El medidor de caudal en EDAR

La medición de caudal consiste en la determinación del volumen de un fluido que circula por una conducción por unidad de tiempo. Entender y elegir adecuadamente el medidor de caudal es necesario para llevar a cabo un buen control de proceso en una depuradora de aguas residuales.

El medidor de caudal de agua es un instrumento destinado a medir, memorizar y poner en el visor en forma continuada el volumen de agua que pasa a través del transductor de medición en condiciones de ser medido. Normalmente, estos dispositivos se conocen como caudalímetros. 

La medición de caudal en EDAR es un dato instantáneo. Sin embargo, puede referirse al valor medio en distintos periodos de tiempo: caudal diario, caudal mensual o caudal anual. Incluso para los equipos de bombeo se mide en caudal por hora.

Conocer el caudal que llega a una EDAR es de vital importancia para conocer los volúmenes de aguas a tratar y los realmente tratados. Por ello se suelen instalar instrumentos que miden este parámetro a la entrada y/o salida de las distintas fases del tratamiento. El caudal es un parámetro esencial en los procesos de depuración de aguas residuales.

En este articulo se pretenden analizar los distintos tipos de medidores de caudal que se utilizan en las depuradoras y desaladoras.

Los tipos de medidores de caudal de agua

Una buena forma de clasificar los distintos tipos de medidores de caudal es según su principio de funcionamiento. A continuación expondremos los medidores de caudal volumétricos.

Este tipo de medidores determinan el volumen de agua que pasa por una tubería por unidad de tiempo. Según el método de obtención del caudal se pueden clasificar de la siguiente forma:

Medidores deprimógenos

Se denominan de esta forma porque su instalación produce una diferencia de presiones, pérdida de carga, que se vincula con el caudal que circula, en una relación determinable. Dentro de éstos, se pueden diferenciar los siguientes tipos:

• Tubo Venturi: se componen de tres partes: una sección de entrada cónica convergente, una sección cilíndrica en la que se sitúa la toma de baja presión, y por último una tercera sección de salida cónica.
  

  Figura 1: Sección longitudinal de un Tubo Venturi

Figura 1: Sección longitudinal de un Tubo Venturi 

• Tobera: consta de un tubo corto cuyo diámetro disminuye en forma gradual de un extremo al otro y dos tomas de presión, una ubicada del lado anterior y otra ubicada del lado posterior.
  

  Figura 2: Sección longitudinal de una tobera

Figura 2: Sección longitudinal de una tobera (http://www.monografias.com/trabajos31/medidores-flujo/Image1203.gif)

• Placa orificio o diafragma: consiste en una placa perforada que se instala en la tubería. Para captar la presión diferencial es necesario conectar dos tomas, una antes y otra después de la placa.
  

  Figura 3: Sección longitudinal de una placa orificio

• Tubo Pitot: es un instrumento sencillo, económico y disponible en un amplio margen de tamaños. Puede definirse como el instrumento para medir velocidades en un flujo mediante la diferencia de presiones estática y dinámica en una línea de corriente.
  

  Figura 4: Sección longitudinal de un tubo Pitot

• Tubo Annubar: es una innovación del tubo Pitot. Consta de un tubo exterior situado a lo largo de un diámetro transversal de la tubería, y de dos tubos interiores.
  

  Figura 5: Sección longitudinal del tubo Annubar

 Medidores de caudal de área variable

En este tipo de instrumentos el área de la restricción cambia al mismo tiempo que el caudal, permaneciendo constante la presión diferencial. El principal medidor de área variable es el rotámetro.

• Rotamétro: está compuesto por dos partes principales, un tubo cónico y un flotador libre de movimiento cuya posición dentro del tubo es proporcional al flujo del fluido. Esta técnica de medición se utiliza para bajos caudales y fluidos limpios.
  

  Figura 6: Sección de un rotámetro

Medidor de caudal basado en la velocidad

Este tipo de medidores determinan la velocidad del fluido y a partir de ahí se obtiene el caudal. Se basan en la conocida fórmula de Q = S x v, donde Q es el caudal, S es la superficie, y v es la velocidad. Las diferentes tipologías son las siguientes:

• Medidor de turbina: consiste en un rotor de múltiples aspas montado en una tubería, perpendicular al movimiento del líquido. El paso del líquido a través de las aspas ejerce una fuerza de rotación que hace girar al rotor a una velocidad que resulta directamente proporcional al caudal.
  

  Figura 7: Sección longitudinal de un medidor de turbina

• Caudalímetro ultrasónico: La medición del caudal se realiza por medio de una onda sonora ultrasónica que se propaga a través del líquido. Constan de dos transductores piezoeléctricos, uno actúa como transmisor y otro como receptor de la onda sonora. Dentro de esta tipología también se pueden diferenciar dos modelos, en función de si los transductores están o no en el mismo lado de la conducción.
  • Caudalímetro de tiempo de tránsito: transmisor y receptor están situados en lados opuestos de la conducción.
    

    Figura 8: Sección longitudinal de un de tiempo de tránsito

• Caudalímetro de efecto Doppler: en este caso transmisor y receptor están al mismo lado y la velocidad se mide al reflejarse la señal emitida en partículas contenidas en el fluido.
  

  Figura 9: Sección longitudinal del caudalímetro de efecto Doppler

• Vertedero con flotador para canales abiertos: un vertedero es un muro o una barrera que se interpone al flujo, causando sobre-elevación del nivel de la lámina aguas arriba y disminución aguas abajo. Hay una infinidad de tipos de vertedero en función de la altura de la lámina de fluido aguas abajo o según la disposición en planta, según el espesor de la pared. En todos ellos la precisión depende de la ventilación en la zona de descarga aguas abajo. Los tipos de vertederos usados para medir caudal se clasifican de la siguiente forma:
  • Vertedero de cresta afilada rectangular sin contracción lateral
  • Vertedero de cresta afilada triangular
  • Vertedero de cresta afilada trapezoidal
  • Canal Parshall: ésta es sin duda la tipología más utilizada. Consta de tres partes: la entrada, la garganta y la salida. El caudal se mide en función de la altura de la lámina de agua en el canal
    

    Figura 10: Esquema de un canal Parshall

Instrumento para medir el caudal basado en la fuerza

Este tipo de instrumentos miden el caudal en función del empuje del fluido. Dentro de esta tipología destaca la placa de impacto.

• Placa de impacto: es una placa instalada directamente en el centro de la tubería y sometida al empuje del fluido.
  

  Figura 11: Sección longitudinal de una placa de impacto

Medidores de caudal por tensión inducida

Su funcionamiento se basa en las leyes de los campos magnéticos.

• Medidor magnético: a grandes rasgos, el instrumento lleva unos electrodos, siendo la fuerza electromagnética generada a través de los electrodos directamente proporcional a la velocidad media del fluido. Hay que señalar que el material de los electrodos tiene que ser compatible con el fluido.
  

  Figura 12: Sección transversal de un medidor de caudal magnético

Medidores de caudal de agua por desplazamiento positivo

Estos dispositivos miden el caudal volumétrico contando o integrando volúmenes separados del líquido. Las partes mecánicas de éstos instrumentos se mueven aprovechando la energía del fluido en movimiento. Dentro de cada medidor se pueden distinguir tres componentes: la cámara, el desplazador y el mecanismo que cuenta el número de veces que el desplazador se mueve. Los distintos tipos son los siguientes:

• Medidor de disco giratorio: en este caso, el desplazador es un disco que gira en torno a una placa fija.
  

  Figura 13: Medidor de disco giratorio

• Medidor de pistón alternativo: es la tipología más antigua y el desplazador es un pistón.
  

  Figura 14: Sección de un medidor de caudal de pistón alternativo

Medidor de flujo mediante torbellinos

Está basado en la determinación de la frecuencia del torbellino, ya sea producido por una hélice estática, medidor de torbellino, o por un cuerpo en forma de cono, denominado Vortex.

• Torbellino: cuando el fluido circula pasa por una hélice estática situada dentro de la tubería por donde pasa el fluido se generan torbellinos, cuya frecuencia de emisión es proporcional a la velocidad del fluido.
  

  Figura 15: Medidor de caudal de torbellino

• Vortex: el principio de funcionamiento es muy parecido al de los de torbellino, pero en este caso se generan vórtices al circular el fluido por un cuerpo en forma de cono.
  

  Figura 16: Sección longitudinal de un medidor vortex

 Medidores de caudal másicos para depuradoras de agua residual

Están diseñados para medir directamente el caudal del fluido en unidades de masa. Debido a sus características este tipo de medidores se utilizan principalmente para medir aire y biogás.

Se suelen emplear dos tecnologías distintas: instrumentos volumétricos compensados por presión y temperatura o medidores másicos directos.

• Medidor térmico de caudal: se basa en el principio físico de la elevación de temperatura del fluido en su paso por un cuerpo caliente.
  

  Figura 17: Medidor térmico de caudal

• Medidor de Coriolis: mide la cantidad de líquido que fluye a través de un tubo en forma de U llamado lazo, el cual es forzado a vibrar a su frecuencia natural con lo cual se produce un momento sobre el tubo debido a la fuerza de Coriolis.
  

  Figura 18: Medidor de Coriolis

Claves en la selección de caudalimetros volumetricos  en una depuradora de agua residual

Es muy importante elegir un medidor de flujo que se ajuste lo mejor que se pueda a una aplicación en específico, para se deben tener en cuenta los siguientes criterios:

• • Flujo en canal o en tubería.
  • Diámetro de la tubería.
  • Caudal
  • Velocidad
  • Agua limpia o con materiales en suspensión.
  • Exactitud requerida.

A la hora de decidir entre un medidor de caudal volumétrico o másico, hay que señalar que estos últimos presentan una menor problemática, ya que no tienen ninguna pieza móvil dentro del fluido. Es por esta razón por la que los medidores másicos están penetrando con gran rapidez en el mercado, a pesar de que ofrecen una menor exactitud que los volumétricos.

Por último, también hay que tener en cuenta la zona física en donde se van a instalar los medidores. En el caso de una EDAR, normalmente se descartan los vertederos, ya que, la diferencia de cota entre la entrada y salida es pequeña, por lo que no se pueden permitir pérdidas de carga excesivas. Si bien en plantas de gran capacidad es bastante frecuente encontrar medidores de caudal de tipo Pharshall. En particular se colocan en el tratamiento primario previamente a la decantación.

La ubicación de los medidores de caudal de agua

               En una depuradora de aguas residuales, se suelen medir los siguientes caudales:

• • Caudal de entrada a la planta.
  • Caudal de salida de la planta.
  • Caudal de fangos.
  • Caudal de aire.
  • Caudal de reactivos.

Para los reactivos no se suelen usar medidores ya que se utilizan sistemas de dosificación con una suficiente precisión.

Los caudales medidos, también dependen del tamaño de la EDAR. En depuradoras de pequeño tamaño (Q_d<1000m³/día) solo se mide el caudal a la entrada de la planta. En las grandes depuradoras (Q_d>1000m³/día) se suelen medir los caudales en los siguientes lugares:

• • Entrada a planta.
  • Salida de la planta.
  • Entrada al tratamiento primario.
  • By-pass (si existe).
  • Fango primairo.
  • Entrada a Biológico.
  • Fango en recirculación.
  • Fango a digestión.
  • Fango secundario.
  • Fango a deshidratación.

Como es lógico en las aguas que llegan a las estaciones depuradoras de aguas residuales, hay una gran cantidad de sólidos en suspensión. Estas aguas suelen ser también muy agresivas. Entonces los dispositivos utilizados deben ser lo suficientemente resistentes. Además, en estas instalaciones el agua suele circular en canal abierto. Por este motivo, se suele tomar la medida del caudal en la entrada a los procesos (previo a fisico-químico, previo a decantación, previo a tratamiento primerio, previo a tratamiento terciario), donde habitualmente el agua es conducida en tubería.

Por último, tal y como se ha señalado antes, el caudal de fangos también debe ser medido, por lo que en este caso el medidor tiene que permitir fluidos viscosos. En el caso de los fangos siempre se conduce el fluido mediante tuberías.

Donde colocar los medidores de flujo en una EDAR

               Tras haber analizado las distintas tipologías de medidores, se pueden proponer los siguientes para ser usados en una EDAR:

Tabla 1: Medidores de caudal propuestos

Bibliografía

En la elaboración de este articulo de medición de caudales para EDAR, se han consultado las siguientes fuentes:

• GARCÍA GUTIÉRREZ L. 2010 Teoría de la medición de caudales y volúmenes de agua e instrumental necesario disponible en el mercado
• Libros de ingeniería ambiental
• IGLESIAS DIEZ J. 2013. PFC Análisis y selección de medidores de caudal en instalaciones depuradoras de aguas residuales.
• Curso de TECPA: “Operación y mantenimiento de EDAR”