Placa de orificio: ¿Qué es y cómo funciona?

La placa de orificio es un dispositivo o instrumento que se utiliza para medir el flujo o caudal de un fluido que pasa por el interior de una tubería. Industrialmente, son utilizadas para controlar el caudal, ya que es una variable crítica para mantener las condiciones de operación estables y la calidad de los productos.

Placa de orificio con medidor de presión. Imagen de acorda

La placa de orificio es un dispositivo de medición bastante antiguo, utilizada originalmente para medir velocidades de gases, ha sido aplicada con gran éxito para la medición de caudal y velocidad de fluidos líquidos. En este artículo, describiremos a la placa de orificio, su funcionamiento y algunos parámetros para su diseño.

Tabla de contenidos

✔¿Qué es la placa de orificio?

✔Ventajas
✔Desventajas

✔Uso de una placa de orificio

¿Qué es la placa de orificio?

Es un instrumento de medición de caudal y velocidad de fluido muy utilizado en la industria por su simpleza y economía, siendo también muy utilizadas para reducir la presión o restringir el flujo de un fluido dentro de una tubería (al realizar esta tarea son llamadas placas de restricción).

Para realizar el cálculo de la velocidad y el caudal del fluido, las placas de orificio, utilizan el mismo principio de los tubos Venturi, es decir, el principio de Bernoulli, el cual establece una relación entre la presión y la velocidad del fluido, concluyendo que a medida que aumenta la velocidad del fluido, su presión disminuye y viceversa.

Las placas de orificio, son placas delgadas en forma de disco, fabricadas por lo general en material metálico, lo que les otorga facilidad de instalación y resistencia. Se encuentran perforadas en el centro (orificio concéntrico). Esta abertura (que suele ser cilíndrica o prismática) permite el paso del fluido. La placa de orificio se instala entre conexiones de tubería, y se colocan tomas de presión antes y después de ésta, para poder registrar la diferencia de presión y estimar el caudal del fluido y su velocidad.

Las placas de orificio pueden resistir temperaturas de hasta 800 0C y soportar presiones de hasta 400 bar. Son aptas para medir caudales tanto de gases, como de líquidos y vapor de agua, y cuentan con una precisión de

±0.5% del caudal efectivo o máximo que puede llevar la tubería.

¿Cómo funciona una placa de orificio?

Principio de funcionamiento de una placa de orificio

Funcionamiento de una placa de orificio. Imagen de researchgate

El funcionamiento de una placa de orificio es sencillo, cuando el fluido pasa a través de ésta, la presión del fluido disminuye hasta que alcanza el área denominada “vena contracta”. Justo en este punto, se obtiene el mínimo valor de presión dentro de la tubería y por supuesto, es el punto donde se tendrá la velocidad máxima del fluido. Luego de este punto, la presión se incrementará, sin embargo, nunca regresará a su valor anterior (antes de la placa de orificio), debido al efecto de las pérdidas causadas por la turbulencia y la fricción dentro de la tubería. Esta diferencia de presión permite estimar el caudal dentro de la tubería.

Para medir la diferencia de presión, deben concentrarse líneas de impulso desde las tomas de presión que se encuentran aguas arriba y aguas debajo de la placa de orificio. Si las placas son utilizadas para medir caudal de vapor de agua, es muy probable que se acumule condensado aguas arriba de la placa de orificio. Para evitar esto, debe existir un drenaje en la base de la placa

El establecimiento de los principios generales para los métodos de medida y los requisitos básicos referentes a las características geométricas, reglas de instalación y operación se encuentran descritos en la Norma ISO 5167-1.

Tipos de placa de orificio

Las placas de orificio se clasifican según el tipo de orificio que presenten:

Placa de orificio concéntrica: Como su nombre lo indica, el orificio se encuentra justo en el centro del disco (utilizada comúnmente para fluidos limpios).
Placa de orificio concéntrica cónica: Similar al tipo de placa anterior, se diferencia en que el área del orificio se va reduciendo a medida que el fluido avanza dentro de éste. Por lo general, se utiliza para fluidos muy turbulentos.
Placa de orificio concéntrica segmentada: La característica de esta placa es que su orificio no es circular, ya que se encuentra segmentado y formando un semicírculo. Se utilizan para medir fluidos que contienen partículas.
Placa de orificio excéntrica: En esta placa, el orificio no se encuentra en el centro del disco, sino que se encuentra levemente más abajo. Son utilizadas en tuberías de diámetro pequeño.

Consideraciones básicas de diseño de placa de orificio

Para diseñar una placa de orificio (dimensionar su orificio, etc), se debe tomar como referencia la Norma ISO 5167. Nos basaremos en esta norma para presentar las ecuaciones necesarias de diseño.

Primeramente, hay que tomar en cuenta constantes predeterminadas para nuestro cálculo. La temperatura ambiente es una de ellas (tomar como referencia la temperatura estándar 25 0C en caso de no contar con una lectura in situ). Otra constante a tomar en consideración, es la viscosidad cinemática del agua, tomaremos como referencia:

También hay que considerar la relación de diámetros, la cual sería:

Relación entre diámetro del orificio y el diámetro de la tubería

Donde:

d: Diámetro de orificio.
D: Diámetro de tubería.

Según la Norma ISO 5167, para que la estimación sea correcta se deben cumplir estas condiciones:

Condiciones para estimación de placa de orificio

Es momento de concentrarnos en el cálculo, para ello, debemos tener en cuenta que el caudal que pasa a través de una placa de orificio es función del área del orificio, y la diferencia de presión que existe antes y después de la placa. El caudal se estima mediante la siguiente ecuación:

Ecuación de caudal para placa de orificio

Donde:

Q: Caudal del fluido.
Cd: Coeficiente de descarga (adimensional).
g: Aceleración de gravedad.
ΔP: Caída de presión en el orificio.
A: Área del orificio.

De manera similar se estima el caudal másico, utilizando la ecuación:

Donde:

C: Coeficiente de descarga (adimensional).
β: Relación de diámetros (adimensional).
ΔP: Diferencia de presión entre ambos lados de la placa de orificio.
ρ: Densidad del fluido.

Conociendo que el caudal volumétrico puede expresarse de la siguiente manera:

Relación de caudal másico y volumétrico en placa de orificio

Podemos reordenar la ecuación de la siguiente manera:

Caudal volumétrico reordenado para placa de orificio

Tomando en cuenta que las pérdidas por carga en el orificio son proporcionales al cuadrado del caudal, tenemos:

Ecuaciones para cálculo de placa de orificio

Donde:

k: Pérdida de carga en el orificio.
γ: Peso específico del fluido

Para aplicar estas ecuaciones según la Norma ISO 5167, los límites a considerar son los siguientes:

Límites para cálculo de placa de orificio

Donde:

d: Diámetro del orificio.
D: Diámetro de tubería.
Re: Número de Reynolds.

El coeficiente de descarga se calcula utilizando la ecuación de Reader-Harris/Gallagher:

Coeficiente de descarga placa de orificio

Sí D < 71.12 mm, se debe aplicar además este término sumándolo al final de la educación anterior:

Término adicional para el coeficiente de descarga

L₁ es la relación existente entre la distancia de la toma manométrica aguas arriba a la placa de orificio y el diámetro nominal de la tubería (l₁/D).

L₂ es la relación análoga, pero aguas debajo de la placa de orificio (l₂/D).

Además:

Términos extra para el calculo de placa de orificio

Para tomas en las esquinas: L₂ = L₁ = 0
Para tomas D y D/2 en las esquinas: L₁ = 1, L₂ = 0.47
Para tomas en las bridas: L₁ = L₂ = 25.4/D

Quedando la ecuación de la siguiente manera:

Ecuación de coeficiente de descarga resumida

De igual manera, si D < 71.12 mm, se adiciona al final el término:

Así, se calcula la pérdida de carga del orificio.

Pérdida de carga total producida por una placa de orificio. Imagen de lorenzocarbonell

Ahora, la pérdida de carga total producida por una placa de orificio se estima de la siguiente manera:

Pérdida de carga total en una placa de orificio

Donde el ΔP se ha calculado a partir de la medida de presión en D y D/2. Como pueden ver, es un procedimiento meticuloso. Para mayor información pueden referirse a la Norma ISO 5167.

Ventajas y desventajas del uso de una placa de orificio

El uso de las placas de orificio a nivel de ingeniería tiene una serie de ventajas y desventajas, las cuales veremos a continuación:

Ventajas

Las placas de orificio son resistentes y sencillas.
Son muy precisas.
Son económicas (de bajo coste).
No requieren de calibración, siempre y cuando los cálculos de diseño cumplan la Norma ISO 5167.

Desventajas

Rango limitado a 4:1 o 5:1, por la relación entre raíz cuadrada entre el caudal y la caída de presión.
Se puede deformar, pudiendo bloquear un sistema mal diseñado.
Puede descastarse el borde del orificio.
Hay que tomar en cuenta que para una instalación correcta, se requiere una longitud mínima recta de tubería, de por lo menos 10 diámetros equivalentes de tubería aguas arriba de la placa, y 5 para aguas debajo de la placa, para de esta manera garantizar una toma de presión precisa y fiable.

Uso de una placa de orificio

Como se trata de un dispositivo para la medición de caudal, la placa de orificio presenta una gran cantidad de aplicaciones industriales entre las cuales destacan: