MEDIDORES DE FLUJO GASEOSO Albany Henao, Nataly Montoya, Yennifer, Alejandra M.Marulanda R.
Resumen: En la industria en especial la alimentaria, el flujo de vapor es muy importante para los procesos en los cuales el vapor suministra calor necesario para efectuar el proceso, para mejorar el transporte de fluidos con alta viscosidad entre otras aplicaciones. Por ende el controlar el flujo másico de gas es primordial y para esto se puede recurrir a dos instrumentos como lo son la placa de orificio bajo la cual se observa un a caída en la presión; por el estrangulamiento del área y el medidor de Thomas en el cual se puede obtener el flujo másico a partir de un cambio en las temperaturas del sistema. Abstract: In the industry especially the food, the steam flow is very important for for the the proc proces esses ses in whic which h the the stea steam m give gives s nece necess ssar ary y heat heat to effe effect ct the the process, to improve the transport of fluids with high viscosity between other applications. For to control the flow másico ofsteam is basic and for this it is possible to resort to two instruments like it they are the plate of orifice under which a fall is observed in the pressure; for the strangulation of the area and Thomas's meter in which it is possible to obtain the flow masico from a change in the temperatures of the system. 1. Intr Introd oduc ucci ción ón:: La placa placa de orific orificio io para para medici medición ón de flujo de gas debe ser excéntrica debido debido a la posibl posible e conde condensa nsació ción n del gas en la tubería. Los medido medidores res térmic térmicos, os, tambié también n llama lamado dos s med medido idores res de caudal udal Thomas, se basan comúnmente en dos principios físicos: La elevación elevación de temperatur temperatura a del fluido en su paso por un cuerpo caliente, y La pérdida de calor experimentada por un cuerpo caliente inmerso en el fluido. •
•
El funcionamiento de estos aparatos consta consta de una fuente fuente eléctr eléctrica ica de alim alimen enta tac ción ión de prec recisió isión n que que propor proporcio ciona na un calor calor consta constante nte al punt punto o medi medio o del del tubo tubo por por el cual cual circula el caudal. En puntos equidistantes de la fuente de calor
se encuentran sondas de resistencia para medir la temperatura Cuando el fluido está en reposo, la temper temperatu atura ra es idént idéntica ica en las las dos dos sondas. Cuando el fluido circula, transporta una una cantid ntida ad de calor alor hac hacia el segundo elemento de medición T 2, y se presenta nta una diferenci ncia de temp temper erat atura uras s que que va aume aument ntad ado o progr rogres esiv iva ament mente e entre ntre las dos sond sondas as a medi medida da que que aume aumenta nta el caudal. Esta diferencia es proporcional a la masa que circula a través del tubo
2. Objeti Objetivo vo Genera General: l: •
•
Conocer el funcionamiento y las características de algunos medidores de flujo gaseoso. Construir curvas calibración para instrumentos.
de los
•
Obtener las curvas de recuperación de presión y las pérdidas permanentes en un medidor de placa de orificio
e Tabla 4. Datos de las condiciones de laboratorio para el medidor de Thomas 4. Modelos de Calculo:
3. Datos: •
Reostat ∆P (in P2 (in o H2O) H2O) 40 4.2 4.5 50 3.5 3.9 60 2.9 3.4 70 2.0 2.8 80 1.4 2.2 90 0.5 1.5 Tabla 1. Datos para el flujo de aire a través de la placa de orificio Dato Medida Cero (in H2O) 5.8 Presion atmosférica 86.08 (KPa) Tuberia de cobre tipo 49.76 x K 2”(D. interno m) 10-3 Diametro del orificio 2.22 x 10 2 (m) K (relacion Cp/Cv) 1.40 R de los gases 287 (J/Kg*K) Tabla 2. Datos de las condiciones de laboratorio para la placa de orificio Reostato
T1 T2 (salida) (entrada) 40 27 35 50 28 35 60 31 36 70 33 37 80 35 38 90 36 40 Tabla 3. Datos para el flujo de aire a través del medidor de Thomas Dato Voltaje Corrient
Medida 45 V 2A
Presión manometrica corrección con el cero:
y
Para la posición 40 marcada en el reóstato se tiene: ∆P = h *γ ∆P= 5.8 in-4.2in = 1.6 in 1.6 in 2.54 cm x 1 m x 9.81 KN/m 3 = 0.392KPa 1 in 100cm Presión absoluta: •
Pabs =Pg + Patm Para la posición 40 marcada en el reostato se tiene: Pabs = 0.392+86.08 = 86.47 KPa •
Calculo de β:
β = 2.22 x 10 -2 m = 0.44 49.76 x 10 -3 m Densidad del aire: ρ = P * PM K*T ρ= 86080*28.97 = 29.15 Kg/m3 287* 298 •
•
Factor de expansión del aire Y: 0,41 + 0,35β
4
Y
=1−
k
P 2 1 − P 1
Para la posición 40 marcada en el reóstato: Y = 1- 0.41+0.35(0.44)4 172.87/86.40) 1.40
(1-
Y = 1.30247 •
Cp del aire
Las temperaturas medidas en Thomas están en un rango entre 10-50ºC entonces el Cp se calcula con la siguiente ecuación Cp = T2 +T1 2 Para la posición 40 marcada en el reóstato: Cp = 27+35 2 Cp= 31º C / 304 KJ /KgK •
Flujo masico de aire
mC p ( T 2
−
T 1 )
=
VI cos φ
despejando m se tiene m= VI cos Ф Cp (T2 –T1) Para la posición 40 marcada en el reóstato: m= 45*2*0.95/1000 304*(308-300) m= 3.51 *10-5 Kg/s •
Caudal de aire a partir del flujo másico de thomas
Q = m/ρ Para la posición 40 marcada en el reóstato: Q = 0.000492 Kg/s 29.15Kg/m 3 Q= 1.68 x10-5 m3/s •
Cv del aire en la placa de orificio
Para la posición 40 marcada en el reóstato: Cv= 0.00436 (1-0.44 4)1/2 1.30247*((2*86.47/29.15)) 1/2 Cv = 0.0135 5. Resultados
Reosta ∆P P2 P5 to (KPa) (KPa) (KPa) 40 0.392 0.324 0.716 50 0.569 0.471 1.04 60 .726 0.588 1.31 70 0.942 0.745 1.68 80 1.08 0.892 1.97 90 1.27 1.08 2.35 Tabla 5. Presión manométrica para el aire en la placa de orificio Reosta ∆P P2 P5 to (KPa) (KPa) (KPa) 40 86.47 86.40 172.87 50 86.65 86.55 173.20 60 86.80 86.67 173.47 70 87.02 86.82 173.84 80 87.16 86.97 174.13 90 87.35 87.16 174.51 Tabla 6. Presión absoluta para el aire en la placa de orificio Reostato Y P5 /P2 40 1,30247 2,00081 50 1,30258 2,00116 60 1,30268 2,00150 70 1,30292 2,00230 80 1,30289 2,00218 90 1,30289 2,00218
Tabla 7. Valores del factor de expansión del aire y la relación de presiones para el aire en la placa de orificio
Figura 1. Variación del factor de expansión de aire con respecto a la relacion de presiones
Figura 2. Variación del Cambio en la Presión con respecto al caudal
Figura3. Variación de la posición del reostato con respecto al caudal
Reostato Cp (ºC) Cp (K) 40 31 304 50 31,5 304,5 60 33,5 306,5
70 35 308 80 36,5 309,5 90 38 311 Tabla 8. Valores de Cp para el aire Reostato m (Kg/s) 0,000049 40 2 0,000056 50 2 0,000078 60 1 0,000097 70 2 0,000128 80 9 0,000096 90 2 Tabla9. Valores de flujo másico de aire para las diferentes posiciones en el reóstato
Reostato Q (m3/s) V ( m/s) 1,6885E40 06 0,00436 1,9265E50 06 0,00497 2,6795E60 06 0,00692 3,3331E70 06 0,00861 4,4226E80 06 0,01142 3,3009E90 06 0,00852 Tabla 10. Valores de caudal y velocidad del aire para las diferentes posiciones en el reóstato Reostato Cv # Re 40 0,00135 340,241 50 0,00154 388,209 60 0,00214 539,946 70 0,00265 671,645 80 0,00352 891,187 90 0,00262 665,166 Tabla 11. Cv y # Re para el aire
presión que por la modificación en la temperatura.
8. Bibliografía Mecánica de Fluidos aplicada. Mott R. Ed Prentice HallHispanoamericana S.A. cuarta edición, Méjico, Figura 4. Varición del Cv en función del reynolds
6. Analisis de Resultados: La posición del reóstato es directamente proporcional ala caudal, entre mayor es la posición mayor es el caudal de aire que circula por la tubería El factor de expansión de aire es directamente proporcional a la relación de las presiones, al ser el aire un fluido comprensible, al pasar este a través de la placa de orificio experimenta un caída de presión que se ve reflejada en el coeficiente, pero este cambio es mínimo como se observa en la tabla 7.
7. Conclusiones: El coeficiente de velocidad es proporcional al cambio en el número de Reynolds para el aire, el cual varía por el cambio en la velocidad del gas a medida que se aumenta el flujo. El coeficiente de expansión del aire es una corrección que se debe hacer para obtener la velocidad real del fluido. El gas al hacer un fluido comprensible, experimenta mayor cambio por las modificaciones de
