MEDICIONES EN EL SISTEMA SISTEMA NEUMATICO DEL LABORATORIO LABORATORIO DE NEUMATICA 1 INTRODUCCION 1.1 ANTECEDENTES Partiendo del principio de que los primeros pasos en la disciplina del laboratorio tienen que tener una clara percepción de la instrumentación, la adquisición adquisición y el uso de datos basados basados en a medición, medición, es que se encara encara este laboratorio. laboratorio. Esto permitirá permitirá a los los estu estudi dian ante tess repa repasa sarr y refo reforz rzar ar sus sus técn técnic icas as y conc concep epto toss de la medi medici ción ón direccion direccionados ados especialment especialmente e a las dimensiones dimensiones termodinám termodinámicas icas vinculadas vinculadas con el sist sistem ema a neum neumát átic ico o del del labo labora rato tori rio o comp compre reso sor, r, red, red, válv válvul ulas as de regu regula laci ción ón y manómetros. En esta practica practica se encarar principalme principalmente nte la medición medición de la presión presión a través través del uso de manómetros manómetros de Bourdon, además además como es un laboratorio laboratorio de repaso de las técnicas técnicas de medición medición adquiridas adquiridas precedent precedentemen emente te por los estudiant estudiantes, es, se harán harán mediciones mediciones de otras dimensiones dimensiones del sistema neumático neumático,, para as conformar conformar un trab traba! a!o o de refo reforz rzam amie ient nto o conc concep eptu tual al en los los conc concep epto toss fund fundam amen enta tale less de la termodinámica.
1.2 OBJETIVOS.-
"onocer "onocer los instrumentos instrumentos para medir presión más com#nmente com#nmente empleados empleados en la industria.
-
$edición de la presión a través de un manómetro de Bourdon.
-
%efo %eforz rzar ar la disc discip iplilina na de la adqu adquis isic ició ión n de dato datos, s, medi medici ción ón y uso uso de dato datoss basados en la medición& error, incertidumbre y propagación de la incertidumbre.
-
'iabilizar a través de mediciones mediciones sobre le sistema neumático neumático del laboratorio una presentación ob!etiva de los fundamentos introductorias introductorias de la termodinámica. 1
-
"ons "onsol olid idar ar en el uso uso y cump cumplim limie ient nto o de norm normas as bási básica cass de elab elabor orac ació ión n y presentación de un informe de laboratorio , la naturaleza disciplinaria de esta actividad
1.3 FUNDAMENTO TEORICO.El sistema neumático neumático del (aboratorio (aboratorio es una materializa materialización ción especifica especifica de los concepto conceptoss fundamen fundamentales tales de la termodinám termodinámica ica como la ciencia ciencia que estudia estudia las transformaciones de la energa& Energa Eléctrica )* Energa $ecánica+Perdidas de calor Energa $ecánica )* Energa eumática+ Perdidas de "alor.
El estudio de la termodinámica implica implica el conocimiento de las propiedades propiedades de la masa, masa, materia materia o sustancia sustancia y la presión presión es una propiedad propiedad termodinámic termodinámica a muy caracterstica.
1.3.1 PRESIÓN (a presió presión n en términ términos os netam netament ente e macros macroscóp cópico icos, s, es igual igual a la fuerz fuerza a por por unidad de superficie superficie que e!erce un lquido o un gas perpendicularmente perpendicularmente a dicha superficie. 1
p)-/ 0m 2
03.32
(a presión suele suele medirse en atmósferas atmósferas 0atm24 en el 5istema 5istema 6nternacional 6nternacional de unidades 0562, la presión se e7presa en en ne8tons por metro cuadrado4 un ne8ton por metro cuadrado es un pascal 0Pa2. (a atmósfera se define como 393.:1; Pa, y equivale equivale a <=9 mm en un barómetro barómetro convencional.
2
En términos microscóp microscópicos icos es consecuencia consecuencia del choque de las moléculas moléculas del fluido en las paredes de un sistema&
03.12 >e donde& 1
P ) Presión 0m 2 :
? ) >ensidad 0@gm 2 ) 'elocidad media cuadrática de las moléculas 0ms2
ν
(a presión real en cualquier cualquier punto de un sistema, sistema, se llama presión absoluta. 5in 5in embargo embargo utilizamos utilizamos manómetros manómetros para medirla, los cuales miden solo la presión presión manométri manométrica, ca, teniendo luego luego que sumarle sumarle la presión presión atmosférica, atmosférica, para lograr la presión absoluta requerida. requerida.
1.3.2 PRESIÓN ABSOLUTA Es la presión de un fluido medido con referencia al vaco perfecto o cero absoluto. (a presión absoluta es cero #nicamente cuando no e7iste choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeAa. pequeAa. Ester termino se creo debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseAos se hacen en otros pases a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un termino absoluto unifica criterios. 1.3.3 PRESIÓN ATMOSFÉRICA.ATMOSFÉRICA.-
El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión (atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a las alturas próimas a este, el valor de la presión es cercano a !".# lb$plg% (!&!,'pa), disminuyendo estos valores con la altitud.
1.3.4 PRESIÓN MANOMÉTRICA S on on normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es desconocida y la presión atmosférica que e7iste, si el valor absoluto de la 3
presión es constante y la presión atmosférica aumenta, aumenta, la presión manométrica disminuye4 esta diferencia generalmente es pequeAa mientras que en las mediciones de presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es evidente que el valor absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro. (a presión puede obtenerse adicionando adicionando el valor real de la presión presión atmosférica a la lectura del manómetro. Presión /bsoluta ) Presión $anométrica + Presión /tmosférica.
1.3.5, VELOCIDAD MEDIA CUADRÁTICA. /plicando el principio de de conservación de de cantidad de movimiento movimiento lineal en una molécula / y en la dirección del e!e , se tiene que& mv 2
− mv1 = m A
v A1 y
− (−v A 2 y )
03.:2 "omo la colisión colisión es elástica, las dos velocidade velocidadess del segundo miembro miembro de la ecuación ecuación son iguales, iguales, entonces entonces se tiene que la cantidad cantidad de movimiento movimiento para cada molécula es& p
= 2mv y
CDgmsF 03.G2 El tiempo tiempo que tarda tarda una molécu molécula la en llegar llegar a la pared opuest opuesta a y rebota rebotarr con dicha pared es& 4
τ
=
2 L
v y
CsF 03.;2 >ividiendo >ividiendo la variación variación de cantidad de movimiento movimiento entre el tiempo, se tiene que la fuerza de impacto producida por las moléculas es& N
F =
N
m
∑v L
2
yi
=
∑v Nm
i =1
2
iy
i =1
L
N
CF 03.=2 /plicando la definición de de presión se tiene& P
F =
A
Nm =
3
L
v 2 y [ Pa]
03.<2 Para las velocidades se tiene que& 2
2
v 2 = v x + v y + v z
2
03.H2 "omo los movimientos movimientos de las moléculas moléculas son completam completamente ente al azar, se puede decir que&
5
v x
= v y = v z
03.I2 "ombinando las ecuaciones 03.=2 y 03.<2, obtenemos que& 2
v y
2
=
v
=
N ρ v
3
03.392 >e donde finalmente se tiene que& P =
Nmv
2
3V
3
2
[ Pa]
03.332 >onde& es el n#mero de moléculas, ? es la densidad del gas, y v se conoce como velocidad media cuadrática de las moléculas.
1.4. MANÓMETRO DE BOURDON.- 5e 5e trata de un tipo de manómetro manómetro aneroide conocido conocido como como instrumen instrumento to de un solo tubo. tubo. El fluido fluido entra al aparato aparato por por la cone7 cone7ión ión roscada. roscada. / medida medida que aumen aumenta ta la presió presión, n, el tubo tubo de la secci sección ón elptica, elptica, tiende tiende a enderez enderezarse, arse, y el e7tremo e7tremo que está más pró7imo al sistema sistema articulado articulado se mueve hacia la derecha. derecha. Este dispositivo dispositivo produce produce la rotación rotación del sector sector de engrane, el cual mueve un piAón piAón unido a la agu!a indicadora. indicadora. Jodo el mecani mecanism smo o está, está, desde desde luego, luego, encer encerrad rado o en una ca!a, y un disco disco gradu graduado ado sobre el cual se lee la presión, se halla colocado ba!o el ndice de la agu!a.
6
-6K.3.3 Estructura del manómetro de bourdon Jubo Bourdon en forma de
Jubo Bourdon helicoidal
"
Jipo diafragma& Lorizontal
'ertical
7
Jipo "ápsula&
1.5COMPRESORES.- "ompre "ompresor sor de aire, aire, tambié también n llamad llamado o bomba bomba de aire, aire, máquin máquina a que disminuye disminuye el volumen volumen de una determinad determinada a cantidad de aire y aumenta aumenta su presión presión por procedimientos mecánicos. El aire comprimido posee una gran energa potencial, ya que si eliminamos eliminamos la presión e7terior, se e7pandira e7pandira rápidamente. El control de de esta fuerza fuerza e7pansiva e7pansiva proporcion proporciona a la fuerza motriz de muchas máquinas máquinas y herramient herramientas, as, como martillos neumáticos, neumáticos, taladradoras, limpiadoras de chorro de arena y pistolas pistolas de pintura.
1.5.1 CLASIFICACION 1 .5.1.1COMPRESORES .5.1.1COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO 8
Estos a su vez se clasifican en&
3.;.3.3.3 "ompresores alternativos
"ompresores de pistón
Estos son los tipos de compresores de desplazamiento positivo, más antiguos y conocidos. (os de simple efecto, son normalmente de tipo truncado, mientras que los de doble efecto utilizan un efecto de cruceta. ( a figura muestra disposiciones disposiciones de cilindros mas frecuentes. (os compresores alternativos, e7isten en las versiones lubricadas y sin lubricar. Estos #ltimos incorporan segmentos y faldas o bandas de desgaste, de polietraMflorMetileno 0PJ-E2. (os compresores del tipo entroncado, no lubricados, tienen un carter seco, con rodamientos lubricados permanentemente. permanentemente. (os del tipo cruceta tienen una biela mas larga. >e forma que la parte engrasada no penetre en el espacio de compresión. (o compresores alternativos, normalmente tienen válvulas auto accionadas, E7isten sin embargo diseAos de válvulas de aspiración, controladas por levas y válvulas rotativas de corredera pero que unas y otras no son muy frecuentes. Nna válvula auto accionada, abre y cierra, merced a una diferencia de presión. El funcionamiento de la válvula es asistido por pequeAos muelles, que ayudan a acelerar el movimiento de cierre. Nn con!unto de válvula consta de un asiento, discos, muelles, y guardavalvulas. "uando estos están adheridos al guardaválvula, la posición es abierta, y cuando está adherida al asiento la posición es cerrada ./l ob!eto de reducir los efectos de los l os impactos, sobre el asiento de válvulas, es bastante frecuente incluir un doble !uego de discos. (os más más pró7imos al asiento son los llamados discos de válvula y los otros son discos amortiguadores. 9
(os discos de válvula concéntrico y flotante tienen las venta!as de ofrecer ba!a resistencia al flu!o de aire, y puede dárselas un tratamiento térmico para me!orar su vida de servicio. En la figura
aparece una válvula con discos flotantes.
"ompresores de pistón tipo laberinto&
Estos son unos tipos de compresores alternativos, alternativos, de desplazamiento desplazamiento positivo, e7entos de aceite, y sin segmentos en el pistón, y sin segmentos en el pistón fig
. El
sellado entre pistón y pared del cilindro se logra mediante una serie de laberintos. (as superficies anteriores de los cilindros están estriadas, y las de los pistones llevan unas roscas mecanizadas de afiladas crestas fig
. (as empaquetaduras de las bielas
son también del tipo laberinto. (as fugas internas son mayores que las que se dan en los diseAos que utilizan segmentos, pero en contra partida , no se producen perdidas por rozamiento, ni en estos si si en las empaquetaduras. empaquetaduras. El aire suministrado, esta e7tremadamente e7ento de contaminación
"ompresores de diafragma.
Estos son compresores alternativos de desplazamiento desplazamiento positivo, e7entos de aceite, que utilizan una membrana membrana fle7ible o diafragma, en lugar de pistón. pistón. El diafragma puede activarse mecánica o hidráulicamente. (a fig
muestra el accionamiento mecánico,
donde una e7céntrica e7céntrica enchavetada al al e!e de accionamiento del compresor, compresor, y por medio
10
de una biela, da movimiento alternativo al diafragma, su!etado entre dos arandelas soporte.
En la figura figura se muestra el accionamiento accionamiento hidráulico, donde el diafragma se mueve merced a la acción de una una presión hidráulica alternativa, alternativa, que act#a en su parte inferior. inferior. (a presión hidráulica esta esta generada por una bomba bomba de pistón, el cual es impulsado impulsado por una biela desde al cruceta. (os componentes de diafragma accionados mecánicamente, se fabrican #nicamente para pequeAas capacidades capacidades y presiones presiones moderadas, además además de cómo bombas de de vaco. (as unidades por accionamiento hidráulico son mas apropiadas para la producción de altas presiones. presiones.
3.;.3.3.1 "ompresores rotativos
"ompresores de tornillo
Este tipo de compresores son son de desplazamiento desplazamiento positivo, con una determinada determinada relación de compresión. (a fig
evidencia paso a paso, el principio de funcionamiento.
11
Estos compresores pueden pueden funcionar a velocidades velocidades elevadas debido debido al hecho de que no e7istan ni válvulas de aspiraciónimpulsión ni fuerzas mecánicas que pueden generar desequilibrio y todo ello hace posible, el que sus dimensiones e7teriores sean muy pequeAas en relación a su capacidad. (os compresores de tornillo del tipo seco, incorporan engrana!es engrana!es de distribución, para sincronizar la distribución, para sincronizar la reilación de rotación de los rotores macho y hembra. Por otra parte, (os rotores macho y hembra no se tocan, ni entre si, ni con la carcasa, y en consecuencia no se precisa lubricar el espacio de compresión 0nter lobular2, luego el aire que suministran es e7ento de aceite -6K
"ompresores de paletas
5on maquinas de desplazamiento desplazamiento positivo, de un solo solo e!e, y relación de compresión compresión determinada.
(a fig
, indica el principio de funcionamiento.
Nn rotor, con paletas radiales flotantes se monta, e7céntricamente, dentro de una carcasa cilndrica o estator. "uando se gira el rotor las paletas se desplazan contra las paredes del estator, merced merced a la fuerza centrifuga. El aire aspirado por el compreso, va 12
entrando a los espacios e7istentes entre cada dos aletas, zona de mayor e7centricidad, en donde tales espacios son mayores. /l girar el rotor, el volumen entre aletas va disminuyendo y el aire se comprime, hasta llegar a la lumbrera l umbrera de descarga. Este principio de traba!o se utiliza ampliamente en los motores neumáticos. (os compresores compresores de paletas, son son generalmente generalmente del tipo de baAo de aceite 0 fig
. 5in
embargo también los hay e7entos de aceite, y en este caso las paletas son de bronce o de carbón grafitado.
"ompresores de anillo lquido.
Estos tipos de compresores son también de desplazamiento positivo, e7entos de aceite y con una relación de compresión determinada "onstan de un rotor, en el que se montan una serie de alabes fi!os, y una carcasa o cilindro, de tal forma que la cámara entre alabes y cilindro varia cclicamente por cada revolución del rotor. El cilindro esta parcialmente lleno de lquido. >urante su funcionamiento, el liquido sale proyectado contra el cilindro, merced a la acción e!ercida contra los alabes. (a fuerza centrifuga, hace que el cilindro forme un anillo solidó sobre el cilindro, cuya pared interior varia en su distancia desde el rotor, en la misma medida en que lo hace la pared del cilindro. >e esta manera, el volumen entre los alabes, varia cclicamente, de forma similar a como ocurrira en el compresor de paletas. Para evitar el empu!e radial, el compresor de anillo lquido se diseAa frecuentemente, con dos espacios de compresión simétricos y opuestos. 13
(a refrigeración en estos compresores es directa, supuesto que a partir del contacto directo entre gas y lquido, la l a temperatura de descarga se puede mantener muy pró7ima a la aspiración del del lquido. 5in embargo, el gas de descarga descarga esta saturado a la temperatura de descarga del liquido de compresión. Estas maquinas se utiliza es aquellos procesos procesos que requieren una escasa elevación elevación de temperaturas durante el ciclo de compresión, apro7imándose por tanto al proceso de compresión isotérmica. "omo lquido se utiliza generalmente agua, aun cuando puede utilizarse otros lquidos para resultados concretos, concretos, durante el procesote compresión, compresión, tales como absorción absorción de un constituyente del gas por el lquido, l quido, o como medio de protección del compresor contra ataques corrosivos de gases o vapores activos. /un cuando la compresión se considere en principio principio como isotérmica, e7isten sin embargo embargo ciertas perdidas, debido debido al rozamiento del liquido contra las paredes del cilindro y batidos de los alabes. El resultado ello es un consumo especifico de energa mucho mayor, que el de los compresores alternativos, para un mismo traba!o.
5oplantes rotativos de dos impulsores.
Estos compresores, llamados frecuentemente soplantes %oots, son de un tipo de maquinas de desplazamiento, en las que no hay ni válvulas ni compresión interna. "onstan de dos rotores, con dos lóbulos idénticos y simétricos, que giran en direcciones opuestas opuestas dentro de una carcasa carcasa cilndrica. Para la sincronización sincronización de dichos rotores, incorporan un !uego de engrana!es4 la cámara cámara de compresión no va lubricada lubricada y normalmente van refrigerados por aire.
14
(a compresión se produce por contra flu!o de la descarga, cada vez que un rotor de!a abierta la lumbrera de descarga.
3. ;.3.1 "O$P%E5O%E5 >6/$6"O5
"ompresores centrfugos.
(a fig
muestra un compresor centrfugo, caracterizado por un flu!o radial.
El gas pasa por el centro de una rueda giratoria con alabes radiales, r adiales, llamados impulsores, los cuales lanzan el gas hacia la periferia merced ala fuerza centrifuga4 y antes de pasar al centro del pró7imo impulsor, pasa por un difusor, en donde la cinética se transforma en presión. (a relación de presión interetapas redetermina en función del cambio de velocidad y densidad del gas. (as velocidades de funcionamiento son bastante altas en comparación con otros compresores. (a gama gama comprendida entre ;9 999M 999M 399 99 r.p.m. es bastante frecuente frecuente en industrias aeronáuticas y espaciales donde el peso es un factor dominante. (os compresores centrfugos, con velocidades pró7imas a las 19 999 r.p.m., suele ser la gama comercial mas com#n, aun cuando ya se están fabricando fabricando con velocidades un tanto superiores. >ebido a las elevadas velocidades con que se construyen los compresores dinámicos de tamaAo medio, se utilizan co!inetes amortiguados inclinados o abiertos, en l ugar de los rodillos, que son los que incorporan los compresores de desplazamiento. (os compresores centrfugos multiMetapas, llevan algunos i mpulsores invertidos, para contrarrestar el empu!e a7ial originado por las diferencias de presión.
15
El caudal mnimo de un compresor centrifugo, esta limitado principalmente, por el flu!o de la #ltima etapa. En la práctica, y para los compresores compresores con carcasa carcasa seccionada horizontalmente, horizontalmente, puede tomarse como limite el de 3=9 3seg. "ada tipo de compresor centrifugo, debe disponer de algunos medios que, limitan o eliminan las fugas de gas procedentes de la carcasa, y pueden producirse a lo largo del e!e. Para ello se utilizan generalmente las unidades de sellado, de las que e7isten varios diseAos, algunos bastante sofisticados cuando se destinan a las maquinas de elevada velocidad y alta presión. (os cuatro tipo de principales que se utilizan util izan para el sellado del e!e son& M Jipo laberinto MJipo anillo restrictivo 0anillo de carbón2. Estos normalmente son secos, aun cuando algunas veces se incorporan lquidos de sellado. M$ecánicos o de contacto. MJipo pelcula liquida. (os de tipo laberinto son los más sencillos, y los que mas se utilizan en compresoras de aire y en algunas aplicaciones aplicaciones de gas. (a acción de sellado es el resultado de la resistencia que se opone al flu!o de gas, por estrangulación sucesiva, a través del numero de dientes, diámetro de la empaquetadura, tolerancia, presión y temperatura del gas que se pretende obturar. 5iempre hay fugas y por ello deben tomarse las oportunas precauciones como como para que las mismas no creen peligro. Jales unidades de sellado, pueden utilizarse para la obturación de gases contaminados de polvo. En ellas, una de las dos partes adyacentes es relativamente blanda, lo que procura un mayor contacto sin averas. (as unidades de tipo de anillo restrictivo, incorporan anillos planos, y solo se utilizan para gases relativamente relativamente limpios. 16
5upuesto que los anillos se a!ustan al e!e, individualmente, me!or que lo hacen de tipo laberinto, las fugas se controlan más fácilmente. El carbón es el material es el que van construidos, ya que no produce desgastes indebidos en el e!e. (as unidades unidades del tipo mecánico mecánico se desarrollaron inicialmente inicialmente para los compresores compresores de refrigeración, buscando eliminar las fugas de refrigerante, elemento este bastante costoso. Nna caracterstica un tanto especial de tales obturadores, es su gran eficacia4 eficacia que permanece aun cuando el compresor esta parado. (as ultimas unidades es decir, las del tipo de pelcula liquida, se introdu!eron con los compresores elevadores de presión 0booster2. (as unidades del del tipo mecánico y pelcula liquida, liquida, se alimentan normalmente, desde desde un sistema independiente de aceite para sellado. (as fugas interetapas tienen lugar, all donde ele e!e atraviesa atraviesa los diafragma, y también alrededor del centro e la rueda giratoria u o!o del impulsor. (os anillos del tipo laberinto construidos en una aleación de aluminio especial, van montados en los diafragmas y precisamente en estos puntos de posibles fugas. Este material ha de procurar el que las piezas giratorias no resulten daAadas, ya que de lo contrario, la estanqueidad resultara ineficaz. ineficaz.
"ompresores a7iales.
5e caracterizan, y de aqu su nombre, por tener un flu!o a7ial en la dirección del e!e. El gas pasa a7ialmente a lo largo del compresor, a través de las hileras alternadas de paletas, estacionarias y rotativas, que comunican comunican cierta velocidad al gas o energa que después se transforma en presión.
17
(a capacidad mnima en este tipo de compresores, viene a ser del orden de los l os 3; metros c#bicos por segundo. Ntilizan un tambor de equilibrio para contrarrestar la reacción o empu!e a7ial. >ebido a su pequeAo diámetro y para un mismo tipo de traba!o funcionan a velocidades mas elevadas que los compresores centrfugos. Estas velocidades son superiores en un 1; apro7. 5e destinan a aquellas aquellas aplicaciones, en que que es preciso disponer de un caudal constante a presiones moderadas. 5alvo en los compresores utilizados en motores de aviación. (a relación má7ima de compresión para cada envoltura se limita a seis. (os compresores a7iales son mas adecuados para aquellas plantas que precisen grandes y constantes caudales de aire.
"ompresores elevadores de presión 0Booster2
5on un tipo de compresores, que aspiran aire o gas, ya comprimido, suministrándolo después a presión mas elevada. 5on numerosas las aplicaciones de estos compresores, especialmente en campos relacionados con el petróleo, gas y en ciertos tipos de minas. Es muy frecuente, fr ecuente, el instalarlos en redes de aire comprimido de gran longitud, como compensadores de las cadas de presión. (a compresión la realizan en una o dos etapas. El peso del caudal del gas y consecuentemente, consecuentemente, la potencia absorbida, aumenta a medida que se incremente la 18
presión de aspiración, aspiración, hasta en cierto valor. Por encima de de este punto, predomina la relación de presión decreciente. (a curva de consumo de potencia de un compresor elevador, trazada en función de la presión de aspiración, aspiración, tiene generalmente la misma forma que que la curva de una bomba bomba de vaco.
6ntensificadores de presión.
Estos transforman la potencia de un fluido a ba!a presión a otra mas elevada. 5e utilizan frecuentemente, cuando se necesitan pequeAas cantidades de gas pero a presiones muy elevadas. elevadas. Por e!emplo, en los laboratorios laboratorios para prueba de válvula, válvula, tuberas, mangueras y para cargar acumuladores hidráulicos. "on ello puede intensificarse una presión normal de traba!o a < bar, hasta una presión de 199 bar. "on algunos modelos multiMetapas, pueden alcanzarse presiones de hasta 3 <99 bar. (a fig
muestra un intensificador de presión de carrera simple 0 un impacto2.
"uando el intensificador retrocede, el fluido a ba!a presión, es conducido a la cámara de compresión, de donde pasara a la lnea de salida, cuando el embolo se e7tienda. E7isten también intensificadores de ciclo automático, que paran cuando se alcanza una determinada presión, y que inician el ciclo, cuando la presión cae por deba!o de la fi!ada en el regulador. El aire de escape, e7pandida, en la zona transmisor, se utiliza para refrigerar el cuerpo del cilindro. Jodos los gases inertes, pueden manipular y transmitirse totalmente e7entos de aceite. "uando se mane!a aire comprimido a presiones muy elevadas, debera ir tambien e7ento de aceite, con lo que se eliminara el riesgo de auto ignición.
19
1. $EJO>O(OKQ/ 1.3 ERN6PO, $/JE%6/( E 65J%N$EJO5 (os equipos y materiales que se usaron en el laboratorio son& *
"ompresor
*
%ed neumática
*
%egulador de presión
*
$angueras de presión
*
"onector "ónico
*
$anómetro S 'acuómetro
(as fichas técnicas de los manómetros son& 3.M
20
1.M
6nstrumento
$/T$EJ%O >E BON%>O 0P/J%T2
$arca
56"E(
6ndustria
"LE"O5(O'/D/
"olor
"/%"/5/ >O%/>/
Nnidades
B/%
Escala mnima
9
Escala má7ima
1.;
5ensibilidad
9.3 Bar
6ncertidumbre
6nstrumento
U9.1;
$/T$EJ%O >E BON%>O 0%EKN(/>O%2
$arca
/5L"%O-J
6ndustria
N5/
"olor
"/%"/5/ P(/JE/>/
Nnidades
P56
Escala mnima
9
Escala má7ima
399
5ensibilidad
1
6ncertidumbre
U3 21
:.M 6nstrumento
"O$P%E5O%
$arca
$N((E%
$odelo
LPMG
>escripció >escripción n
/(JE%/J /(JE%/J6'O, 6'O, 1 $/O$EJ%O $/O$EJ%O5, 5, N $OJO% $OJO% E(E"J%6"O E(E"J%6"O N J/RNE
6ndustria
/(E$//
"olor
%OVO
G.M 6nstrumento $arca
$OJO% E(W"J%6"O E('E$
6ndustria $odelo
J;G9H
Jipo
;/XM399 (/M1H:
"olor
/XN(
Potencia
: CDYF S G CLPF 22
-recuencia
;9 CLzF
/mpera!e
33.3 S H.G
-actor de Potencia
"O5 Z ) 9.H=
1.1 $OJ/VE >E( ERN6PO.M
-6KN%/ 1.3. $onta!e del E7perimento
1.: >E5"%6P"6T >E( E[PE%6$EJO.M (a activ activida idad d e7peri e7perimen mental tal se realiz realizó ó en el (abora (aborator torio io de $áquin $áquinas as Lidráu Lidráulic licas as y eumática eumáticas, s, utilizando utilizando la red neumática neumática instalada instalada en este laboratorio. laboratorio. >entro de las condiciones ambientales, la temperatura del ambiente era de 3<\ ". 23
Para la realización de la actividad e7perimental, se siguieron los siguientes pasos& *
6nicialmen 6nicialmente te se realizó realizó una descripción descripción del funcionamient funcionamiento o del compresor compresor y sus formas en que transforma la energa energa eléctrica a mecánica y finalmente a energa neumática 0presión2.
*
'iendo 'iendo las caractersticas caractersticas de cada uno de los manómetros manómetros,, se elaboró la ficha técnica técnica de cada uno de ellos de acuerdo acuerdo a sus diferentes diferentes especificac especificacione ioness y tambien se elaboro las ficha tecnica del compresor que fue utilizado.
*
5e realizó la lectura de la medida de la presión a la salida del compresor.
*
5e abrió la válvula del compresor para presurizar la red
*
5e comprobó comprobó que la presión presión estática estática a la salida del regulador regulador no sobrepase sobrepase los I psi o inferior a 3 psi, se abrió la válvula válvula de paso y obstruyéndos obstruyéndose e la salida de la manguera.
*
5e colocó la manguera manguera de presión presión de H mm a la salida salida del regulador de presión de la red neumát neumática ica,, y en su otro otro e7trem e7tremo o se colocó colocó el conect conector or cónico, cónico, de manera que pueda pueda colocarse en la cone7ión cone7ión correspondiente correspondiente del manómetro de Bourdon.
24
*
5e hizo una primera primera lectura lectura de presió presión n a la salida salida del regulad regulador, or, para ver el manó manóme metro tro que que se iba iba a util utiliz izar ar en las las medi medici cion ones es 0de 0de acue acuerd rdo o a su valo valorr má7imo2, la cual era de 39 psi.
*
5e real realiz izar aron on las las dife difere rent ntes es medi medici cion ones es oper operan ando do de la sigu siguie ient nte e form forma& a& 6nicia 6nicialme lmente nte se hizo hizo varia variarr la presió presión n por medio de la perilla perilla regulad reguladora ora del regulador de presión de de la red neumática, mediante el conector conector cónico se colocó colocó la mang mangue uera ra en el manó manóme metr tro, o, y se real realiz izar aron on las las lect lectur uras as tant tanto o en el manómetro regulador de presión como en el manómetro de Bourdon.
*
Para Para real realiz izar ar una una sigu siguie ient nte e lect lectur ura, a, prim primer ero o se sacó acó la mang mangue uera ra del del manó manóme metro tro,, y se hizo hizo vari variar ar la pres presió ión n medi median ante te el regu regula lado dorr de pres presión ión,, cerran cerrando do con el dedo la mangu manguera era,, y despué despuéss volvié volviéndo ndola la a insert insertar ar en el manómetro manómetro de Bourdon. >e esta manera, manera, se realizar realizaron on las cuatro cuatro mediciones mediciones de presión.
*
-inalment -inalmente e se realizo realizo la medición medición con el calibrado calibradorr del diámetro diámetro de los ductos ductos de admisión del compresor.
:. OBJE"6T %EK65J%O >E >/JO5.M
25
-echa& 9G de marzo de 199H
Loras& 3<&99
"ondiciones ambientales& Jemperatura ambiente de 3< \" %egulado
Patrón r
\
3
1
:
G
PsiU]p
DPaU]p
PsiU]p
G.;U
:9.9 :9.99 9U
= U 3.99
9.1;
1.;9
;.;U
G9.9 G9.99 9U
9.1;
1.;9
<.9U
;9.9 ;9.99 9U
9.1;
1.;9
H.;U
=9.9 =9.99 9U
9.1;
1.;9
HU 3.99
39U 3.99
J/B(/ 1.3. %egistro de datos obtenidos en laboratorio G. "^("N(O5 En el cuadro donde donde se presentan las diferentes diferentes lecturas de presión, presión, se utilizó la técnica de redo redond ndeo eo a dos dos deci decima male les, s, y se colo colocó có la ince incert rtid idum umbr bre e de acue acuerd rdo o a la incertidumbre de escala del aparato de medición. G.3. 'E(O"6>/> $E>6/ "N/>%/J6"/. 26
"alcular la velocidad media media cuadrática de las moléculas moléculas de aire para cada una de las presiones ledas en el manómetro patrón. (a densidad varia respecto respecto de la presión 0absoluta2, 0absoluta2, y se calcula mediante la siguiente ecuación&
0G.32
(a incertidumbre de la densidad, se calculará a partir de la relación& 2 2 ρ ∂ ρ ∂ δρ = δ P + δ T ∂ P ∂T 0G.3.32
>e donde& p ) p3, p1, p:, pG 0presiones absolutas24
)
4
% es la constante del aire4 J es la temperatura 0absoluta2.
>e la ecuación 03.12 despe!amos la variable
0G.12 la incertidumbre de v, se calcula a partir de& 2
2 ∂v v ∂ δ v = δ P + ∂ ρ δρ ∂ P
0G.1.32 Por la ecuación 0G.32& calculamos& 27
ρ 1
=
ρ 2
=
ρ 3
=
ρ 4
=
95000 287 287.08* 290 290
105000 287.08 * 290
115000 287 287.08 * 290
125000 287 287.08 * 290 290
3 =1.141 141[kg / m ]
3 261[kg / m ] =1.261
= 1.381[kg / m3 ]
3 = 1.1.501 501[kg / m ]
/hora podemos calcular calcular la velocidad media cuadrática& cuadrática& entonces de la ecuación ecuación 0G.12. v1
=
3 * p1
=
3 * 95000
ρ 1
v2
=
3 *105000
v3
=
3 *115000
v4
=
3 *125000
1.261
1.381
1.501
1.141
=
499.780[m / s ]
= 499.801[m / s] = 499.819[m / s] = 499.833[m / s]
Presión Presión abs.
>ensid >ensidad ad
\
CPaF U ]p
C@gm_:F U]
3
I;999U1;99
3.3G3 U9.9:9 28
v U ]v
GII.
1
39;999U1;99
3.1=3 U9.9:9
GII.H93UH.G33
:
33;999U1;99
3.:H3 U9.9:9
GII.H3IU<.=H9
G
31;999U1;99
3.;93 U9.9:9
GII.H::U<.9==
J/B(/ G.3. %esultado de los cálculos realizados G.1 'E(O"6>/> >E EJ%/>/ EJ%/>/ >E( /6%E /6%E /( "O$P%E5O%. "O$P%E5O%. (a velocidad velocidad de entrada entrada de aire al compresor, compresor, se debe calcular calcular a través través de dos e7presiones para el caudal de fluido R ) 0Pot. $otor variación de presiones2
0G.:2
R ) ^rea 'elocidad
0G.G2 >e donde el área área se calcula calcula teniendo teniendo el diáme diámetro tro de los conduc conductos tos de admisión de aire del compresor 0diámetro ) I.Hcm, dos conductos2. Entonces el área será& 1 `r_1 ) 9.9993;9 Cm_1F (a potencia del motor es de : CDYF) :999CmsF4 )I99999 CPaF. R):999I99999)9.999:: R):999I99999)9.999:: Cm_:sF 29
>espe!ando la velocidad v de la ecuación 0G.G2 ') R/ ) 9.999:9.9993;9)* v) 11.11 U 9.9=;CmsF
;. "NE5J6O/%6O. M En función de los datos obtenidos para para la velocidad media cuadrática de cada cada una de las lecturas de presión obtenidas, obtenidas, que afirmación afirmación teórica fundamental fundamental de la termodinámica se ratifica %. Laci Lacien endo do un anál anális isis is de los los dato datoss calc calcul ulad ados os para para la velo veloci cida dad d medi media a cuadrática cuadrática 0véase 0véase J/B(/ J/B(/ G.32, es evident evidente e que la variaci variación ón es mnima, mnima, para análisi análisiss despre desprecia ciable ble,, por lo cual cual diremo diremoss que que es consta constante nte para todos todos los casos. 5abiendo 5abiendo que la temperatu temperatura ra en su concepció concepción n microscóp microscópica ica es consecue consecuencia ncia del del movi movimi mien ento to de las las molé molécu cula las, s, y por por lo tant tanto o de su ener energ ga a ciné cinétitica ca.. /l mantenerse una conservación conservación de energa energa en todo el sistema 0energa 0energa constante, sist sistem ema a sin sin pérd pérdid idas as22 es clar claro o que que la temp temper erat atur ura a no vari variar ara, a, adem además ás
30
asumie asumiendo ndo que la temper temperatu atura ra e7tern e7terna a al sis sistem tema a tampoc tampoco o varia, varia, entonc entonces es mediante ecuaciones&
0G.12
0G.32 si J) "tte. Entonces Entonces 03%J2)c )* de la ecuación ecuación 0G.32 ? ) c p 02 %eemplazando %eemplazando 02 en 0G.12 tenemos que&
@) ctte. Por lo tanto la velocidad velocidad media cuadrática cuadrática no depende depende de la presión, presión, si no más bien de la temperatura, temperatura, y por ende de la energa cinética cinética de las moléculas, moléculas, de
!"# $" !% &"' &"'()$ ()$*+ *+(*% (*% donde podemos decir que se rat ratifi ifica la 1 !"# )+/"'0%*+ $" !% "+"'%.
=. %E5N(J/>O5 "O"(N56OE5.
31
5e obtu obtuvo vo un resu resulta ltado do prác práctitica came ment nte e cons consta tant nte e para para la velo veloci cida dad d medi media a cuadrática, mas un error promedio, apro7imadamente será& v
= 499.8 ±8.110[ m /
s]
El cual ya se e7plico anteriormente. Para la velocidad de admisión de aire se obtuvo un resultado de& v) 11.11 U 9.9=;CmsF "on lo cual concluimos que, la velocidad media cuadrática no depende de la presión si no de la energa energa cinética de las moléculas del fluido de traba!o, y por lo tanto no varia seg#n el aumento o disminución de la presión. 5e observa también que la velocidad de entrada del aire al compresor es aceptablemente ba!a, dado que el caudal de aire se e7trae del ambiente donde la presión es ba!a 09.=; bar, en Oruro2. para finalizar podemos mencionar que los manómetros son de gran uso y utilidad para las ramas de la ingeniera y sus necesidades.
<. B6B(6OK%/-6/. 3.M -aires $oring 'irgil, Jermodinámica, Editorial Lispano /mericana, 3II9.
32
1.M 'illca Judela Vuan /ndrés, E7presión de la 6ncertidumbre, Editorial. (aboratorio Jérmicas, 6ng. $ecánica Electromecánica, -6, Oruro 199< :.M /tlas "opco "opco 6nd., $anual $anual sobre el aire aire compri comprimid mido o y su aplicaci aplicación ón en la industria, Editorial /tlas "opco 6nd., $é7ico, 3IH;
G.M (abor (aborato atorio rio de maquin maquinas as térmic térmicas, as, norma normass de presen presentac tación ión de inform informe, e, 888.geocities.comedgarspe
RESUMEN En la presente actividad actividad e7perimental se se utilizaron los manómetros manómetros de bourdon, para los cuales se elaboro una ficha técnica, además se elaboro también la ficha técnica técnica del compresor compresor utilizado utilizado para presuriz presurizar ar la red neumática neumática del laboratorio. laboratorio. 5e tomaron varias lecturas de presiones presiones diferentes, mediante mediante las cuales se logro calcular calcular las velocidades velocidades medias cuadráticas cuadráticas respectivas respectivas para cada presión, presión, sin embargo embargo se eviden evidencio cio que sin import importar ar la variac variación ión de presió presión n la veloci velocidad dad media cuadrá cuadrátic tica a v
= 499.8 ±8.110[ m /
permaneció constante en
s]
, esto debido debido a que que la temperatura temperatura 0y
33
la energa cinetica2 cinetica2 permaneció permaneció constante, constante, dado que en el sistema sistema se asumió asumió que no e7istan perdidas ni intromisión de factores e7ternos.
En otro acápite del presente presente informe, se evaluó también también el caudal de entrada de aire al compreso compresorr R)9.999:: R)9.999:: Cm_:sF, Cm_:sF, esto con la finalidad de calcular la velocidad velocidad de admisión de aire en los conductos conductos del compresor, la cual al finalmente tuvo un valor valor de v) 11.11 U 9.9=;CmsF
>e esta esta manera manera se dio cumplim cumplimien iento to con con todos todos los ob!etivo ob!etivoss propue propuesto stoss al comienzo de la e7periencia e7periencia realizada en el laboratorio, laboratorio, de!ando constancia constancia de ello en el presente informe.
INDICE 1. INTRODUCCION.
PA. 1
1.2 OBJETIVOS.
1
1.3 FUNDAMENTO TEORICO.
1
34
1.3.1 PRESION
2
1.3.2 PRESION ABSOLUTA
2
1.3.3 PRESION ATMOSFERICA
2
1.3.4 PRESION MANOMETRICA
2
1.3.5 VELOCIDAD MEDIA CUADRATICA
3
1.4 MANOMETRO DE BOURDON
4
1.5 COMPRESOR COMPRESORES ES
5
1.5.1CLASIFICACION
6
1.5.1.1 COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO DESPLAZAMIENTO
6
1.5.1.1.1 COMPRESORES ALTERNATIVOS
6
1.5.1.1.2 COMPRESORES ROTATIVOS
7
1.5.1.2 COMPRESORES DINAMICOS
2. METODOLOIA
6
7
2.1 E8UIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS
7
2.2 MONTAJE DEL E8UIPO
19
2.3 DESCRIPCION DEL E:PERIMENTO
11
3. OBTENCION; REISTRO DE DATOS 4. CALCULOS
35
12 12
4.1 VELOCIDAD MEDIA CUADRATICA
12
4.2 VEL. DE ENTRADA DE AIRE AL COMPRESOR
14
5. CUESTIONARIO
15
6. RESULTADOS ; CONCLUSIONES
16
7. BIBLIORAFIA
16
UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA INGENIERIA MECANICA
LABORATORIO DE TERMICAS TERMODINAMICA I MEC -2254
MEDICIONES EN EL SISTEMA NEUMATICO NEUMATICO DEL LABORATORIO DE NEUMATICA 36
>ocente de teora y laboratorio& 6ng. Edgar 5imeón PeAaranda $uAoz
-echa de entrega& 1GS 9: S 199H
5E$ 6199H O%N%OMBO(6'6/
37
