Cómo dimensionar correctamente un caudalímetro de vapor

Cálculos prácticos, ejemplos resueltos y tabla de dimensionamiento gratuita para caudalímetros de vórtice STLU-G.

Guía rápida para dimensionar medidores de flujo de vapor

Para dimensionar correctamente un caudalímetro de vapor, se requieren cuatro parámetros esenciales: presión del vapor, temperatura del vapor, diámetro de la tubería y rango de caudal (mínimo, normal, máximo). Es importante destacar que el tamaño del caudalímetro no siempre coincide con el diámetro de la tubería. En aplicaciones de bajo caudal, es común seleccionar un caudalímetro uno o dos tamaños menor para mantener la velocidad del vapor dentro del rango óptimo de funcionamiento del sensor. Para el caudalímetro de vórtice STLU-G, este rango operativo es de 2 a 76 m/s, con un rango extendido que alcanza hasta 1,98 m/s. Este artículo explica en detalle los cálculos necesarios, presenta dos ejemplos prácticos reales y finaliza con una tabla completa de caudal másico de vapor saturado para la serie STLU-G.

Por qué dimensionar vapor no es lo mismo que dimensionar agua

El agua es fácil de manejar. Su densidad se mantiene cerca de 1000 kg/m³ independientemente de la presión. El vapor es todo lo contrario. Al comprimirse, su densidad aumenta drásticamente. Al calentarse, su densidad disminuye.

Consideremos vapor saturado a 0,4 MPa(g). Su densidad es de aproximadamente 1,39 kg/m³. Al aumentar la presión a 1,0 MPa(g), la densidad sube a unos 2,95 kg/m³. El caudal volumétrico teórico permanece constante, pero el caudal másico real se duplica con creces. En este punto es donde suelen tropezar la mayoría de los compradores sin experiencia previa.

Por eso, cuando alguien me dice: "Tengo una tubería DN100, envíame un caudalímetro de vórtice DN100", siempre pregunto primero por la presión y el caudal. En nueve de cada diez casos, resulta que el diámetro de la tubería no es el adecuado.

Los cuatro datos que debes recopilar

Antes de usar la calculadora, considera lo siguiente:

¿No cuentas con datos de caudal? Utiliza la potencia nominal de la caldera. Considera el 80 % de la capacidad nominal como caudal normal y el 110 % como caudal máximo. No es perfecto, pero funciona como punto de partida.

El cálculo paso a paso

Paso 1: Calcular la densidad.

Vapor saturado: la densidad depende exclusivamente de la presión. Consúltela en las tablas de vapor saturado disponibles.

Vapor sobrecalentado: se requieren tanto la presión como la temperatura. Use una tabla de vapor sobrecalentado o aplique la fórmula IAPWS-IF97.

Haga clic aquí para consultar información sobre la densidad del vapor saturado y sobrecalentado: Descargar tabla de densidad del vapor

Paso 2: Convertir el caudal másico en caudal volumétrico.

Qv = Qm / ρ

donde Qv está en m³/h, Qm está en kg/h y ρ representa la densidad del vapor en kg/m³.

Paso 3: Calcular la velocidad.

v = Qv / (3600 × A)

A es el área de la sección transversal de la tubería en m², calculada como A = π × (D/2)², donde D representa el diámetro interior en metros.

Paso 4. Verificar con el rango de operación.

¿Velocidades inferiores a 2 m/s con un medidor de vórtice STLU-G? Considere reducir el diámetro del medidor o verifique si el rango extendido (hasta 1,98 m/s) satisface sus requerimientos de precisión. ¿Velocidades superiores a 76 m/s? Incremente el diámetro o acepte una mayor caída de presión.

Referencia: Rango de caudal volumétrico de la serie STLU-G para gas y vapor

Caudalímetro de vórtice serie STLU-G

La siguiente tabla muestra el rango de caudal volumétrico del caudalímetro de vórtice serie STLU-G de silverinstruments.com. Estos valores servirán como referencia para los ejemplos de dimensionamiento que se presentan a continuación y como base para el diagrama de caudal másico de vapor saturado incluido al final de este artículo.

Nota: El rango "Estándar" cubre velocidades de 2 a 76 m/s con máxima precisión. El rango "Extendido" abarca velocidades hasta 1,98 m/s con precisión reducida. Disponemos de medidores de inserción para DN200 y diámetros superiores.

Ejemplo 1. Vapor saturado, tubería DN100

Condiciones:

• Vapor saturado
• 0,6 MPa(g)
• Tubo DN100, diámetro interior ≈ 0,1 m
• Caudal normal 800 kg/h, máximo 1200 kg/h

Densidad. A 0,6 MPa(g), ρ ≈ 1,916 kg/m³ (según tabla de vapor saturado).

Caudal volumétrico.

Qv (normal) = 800 / 1,916 ≈ 417,6 m³/h

Qv (máx.) = 1200 / 1,916 ≈ 626,3 m³/h

Velocidad.

A = π × (0,05)² = 0,00785 m²

v (normal) = 417,6 / (3600 × 0,00785) ≈ 14,8 m/s

v (máx) = 626,3 / (3600 × 0,00785) ≈ 22,2 m/s

Ambos valores están dentro del rango estándar del STLU-G de 2 a 76 m/s. Verifíquelo con el diagrama de flujo másico al final de este artículo: a 0,6 MPa(g), un STLU-G DN100 cubre desde 153 kg/h hasta 3065 kg/h. Tanto el caudal normal de 800 kg/h como el máximo de 1200 kg/h quedan dentro de este rango. Un caudalímetro de vórtice DN100 se instala directamente en la tubería sin necesidad de reductor.

Ejemplo 2. Misma configuración de tubería, pero el caudal es demasiado bajo.

Condiciones:

• Vapor saturado
• 0,4 MPa(g)
• Tubo DN150, diámetro interior ≈ 0,15 m
• Caudal normal 200 kg/h

Densidad. A 0,4 MPa(g), ρ ≈ 1,394 kg/m³.

Caudal volumétrico.

Qv = 200 / 1,394 ≈ 143,5 m³/h

Velocidad en un medidor DN150.

A = π × (0,075)² = 0,01767 m²

v = 143,5 / (3600 × 0,01767) ≈ 2,26 m/s

2,26 m/s supera ligeramente el mínimo estándar STLU-G de 2 m/s. Al consultar el diagrama de flujo másico al final de este artículo, un STLU-G DN150 a 0,4 MPa(g) comienza a operar a 265 kg/h. Nuestros 200 kg/h están por debajo del mínimo estándar para DN150. El medidor seguiría funcionando, pero únicamente dentro del rango extendido y con precisión reducida.

La solución. Reducir el diámetro nominal a DN80.

A (DN80) = π × (0,04)² = 0,005027 m²

v = 143,5 / (3600 × 0,005027) ≈ 7,9 m/s ✓

Un sensor DN80 STLU-G a 0,4 MPa(g) cubre un rango de 77 kg/h a 1533 kg/h, por lo que 200 kg/h está perfectamente dentro del rango estándar. Instálelo con reductores de DN150 a DN80, mantenga 20D de tubería recta aguas arriba y 5D aguas abajo para obtener lecturas estables y precisas.

El año pasado tuvimos un cliente cervecero en Indonesia con un caso prácticamente idéntico. Habían adquirido un medidor de vórtice DN150 de otro proveedor y observaron que marcaba cero durante dos semanas antes de enviarnos los datos. Les enviamos una unidad DN80 con reductores y la lectura se estabilizó apenas una hora después de reiniciar el sistema.

Tabla de dimensionamiento gratuita: Rango de caudal másico de vapor saturado (kg/h) para STLU-G

La siguiente tabla indica el rango de caudal másico de vapor saturado (kg/h) que puede medir el caudalímetro de vórtice STLU-G a presiones manométricas habituales. Los valores se calculan a partir del rango volumétrico estándar del STLU-G y la densidad del vapor saturado a cada presión. Utilícela como referencia rápida para aplicaciones en salida de calderas, colectores de vapor y líneas de distribución.

Las calderas requieren un caudalímetro de vapor para su operación.

Rango de presión: 0,1 a 0,8 MPa(g) | Unidad de caudal: kg/h

Rango de presión: 0,9 a 1,6 MPa(g) Unidad de caudal: kg/h

Notas:

1. Todas las presiones son presión manométrica (MPa(g)). Sume 0,1013 MPa para obtener la presión absoluta.
2. Los valores de flujo másico se calculan como: rango de flujo volumétrico × densidad de vapor saturado a la presión dada.
3. Los valores DN15 a DN40 a baja presión corresponden a baja velocidad del vapor. Para mayor precisión, elija un tamaño DN donde su caudal normal se encuentre en el punto medio del rango indicado.
4. Para vapor sobrecalentado o presiones fuera de esta tabla, envíenos sus condiciones de funcionamiento y calcularemos un rango personalizado para usted.

Cinco errores que vemos cada semana

1. El dimensionamiento se basa únicamente en el tamaño de la tubería.Primero calcule la velocidad. Una tubería DN100 no necesita automáticamente un medidor DN100.
2. Dimensionar únicamente según el caudal máximo.La mayoría de las plantas funcionan a una carga del 50 al 70% la mayor parte del tiempo. Si el caudal mínimo es inferior a 2 m/s, el medidor se queda inactivo la mitad del día. Ajuste el tamaño al mínimo.
3. Confundir la presión manométrica con la presión absoluta.Las tablas de vapor saturado funcionan con presión absoluta. Añada 0,1013 MPa a la lectura del manómetro antes de consultar cualquier dato. Olvidar esto es el error más común que observamos en las especificaciones de los clientes.
4. Ignorando la negativa de rechazo.El STLU-G suele ofrecer una relación de compresión de 8:1 a 20:1, con la opción de 30:1 disponible bajo pedido. Si el caudal varía entre 100 kg/h y 5000 kg/h en la misma línea, ningún medidor de vórtice individual lo cubre. La solución consiste en dos medidores en paralelo o en una tecnología diferente.
5. Saltarse la regla del tubo recto.Un medidor del tamaño perfecto instalado justo después de un codo seguirá dando lecturas erróneas. El mínimo para el STLU-G es de 20D aguas arriba y 5D aguas abajo. Con valores inferiores, el error aumenta rápidamente.

¿Necesitas ayuda para elegir el tamaño adecuado?

Caudalímetro de vórtice para medición de vapor

Envíenos estos cuatro datos y le responderemos con un informe de medidas y presupuesto en menos de 12 horas:

1. Presión de vapor (MPa o bar, manométrica o absoluta, indique cuál)
2. Temperatura del vapor (°C) y saturado o sobrecalentado
3. Tamaño de la tubería (DN o pulgadas)
4. Rango de caudal: mín., normal, máx. (kg/h o t/h)

Si además nos indica la señal de salida requerida (4-20 mA, RS485 Modbus, HART o pulsos) y la fuente de alimentación (24 V CC o 220 V CA), le entregaremos el número de modelo completo del STLU-G en la cotización, listo para tramitar su pedido.