Medir el flujo por debajo de la presión atmosférica puede ser algo complejo debido a los cambios en las tasas de flujo volumétrico y los requisitos de caída de presión. Es fundamental tener en cuenta las condiciones de funcionamiento y las capacidades del dispositivo para garantizar que el equipo proporcione lecturas correctas.

 ¿Cómo afecta la presión de la línea al caudal volumétrico?

Los gases son compresibles y el comportamiento de las moléculas de gas se describe utilizando la ley de los gases ideales (PV=nRT). Imagine un volumen cerrado con una cantidad fija de moléculas de gas (n) y una temperatura constante (T). La presión y el volumen son inversamente proporcionales, por lo que, al aumentar la presión, el volumen disminuirá y viceversa.

Considere ahora llenar un globo flexible no elástico con 500 SCM3 de aire a presión atmosférica (1 atm) y temperatura ambiente estándar (25 °C). Al duplicar la presión a 2 atm se comprime el gas y se obtiene un volumen de globo de 250 CM3, y al reducir la presión de 1/4 a 0,25 atm se expande el gas a un volumen de 2000 CM3.

Figura 1. Variación del volumen en función de la presión de trabajo

Este concepto es el mismo para los gases que pasan a través del equipo, y la disminución de la presión en la línea aumenta el caudal volumétrico.

La presión de línea no es constante a lo largo de toda la tubería. La presión se pierde debido a la resistencia friccional en la tubería causada por válvulas, accesorios, etc. Esta pérdida de presión se denomina caída de presión, y la disminución de la presión en la línea conduce a un aumento de la caída de presión.

Elección de un caudalímetro para aplicaciones que funcionan a presión subatmosférica

Teniendo presente estas dos consideraciones, la disminución de la presión en la línea aumenta tanto el caudal volumétrico como la caída de presión. Cuando hacemos trabajar a un equipo por debajo de la presión atmosférica, las altas tasas de flujo volumétrico asociadas y las caídas de presión son consideraciones importantes para el dimensionamiento y buen funcionamiento del mismo.

Los caudalímetros másicos basados ​​en medida de caudal por presión diferencial disponen de elementos de flujo laminar internos que están dimensionados para los rangos de flujo volumétrico más altas que se espera que pasen a través de ellos. Cuando estos caudalímetros se utilizan en aplicaciones subatmosféricas, es posible que sea necesario sobredimensionarlos para poder soportar el aumento de las tasas de flujo volumétrico.

Rango de un caudalímetro másico para medir 500 SCCM de aire a 0.25, 0.5, 1 y 2 atm

Imagine que solicita un medidor de flujo másico Alicat dimensionado para medir 500 SCCM (SCM3/min) de aire a escala completa a 1 atm. Veamos cómo varían las tasas de flujo volumétrico en función de la presión de operación del equipo:

• 2 atm: si usa este dispositivo para hacer fluir 500 SCCM de aire al doble de la presión (2 atm), la tasa de flujo volumétrico se reduce a 250 CCM. Esto todavía cae dentro del rango medible del medidor.
• 0,5 atm: ¿Qué sucede si hace fluir el aire a 0,5 atm? La disminución de la presión a la mitad duplica el caudal volumétrico a 1000 CCM. Esta tasa de flujo es demasiado alta para un dispositivo de 500 SCCM y, en cambio, requeriría un medidor con un rango de flujo de 1000 SCCM (1 SLPM) a escala completa. Para mantener la mayor resolución de medición de caudal másico, especificaríamos rangos personalizados de 500 SCCM (caudal másico) y 1000 CCM (caudal volumétrico).
• 0,25 atm: A 0,25 atm, el caudalímetro se construiría para cuatro veces el caudal másico previsto, con un rango de caudal de 500 SCCM y 2000 CCM (2 SLPM).

¿Qué pasa con la caída de presión?

Los instrumentos estándar 500 SCCM, 1 SLPM y 2 SLPM tienen caídas de presión a escala completa de 68.94mbar (1 PSID) a 1 atm. Si tiene suficiente presión en su sistema subatmosférico para perder 1 PSI a través del caudalímetro, cualquiera de estos equipos podría funcionar. Veamos cómo varía el porcentaje de la pérdida de carga en función de la presión de operación del equipo:

• 0,5 atm: a 0,5 atm, la caída de presión en el medidor de 1 SLPM, sobre dimensionado para nuestra aplicación, restringe 68.94mbar (1 PSID), que es alrededor del 14 % de la presión disponible del sistema.
• 0,25 atm: se vuelve aún más estricto trabajando a 0,25 atm, donde el medidor de 2 SLPM, sobre dimensionado para nuestra aplicación, induce nuevamente 68.94mbar (1 PSID) de caída de presión. Esto significa que ahora se pierde el 27% de la presión disponible, lo que puede ser problemático cuando la presión del sistema es limitada.

Uso de caudalímetros de baja pérdida de carga para trabajar a presiones subatmosféricas o de vacío

Los caudalímetros másicos de baja caída de presión de la serie Whisper de nuestro socio tecnológico Alicat Scientific, tienen caídas de presión mucho más bajas que los caudalímetros estándar, lo que los convierte en soluciones ideales para aplicaciones que operan a presión subatmosférica. Un caudalímetro Whisper de 1 SLPM, sobre dimensionado para nuestra aplicación, tiene una caída de presión de solo 4.82mbar (0,07 PSID) a 0,5 atm y 500 SCCM, que es solo el 1 % de la presión disponible del sistema.

Figura 2. Caudalímetro de baja pérdida de carga Whisper

Tanto el caudalímetro másico estándar como el caudalímetro Whisper funcionan con la misma precisión en estas condiciones, pero el uso de un medidor de caída de presión baja minimiza la pérdida de presión y brinda más libertad para diseñar sistemas subatmosféricos.

En términos generales, los caudalímetros de flujo másico de Alicat se pueden usar hasta 0,8 atm/11,5 PSIA sin sobredimensionarse. Podemos sobredimensionar los caudalímetros másicos para poder emplearlos a presiones tan bajas como 0,2 atm/2,9 PSIA.

Figura 3. La caída de presión aumenta a medida que disminuye la presión estática.

Dimensionamiento de controladores de flujo másico para condiciones vacío y presión subatmosférica

A diferencia de los caudalímetros, los controladores de flujo másico basados ​​en presión diferencial no siempre necesitan sobredimensionarse para su uso en condiciones subatmosféricas o de vacío. Para estas aplicaciones, ubicamos la válvula de control proporcional aguas abajo del controlador.

Esto forma una barrera sónica que protege al sensor de flujo de la expansión volumétrica del gas. En los casos en que el controlador no se pueda configurar con una válvula aguas abajo y el elemento de medición esté expuesto a condiciones subatmosféricas, es posible que aún se requiera un sobredimensionamiento.

Figura 4. Variación del flujo volumétrico en un controlador de caudal másico con válvula ubicada aguas abajo

En el ejemplo mostrado en la figura 4, el cabezal de medición dentro del controlador de flujo siempre ve caudales a presión de aire ambiente (1 atm). El gas entra en condiciones subatmosféricas (0,25 atm) y se expande solo después de pasar por la válvula. Como en los ejemplos anteriores, el caudal másico permanece constante a medida que el gas pasa de 1 atm a 0,25 atm.

Si necesita ayuda para definir la mejor configuración para su aplicación o para analizar sus necesidades de medida y control de caudal, póngase en contacto con los ingenieros de aplicación de Rosetta Technology en el +34 91 805 19 10 o contáctenos por e-mail. ¡Estaremos encantados de ayudarle!