En el sistema de producción industrial, la medición de flujo es un enlace fundamental para garantizar la estabilidad de la producción, la calidad del producto y el control de costos. Ya sea el transporte preciso de materias primas y productos en el campo petroquímico, el impacto directo del flujo de vapor y agua en la eficiencia de la generación de energía en la industria energética, o el monitoreo de la descarga de aguas residuales y gases de desecho en la industria de protección ambiental, la precisión de los datos de flujo determina directamente la calidad de operación del proceso de producción.
Entre los diversos equipos de medición de flujo, los medidores de flujo de vórtice se han convertido en el equipo central para la medición de flujo industrial debido a sus ventajas técnicas únicas. Se utilizan ampliamente en escenarios industriales en múltiples campos y brindan soporte de datos clave para las operaciones de producción. El siguiente artículo realizará un análisis detallado en torno al principio de funcionamiento, las características técnicas, las especificaciones de uso y los escenarios de aplicación de los medidores de flujo de vórtice, revelando la esencia técnica de su medición eficiente.
El funcionamiento de los medidores de flujo de vórtice se basa en el fenómeno de la Calle de Vórtices de Karman en la mecánica de fluidos. Cuando el fluido fluye a través del generador de vórtices incorporado (generalmente un cuerpo romo no aerodinámico) del medidor de flujo a una velocidad específica, se forman vórtices giratorios alternos en ambos lados del cuerpo romo debido a los efectos de la viscosidad y la inercia del fluido. Estos vórtices forman dos filas regulares de vórtices con direcciones de rotación opuestas aguas abajo, conocidas como la "Calle de Vórtices de Karman".
La formación de este fenómeno es un resultado inevitable de la interacción entre la separación de la capa límite y la estabilidad del fluido. Cuando el fluido se acerca al cuerpo romo, se forma una capa límite en su superficie. A medida que el fluido fluye, la capa límite se separa en una posición específica en el cuerpo romo, formando vórtices independientes que se desprenden alternativamente aguas abajo, formando finalmente la Calle de Vórtices de Karman.
La ley central del fenómeno de la Calle de Vórtices de Karman es que la frecuencia de desprendimiento de vórtices está correlacionada positivamente con la velocidad del fluido. Cuanto mayor sea la velocidad del fluido, más vórtices se desprenden de ambos lados del cuerpo romo por unidad de tiempo y mayor será la frecuencia de desprendimiento de vórtices. Al medir con precisión esta frecuencia, se puede calcular inversamente la velocidad del fluido.
La relación anterior se describe cuantitativamente mediante la fórmula: f = StV/d. En la fórmula:
- f es la frecuencia de vórtice de Karman en un lado del generador de vórtices (unidad: Hz), que refleja la tasa de desprendimiento de vórtices;
- V es la velocidad media del fluido (unidad: m/s), que es el parámetro de medición central;
- d es el ancho del generador de vórtices (unidad: m), un parámetro geométrico clave del cuerpo romo;
- St es el número de Strouhal (adimensional), que permanece constante dentro de un rango específico del número de Reynolds (Re).
Para los medidores de flujo de vórtice convencionales, cuando Re está en el rango de 10²~10⁵, el valor de St es aproximadamente 0.2. Dentro de este rango, si se conocen la frecuencia de vórtice f y el ancho del generador de vórtices d, la velocidad del fluido V se puede derivar a través de la fórmula.
Después de obtener la velocidad del fluido V, el caudal volumétrico o el caudal másico se pueden calcular aún más combinándolo con el área de la sección transversal de la tubería.
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Cálculo del Caudal Volumétrico: Si el área de la sección transversal de la tubería es A (unidad: m²), la fórmula de cálculo del caudal volumétrico Qv (unidad: m³/s) es Qv = V×A. Esta fórmula indica que cuando la velocidad del flujo es constante, cuanto mayor sea el área de la sección transversal de la tubería, mayor será el volumen de fluido que pasa por unidad de tiempo; cuando el área de la sección transversal de la tubería es constante, cuanto mayor sea la velocidad del flujo, mayor será el caudal volumétrico.
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Cálculo del Caudal Másico: Para escenarios donde se requiere la medición del caudal másico, el caudal volumétrico se multiplica por la densidad del fluido ρ (unidad: kg/m³). La fórmula de cálculo es Qm = Qv×ρ = V×A×ρ (unidad de Qm: kg/s).
A través de los cálculos anteriores, el medidor de flujo de vórtice puede convertir la señal de frecuencia de desprendimiento de vórtices en los datos de flujo requeridos para la producción industrial, proporcionando soporte de datos para el monitoreo y la optimización de la producción.
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