Geometría de placas de orificio

Siguiendo con el artículo anterior, referente al diseño y cálculo de placas de orificio, el presente artículo tiene por objeto determinar la geometría de placas de orificio. Para esta definición geométrica, no se ha tenido en consideración las condiciones de presión y temperatura a las que está sometida la placa de orificio. En este artículo, solo se tiene en cuenta la definición geométrica con el fin de que la placa de orificio se pueda utilizar para realizar mediciones de caudal. En este caso, es importante respetar, dentro de la medida de lo posible, estas dimensiones.

Si este no es tu caso, es decir, si la placa de orificio no la vas a utilizar para realizar mediciones de caudal, no es tan importante respetar estas recomendaciones. Evidentemente siempre dentro de lo razonable. Por ejemplo, si tienes una válvula sometida a cavitación, y quieres eliminar esa cavitación, no es tan importante tener en cuentas estas dimensiones.

Por otro lado, con independencia de las recomendaciones que aquí se citan, hay que tener en cuenta el cálculo mecánico de la placa de orificio. Es posible que con el material que pensamos realizar nuestra placa de orificio, tengamos un espesor que no está dentro de los valores recomendados. En este caso, debemos replantearnos el material elegido. Aunque esto, lo comentaré adelante.

Geometría de placas de orificio. Portada.

Geometría de placas de orificio

Consideraciones de diseño

La parte de la placa dentro del conducto tiene que circular y concéntrica con el eje de la tubería. Las caras de la placa tienes que ser planas y paralelas entre si. Es necesario que el pandeo plástico y la deformación elástica de la placa no originen una desviación del eje que exceda en un 1% en condiciones de trabajo.

Geometría de placas de orificio. Dimensiones.
La cara de aguas arriba de la placa, debe ser plana y con una rugosidad inferior a \( 10^{-4} d \), dentro de un círculo de diámetro no menor de D, y que sea concéntrico con el orificio.

La cara de aguas abajo, debe ser plana y paralela a la de aguas arriba. La planeidad y el estado superficial de la cara de aguas abajo se puede determinar por simple inspección visual.

Espesores de la placa y del orificio

El espesor “e” del orificio debe ser tal que

$$ 0.005 D \leq e \leq 0.02 D $$

La diferencia entre los valores del espesor del orificio medidos en cualquier punto del orificio no debe exceder de 0.001 D.

El espesor “E” de la placa estará comprendida entre el espesor del orificio “e” y 0.05 D.

Sobre el diseño…

Aquí tenemos que tener en cuenta dos aspectos. Por un lado el dimensionamiento geométrico derivado de las dimensiones obtenidas siguiendo el procedimiento indicado en el artículo sobre el diseño y cálculo de placas de orificio. Por otro lado tenemos que tener en cuenta el espesor obtenido del cálculo mecánico.

Todos estos parámetros están relacionados. Así por ejemplo, utilizando la aplicación Jole, realizamos el dimensionamiento de la placa, con los siguientes parámetros,

$$ temperatura\ (ºC) = 15 $$

$$ diámetro\ (mm) = 400 $$

$$ caudal\ (m^3/s) = 0.5 $$

$$ \Delta P\ (m.c.a)=20 $$

Con estos valores obtenemos un diámetro de orificio de 213 mm.

Geometría de placas de orificio. Cálculo dimensional con Jole.

Así, de acuerdo a la definición geométrica tenemos que el espesor del orificio debe ser tal que \( 2 mm \leq e \leq 8mm \). Y el espesor de la placa estará comprendido entre este valor y 20mm.

Por otro lado, atendiendo al dimensionamiento mecánico, y considerando que la placa de orificio será de acero inoxidable AISI 304, para garantizar una durabilidad mínima, y realizando el cálculo de nuevo con Jole, obtenemos un espesor mínimo de 6 mm y una flecha máxima de 0,369 mm.

Geometría de placas de orificio. Cálculo mecánico con Jole.

Por fin, si consideramos

  • espesor de la placa E = 6 mm
  • espesor del orificio e = 4 mm

estaremos dentro de las tolerancias marcadas \( 2 mm \leq 4 \leq 8mm \) y \( 4 mm \leq 6 \leq 20mm \)

Sobre la cavitación…

Llegados a este punto, solo nos queda comprobar que no se produce cavitación utilizando una placa de orificio. Para ello, vamos a suponer que la presión aguas abajo de la placa de orificio es de 10 m.c.a. Con estos datos, y utilizando de nuevo Jole, podemos comprobar que la placa de orificio está sometida a cavitación.

La solución para resolver el problema de la cavitación es insertar una o varias placa de orificio previas. Sin embargo, si realizas los cálculos utilizando los parámetros indicados en este ejemplo, verás que por muchas placas de orificio que insertes, en alguna siempre se produce cavitación. Esto es debido a que el caudal circulante es demasiado elevado para la tubería seleccionada. Fíjate que la velocidad es  casi 4 m/s. Con ello, la solución pasa por cambiar el diámetro de la tubería a uno mas adecuado al caudal que está circulando.

Geometría de placas de orificio. Cálculo de cavitación con Jole.

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