Directrices para el dimensionamiento del Orificio de Restricción para fluidos monofásicos (Con PDF)

En nuestro último artículo hemos discutido en detalle los orificios de restricción. El mismo artículo también enumera los factores importantes de los que depende el tamaño de un orificio de restricción. Haga clic aquí para recapitularlos antes de continuar con los pasos reales de dimensionamiento de RO.

De muchos tipos de dispositivos de restricción de flujo, los orificios de restricción (RO) se usan con frecuencia porque son dispositivos simples y económicos. RO se aplica para regular el caudal o la presión. Este artículo proporcionará las pautas para el dimensionamiento del orificio de restricción. Cabe señalar que esta práctica estándar se aplica únicamente a fluidos monofásicos.

Entradas requeridas para el tamaño del orificio de restricción

El siguiente es un resumen de los datos de entrada que se prepararán para el diseño de RO:

(1) Condiciones de funcionamiento

  • Tasa de flujo
  • Presión aguas arriba y aguas abajo
  • Temperatura (para vapor)
  • Tamaño de línea

(2) Propiedades físicas

  • Para servicio de líquidos: densidad, presión de vapor
  • Para servicio de vapor: peso molecular, Cp/Cv, factor Z, viscosidad

(3) Valor mínimo permisible del índice de cavitación para servicio líquido

Salida del diseño del orificio de restricción

(1) Orificio único

  • Diámetro del orificio
  • La presión en la vena-contracta
  • Velocidad en el orificio
  • Índice de cavitación calculado (para líquido)
  • Crítico o no crítico (para vapor)

(2) Orificio multietapa

  • Número de etapa requerido
  • Diámetro del orificio de cada orificio
  • Distancia entre placas de orificio adyacentes
  • Presiones de entrada y salida de cada orificio
  • La presión en la vena-contracta de cada orificio
  • Velocidad en cada orificio
  • Índice de cavitación calculado de cada orificio

Principio del cálculo del tamaño de RO

Cálculo del orificio de restricción de flujo para servicio de gas

Relación de presión crítica:

La relación de presión crítica, rc se puede obtener de la siguiente ecuación.

Relación de presión crítica para el dimensionamiento de RO

Diámetro del orificio:

La ecuación para el diámetro del orificio debe seleccionarse usando la ecuación (2), dependiendo de si el flujo es crítico o no crítico.

(A) Flujo crítico (región sónica): cuando la relación entre la presión aguas abajo y la presión aguas arriba, r4, es menor o igual que la relación de presiones críticas, rc, se debe usar la siguiente ecuación del diámetro del orificio para un flujo crítico.

Ecuación del diámetro del orificio para flujo crítico

(B) Flujo no crítico (región subsónica): la siguiente ecuación del diámetro del orificio se puede usar para la región de flujo no crítico.

Ecuación del diámetro del orificio para flujo no crítico

Cálculo del orificio de restricción para servicio líquido:

Diámetro del orificio :

Ecuación del diámetro del orificio para servicio de líquidos

Índice de cavitación

Para evitar problemas de cavitación, el valor mínimo permitido del índice de cavitación, Kd, ​​debe seleccionarse en base a lo siguiente:

(1) Se utilizará el índice de cavitación Kd=0,37 para el caso habitual. En esta condición crítica de cavitación, el ruido es constante pero aún leve. No se producirá erosión. (Una vez que el orificio se obstruye y ocurre la supercavitación, no existirá daño por erosión cerca del orificio. Esto se debe a que el daño es causado por el colapso de las cavidades y el colapso ocurre río abajo durante la supercavitación)

(2) En alguna ocasión, como en los siguientes casos, utilice Kd=0,93 como condición de cavitación incipiente para evitar un riesgo económico grave.

  • El material es de alta calidad, como acero inoxidable o superior, y el tamaño de la tubería es superior a 12”.

Intervalo de Orificios

En el caso del orificio de restricción multietapa , se debe proporcionar la distancia mínima, como se muestra a continuación, entre los orificios para evitar la reducción en el rendimiento de RO .

  • Para orificio concéntrico: L ≥ 5.4*D*(1-β)
  • Para orificio excéntrico: L ≥ D

Relación de deflexión del orificio excéntrico

La relación de deflexión del orificio excéntrico “e” es 0,75.

e = 2δ /(D − d0 ) = 0,75 (14)

Dónde,

  • δ: Longitud del centro de la tubería al centro del orificio (m)
  • dO: Diámetro del orificio del orificio (m)
  • D: Diámetro interior de la tubería (m)
Imagen que muestra la relación de deflexión para el orificio excéntrico
Imagen que muestra la relación de deflexión para el orificio excéntrico

Procedimiento de cálculo del tamaño de la placa de orificio de restricción

A. Sistema de RO único-

① Decidir el valor mínimo permisible del índice de cavitación para cumplir con una situación dada.

  • Kd = 0,37: para el caso habitual
  • Kd = 0.93: para caso conservador

② Suponga dO y calcule β mediante la ecuación (8).

③ El coeficiente de contracción incompresible CCi se calculará mediante la ecuación (7).

④ El diámetro del orificio (dO) se calculará mediante la ecuación (13).

⑤ Compare el d0 supuesto con el dO calculado en el paso ④.

⑥ El dO calculado se reemplazará con el dO anterior y se repetirá el paso ② al paso ⑤ hasta que el dO coincida con el dO calculado.

Calcule el índice de cavitación, Kd por la ecuación (15), y compárelo con el valor mínimo permitido.

Si el índice de cavitación es ≥ 0,37 (o 0,93), el diámetro del orificio es aceptable.

Si el índice de cavitación < 0,37 (o 0,93), entonces un solo orificio no puede acomodar la caída de presión requerida. En ese caso, se debe aplicar un sistema de orificios de etapas múltiples.

B. Cálculo del orificio de restricción multietapa

① Decidir el valor mínimo permisible del índice de cavitación para cumplir con una situación dada.

  • Kd = 0,37: para el caso habitual
  • Kd = 0.93: para caso conservador

Orificio de primera etapa: ubicado en la salida

② Suponga una presión aguas arriba del orificio de la primera etapa.

③ Suponga dO y calcule β mediante la ecuación (8) para el orificio de la primera etapa.

④ El coeficiente de contracción incompresible CCi se calculará mediante la ecuación (7).

⑤ El diámetro del orificio (dO) se calculará mediante la ecuación (13) utilizando la presión supuesta aguas arriba.

⑥ Compare el d0 supuesto con el dO calculado en el paso ⑤.

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⑦ El dO calculado se reemplazará con el dO anterior y se repetirá el paso ③ al paso ⑥ hasta que el dO coincida con el dO calculado.

⑧ Calcule el índice de cavitación, Kd, ​​utilizando la Ecuación (15) y compárelo con el valor mínimo permitido.

Si el índice de cavitación es > 0,37 (o 0,93), aumente la presión aguas arriba y repita los pasos del ③ al ⑧.

Si el índice de cavitación < 0,37 (o 0,93), disminuya la presión aguas arriba y repita los pasos del ③ al ⑧.

Si el índice de cavitación es igual o ligeramente superior a 0,37 (o 0,93), se completa el diseño de la primera etapa RO y se continúa con el paso ⑨.

orificio de etapa n

⑨ Configure la presión aguas arriba del orificio de la etapa (n-1)-ésima para la presión aguas abajo del orificio de la etapa n-ésima.

⑩ Suponga la presión aguas arriba del orificio de la etapa n.

⑪ Repita los pasos de ③ a ⑧, hasta que el índice de cavitación sea equivalente al valor mínimo permitido.

Consideración especial del diseño de RO:

(1) El diámetro mínimo del orificio de RO-

Para evitar el problema de taponamiento con RO causado por desechos, el diámetro del orificio debe ser mayor que los siguientes valores:

  • Para el servicio de líquido limpio: 2mm
  • Para el servicio de Gas limpio: 1mm

Cuando se requiere un diámetro más pequeño que los valores anteriores, el colador o filtro para eliminar los desechos debe instalarse aguas arriba de la ósmosis inversa.

(2) La necesidad de una longitud mínima de recorrido recto.

Básicamente, el objetivo de RO es un control aproximado del caudal y no debe usarse para un control estricto del caudal. Por lo tanto, no debería ser necesario tomar un tramo recto de tubería tanto aguas arriba como aguas abajo de la ósmosis inversa para mantener el rendimiento. Sin embargo, para los servicios de erosión, como los servicios de lodo o lavado, se deben considerar contramedidas para la erosión.

(3) El diámetro del orificio calculado de RO debe redondearse al tamaño conservador para facilitar la fabricación.

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