“Año del Diálogo y la Reconciliación Nacional” Nacional”
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y SISTEMAS
ESCUELA: INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA CURSO: LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA
INFORME Nro. 4 - PRESION Y TEMPERATURA DOCENTE: NOMBRE: MAX WILDERSON LUPACA MAMANI SEMESTRE: V GRUPO: A CÓDIGO: 160312
PUNO-PERÚ 2018
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1.PRESIÓN INTRODUCCIÓN A lo largo de nuestra preparación nos vemos obligados a sentar bases firmes en conceptos importantes que nos serán útiles durante nuestra vida laboral esto nos lleva a mínimamente conocer los conceptos que definen el estado termodinámico de una sustancia como es la presión, el volumen y la temperatura. Como sabemos la medición de presión resulta importantísima en el desarrollo de una serie de aplicaciones prácticas de ingeniería, como en: las turbinas, compresores, ventiladores, etc. Para esto se requiere tener una adecuada lectura de presión lo que implica una adecuada calibración y utilización he ahí la importancia de este laboratorio.
OBJETIVO Formar un criterio de uso de cada instrumento según una determinada aplicación. Reforzar los conceptos adquiridos en los cursos de mecánica de fluidos 1 acerca de las diferencias que existen entre presión total, estática y de velocidad. 1.1. ¿QUÉ ES LA PRESIÓN?
La presión es una fuerza que ejerce sobre un área determinada, y se mide en unidades de fuerzas por unidades de área. Esta fuerza se puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre esta. Cada vez que se ejerce se produce una deflexión, una distorsión o un cambio de volumen o dimensión. Las mediciones de presión pueden ser desde valores muy bajos que se consideran un vacío, hasta miles de toneladas de por unidad de área. 1.2. MEDICIÓN DE PRESIÓN
Las mediciones de la presión encuentran una gran aplicación en las industrias de proceso o de manufactura y sus principios son utilizados para formar base para otros
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ instrumentos como termómetros de presión, los indicadores de nivel de líquido y los medidores de presión diferencial. 1.3. CONCEPTO DE PRESIÓN Y SUS UNIDADES Presión: Se define como la fuerza por unidad de superficie. La presión “P” ejercida por una fuerza “F” aplicada sobre un área plana “S” está expresada por:
=/ ……… (o 1)
dónde:
∶ o, (). ∶ , (). ∶ , (2).
1.4. TIPOS DE PRESIÓN
Tabla 1 Tabla de tipos de presión. Presión Absoluta
Se mide al cero absoluto de presión. Es la presión ejercida por la Presión Atmosférica atmosfera terrestre medida mediante un barómetro. Es la determinada por un elemento Presión Manométrica que mide la diferencia entre presiones absoluta y la medición. Presión Diferencial Es la diferencia entre dos presiones. Es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica Vacío existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica.
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ Fig. 1 Tipos de presión. 1.5. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE PRESIONES
Equilibrando la presión medida con una columna liquida. Deformación solida ocasionada por unan presión que se mide. Método común una fuerza sobre el área.
1.6. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE PRESIÓN: a)
Instrumentos mecánicos
Los instrumentos mecánicos utilizados para medir presión cuyas características se resumen en la siguiente tabla, pueden clasificarse en:
Columnas de Líquido:
Manómetro de Presión Absoluta. Manómetro de Tubo en U. Manómetro de Pozo. Manómetro
de Tubo Inclinado.
Manómetro Tipo Campana.
Instrumentos Elásticos:
Tubos Bourbon. Fuelles. Diagramas. b) Instrumentos electromecánicos y electrónicos
Los instrumentos y electrónicos utilizados para presión pueden clasificarse en:
medir
Medidores de Esfuerzo (Strain Gages) Transductores de Presión Resistivos Transductores de Presión Capacitivos Transductores de Presión Magnéticos Transductores de Presión Piezoeléctricos
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ 1.7. MANÓMETROS DE PRESIÓN LIQUIDA 1.7.1. Manómetros de tubo tipo “u”
Fig. 2 Manómetro de tubo de tipo u.
La forma más tradicional de medir presión en forma precisa utiliza un tubo de vidrio en forma de U, donde se deposita una cantidad de líquido de densidad conocida (para presiones altas, se utilizan habitualmente mercurio para que el tubo tenga dimensiones razonables; sin embargo, para presiones pequeñas el manómetro en U de mercurio seria poco sensible). Cuando hay presiones fluctuantes se tienen que hacer dos lecturas simultáneas, resulta difícil obtener una lectura verdadera. 1.7.2. Manómetros de una sola rama
Se usa para mediciones más exactas en presiones fluctuantes. Consiste de un depósito de sección mayor que la rama, y por esto la variación de nivel en el depósito es pequeña, aunque las variaciones de presión sean grandes
Fig. 3 Manómetro de una sola rama.
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1.8. MANÓMETROS PARA MEDIR PRESIONES PEQUEÑAS 1.8.1. Manómetros inclinados
Se utilizan cuando la presión a medir es muy pequeña. Existen dos tipos característicos, el inclinado en “U” y el inclinado en
una sola rama que es el que se ilustra en la figura. Fig. 4 Manómetro inclinado.
1.8.2. Manómetros de dos fluidos Utilizado también en medición de presiones pequeñas
Fig. 5 Manómetro de dos fluidos.
1.9. MICROMANÓMETROS
Aparatos utilizados en la medición de presiones pequeñas. En estos tipos de manómetros se utilizan tornillos micrométricos que nos facilitan la lectura de estas pequeñas presiones; los tipos más comunes son: 1.9.1. Micromanómetro de contacto directo Cuyo funcionamiento se basa en el contacto de la punta con el líquido que a su vez nos indica la altura mediante un micrómetro.
Fig. 6 Micromanómetro de contacto directo.
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ 1.9.2. Micromanómetro de puntas
En este manómetro, la medida de la presión se realiza cuando las puntas rompen la superficie del líquido.
Fig. 7 Micromanómetro de puntas.
1.9.3. Micromanómetros de altura constante
Este tipo de micrómetros funciona ajustando el nivel en el
punto
“O”,
y
luego
de
conectar el manómetro a la línea de presión; como se produce una columna en la rama, el menisco formada se regresa mediante el tornillo micrométrico al punto “O” de referencia. La presión es
leída en micrómetro.
el
tornillo
Fig. 8 Micrómetro de altura constante.
1.10. MANÓMETROS DE DEFORMACIÓN SOLIDA 1.10.1. Manómetro de Bourdon
Es un tubo de paredes delgadas, cerrado en un extremo, aplastado de manera que su corte transversal tenga forma elipsoidal y curvada convenientemente.
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ La presión que se desea medir se aplica a su extremo abierto, el tubo trata de enderezares y el movimiento de su extremo libre es amplificado por un sistema de palanca y sector dentado, e indica en un dial graduado en las unidades de presión convenientes. De esta clase de medidores es el menos preciso.
Fig. 9 Manómetro de Bourdon.
El material empleado normalmente en el tubo de Bourdon es de acero inoxidable, aleaciones de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel. 1.10.2. Presión estática, de velocidad y total
La presión ejercida por un fluido la cual no es ejercida por el movimiento o velocidad del fluido es llamada presión estática. La presión de velocidad se manifiesta en una fuerza que ofrece un fluido en movimiento, sobre el área perpendicular a la dirección de su movimiento. La presión total es la suma de la presión estática y la de velocidad ejercida en una superficie perpendicular al desplazamiento del fluido. Se mide mediante un tubo de impacto.
Fig. 11Presión estática, de velocidad y total.
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ 1.11.
EL TUBO DE PITOT
Se utiliza para calcular la presión total, también denominada presión de estancamiento (suma de la presión estática y de la presión dinámica). Se utiliza mucho para medir la velocidad del viento en aparatos aéreos y para cuantificar las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales.
gu
12 Tubo de p o u
do para u o de
CÁLCULOS Y RESULTADOS
Primera Experiencia: Calibración de un manómetro de Bourdon Para la calibración del manómetro de Bourdon obtuvimos 2 listas de mediciones del manómetro; una para cuando la presión aumentaba y otra para cuando disminuía. Estos datos eran comparados con una presión referencial dada por las pesitas utilizadas en la experiencia. Tabla 2 Datos obtenidos de la calibración del manómetro de Bourdon Pesas (psi)-Manómetro de Bourdon (psi) Subida50 100 150 200 250 300 350 400
Bajada70 110 180 225 275 325 375 425
Promedio 75 110 175 220 270 310 360 405
72.5 110 177.5 222.5 272.5 317.5 367.5 415
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2.TEMPERATURA 2.1. ¿QUÉ ES LA TEMPERATURA?
Se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido trasnacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energía sensible de un sistema, se observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor. Clasificación de instrumentos de medición de temperatura: -
Termómetros de expansión (termómetros de bulbo y bimetálicos). Termómetros de cambio de fase. Métodos eléctricos para la determinación de la temperatura (Por termocupla y resistencia) Pirómetros ópticos y de radiación
2.2. TERMÓMETROS
El termómetro es un dispositivo de medición que indica la temperatura de un cuerpo. Los termómetros más usados se basan principalmente en la medición de propiedades como: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Expansión volumétrica de gases, líquidos y sólidos. Presión ejercida por gases y líquidos. Resistencia eléctrica de sólidos. Presión de vapores de líquidos. Termo-electricidad. Radiación.
En general los termómetros pueden clasificarse en dos grupos:
Termómetros de contacto; son aquellos cuyo elemento sensor está en contacto íntimo o colocado dentro del mismo ambiente que el cuerpo cuya temperatura se quiere conocer. Termómetros sin contacto; que funcionan midiendo algún parámetro a distancia del cuerpo.
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ Clasificaremos a los medidores de temperatura de la siguiente manera:
Termómetros de contacto Termómetro de columna Termómetro a presión de gases Termómetro a presión de vapor Termómetros bimetálicos Termómetro de resistencia Termopares Métodos sin contacto Pirómetros ópticos Pirómetros de radiación total Pirómetros de dos colores
2.3. MEDIDORES DE TEMPERATURA
De la misma manera que casi todas las variables de proceso, las limitaciones de las diferentes tecnologías de medición dependen de la precisión requerida, velocidad de respuesta, condiciones del proceso, etc. A diferencia de otras mediciones, cabe mencionar que las medidas de temperatura, en general, tienen una inercia bastante más elevada que otras variables de proceso como la presión o gasto (casi instantáneas). 2.3.1. Termómetros de contacto
Estos termómetros como lo indica su nombre determinan la temperatura a medir, teniendo contacto con el cuerpo, o colocados dentro del mismo ambiente donde está este. Aunque son muchos los elementos medibles que guardan relación con la temperatura, en la práctica los más utilizados son: -
Midiendo la altura de la columna de un líquido dentro de un tubo capilar (termómetros de columna). Midiendo la presión de un gas confinado a un recipiente cerrado. (termómetros a presión de gases). Midiendo la presión de vapor de un líquido confinado a un recipiente cerrado(termómetros a presión de vapor de líquido).
2.3.2. Termómetros de columna.
La gran mayoría de las sustancias se dilatan a dimensiones mayores cuando se calientan y se contraen a las dimensiones
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ anteriores si se enfrían a la misma temperatura anterior, este efecto se utiliza para construir los termómetros de columna. Estos termómetros constan de un tubo capilar (muy fino) de vidrio cerrado en un extremo, y con un bulbo lleno de líquido coloreado en el otro, al que se le ha practicado vacío. Este capilar se coloca fijo en un cuerpo que contiene una escala graduada en grados en la escala correspondiente.
Fig. Partes de un termómetro de columna.
2.3.3. Termómetro a presión de gases
En la figura se aprecia uno de éstos termómetros, los cuáles presentan la ventaja sobre los de columna de líquido, que la medición puede realizarse a distancia alargando el tubo capilar. La longitud del tubo capilar tiene un límite, ya que, si es muy largo, la cantidad de gas contenida en él puede ser comparable con la del bulbo e introducir errores en la medición con los cambios de temperatura del ambiente al que está sometido el capilar. Esto significa que para que un termómetro de gases sea preciso, la cantidad de gas en el sensor debe ser muy superior a la del tubo capilar. Fig. Termómetro a presión de gases.
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ 2.3.4. Termómetro a presión de vapor
Los termómetros a presión de vapor de líquido tienen la misma construcción de los de presión de gases como se muestra en la figura, excepto que el bulbo está lleno con un líquido volátil. Otra diferencia significativa con el termómetro a gases es que en este caso la escala no está dividida a distancias iguales, debido a que la presión de vapor de los líquidos, de acuerdo al diagrama de fases, no cambia de forma proporcional con la temperatura.
Cuando no es necesario tomar lecturas continuas de temperatura, cuando las temperaturas no son utilizadas para el control de un proceso y sólo se desea conocerlas para saber si la operación de un equipo es satisfactoria, es muy común el uso del termómetro bimetálico. 2.3.5. Termómetros de resistencia
Estos termómetros se basan en la propiedad que tienen los metales conductores de la corriente eléctrica de cambiar su resistencia cuando varía la temperatura, es decir:
= (1+ ) ------- (1) =(−R0)( *) ------- (2) Donde ∶ 0 °, ℎ ∶ , ℎ ∶
Fig. Diagrama de un termómetro de resistencia eléctrica.
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ 2.3.6.
TERMÓMETRO BIMETÁLICOS
Se basa en la diferencia de dilatación de los metales tales como: Aluminio Bronce, Cobre, Latón, Níquel, Níquel Cromo, Monel, Acero, Aleación Hierro – Níquel (36%) llamada Invar , Porcelana , Cuarzo. El aluminio tiene el mayor coeficiente de dilatación de los mencionados. Se obtienen exactitudes del orden del 1% de la medición.
2.3.7. TERMOCUPLAS ¿Qué son las Termocuplas?
Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo(soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Por ejemplo, una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán (aleación de cobre y nickel) Al colocar la unión de estos metales a 750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts.
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ Normalmente las termocuplas industriales se consiguen encapsuladas dentro de un tubo de acero inoxidable ú otro material (vaina), en un extremo está la unión y en el otro el terminal eléctrico de los cables, protegido adentro de una caja redonda de aluminio (cabezal). Tipos de Termocuplas. Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas són del tipo J ó del tipo K. 2.4. CÁLCULOS Y RESULTADOS Temperaturas medidas en grados Celsius. Termómetro de inmersión total (patrón) Sistema de Calibración
T. Inm Total
T. Inm Parcial (76”)
T. Inm. Parcial (3”)
T. Bimetálico
Termocupla
40°C
40°C
41°C
42.5°C
36°C
45°C
60°C
60°C
61°C
61°C
56°C
71°C
80°C
80°C
81°C
81°C
--
98°C
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UNIVERCIDAD NACIONAL DEL ALTIPLANO – PUNO ___________________________________________________________ T. Inm Total
T. Inm Parcial (76 ) ”
%err rel T. Bimetálico %err rel T.I.Parcial Bimetálico (76 )
Termocupla
%err rel Termocupla
”
40
41
-0.025
36
0.1
45
-0.125
60
61
-0.01667
56
0.066667
71
-0.18333
80
81
-0.0125
--
--
98
-0.225
-1.80555556
8.33333333
-17.7777778
GRÁFICAS DE PORCENTAJE DE ERROR RELATIVO
BIBLIOGRAFÍA
1.
"EL LABORATORIO DEL INGENIERO MECÁNICO " ,
Jesse
Seymour Doolitle
2.
"MÉTODOS EXPERIMENTALES PARA INGENIEROS"',
3.
"TERMODINÁMICA APLICADA",
4.
"MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA I "
J.P. Colman
Cruz Postigo
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