones recomendadas placa orificio D (mm).

Ilustración 4 Dimensiones características de la placa orificio.

Para realizar el montaje del dispositivo en la tubería de descarga del compresor se debe

seleccionar las bridas de unión1 de la siguiente forma.

Ilustración 5 Bridas par el montaje de placa orificio.

Tabla 3 Dimensiones características de las bridas.

Para un diámetro nominal de 4 pulg las dimensiones características de la brida serán las

siguientes:

1 Diseño y cálculo de recipientes a presión pág. 66 .Ing. Juan Manuel Leon Estrada ed. 2001

Luego de seleccionar las bridas de soporte de la placa orificio, debe seleccionarse su

ubicación, este es un factor muy importante ya que para que la medición del flujo sea lo

más precisa posible se debe tener una suficiente longitud de tramo recto aguas arriba y

aguas debajo de la placa, con el fin de garantizar que el flujo sea lo más uniforme posible.

Ilustración 6 Flujo uniforme en la medición

Tabla 4 Localización de puntos de instalación para placas orificio.

Con la relación de dímetros obtenida anteriormente y el tipo de montaje se selecciona la

ubicación real de la placa orificio.

5. Análisis por elementos finitos de la placa de orificio.

Con el fin de determinar el comportamiento mecánico y térmico de la placa antes de ser

fabricada con el fin de optimizar su diseño se realizaron simulaciones por elementos

finitos las condiciones de operación de la placa T=100°F y P=100psig los resultados se

muestran a continuación.

Ilustración 7 Modelo de simulación de la placa orificio.

5.1Trazado de deformaciones de la placa orificio.

Puede notarse que para las operaciones de carga reales P=100psig la placa tiene un

buen comportamiento, ya que las deformaciones son mínimas para las cargas

especificadas en el análisis.

Ilustración 8 Trazado de deformaciones

La variación de la presión del flujo al atravesar la placa se analizó con el fin de determinar

el comportamiento de este sistema antes de fabricarlo, es así como en la siguiente

ilustración se pueden notar la distribución de presiones a tanto a la entrada como a la

salida del dispositivo.

Ilustración 9 Simulación de la variación de presión en placa orificio.