Medição de Flujos Bifásicos

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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
 México D. F. 30 Agosto de 2011
V
Dedicatoria
A mis padres
Yolanda Jiménez García
Antonio Caballero Alcantar
Que son ejemplo de esfuerzo y constancia ante la adversidad de la vida, que han estado conmigo desde
el inicio de mis días y con cariño me han mostrado lo bella que es la vida.
VI
Posterior Dedicatorias
VII
Agradecimientos
A Dios por permitirme concluir una meta más en mi vida
A mis padres Yolanda Jiménez García y Antonio Caballero Alcántara por el gran apoyo sin el cual
esto no habría sido posible
A mis hermanos Yolanda, Antonio y Francisco y sobrinos Guadalupe, David y Francisco quienes
nunca dejaron de confiar en mi capacidad para alcanzar esta meta.
A la Licenciada Laura 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..
A los doctores Domitilo Libreros y Florencio Sánchez Silva por su valiosa contribución en la
elaboración de este trabajo, compartiendo sus conocimientos y basta experiencia, por su apoyo y consejos
durante mi estancia en el laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada, su confianza en
mi capacidad para realizar este trabajo de investigación y sobre todo por su amistad..
VIII
Posterior Agradecimientos
IX
INDICE
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
2.6.1 Características del sistema de medición 37
X
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
Anexo III 121
Anexo IV 135
XI
Índice de Figuras
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
Figura 2.16 Curva de calibración para el sensor de campo eléctrico 35
XII
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 patróndel 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 SGU
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
Figura 3.30 Equipo usado en control y medición en el experimento 71
Figura 3.31 Zona de experimentación 73
XIII
Figura 3.32 Separación de fases 74
Figura 3.33 Gráfica de calibración del medidor de flujo de agua (Rotámetro). 75
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
Figura 4.20 Evolución del volumen a través del tiempo A) Gas B) Liquido 96
XIV
Posterior Índice de figuras
XV
Indicé de Tablas
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,
espesor de película liquida en milímetros.
92
XVI
Posterior Índice de tablas
XVII
Nomenclatura
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 %
xk(t) Función muestra o registro de muestra Adimencional
XVIII
Letras griegas
αL Fracción volumétrica superficial del líquido. Adimencional
αG 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
∆P1-3 Perdida de presión entre la entrada y la ramificación mmHg
XIX
Resumen
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.
Aplicado el sistema de medición al flujo anular es posible muestrear en 8 puntos el espesor de
la película liquida, principal característica del evento, se identifico un patrón repetitivo del
fenómeno y fue posible mediante series de Fourierdescribir su comportamiento. Aplicado al
flujo tapón el sistema de medición propuesto también permite monitorear la sección
transversal reconstruida a partir de los 8 puntos de muestreo y se identifico el volumen en
retorno. De forma general el sistema limitado a 8 puntos de muestreo no emite una medición
exacta, pero si aproximada y permite analizar las características mas básicas del cada
fenómeno.
XX
Posterior Resumen
XXI
Introducción
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
que demuestra la capacidad para el muestreo y almacenamiento de la información,
prácticamente en tiempo real, lo que permite pensar que en un futuro se podrían elaborar
sistemas de control automático mediante esta técnica.
XXII
Posterior introducción
XXIII
Objetivo
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.
Capítulo IV Medición y análisis de resultados: Una vez que se han generado los flujos
bifásico-anular y bifásico-tapón y con el sistema propuesto ya integrado a la instalación
experimental se deben efectuar las mediciones, así como un análisis de la información
obtenida, así mismo se espera obtener a modo de conclusión las ventajas / desventajas del
sistema propuesto.
XXIV
Posterior objetivo
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
Tesis de licenciatura Gerardo Iván Caballero 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.
El caso más común de flujo bifásico es el de gas y líquido como se muestra en la figura 1.1,
que se encuentra en el diseño y operación de equipos de transferencia de calor, como son:
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
Tesis de licenciatura Gerardo Iván Caballero Jiménez
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 deestimación 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.
Es claro que los flujos bifásicos tienen complejas interacciones entre cada una de las fases
y las paredes del elemento de conducción, así como también interacciones complejas entre
las mismas; las interacciones entre las fases dependen fuertemente de la configuración del
flujo y de la distribución de las fases.
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
Tesis de licenciatura Gerardo Iván Caballero Jiménez
3
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].
Figura 1.2 Patrones de flujo bifásico
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
Tesis de licenciatura Gerardo Iván Caballero Jiménez
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].
Figura 1.4 Flujo bifásico anular.
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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5
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
comienzan a aparecer en el borde principal del tapón. El aspecto de las burbujas dispersas
en el tapón se asocia a la transición del líquido en el tapón, de flujo laminar a turbulento. La
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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 correspondea un intervalo de velocidad
de ( )mV 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 ( )mV 4 a 5 m s= con una fracción volumétrica de gas en el tapón de alrededor del 
30%.
Figura 1.9 Flujo bifásico tapón burbujeante
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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7
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].
WWW GLT += (1.1)
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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
Wx
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





=
+ VV
V
GL
K
Kα (1.3)
Para la fase líquida
R
VV
V
L
GL
L
L
==





=
+
βα (1.4)
Para la fase gaseosa
R
VV
V
G
GL
G
G ==





=
+
αα (1.5)
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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9
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
QU
A A
=
+
 (1.9)
Figura 1.15 Ilustración de la velocidad superficial
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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
presiones en condiciones de flujo completamente desarrollado y en estado estable.
Los regímenes de flujo se observaron con fotografías y las condiciones de flujo
fueron generadas por adición de calor al agua pura, inmediatamente antes de la
sección visual.
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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11
• 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 LG . En donde GG y
LG 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 abscisasy 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
En un estudio experimental Kokal en 1987 identificó tres regiones básicas de flujo bifásico:
los flujos dominados por el gas, intermitentes y dominados por el líquido.
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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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
Pérdidas de presión, generación, arrastre gotas,
calentamiento crítico
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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13
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.
Zhiyao Huang, Baoliang Wang y Haiquing Li (2003) [7], propusieron una técnica basada
en la tomografía de la medición de la capacitancia eléctrica para medir la fracción
volumétrica del gas presente en el flujo en dos fases. Para realizar dicha medición
colocaron 12 sensores de tipo capacitivo fuera del tubo (tipo no intrusivo) los cuales están
aislados eléctricamente de este ver la figura 1.18
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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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.
Figura 1.20 Vista del corte transversal del tubo, diseño del sensor ultrasónico completo
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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15
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 lamasa. 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.
D. G. Hayes, I. A. Gregory y M. S. Beck (1995), propusieron una técnica basada en la
tomografía capacitiva para la medición de los perfiles de velocidad de los flujos aceite/gas
en tuberías circulares. El sistema es capaz de calcular la distribución de cada componente
de las fases que conforman a dicho flujo en tiempo real. Las pruebas fueron realizadas en
tubos con un diámetro de 3 pulgadas, se determinaron en rangos de velocidad de 0.05 a 0.5
m/s. También muestran algunos componentes de distribución y la medición de los perfiles
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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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).
2. Colecciona 200 muestras/s., y los almacena en disco duro para después analizarlo
(observación fuera de línea).
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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17
Figura 1.24 Vista radial de la distribución de los electrodos.
Keiichi Hori, Tetsuro Fujimoto, y Kohei Kawanishi(1998), desarrollaron un sistema de
tomografía de rayos X tipo scanner. El sistema opera con un tiempo de barrido de 0.5
mseg/muestra y proporciona para esta aplicación 2000 muestras/seg. El objeto de interés de
este proyecto de investigación fue la medición instantánea del flujo multifásico en
transición de la distribución de densidad local de la sección transversal de un tubo. La
técnica es muy parecida a la tomografía computarizada empleada en el área médica. Este
tipo de scanner es rotatorio en cuanto a que el montaje del tubo se encuentra rotando y cada
0.5 mseg es escaneado, uno de sus mayores problemas es el mecanismo de rotación para
realizar el scanner, Dado que tiene que ser muy preciso en sus movimientos. La
configuración del sistema se puede ver en la figura 1.125
Capítulo I Estudio bibliográfico de los flujos bifásicos
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18
Figura 1.25 Arquitectura del sistema de tomografía con rayos X tipo scanner.
Los experimentos anteriormente descritos formulan soluciones parciales al problema de
medición y caracterización de flujos bifásicos, y cada uno tiene un objetivo específico, en
algunos casos representan alternativas altamente costosas, además ya se han podido
verificar algunas de las características. En el siguiente capítulo, se presenta el sistema que
constituye la propuesta del presente trabajo, así como una detallada descripción de cada
parte que lo integra.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
19
Tesis de licenciatura Gerardo Iván Caballero Jiménez
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:
ß Electrodos emisores-receptores de campo eléctrico
ß 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:
ß Procesador digital de señales
ß Computadora personal
Sin embargo antes de presentar la forma cómo interactúan estos componentes del sistema,
es indispensable mostrar la forma en que trabajan individualmente, así como el software
que utilizan, posteriormente se indicarán los criterios para el diseño de los electrodos, se
incluyen los experimentos que corroboran que la propuesta es válida. Finalmente se
muestra la integración del sistema, información sin duda necesaria para la realización de la
medición requerida.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
20
Tesis de licenciatura Gerardo Iván Caballero Jiménez
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.
Figura 2.2 Bloques que integran el CI33794
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
21
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Enla figura 2.1 se pueden apreciar las etapas que componen el CI 33794, el bloque OSC es
el encargado de generar la señal de tensión alterna, con ayuda de la entrada CLK 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 salida LEVEL, 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.
En la mayoría de los casos, estas señales se originan como datos censados del mundo real:
vibraciones sísmicas, imágenes visuales, señales de sonido, etc. El DSP es las matemáticas,
el algoritmo, y las técnicas usadas para manipular estas señales. El DSP se fue desarrollado
entre 1960 y 1970 cuando las primeras computadoras digitales empezaron a estar
disponibles. Las computadoras eran caras durante esta era, y el DSP estaba limitado
únicamente a pocas aplicaciones críticas. Los primeros esfuerzos se hicieron en cuatro
áreas: Radar y sonar cuando la seguridad nacional en Norteamérica era considerada un
riesgo. En la exploración de petróleo donde se hicieron grandes cantidades de dinero,
exploración espacial, donde los datos eran irremplazables, Y en la medicina, donde se
pudieron salvar muchas vidas. La computadora personal revolucionó en los años 80s y 90s
provocando que el DSP se usara para la exploración de nuevas aplicaciones. La figura 2.2
muestra su eficiente desempeño en diversas áreas donde la ingeniería ejerce un papel
importante.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
22
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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.
Como se ha visto, el DSP es una herramienta interdisciplinaria, confiando el trabajo
tecnológico en muchos campos adyacentes como se muestra en la figura 2.3.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
23
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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
La medida clave para saber si un DSP es o no apropiado para una aplicación es su
velocidad de ejecución. Existen varias formas para medir la velocidad de un procesador,
aunque quizás el parámetro más usual es el tiempo de ciclo de instrucción: tiempo
necesario para ejecutar la instrucción más rápida del procesador. Su inverso dividido por un
millón da lugar a la velocidad del procesador en millones de instrucciones por segundo o
MIPS. En la actualidad todos los DSP ejecutan una instrucción por ciclo de instrucción.
En la siguiente tabla se pueden observar las principales características de las 3 principales
familias de3 DSP.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
24
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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 de Motorola®.
A continuación se presentan algunas de las características de esta avanzada herramienta.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
25
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56F8323 Descripción General
ß Funcionalidad de DSP y de MCU en una arquitectura unificada, eficiente
ß Memoria Flash de Datos de 2Kx16
ß Memoria RAM de 1Kx16 bits
ß Memoria Flash de 8Kx16 bits
ß Memoria RAM de 1Kx16 bits de datos
ß Memoria Flash de arranque 2Kx16 bits
ß Un módulo de 6 canales PWM (modulador de ancho de pulso)
ß Dos canales constituidos por 4 ADCs con resolución 12-bits
ß Un módulo de FlexCAN
ß Hasta dos interfaces de comunicaciones seriales (SCIs)
ß Hasta dos interfaces periféricos seriales (SPIs)
ß Dos contadores de tiempo de uso general de señal cuadrada
ß Modulo vigilante de correcto funcionamiento (COP)/Watchdog
ß Emulación de la On-chip de JTAG/Enhanced (OnCE™)
ß Hasta 27 líneas de GPIO
ß 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 MemoriaRAM 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)
Puerto de Entrada y Salida de Propósito General (GPIO). Estos periféricos comparten sus
terminales. Según estén configurados los periféricos, es posible que en ocasiones se
comparten como líneas de salida para la comunicación serial síncrona entre el DSP y otro
circuito integrado o como líneas de entrada y salida de propósito general.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
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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
cálculos de las direcciones efectivas y direcciones de almacenamiento necesarias
para direccionar datos operados en la memoria. Esta unidad opera en paralelo con
otras fuentes del Circuito Integrado para minimizar la generación excesiva de
direcciones.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
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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
El 56F8323 tiene dos reguladores on-chip. Uno provee el PLL y no tiene ningún pin
externo; por lo tanto, no tiene ninguna característica externa que deba ser garantizadas (con
excepción de la operación apropiada del dispositivo). El segundo regulador provee
aproximadamente 2.6V a la lógica de la base del dispositivo. Este regulador requiere dos
condensadores externos de 2.2 nF, o mayores. El voltaje de la salida se puede medir
directamente en los pines de V del chip.
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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
Figura 2.5 Diagrama a bloques del DSP
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
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Tesis de licenciatura Gerardo Iván Caballero Jiménez2.2.2 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 de CodeWarrior®
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.
En la parte izquierda de la ventana (figura 2.5) se observan los beans o recursos del DSP
que se utilizarán, si se accesa al inspector de los beans es posible encontrar datos de
configuración e iniciación de puertos, comunicaciones, conversión analógica digital,
manejo del puerto de entrada y salida de datos digitales, temporizadores, etc.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
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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®)
Los elementos anteriormente descritos, son los componentes básicos de la propuesta. A
continuación se explica la forma cómo contribuyen en la medición.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
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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®.
El sistema descrito hasta este punto no muestra la aplicación definitiva, del sistema, son
hasta ahora un solamente un conjunto de herramientas disponibles, sin embargo antes de
definir la forma en que dichas herramientas se aplican a la medición del flujo bifásico es
importante demostrar el procedimiento y la técnica usada para medir con los elementos
mostrados una simple película liquida.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
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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.
En la figura 2.10 se puede ver una representación gráfica del sistema completo de medición
en modo estacionario, es importante recordar que la principal aplicación del circuito de
medición del CI33794 es en la medición de proximidad de objetos, por lo que el fabricante,
no indica las dimensiones, ni forma más adecuada para los sensores, así que la alternativa
es hacer pruebas con distintos tipos de sensores, lo que se detalla mas adelante.
Capitulo II Sistema propuesto para la medición porcentual de flujos bifásicos
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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
 El algoritmo necesario es simple solo se necesita obtener el valor de uno de los electrodos
y desplegarlo en la pantalla de la computadora continuamente y se ilustra en la figura 2.12
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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®.