MEDICION PORCENTUAL DE FLUJOS BIFÁSICOS ANULAR Y TAPON

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

Medición porcentual de flujos bifásicos anular y tapón

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

Ingeniero en control y automatización

PRESENTA:

Gerardo Iván Caballero Jiménez

DIRECTORES DE TESIS: Dr. Florencio Sánchez Silva

Dr. Domitilo libreros

(2)

A mis padres

Yolanda Jiménez García A ntonio Caballero A lcantar

(3)

(4)

A Dios por permitirme concluir una meta más en mi vida

A mis padres Yolanda Jiménez García y A ntonio Caballero A lcántara por el gran apoyo sin el cual esto no habría sido posible

A mis hermanos Yolanda, A ntonio y F rancisco y sobrinos Guadalupe, David y F rancisco quienes nunca dejaron de confiar en mi capacidad para alcanzar esta meta.

A la L icenciada L aura Ordoñez que me presiono continuamente con amor y cariño para no olvidar este importante objetivo y por que su amor me motiva cada día a seguir aun cuando la vida se torna difícil..

(5)

(6)

Cesión de derechos iii

Dedicatoria v

Agradecimientos vii

Índice ix

Índice de figuras xi

Índice de tablas xv

Nomenclatura xvii

Resumen xix

Introducción xxi

Objetivo xxiii

Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos 1

1.1 Flujos bifásicos 1

1.2 Flujo bifásico gas-líquido. 1

1.3 Generación del flujo bifásico. 2

1.4 Patrones de flujo bifásico. 3

1.4.1 Flujos dominados por el gas. 4

1.4.2 Flujos intermitentes 5

1.4.3 Flujos dominados por el líquido. 7

1.5 Parámetros descriptivos del flujo bifásico. 7

1.6 Regímenes de trabajo en los que se generan los distintos patrones

del flujo bifásico 10

1.7 Problemas que ocasionan los flujos bifásicos en la industria. 12 1.8 Antecedentes de mediciones en flujos bifásicos. 13

Capítulo II Sistema propuesto para medición porcentual de flujos

bifásicos 19

2.1 Circuito CI33794 de medición. 20

2.2 Procesador digital de señales 21

2.2.1 Selección del DSP 23

2.2.2 Programación del DSP 29

2.2.3 Comunicación del DSP con la PC 30

2.3 Interacción entre componentes 31

2.4 Medición de película líquida en modo estacionario 32

2.4.1 Diseño de los electrodos. 33

2.5 Calibración del sistema en forma estacionaria. 35

2.6 Integración del sistema. 36

(7)

Capitulo III Diseño y calibración del montaje experimental 39

3.1 Sistema de tubería horizontal para la generación del flujo anular 39

3.1.1 Suministro de fluidos. 40

3.1.2 Medición y control. 41

3.1.3 Mezclador de fases. 41

3.1.4 Zona de experimentación. 42

3.1.5 Zona de retroalimentación. 42

3.2 Calibración del sistema generador de flujo anular 43 3.2.1 Calibración de la placa de orificio en la tubería de agua. 43 3.2.2 Características del suministro del líquido. 45

3.2.3 Algoritmo de calibración. 48

3.2.4 Análisis de los datos obtenidos. 49

3.2.5 Calibración de la placa de orificio en la tubería de aire. 51 3.2.6 Características del suministro del gas (Aire). 52

3.2.7 Colocación del tubo de pitot. 53

3.2.8 Comparación del perfil ideal contra el perfil real. 55 3.2.9 Acondicionamiento y lectura de las mediciones. 56 3.2.10 Algoritmo de calibración (fase gaseosa). 57

3.2.11 Análisis de los datos obtenidos. 59

3.3 Obtención de las velocidades superficiales (gas) 64 3.4 Sistema de tubería inclinada para generación de flujo pulsante 68

3.4.1 Suministro de fluidos 70

3.4.2 Medición y control 71

3.4.3 Sección de experimentación. 72

3.4.4 Separación de fases. 73

3.5 Calibración del los instrumentos. 74

3.6 Operación de la instalación. 76

Capítulo IV Medición y análisis de resultados 79

4.1 Análisis porcentual del flujo anular 80

4.2 Comportamiento periódico del flujo anular 83

4.2.1 Selección del filtro. 84

4.2.2 Aplicación de la FFT 87

4.2.3 Reconstrucción de la señal. 90

4.3 Análisis porcentual del flujo pulsante 92

4.4 Visualización en tiempo real 92

4.5 Integración de la sección transversal 93

4.6 Laboratorio Virtual 95

Conclusiones 97

Recomendaciones 99

Referencias 101

Anexo I 105

Anexo II 111

(8)

Figura 1.1 Flujo bifásico, fase A liquida, fase B gaseosa 2

Figura 1.2 Patrones de flujo bifásico 3

Figura 1.3 Flujo bifásico estratificado; a) liso y b) ondulado 4

Figura 1.4 Flujo bifásico anular. 4

Figura 1.5 Flujo bifásico neblina anular. 5

Figura 1.6 Flujo bifásico burbuja alargada 5

Figura 1.7 Flujo bifásico burbuja alargada con burbujas dispersas 6

Figura 1.8 Flujo bifásico slug (tapón) 6

Figura 1.9 Flujo bifásico tapón burbujeante 6

Figura 1.10 Flujo bifásico burbuja dispersa 7

Figura 1.11 Flujo bifásico burbujeante 7

Figura 1.12 Representación del flujo másico 8

Figura 1.13 Representación de la fracción volumétrica 8

Figura 1.14 Ilustración de la velocidad media de las fases líquida y gaseosa 9

Figura 1.15 Ilustración de la velocidad superficial 9

Figura 1.16 Mapa de patrón de flujo horizontal de Hoogendoorn 10

Figura 1.17 Diagrama de regímenes de flujo de Baker 11

Figura 1.18 Mapa de patrón de flujo horizontal de Taitel y Dukler 11

Figura 1.19 Sensor tipo capacitivo 14

Figura 1.20 Vista del corte transversal del tubo, diseño del sensor ultrasónico completo

14

Figura 1.21 a) Receptor y b) Transmisor de Ultrasonido 15

Figura 1.22 Sistema de radiación para la medición de sólidos en flujos en dos

fases 15

Figura 1.23 Estructura axial de los electrodos para la tomografía capacitiva 16

Figura 1.24 Vista radial de la distribución de los electrodos 17

Figura 1.25 Arquitectura del sistema de tomografía con rayos X tipo scanner. 18

Figura 2.1 Bloques que integran el sistema de medición propuesto 19

Figura 2.2 Bloques que integran el CI33794 20

Figura 2.3 Aplicaciones del DSP en diversas áreas 22

Figura 2.4 Procesador de señales digitales y fronteras traslapadas con otras

áreas de la ciencia, ingeniería y matemáticas 23

Figura 2.5 Diagrama a bloques del DSP 28

Figura 2.6 Entorno de CodeWarrior® 29

Figura 2.7 Bean Inspector ADC 30

Figura 2.8 Función Scope (FreeMaster®) 30

Figura 2.9 conexiones entre el DSP y el CI33794 31

Figura 2.10 Prototipo de acrílico para calibrar el instrumento. 32

Figura 2.11 representación grafica de la medición de película liquida (medición

estática) 33

Figura 2.12 a) Electrodo circular de = 5mm. b) Electrodo rectangular de

4.5cm x 6cm 33

Figura 2.13 Diagrama a bloques empleado para la programación del 56F8300

(medición estática) 34

Figura 2.14 Lectura del sensor rectangular a) Vacío b) Lleno 35

Figura 2.15 Resultados medidos en las distintas etapas. 35

(9)

Figura 2.17 Sistema propuesto de medición de campo eléctrico aplicado a

flujos bifásicos. 36

Figura 2.18 Distintos electrodos a) Sección circular, b) Sección rectangular 36 Figura 2.19 Diagrama a bloques empleado para la programación del 56F8300

(medición dinámica). 37

Figura 2.20 Medición no intrusiva. 38

Figura 3.1 Instrumentación y tubería utilizada en el montaje experimental 39

Figura 3.2 Topología de la red 40

Figura 3.3 Sistemas de suministro de los fluidos de trabajo 40

Figura 3.4 Sistemas de medición y control de los fluidos 41

Figura 3.5 Mezclador de fases 41

Figura 3.6 Zona de experimentación 42

Figura 3.7 Zona de retroalimentación 42

Figura 3.8 Mapa del patrón del flujo para un tubo de 5.1 cm. de diámetro. Tubo horizontal mezcla agua-aire a condiciones atmosféricas. Tabla de Mandhane

43

Figura 3.9 Placa de orificio utilizada 44

Figura 3.10 Intervalo de valores de para generar el flujo anular en los

experimentos. 44

Figura 3.11 Diagrama de flujo para la calibración de instrumentos de la fase

líquida. 47

Figura 3.12 Curva de calibración para la placa-orificio 1

(Diámetro placa = 36.5mm, diámetro de la tubería = 50.8mm) 51 Figura 3.13 Rango de valores de para generar el flujo anular en los

experimentos.

51

Figura 3.14 Partes que componen al tubo de pitot 53

Figura 3.15 Tubo de pitot utilizado en la calibración 53

Figura 3.16 Colocación correcta del tubo de pitot en el labio del tubo. 54 Figura 3.17 Base para el tubo de pitot: a) Vista frontal, b) Vista lateral. 54 Figura 3.18 Ideal vs Real: a) Perfil de velocidad ideal, b) Medición solo del

cero al radio pues se espera simetría, c) Perfil de velocidad real, d) Medición en todo el diámetro de la tubería.

55

Figura 3.19 Medición de la presión en las tomas de la brida 56

Figura 3.20 Manómetros en U utilizados en la experimentación 57

Figura 3.21 Diagrama de flujo para calibración de las placas y la obtención de la U_SG

58

Figura 3.22 Velocidad promedio en un punto 61

Figura 3.23 Explicación lineal de incrementos en.a) Incrementos en ri circular b)

Incrementos en ri lineal c) Explicación lineal de incremento en vi 62

Figura 3.24 Explicación lineal de incrementos en. a) Incrementos en r1 lineal

b) Explicación lineal de incremento en v1 63

Figura 3.25 Sección del sistema donde se llevo a cabo la calibración de las

placas de orificio 66

Figura 3.26 montaje experimental 68

Figura 3.27 Zona de pruebas para flujo estratificado, diagramas de D. Barnea, O. Shoham y Y. Taitel, 30° de inclinación descendente. [17] 69

Figura 3.28 Topología de la red 70

Figura 3.29 Equipo usado en el suministro de fluidos 71

(10)

Figura 3.34 Diagrama de flujo para la operación de la instalación. 76 Figura 4.1 Diagrama de flujo para la captura y tratamiento de la señal 79

Figura 4.2 Señal de entrada original obtenida de un sensor 81

Figura 4.3 Señal obtenida de los 8 electrodos correspondiente al Flujo anular

desarrollado 82

Figura 4.4 Sección transversal medida con las sondas. 82

Figura 4.5 Sección identificada como periódica 83

Figura 4.6 Comparación filtro analógico contra digital. Filtros digitales tienen mejor desempeño en muchas áreas como: a) Atenuación vs. b). Onda pasabanda

84

Figura 4.7 Comparación filtro analógico contra digital. c) vs. d) Roll-off y

atenuación pasabanda 85

Figura 4.8 Comparación filtro analógico vs digital. e) filtro analógico respuesta asimétrica. f) filtro digital Respuesta simétrica al escalón. 85 Figura 4.9 Señales graficadas. En la parte superior se encuentran las señales

de los ocho sensores sin filtrar y debajo de las mismas se encuentran las señales después de pasar por el filtro.

86

Figura 4.10 Gráfica de un sensor donde se observa periodicidad 87

Figura 4.11 Las cuatro transformadas de Fourier 88

Figura 4.12 Frecuencias fundamentales de un sensor. 89

Figura 4.13 Frecuencias fundamentales de los 8 sensores 89

Figura 4.14 Gráficas de las matrices resultantes. 90

Figura 4.15 Comparación: señal original contra la señal reconstruida 91

Figura 4.16 Señal original y señal reconstruida de un electrodo 91

Figura 4.17 Señal obtenida en los 8 electrodos durante un segundo 93 Figura 4.18 Evolución de la sección transversal a través del tiempo 94

Figura 4.19 Variación del fenómeno a través del tiempo (3D) 95

(11)

(12)

Tabla 1.1 Aplicaciones y problemas relacionados con flujos bifásicos. 12

Tabla 2.1 Comparación cualitativa entre DSP. 24

Tabla 3.1 Matriz de pruebas para el experimento con líquido (Agua) 45

Tabla 3.2 Datos obtenidos 49

Tabla 3.3 Promedio de los datos obtenidos 49

Tabla 3.4 Valores completos 50

Tabla 3.5 Matriz de pruebas para el experimento con gas 52

Tabla 3.6 Mediciones 59

Tabla 3.7 Velocidades puntuales 61

Tabla 3.8 Valores obtenidos en la primera medición 64 Tabla 3.9 Resultado del análisis para la primera medición 65 Tabla 3.10 Condiciones bajo las cuales se llevo a cabo el experimento. 67 Tabla 3.11 Velocidades obtenidas del Mapa del patrón de flujo inclinado 69 Tabla 3.12 Resultados obtenidos para la medición de flujo de agua. 75 Tabla 4.1 Medición de espesor de película tiempo en segundos,

espesor de película liquida en centímetros. 80 Tabla 4.2 Medición de espesor de película. Tiempo en segundos,

(13)

(14)

Símbolo Descripción Unidades

A Área de la sección transversal del tubo. m2

AG Área ocupada por el gas. m2

AL Área ocupada por el líquido. m2

D Diámetro de la tubería. m2

GG Densidad del flujo Másico del gas. kg/(s m2)

GL Densidad del flujo Másico del Líquido. kg/(s m2)

g Gravedad m/s2

m Masa kg

mp Masa pesada kg

mreal Masa Real Kg

Pat Presión atmosférica Pascales

PD Presión dinámica Pascales

PT Presión Total Pascales

Qg Caudal del gas m3/s

QL Caudal del gas m3/s

Re Número de Reynols. Adimencional

RG Fracción volumétrica del gas (Void fraction). Adimencional RL Fracción volumétrica del líquido (Hold up). Adimencional

TA Temperatura Ambiente c

TD Tiempo de duración del evento s

t Tiempo s

tara Peso del contenedor kg

Ug Velocidad del gas. m/s

Up Velocidad puntual m/s

USG Velocidad superficial del gas. m/s

USL Velocidad superficial del Líquido. m/s

UG Velocidad media de la fase gaseosa. m/s

UL Velocidad media de la fase Liquida m/s

Vol Volumen m3

VL Volumen del líquido m3

VG Volumen del gas m3

VK Fracción Volumétrica de la fase K m3

WG Flujo Másico del gas Kg/s

WL Flujo Másico del Líquido Kg/s

x Calidad de la Mezcla %

(15)

Letras griegas

α

L Fracción volumétrica superficial del líquido. Adimencional

α

G Fracción volumétrica superficial del gas Adimencional

β Relación de diámetros (orificio/Tubería) Adimencional

ρA Densidad del aire Kg/(m3)

ρH2O Densidad del agua Kg/(m3)

ρ Densidad Kg/(m3₎

Símbolos matemáticos

∆

P Presión diferencial de mercurio mmHg

∆

P1 -2 Perdida de presión entre la entrada y la salida principal mmHg

(16)

En el presente trabajo de tesis se presenta una herramienta para la medición y análisis de flujos bifásicos, aplicándose a dos de sus más complejos patrones: flujo anular y flujo tapón, se implementan las condiciones para alcanzar los mencionados fenómenos y se realizan mediciones que evidencian el desempeño del sistema de medición propuesto.

Basado en el sensor de campo eléctrico se selecciona el circuito de medición (CI 33794), se diseñaron electrodos capaces de ser montados a las tuberías y aprovechando la versatilidad del DSP 56f83 de Motorola®, los datos fueron enviados a la PC para su posterior análisis, es importante destacar que para poder afirmar que el sistema es útil para la aplicación fue indispensable conocer las características mas importantes de ambos fenómenos, así como asegurar la capacidad de generar los patrones físicamente en el laboratorio, por lo tanto se reprodujo el fenómeno flujo anular en un ducto horizontal de 50.8 mm de diámetro y el flujo tapón en una tubería inclinada de 25.4 mm de diámetro, basado en las observaciones encontradas en la investigación bibliográfica previa.

(17)

(18)

En la industria casi de forma General se hace presente la conducción de fluidos a través de tuberías ya sea en el transporte de materiales, energéticos y/o servicios.

La conducción de estos fluidos casi siempre se trata de mezclas en diferentes fases, aunque en distintas proporciones, situación que de forma intermitente continúa o eventual da origen a múltiples efectos producidos por estas mezclas.

El flujo bifásico es precisamente una mezcla, no homogénea, de dos fases distintas que pudieran ser: sólido - gas, sólido - líquido, líquido - gas o líquido - líquido (siempre que ambos sean inmiscibles) desplazándose en una tubería.

Las mezclas bifásicas (gas-líquido) que fluyen a través de ductos, presentan distintos patrones de comportamiento, los cuales han sido clasificados de acuerdo a la estructura geométrica que presentan (gotas, películas, burbujas, etc.) y de acuerdo a la geometría del flujo en dos fases se clasifica en: burbujeante, estratificado, estratificado ondulado, pulsante (tapón), anular y disperso o de neblina.

En la gran mayoría de procesos no se considera esta condición hasta que generan efectos negativos y en otros tantos representa una ventaja el poder identificar, generar, controlar y hasta predecir las características y comportamiento de los flujos bifásicos, ventaja que no es explotada pues no se cuenta con las herramientas adecuadas.

Actualmente en la industria ya se aplican sistemas separadores de fases, purgas temporizadas entre otros mecanismos que comúnmente dan soluciones de bajo desempeño, sin que se cuente con sistemas que identifiquen, midan o manipulen el comportamiento de estos fenómenos.

En el presente trabajo se propone la implementación de un sistema un sistema de medición que permite analizar la principal característica del fenómeno: las fracciones volumétricas de cada una de las fases lo que es posible al conocer al menos una de las áreas.

En este caso se aprovecha la capacidad del circuito de medición de campo eléctrico (CI33794) para detectar las variaciones del componente líquido en 8 puntos uniformemente distribuidos en el exterior de la tubería, mediante un procesador digital de señales se colectan los datos en barridos y se transmiten a la computadora para ser monitoreados y/o analizados.

Aplicado al flujo anular y tapón el sistema constituye una técnica no intrusiva

(19)

(20)

El objetivo del presente trabajo de tesis es diseñar un sistema experimental con el que sea posible cuantificar al menos un componente de una mezcla bifásica aire / agua donde exista el fenómeno bifásico-anular o bifásico-tapón para deducir la composición porcentual en el punto-instante de la medición.

.

Para alcanzar el anterior objetivo general se fijan los siguientes objetivos particulares por capitulo:

Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos: conocer y exponer los mencionados fenómenos, cuales son sus principales características, cuales son las condiciones que los originan así como los antecedentes en sus mediciones.

Capítulo II Sistema propuesto para medición porcentual de flujos bifásicos: Utilizando los elementos proporcionados por la sección de estudios de postgrado e investigación (SEPI) de ingeniería eléctrica generar una propuesta experimental que sirva como auxiliar en futuras investigaciones en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP), del IPN

Capitulo III Diseño y calibración del montaje experimental:Realizar un montaje capaz de reproducir los fenómenos bifásico-anular o bifásico-tapón y ya que no existe un indicador directo actualmente en el LABINTHAP que evidencie la presencia de los mismos será indispensable asegurar las condiciones que les dan origen, calibrándole para operar en esas condiciones, al mismo tiempo se debe llevar a cabo el montaje del sistema de medición experimental propuesto.

(21)

(22)

Tesis de licenciatur a Ger ar do Iván Caballer o Jiménez 1

Capítulo I

Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos

En el presente capítulo se muestra un estudio bibliográfico sobre los flujos bifásicos y sus patrones característicos. Es importante destacar principalmente los mecanismos básicos de formación de los patrones de flujo denominados tapón (slug) y anular, ya que estos son los patrones, con los que se trabajó durante la elaboración de este estudio, además se hace una breve descripción de sus fundamentos teóricos. También se presentan, algunos conceptos básicos en el área de la metrología, información que es fundamental para el desarrollo de este trabajo.

1.1 Flujos bifásicos

Los flujos bifásicos, son mezclas de dos sustancias, en distintas fases o densidades, que son transportadas, en forma simultánea, dentro de un ducto o tubería.

Actualmente el estudio de los flujos bifásicos en distintos procesos tales como la producción y transporte de petróleo crudo y algunos de sus derivados, ha tenido un notable desarrollo, lo que se traduce en un ahorro económico en la construcción de las líneas de tuberías y una reducción del impacto al medio ambiente. Evidentemente en cada proceso las características del fenómeno cambian de manera significativa, ya que las mezclas pueden estar formadas con distintos componentes como: aceite-gas, aceite-agua, agua-gas, lodos, etc., a las cuales se encuentran en las denominadas mezclas multicomponentes [6]. Los flujos multifásicos son sistemas muy complejos que pueden provocar inestabilidades en los procesos donde ocurren, si no se saben manejar correctamente, de ahí su importancia de estudio. Se define como flujo multifásico a la mezcla de dos o más fluidos que se encuentran en diferentes estados termodinámicos, o bien a la mezcla de dos o mas fluidos con elementos sólidos. [1]

1.2 Flujo bifásico de gas-líquido.

En la industria nuclear, geotérmica y termoeléctrica se encuentra presente el flujo bifásico formado por una mezcla de agua y vapor, y en estos casos particulares las fases se encuentran en equilibrio termodinámico.

(23)

Capítulo I Estudio bibliogr áfico de los flujos bifásicos

2

generadores de vapor, sistemas de refrigeración, evaporadores y condensadores. Se tiene conocimiento acerca de estos flujos, incluyendo la detección de los patrones de flujos en diferentes regímenes, métodos de estimación para fracciones de volumen (fracciones volumétricas del líquido y del gas), y pérdidas de presión en flujos en dos fases [4].

Figura 1.1 Flujo bifásico, fase A liquida, fase B gaseosa

1.3 Generación del flujo bifásico.

Los flujos bifásicos se originan cuando por fenómenos de transferencia de calor, o de cambios de presión un flujo monofásico se evapora (en caso de ser líquido saturado) o se condensa parcialmente (en caso de ser vapor saturado) [6].

Otro origen del flujo bifásico son las mezclas de líquido - gas que existen en la naturaleza y que es necesario separarlas antes de utilizarse. Así, puede hablarse de flujos bifásicos con cambio de fase, donde generalmente se puede identificar una fase continua y otra discontinua. En el caso de flujos con mayoría de líquido y algo de gas, la fase líquida es la continua y el gas se encuentra como un conjunto de burbujas dispersas. En el otro extremo se puede tener una fase gaseosa continua arrastrando una niebla de gotas de líquido. Esto ocurre cuando hay evaporación o condensación, o de flujos sin cambio de fase, cuando las dos fases son substancias distintas y esencialmente cada fase conserva sus cualidades por separado.

En los flujos bifásicos, las fases no se mezclan y tienen interfaces bien definidas entre una y otra (por eso no se habla de mezclas bifásicas gas - gas). Además, ambas fases tienen densidades distintas.

(24)

1.4 Patrones de flujo bifásico.

Los flujos bifásicos se distinguen de los flujos monofásicos por la presencia de interfaces internas en movimiento, lo cual hace que el análisis del flujo en dos fases sea más complejo que en los flujos monofásicos [5].

El flujo bifásico en conducción adquiere diversas configuraciones que son caóticas y difíciles de clasificar. Básicamente los patrones de flujo se definen de acuerdo a la similitud de la geometría interfacial y a los mecanismos que dominan la caída de presión, así como la transferencia de calor y de masa [5].

(25)

4

Los patrones de flujo fueron clasificados por primera vez por Alves en 1954, sugiriendo

para el caso de tuberías horizontales, los patrones que se muestran en la figura 1.2 [5]. La clasificación de los patrones de flujo es algo arbitraria y depende del grado de interpretación de cada uno de los investigadores. Puesto que la determinación del patrón de flujo se basa sobre todo en determinaciones visuales, hay un elemento de subjetividad implícito en la delineación de los regímenes individuales de flujo [14].

1.4.1 Flujos dominados por el gas.

Estratificado (stratified). En este régimen de flujo el líquido se mueve en la parte baja del

tubo con el gas viajando en la parte superior sin entremezclarse. A velocidades bajas de gas y de líquido, la interfase es lisa y el régimen de flujo se llama estratificado liso (stratified smooth) (SS) . Con un aumento en el caudal de gas, la interfase llega a ser ondulada y el régimen de flujo se llama estratificado ondulado (stratified wavy) (SW), la interfase tiene este aspecto debido a la ondulación en la superficie líquida viajando en la dirección del flujo.

Figura 1.3 Flujo bifásico estratificado; a) liso y b) ondulado

Anular (annular). El flujo anular ocurre a caudales altos de gas, debido a que las fuerzas

superficiales predominan sobre las fuerzas gravitacionales donde el líquido forma una película delgada alrededor de la pared del tubo. Cuando el caudal del gas es relativamente pequeño, la mayoría de este líquido viaja en la parte baja del tubo en forma de película. Incluso a caudales más altos de gas, pequeñísimas gotas de líquido se desprenden de la película y se dispersan dentro de la fase gaseosa.

Un caso especial de flujo anular es aquel en donde hay una película de gas-vapor adherida a la pared y un núcleo líquido en el centro. Este patrón se denomina Flujo Anular Inverso y

aparece sólo en fenómenos de ebullición en películas estables sub enfriadas [3].

(26)

Flujo Anular Neblina Anular .Existe una película continua de líquido moviéndose

relativamente despacio sobre las paredes de la tubería

a y una fase que se desplaza más rápidamente en el núcleo de gas(Griffith, 1968). Este

régimen es diferente del flujo anular por la naturaleza de la fase de entrada, la cual parece fluir en grandes aglomerados [3].

Figura 1.5 Flujo bifásico neblina anular.

1.4.2 Flujos intermitentes

Es el régimen de flujo dominante en tubos horizontales, con inclinaciones ascendentes y ocurre a un limitado grado de inclinación en el flujo descendente. Consiste en tapones líquidos (liquid slugs) y grandes burbujas de gas que son normalmente mucho más largas

que un diámetro de tubo. Los tapones líquidos se mueven a una frecuencia promedio, las longitudes del tapón (slug) y de la burbuja varían de una manera aleatoria. El régimen de

flujo intermitente se ha dividido en cuatro regímenes distintos dependiendo de la fracción volumétrica del gas (void fraction) en el tapón líquido.

Burbuja alargada (elongated bubble) (EB). Este patrón de flujo es un caso de limitación

del flujo intermitente, los tapones líquidos se encuentran libres de burbujas según lo demostrado en figura. 1.6 La burbuja de gas generalmente es aerodinámica, el flujo de líquido debajo de la burbuja es similar al flujo bifásico estratificado liso mientras que el flujo en el tapón líquido es básicamente laminar. La parte posterior de la burbuja a veces se desprende del cuerpo principal de la burbuja y es recogida por la burbuja siguiente.

Figura 1.6 Flujo bifásico burbuja alargada

Burbuja alargada con burbujas dispersas (elongated bubble with dispersed bubbles) (EDB). Mientras que se aumenta la velocidad de la mezcla, las burbujas dispersas

(27)

6

parte frontal del tapón se convierte en una zona pequeña de mezcla turbulenta, donde se generan las burbujas dispersas como se muestra en la figura 1.7.

Figura 1.7 Flujo bifásico burbuja alargada con burbujas dispersas

Tapón (slug) (SL). El flujo tapón es una continuación del régimen de flujo de EDB con una

fracción volumétrica de gas (void fraction) en el tapón líquido mayor que el 10%, es decir, la transición del flujo EDB al flujo de SL ocurre cuando la fracción volumétrica de gas en el tapón es del 10%. Esta condición generalmente corresponde a un intervalo de velocidad de Vm =1.5 a 2.4 m s

( )

. El nivel de turbulencia en el tapón aumenta y la capa líquida debajo de la burbuja de gas exhibe una interfase similar al flujo estratificado ondulado con pequeñas burbujas dispersas. Las longitudes del tapón y de la burbuja varían de una manera aleatoria, así como la frecuencia del tapón.

Figura 1.8 Flujo bifásico slug (tapón)

Tapón burbujeante (Slug froth) (SLF). El líquido en el tapón y en la película llega a ser

muy burbujeante debido a la turbulencia, se observa este régimen a altos caudales de gas y de líquido. El líquido en el tapón tiene características similares al régimen de flujo burbujeante. La transición del flujo SL al flujo de SLF ocurre en un intervalo de velocidad de Vm =4 a 5 m s

(

)

con una fracción volumétrica de gas en el tapón de alrededor del 30%.

(28)

1.4.3 Flujos dominados por el líquido.

En esta región el líquido es la fase dominante con el gas dispersado en él.

Burbuja dispersa (Dispersed bubble) (DB).La fase de gas se dispersa en pequeñas burbujas

en una fase líquida. A relativamente bajos caudales de gas estas burbujas están situadas cerca de la parte alta del tubo debido a las fuerzas de flotación de Arquímedes, pero a altos caudales de gas las burbujas se dispersan más uniformemente. El tamaño de la burbuja varía algunos milímetros de diámetro.

Figura 1.10 Flujo bifásico burbuja dispersa

Burbujeante (dispersed froth) (DBF). Este régimen se observa a altos caudales de gas y de

líquido que al entremezclarse es imposible detectar cuál es la fase dispersa (Figura 1.11). Este régimen de flujo se asocia con altas caídas de presión y también es referido como flujo agitado (churn) por muchos observadores.

Figura 1.11 Flujo bifásico burbujeante

1.5 Parámetros descriptivos del flujo bifásico.

Flujo másico total WT

Es la cantidad de masa que pasa por el ducto por unidad de tiempo y es igual a la suma de los flujos másicos de las fases [5].

W W

(29)

8

Figura 1.12 Representación del flujo másico

Calidad de la mezcla. Es la relación del flujo másico del gas entre el flujo másico total.

G L G W x W W =

+ (1.2)

Sin embargo, en el caso de una mezcla agua-vapor, esta calidad corresponde a la calidad de la mezcla donde las fases se encuentran en equilibrio termodinámico.

Fracción volumétrica de la fase k:

Es la fracción de volumen ocupada por la fase k (líquido o gas) en un volumen de control, en una mezcla bifásica.

Figura 1.13 Representación de la fracción volumétrica

    =

+

V V V G L K K

α

(1.3)

Para la fase líquida

R V V V L G L L

L = =

    =

+

β

α

(1.4)

Para la fase gaseosa

R V V V G G L G

G = =

    =

+

α

(30)

En donde el subíndice L denota la fase líquida y el subíndice G la fase gaseosa.

Velocidad media de la fase, uL, uG:

La velocidad media real unidimensional de cada fase, se define como el flujo volumétrico de la fase a través de su área de flujo de la sección transversal correspondiente.

A Q u

L L

L = (1.6)

G G

G

Q

u = _A (1.7)

Figura 1.14 Ilustración de la velocidad media de las fases liquida y gaseosa

Velocidad superficial de las fases, USL, USG:

El flujo volumétrico medio, o más comúnmente llamada velocidad superficial de cada fase está definida como la razón del flujo volumétrico de la fase respectiva al área total de flujo de la sección transversal en cuestión:

L SL L G Q U A A =

+ (1.8)

G SG L G Q U A A =

+ (1.9)

(31)

10

1.6 Regímenes de trabajo en los que se generan los distintos patrones del flujo bifásico

A continuación se proporciona una lista de algunos investigadores que trabajaron en la localización del régimen del flujo bifásico:

• Kosterin (URSS, 1949). Utilizó aire y agua en tuberías horizontales de 2.5 cm (1

in.) a 10 cm (4 in.) de diámetro interior.

• Bergelin & Gazly (USA, 1949). También trabajo con una mezcla de aire y agua en

una tubería horizontal de 2.5 cm. (1 in.).

• Kozlov (1954). Experimentó en tuberías verticales con sistemas de dos

componentes en tuberías de 2.5 cm. (1 in) de diámetro.

• Hoogendoorn (1959) Propuso un modelo a partir de experimentos realizados con

varios líquidos, entre ellos el agua, y empleando aire y vapor de freón 11 como gas. Este autor concluye que la densidad del gas no influye significativamente en la transición de los patrones de flujo. En el mapa propuesto de la figura 1.6, el patrón de flujo depende de la velocidad superficial del líquido real en el eje de las abscisas y de la velocidad superficial del gas en el eje de las ordenadas.

Figura 1.16 Mapa de patrón de flujo horizontal de Hoogendoorn 1959.

• Griffith & Wallis (1961). Correlacionaron los límites de transición utilizando

grupos de números adimensionales.

• Bennett et al. (1965). Reportaron experimentos en un sistema agua-vapor a altas

(32)

• Baker (1954,1960). Buscó datos de una variedad de fuentes y realizó una carta de

regímenes de flujo que ha sido largamente considerada como un diagrama muy representativo para flujo horizontal. Esta gráfica, modificada por Scott (1963) se

muestra en la figura. 1.17. Los parámetros utilizados son GG y G .L En donde GG y L

G son los flujos másicos de gas-vapor y líquido, respectivamente, basados en el área

total de la sección transversal de la tubería.

Figura 1.17 Diagrama de regímenes de flujo de Baker.

• (Taitel y Dukler, 1976 muestran el primer método semi-empírico que considera el diámetro de la tubería y las propiedades físicas de los fluidos. Estos autores toman como referencia en flujos horizontales, al patrón de flujo estratificado. Este modelo trabaja con la coordenada de Lockart –Martinelli en el eje de las abscisas y de acuerdo al patrón de flujo se lee un parámetro F, K o Y en el eje de las ordenadas (Figura 1.18 Brill y Beggs, 1988 ).

Figura 1.18 Mapa de patrón de flujo horizontal de Taitel y Dukler de 1976

(33)

12

1.7 Problemas que ocasionan los flujos bifásicos en la industria.

El flujo de mezclas, en realidad, es un fenómeno presente en los procesos y equipos industriales desde que se inició el uso del vapor en ellos, sin embargo, durante mucho tiempo, debido a la falta de información, parece haber sido tratado como una situación molesta que requería evitarse con un “buen diseño”. Esta situación perduró por mucho tiempo hasta llegar a ser necesario conocer el comportamiento detallado de las mezclas bifásicas, para prever accidentes o para predecir el desempeño de las mismas en sistemas nucleares y espaciales. Por lo anterior, en esta rama de la mecánica de los fluidos existen muchos aspectos que deben estudiarse con más detalle [6].

De los patrones de flujo, el flujo slug se le considera el más problemático y es el que ocurre con mayor frecuencia en la conducción de mezclas. Este tipo de flujo induce vibraciones en los sistemas de conducción, las cuales se manifiestan de una manera violenta cuando fluyen a través de un cambio de dirección, como en caso de codos o confluencias.

La necesidad de contar con métodos de diseño confiables ha sido el elemento motor del gran esfuerzo que ha venido desarrollando en la investigación en el campo de los fluidos bifásicos. Esta gran labor se ha efectuado en universidades, laboratorios e institutos de investigación en muchos países del mundo; sin embargo, la información que existe actualmente aún no satisface las expectativas de los ingenieros en diseño.

La importancia de los flujos bifásicos y multifásicos se derivan de amplia gama de problemas de la ingeniería donde se encuentra este tipo de fluido. Para tener una idea general, en la tabla 1.1 se presentan algunas de las aplicaciones y problemas con flujos bifásicos.

Tabla 1.1 Aplicaciones y problemas relacionados con flujos bifásicos.

Sistema Aplicación Problemas de diseño

Termosifón

Industria: petrolera, alimentación, química y de procesos

Pérdida de presión, transferencia de calor

Tuberías de reactores químicos

Procesos petroquímicos e industria química en general

Pérdidas de presión, distribución del tamaño y velocidad de gotas, distribución del tiempo de residencia, transferencia de masa interfacial

Calentadores de fuego directo, condensadores horizontales.

Industria petrolera, procesos industriales, plantas de energía eléctrica

Pérdida depresión, coeficiente de transferencia de calor en las paredes, estabilidad del sistema

Transporte de Petróleo y gas

Transporte de petróleo-gas de plataformas y transporte por superficie.

Pérdida de presión, resonancia, vibración, inestabilidad de flujo.

Plantas geotérmicas

Transporte de la mezcla bifásica a través de la tubería

Pérdidas de presión, vibración resonancia, inestabilidad de flujo, determinación de aguas arrastradas a las turbinas Producción de potencia con

reactores nucleares

Sistema de emergencia para el enfriamiento del núcleo

(34)

Estos son sólo algunos ejemplos en los cuales se encuentran involucrados los flujos bifásicos. Se puede remarcar que el factor común es que se necesita una mejor comprensión del comportamiento de las mezclas bifásicas para mejorar los diseños, evitar accidentes y minimizar costos de infraestructura.

1.8 Antecedentes de mediciones en flujos bifásicos.

Las técnicas experimentales aplicadas a la determinación e interpretación del fenómeno aparecen a finales de los años 50 y principios de los 60. De estas fechas hasta nuestros días las técnicas más utilizadas para su medición se clasifican de la siguiente manera:

De acuerdo al sensor o transductor empleado en: • Conductivo

• Capacitivo • Óptico • Ultrasónico

• Campo Electrostático • Fotografía de alta velocidad • Tomografía con rayos X • Tomografía con rayos gamma

• Tomografía digital (empleando cámara digital)

De acuerdo al método en: • Intrusivo • No intrusivo • Local o promedio

A continuación se presentan experimentos que pretenden medir diversos parámetros del flujo bifásico, es importante destacar que algunos sistemas sirven únicamente para determinados patrones de flujo.

(35)

14

Figura 1.19 Sensor tipo capacitivo

Como los componentes del flujo en dos fases tienen diferente constante dieléctrica (permitividad), el cambio del valor de la fracción de gas del flujo en dos fases y su distribución provocan una variación en la medición de la capacitancia, este valor refleja la información de la fracción de gas que hay en el comportamiento del flujo en dos fases Posteriormente la información es acondicionada por un sistema de adquisición de datos y de ahí es enviada al microcontrolador la resolución de la capacitancia es de 1.0 pF y la velocidad de muestreo es 150 muestras/s y de ahí se envía a la computadora personal por el puerto de comunicación serie RS232. En la computadora se reconstruye la imagen de la sección transversal del tubo con las 66 muestras que son enviadas por el sistema de adquisición de datos

Li-Juan Xu y Liang-An Xu(1997), propousieron una técnica basada en la tomografía de ultrasonido para el monitoreo de burbujas de gas/liquido en flujos de dos fases. Para realizar dicho monitoreo colocaron 6 transmisores de sonido y 6 receptores en arreglos de filas con la finalidad de medir la distribución de la impedancia acústica. Este sistema puede solamente obtener proyecciones incompletas de la Tomografía ya que depende de la distribución de las burbujas en el líquido.

(36)

Figura 1.21 a) Receptor y b) Transmisor de Ultrasonido

J. Mennell, B. Byrne, Y. Yan (1996), propusieron una técnica radiológica de tipo no intrusivo. Para esto utilizan una fuente de radiación de AM-241 en una de las paredes del tubo y del otro lado de la pared colocaron un arreglo de diodos receptores los cuales transmiten la información hasta una computadora donde es procesada la información para determinar la velocidad y la variación de la masa. La mayoría de las técnicas de esta clase causan atenuación y difracción de los rayos gama. Las pequeñas variaciones en las fracciones de fase son difíciles de medir, esta técnica es muy utilizada en la medición de sólidos en flujos multifásicos. El tubo de emisión de rayos gama opera a 25 KVp con una corriente de 0.4 mA.

La medición cuantitativa de la variación del flujo de masa de sólidos, está encaminada a la determinación de la velocidad de los sólidos y a la fracción volumétrica de los sólidos, ya que la distribución de estos sólidos es no homogénea y desconocida. En la figura 1.22 se muestra el sistema utilizado para realizar dichas mediciones

Figura 1.22 Sistema de radiación para la medición de sólidos en flujos en dos fases

Como puede observarse de la figura anterior, el flujo que emerge de la fuente de rayos x atraviesa el tubo de nylon para proyectarse en el arreglo de diodos donde es detectada la fracción de los sólidos, considerando esto como si fuera una simple radiografía convencional, donde es cuantificada la imagen.

(37)

16

de velocidad. El sistema de tomografía de tipo capacitivo está compuesto de doce electrodos, los cuales se encuentran distribuidos en la periferia del tubo tal y como se ilustra en la figura 1.23

Figura 1.23 Estructura axial de los electrodos para la tomografía capacitiva.

Estos electrodos están conectados a un sistema de adquisición de datos de alta velocidad, el cual se encarga de medir la capacitancia entre todas las combinaciones de electrodos con un simple sensor, esto es, toma 66 muestras de las lecturas capacitivas de un total 132. El sistema de adquisición de datos obtiene 100 muestras de datos x seg., la capacitancia que hay entre electrodos adyacentes es del orden de un 1 pF y la técnica de medición que emplea el fenómeno capacitivo es por transferencia de carga. El sistema de adquisición de datos está compuesto por una red transputer/DSP el cual está configurado en dos modos de operación:

1. Reconstruye la imagen tomando 200 muestras/s., y mostrando la imagen en la pantalla del monitor (observación en línea).

(38)

Figura 1.24 Vista radial de la distribución de los electrodos.

(39)

18

Figura 1.25 Arquitectura del sistema de tomografía con rayos X tipo scanner.

(40)

19

Capítulo II

Sistema propuesto para medición porcentual de flujos bifásicos

En esta sección se describen los criterios seguidos para establecer sistema experimental de medición, las pruebas y el análisis de la señal entregada por los diferentes instrumentos.

Figura 2.1 Bloques que integran el Sistema de medición propuesto.

En el sistema propuesto, el elemento primario de medición se compone de las siguientes partes:

§ Electrodos emisores-receptores de campo eléctrico § Circuito de medición de campo eléctrico 33794

Mientras que la medición, transmisión, visualización, almacenamiento, e interpretación de los datos se llevan a cabo en los siguientes dispositivos:

§ Procesador digital de señales § Computadora personal

(41)

Capitulo II Sistema pr opuesto par a la medición por centual de flujos bifásicos

2.1 Circuito de medición 33794.

Es posible conocer la fracción volumétrica de cada una de las fases si se conoce por lo menos una de las áreas que ocupa una de ellas, en el caso actual, se encontrará un valor muy aproximado del área ocupada por el líquido, en función del espesor de la película que forma sobre la pared, de esta forma, se intenta conocer la composición volumétrica, apoyándonos en el circuito integrado (CI), 33794 de Motorola® destinado a aplicaciones

donde es necesario detectar la presencia de objetos sin entrar en contacto directo con ellos, ya que cuando se conectan electrodos externos al CI se crea un campo eléctrico, el 33794 es destinado a detectar objetos en este campo eléctrico. El CI genera una señal sinusoidal de baja frecuencia. La frecuencia es ajustable al usar un resistor externo y es ideal para 120 kHz. La señal sinusoidal posee un bajo contenido de armónicas con la finalidad de reducir la interferencia por armónicas.

(42)

21

En la figura 2.1 se pueden apreciar las etapas que componen el CI 33794, el bloqueOSC es el encargado de generar la señal de tensión alterna, con ayuda de la entradaCLK que es la entrada del tren de pulsos, esta señal es multiplexada por cada uno de los sensores por lo que solo puede leer uno de los nueve electrodos a la vez, además la respuesta está constituida por un valor analógico de 0 a 5 Volts, por lo cual es necesario un convertidor analógico digital en la salidaLEVEL, así como un dispositivo que direccione el sensor que se está observando. Tal función es manipulada por las entradas A, B, C y D. Las demás entradas y salidas están más ampliamente descritas en el manual del fabricante [2].

Para el direccionamiento de los electrodos y lectura de la medición se usa el Procesador Digital de Señales (DSP) de Motorola® 56F8323, en la siguiente sección se presenta una

introducción al uso de este dispositivo.

2.2 Procesador Digital de Señales

El procesador de señales digitales (DSP) se distingue de otros procesadores por ser uno de los pocos dispositivos que utiliza señales como tipos de datos.

(43)

Figura 2.3 Aplicaciones del DSP en diversas áreas

Esta revolución tecnológica ocurrió en la era de los 80s. En este periodo, el DSP se enseñaba como un curso de alto nivel en ingeniería eléctrica. Una década después, el DSP se empieza a convertir en una parte importante en el currículum de los egresados y ahora el DSP es una habilidad básica necesaria para los científicos y los ingenieros en muchos campos.

(44)

23

Figura 2.4. Procesador de señales digitales y fronteras traslapadas con otras áreas de la ciencia, ingeniería y matemáticas

2.2.1 Selección del DSP

Los DSP o procesadores digitales de señal son microprocesadores específicamente diseñados para el procesado digital de señal. Algunas de sus características más básicas como el formato aritmético, la velocidad, la organización de la memoria o la arquitectura interna hacen que sean o no adecuados para una aplicación en particular, así como otras que no hay que olvidar, como puedan ser el coste o la disponibilidad de una extensa gama de herramientas de desarrollo.

Ancho de palabra

Los DSP de coma flotante utilizan un bus de datos de 32 bits. En los DSP de coma fija, el tamaño más común es de 16 bits. Sin embargo, las familias DSP5600x y DSP563xx de Motorola utilizan un formato de 24 bits, El tamaño del bus de datos tiene un gran impacto en el coste, ya que influye notablemente en el tamaño del chip y el número de patillas del encapsulado, así como en el tamaño de la memoria externa conectada al DSP. Por lo tanto, se intenta utilizar el integrado con el menor tamaño de palabra que la aplicación pueda tolerar. En este caso no se el 56f8323 presenta esta ventaja, ya que la aplicación actual no requiere un ancho de palabra mayor.

Velocidad

(45)

Capitulo II Sistema pr opuesto par a la medición por centual de flujos bifásicos En la actualidad, los tres grandes fabricantes de DSP son Texas Instruments, con la serie TMS320; Motorola, con las series DSP56000,y Analog Devices, con las series ADSP2100

Tabla 2.1 comparación cualitativa entre DSP

Analog Devices

®

Motorola

®

Texas Instruments

®

ADSP2101 56F8323 TMS320F28016 Frecuencia de trabajo 20 MHz 60 MHz 60 MHz

Consumo (Voltaje) 5V 3.3 V 1.8 V en el núcleo, 3.3 V I/O Funcionalidad de

DSP y de MCU No Si No

Código-Eficiente (en C/C++ y Ensamblador).

solo ensamblador Si Si

CPU de 32-bit si si si

SARAM Single

Access RAM 8Kx16 bits 8Kx16 bits 6Kx16

Puerto serial 2 2 1

Módulo Watchdog no si si

PWM 1 2 8

Módulo SPI. si no si

Módulo SCI

(UART). No si si

Módulo CAN. si si si

Conversores ADC 2 8 8

Previene Firmware

de ingeniería inversa no no si Control Digital de

Motor y Librerías de Software digital de potencia

si si si

Como se puede observar, el 56F8323 resulta compatible con dispositivos CMOS y TTL , posee una amplia memoria SRAM, lo que le hace eficiente al momento de transmitir datos y continuar con el direccionamiento del electrodo que se desea medir, además de leerlo. Se aprovechara de forma adicional la facilidad que proporciona la tarjeta de demostración 56f8300 la cual posee el DSP 56f8323 y el circuito de medición 33794 de medición por campo eléctrico.

Como ya se mencionó, el DSP que se usará en esta aplicación es el 56F8323 deMotorola®.

(46)

25

56F8323 Descripción General

§ Funcionalidad de DSP y de MCU en una arquitectura unificada, eficiente § Memoria Flash de Datos de 2Kx16

§ Memoria RAM de 1Kx16 bits § Memoria Flash de 8Kx16 bits

§ Memoria RAM de 1Kx16 bits de datos § Memoria Flash de arranque 2Kx16 bits

§ Un módulo de 6 canales PWM (modulador de ancho de pulso) § Dos canales constituidos por 4 ADCs con resolución 12-bits § Un módulo de FlexCAN

§ Hasta dos interfaces de comunicaciones seriales (SCIs) § Hasta dos interfaces periféricos seriales (SPIs)

§ Dos contadores de tiempo de uso general de señal cuadrada § Modulo vigilante de correcto funcionamiento (COP)/Watchdog § Emulación de la On-chip de JTAG/Enhanced (OnCE™)

§ Hasta 27 líneas de GPIO § 64-pins Paquete de LQFP

Este tipo de arquitectura cuenta con: Memoria Flash de 8Kx16 bits, Memoria RAM de 1Kx16 bits, Memoria Flash de arranque 2Kx16 bits, Memoria Flash de Datos de 2Kx16 bits y de Memoria RAM de 1Kx16 bits de datos. Además, cuenta con los siguientes periféricos:

Modulador de Ancho de Pulso (PWM)

Este módulo tiene seis terminales de salida en las cuales se pueden generar señales de frecuencia y porcentaje de ciclo útil variable; adicionalmente cuenta con una terminal de entrada, con la que es posible deshabilitar las salidas anteriores.

Convertidor Analógico a Digital (ADC):

Este módulo cuenta con ocho canales analógicos y trabaja de tal modo que puede restar en forma automática dos señales en el tiempo, detectar el cruce por cero de una señal, comparar contra límites superiores e inferiores de dicha señal y muestrear dos señales en forma simultanea.

Interfaz de Comunicación serie (SCI)

Puerto de Entrada y Salida de Propósito General (GPIO). Estos periféricos comparten terminales de salida, por lo que pueden ser configuradas como líneas de entrada y salida de propósito general o como transmisor y receptor de la comunicación serial asíncrona.

Interfaz Periférica Serial (SPI)

(47)

Temporizador Cuádruple.

Este periférico está integrado por 4 temporizadores de 16 bits totalmente programables, ya sea como entrada por captura o salida por comparación. Cada canal tiene su propia base de tiempo, y pueden utilizarse en forma indistinta cualquiera de las terminales de entrada, pueden ser disparados por flancos de subida, bajada o ambos, se pueden emular señales de PWM e incluso se pueden escoger y escalar las señales de reloj, ya sean internas o externas. Además cuenta con una entrada de sincronización externa.

Computadora de Operación Adecuada (COP).

Este módulo provee dos funciones diferentes: un temporizador supervisor y un generador de interrupciones. Estas dos funciones monitorean la actividad del procesador y proveen una señal de RESET automática en el momento que ocurra una falla. Ambas funciones son contenidas en el mismo bloque, ya que la señal de reloj para los dos, proviene de un divisor de reloj común.

Módulo de Emulación en el Chip (OnCE).

Este módulo permite al usuario interactuar en un ambiente de depuración con el DSP y sus periféricos. Dentro de sus capacidades se encuentran la de examinar los registros internos de la CPU del DSP, memoria, periféricos en el chip; fijar puntos de ruptura en la memoria; y ejecutar paso a paso instrucciones.

Bloque de Síntesis de Reloj

Este módulo genera las señales de reloj para el DSP y sus periféricos. En el está contenido un PLL que puede multiplicar la frecuencia o simplemente dejarla pasar, así como un divisor de frecuencia utilizado para distribuir las señales de reloj a los periféricos. El DSP integra dentro de este módulo un oscilador interno con la frecuencia de oscilación totalmente programable.

Los bloques que integran la unidad de procesamiento son:

1. Unidad Lógica Aritmética (ALU). En este módulo se realizan todas las

operaciones aritméticas y lógicas; está integrada por tres registros de entrada de 16 bits, dos registros acumuladores de 32 bits, cuatro registros de 4 bits de extensión para los acumuladores, una unidad que multiplica y acumula (MAC), un registro de corrimiento acumulador y un limitador de datos. La ALU es capaz de realizar en un ciclo de ejecución cada una de las siguientes instrucciones:

• Multiplicación

• Multiplica-acumula con acumulación positiva o negativa • Adición

• Substracción

• Operaciones Lógicas

2. Unidad de Generación de Direcciones (AGU). Este bloque realiza todos los

(48)

27

3. Unidad de Lazos de Hardware y Controlador de Programa. El controlador de

programa realiza las siguientes funciones: • Extracción de instrucciones.

• Decodificación de instrucciones. • Control de lazo de Hardware. • Procesamiento de interrupciones.

El controlador de programa está integrado por el contador de programa (PC), lógica de control de lazo de programa, lógica de control de interrupción, y los registros de estado y control.

4. Unidad de manipulación de BIT. Esta unidad realiza manipulaciones de bits sobre

palabras contenidas en la memoria de datos, registros de periféricos y registros del procesador. Es capaz de probar, fijar, borrar o invertir cualquier BIT especificado en una máscara de 16 bits en los bytes superior e inferior de una palabra de 16 bits, en otras palabras la máscara prueba un máximo de 8 bits a la vez. En el anexo 1 se ilustra la arquitectura del sistema basado en el procesador de señales digitales.

Comunicación Serie Asíncrona

Por medio de esta interfase el procesador de señales digitales le envía los datos recolectados en las distintas tareas, en este caso se utilizó el puerto 0 de comunicación serial.

Características generales de construcción

Los 56F8323 se fabrican en CMOS (Tecnología Metal oxido semiconductor) de alta densidad con las entradas digitales compatibles con tecnología TTL a 5V. El término "tolerante a 5V " refiere a la capacidad de un pin de Entrada/Salida, construida en una tecnología de proceso 3.3V-compatible, para soportar un voltaje hasta 5.5V sin dañar el dispositivo. Muchos sistemas tienen una mezcla de los dispositivos diseñados para las fuentes de alimentación 3.3V y 5V. En tales sistemas, un bus puede llevar ambos: 3.3V- y niveles voltaicos de 5V I/O (un 3.3V estándar I/O se diseña para recibir un voltaje máximo de 3.3V +/- el 10% durante la operación normal sin dañar el circuito). Esta capacidad tolerante a 5V por lo tanto ofrece los ahorros de la energía de los niveles de 3.3V I/O combinados con la capacidad de recibir los niveles 5V sin daño, son grados de la tensión solamente, y la operación funcional en el máximo no está garantizada. La tensión más allá de estos grados puede afectar la confiabilidad del dispositivo o causar daño permanente al dispositivo.

Especificaciones del regulador de voltaje

(49)

Convertidor Analógico Digital (ADC)

El 56F8323 contiene como se ha explicado en secciones anteriores dos convertidores analógico a digital, nombrados ADC por sus siglas en ingles (Analog to Digital Converter). En la figura 2.4 se muestra el diagrama a bloques del DSP 56F8323

(50)

29

2.2.2 Programación del DSP

El DSP, Herramienta poderosa y versátil cuenta con un entorno de programación que facilita este trabajo de forma significativa. Este entorno se conoce como CodeWarrior® (Procesador experto). Es importante mencionar que CodeWarrior® trabaja en cualquier computadora personal, en casi cualquier sistema operativo la computadora verifica si no existen errores antes de compilar, se compila y se descarga al DSP mediante el puerto paralelo de la computadora. En la figura 2.5 se muestra el entorno de CodeWarrior®

Figura 2.6 Entorno deCodeWarrior®

CodeWarrior® utiliza de manera indistinta el lenguaje ensamblador, el lenguaje ANSI C o una mezcla de los dos, además reúne utilerías llamadas Beans que ya contienen los recursos del 56F8300 y rutinas de configuración de puertos, comunicaciones, conversión analógica digital, manejo del puerto de entrada y salida de datos digitales.

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Figura 2.7 Bean Inspector ADC

2.2.3 Comunicación del DSP con la PC

La comunicación entre la computadora y el DSP se realiza con el programa FreeMaster®_, este es un programa que enlaza a la computadora con la tarjeta por medio del puerto serial, para poder usar el programa FreeMaster® el DSP debe tiene las rutinas necesarias previamente programadas. Estas rutinas se configuran en el bean PC_M1.

FreeMaster® permite la visualización de datos en tiempo real así como el almacenamiento, generando archivos de tipo .txt de hasta ocho variables de forma simultánea.

En la figura 2.7 se muestra la ventana del FreeMaster® en la que se observa una señal en tiempo real (función scope).

Figura 2.8. Función Scope (FreeMaster®₎

(52)

31

2.3 Interacción entre componentes

La propuesta del presente trabajo para medición de flujos bifásicos consiste básicamente en determinar la cantidad de uno de los dos fluidos en un instante a través de un ducto, como ya se explicó para este fin se usa el CI33794, la señal es medida y direccionada mediante el DSP 56F8323. Este montaje está disponible en la tarjeta de demostración 56F8300, el detalle de conexiones se presenta en la figura 2.8

Figura 2.9 conexiones entre el DSP y el CI33794

En la figura 2.8 se puede observar que U9 es el CI33794 y como se puede ver está conectado a la entrada del convertidor analógico digital 4 del Microcontrolador y la selección del sensor está dada por las señales HOME0, INDEX0, PHASEB0, PHASEA0 del 56F8300.

El DSP previamente programado, se comunica con una computadora personal convencional, la transmisión de datos se realiza usando el protocolo de comunicación RS232, los datos leídos son visualizados en tiempo real, y almacenados mediante el programa FreeMaster®.

(53)

2.4 Medición de película líquida en modo estacionario

Para realizar la medición en estado estacionario es necesario construir un prototipo, dicho prototipo está elaborado a partir de una sección de tubo de acrílico de 50 centímetros y 4.06 centímetros de diámetro, y es básicamente un tanque en el que se puede incrementar la película líquida, esta película líquida se puede medir en la parte frontal, en la que se observa la sección transversal del tubo, al mismo tiempo se coloca un electrodo, que se conecta al circuito de medición de campo. En la figura 2.9 se puede apreciar el prototipo con el electrodo ya montado.

Figura 2.10 Prototipo de acrílico para calibrar el instrumento.

(54)

33

Figura. 2.11 representación grafica de la medición de película liquida (medición estática)

2.4.1 Diseño de los electrodos.

Los electrodos utilizados están construidos de placa de cobre y están moldeados de tal forma que se ajustan a la superficie de la tubería del prototipo, una ventaja de que el prototipo sea en su totalidad de acrílico es que este material no es conductor de electricidad ni genera interferencias al sensor en la medición del campo electrostático además de que se podrá observar como incrementa el nivel del líquido.

Se hicieron dos tipos de electrodos, uno circular y uno rectangular, y se hacen pruebas en ambos para ver cual de ellos es el apropiado, teóricamente se piensa que el electrodo circular es el indicado debido a su forma ya que se elimina un problema llamado efecto de punta, y esto es debido a que el sensor circular al no tener puntas la distribución del efecto electrostático será más uniforme y no se escapara por las puntas. El sensor rectangular no es totalmente plano sino que presenta una curvatura de tal forma que se puede ajustar mejor a la base de la tubería, los dos sensores se muestran en la figura 2.10.

a) b)

Figura 2.12 a) Electrodo circular de D = 5mm. b) Electrodo rectangular de 4.5cm x 6cm

Ahora que se tienen ambos electrodos propuestos, es indispensable encontrar cual de los 2 es más sensible a la película líquida, lo cual se definirá haciendo pruebas comparativas con cada electrodo montado en el prototipo y conectado a la tarjeta de demostración 56F8300 previamente programado.

Para determinar que electrodo es más apropiado se hicieron pruebas, para esto el DSP se programó siguiendo el diagrama a bloques mostrado en la figura 2.12

(55)

Figura. 2.13 Diagrama a bloques empleado para la programación del 56F8300 (medición estática)

De lo anterior se genera el código fuente en lenguaje “ANSI C” anexo [2] en el entorno de CodeWarrior®.

Una vez programado el DSP se colocan los sensores en la parte inferior de la tubería, primero se hacen dos pruebas una para cada sensor, con la finalidad de observar cual de los dos presenta una mayor sensibilidad al momento en que la tubería pasa de vacía a totalmente llena.

(56)

35

2.5 Calibración del sistema en forma estacionaria.

La calibración consistió en variar el espesor de película liquida, en el prototipo de acrílico (figura 2.9), los incrementos fueron de 2 mm aproximadamente. En la figura 2.12 se presentan los niveles mínimo (vacío), y máximo (lleno)

Figura 2.14 Lectura del sensor rectangular a) Vacío b) Lleno

Los resultados se verifican en la figura 2.13 y la respuesta en cada etapa del sistema. En el tubo se tiene un incremento de 0 a 2.5 cm en el nivel, que es el espesor de liquido que se pretende medir en el montaje experimental. En la señal de salida (pin 25) del CI33794 se puede verificar el voltaje de CD El ADC del DSP (resolución de 14 bits) genera mediciones en binario, y en el FreeMaster®_{se observa el correspondiente valor en decimal.}

Figura 2.15 Resultados medidos en las distintas etapas.

Con estas mediciones la curva de calibración para el sensor de campo eléctrico es la mostrada en la figura 2.15.

(57)

Capitulo II Sistema pr opuesto par a la medición por centual de flujos bifásicos Una vez realizados los experimentos de calibración en forma estática, ya se puede pensar que el dispositivo en efecto permitirá la medición de la película líquida de un flujo bifásico anular.

2.6 Integración del sistema

La propuesta para la medición de la composición en flujos bifásicos consiste en utilizar los 8 electrodos sensores de campo disponibles en el circuito 33794 para medir la cantidad de líquido en flujos bifásicos. Como se conoce el diámetro del ducto, es posible deducir la cantidad del flujo de gas, y de esta forma conocer la composición porcentual en un instante determinado, en un punto de la tubería. En la figura 2.15 se muestra el esquema de la propuesta.

Figura 2.17 sistema propuesto de medición de campo eléctrico aplicado a flujos bifásicos.

De la misma forma que para las mediciones en forma estacionaria, se presentan dos opciones para los electrodos de medición, una donde el área nuevamente será de forma circular, y la otra de forma rectangular. Tal como se muestra en la figura 2.16

Figura 2.18 Distintos electrodos a) Sección circular, b) Sección rectangular

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Figura. 2.19 Diagrama a bloques empleado para la programación del 56F8300 (medición dinámica).

2.6.1 Características del sistema de medición

La propuesta se descrita presenta las siguientes características:

Medición no intrusiva

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Figura 2.20 Medición no intrusiva.

Resolución

La resolución para medición de película liquida se genera en el ADC, que por ser de 14 bits y tal como se ve en la curva de calibración (figura 2.14) se pueden medir 1700 incrementos de película de 0 a 2.5 cm por lo tanto la resolución del sistema es de aproximadamente 15 milésimas de cm.

Velocidad de muestreo

En el diagrama de la figura 2.8 se observa que la medición de los electrodos no se realiza de forma simultánea, ya que solo un ADC es conectado (ANA4) esta situación delata una condición no deseada, sin embargo con la finalidad de no obtener un error demasiado grande, es necesario generar un barrido, cada determinado tiempo, es decir el tiempo entre la medición entre los electrodos debe ser mínimo, y después, un retardo, de modo que esta medición resulte tan aproximada como si se midiera el valor en los 8 electrodos de forma simultanea, con la ventaja de que los electrodos al estar multiplexados, no podrán inducir alguna señal de ruido entre si.

Tomando en cuenta el tiempo de barrido más el retardo, se tiene una velocidad de 20 secciones transversales por segundo.

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Capitulo III

Diseño y calibración del montaje experimental

El diseño de sistemas en los cuales sea posible efectuar mediciones, resulta indispensable para validar lo antes expuesto. Se pretende realizar mediciones en dos distintos patrones de flujo bifásico: anular y pulsante (slug), la razón es que estos patrones presentan configuraciones completamente distintas. Los fluidos de trabajo son agua, en la fase líquida y aire como fase gaseosa. El flujo anular fue generado en una tubería horizontal, el patrón pulsante en una tubería inclinada, a continuación se presenta la instalación para generación del flujo anular, así como las acciones efectuadas para calibrarla.

3.1 Sistema de tubería horizontal para generación de flujo anular

El montaje experimental es el mostrado en la figura 3.1 y la topología de la red en la figura 3.2

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Capitulo III Diseño y calibr ación del montaje exper imental

Figura 3.2 Topología de la red

A continuación se describen las distintas partes de la red:

3.1.1 Suministro de fluidos.

La parte básica del suministro de los fluidos con los que se trabajó (agua y aire) está conformada por un tanque y bomba en el caso del agua, y para suministro de la presión de aire un compresor, como se ve en la figura 3.3