Instrumentación Industrial I

Profesor: Mg. Ing. Daniel Mendozajmendozar@tecsup.edu.pe

Instrumentación Industrial I

Medición de Temperatura

La medida de temperatura es una de las más comunes y másimportantes que se realizan en los procesos industriales.

Horno Industrial

Introducción

Objetivos:

• Identificar las diferentes unidades que se usan para expresar la medición de temperatura.

• Explicar el principio de funcionamiento de diversos sensores de temperatura no eléctricos.

Unidades

• En el sistema internacional de unidades: Kelvin

• Sin embargo, usualmente en ingeniería se usa: ºC

• Opcionalmente, ºF y ºR

Campos de medida

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Campos de medida

• Pirometría: Medición de altas temperaturas, en el rango en el que se manifiestan los efectos de radiación térmica.

• Criometría: Medición de muy bajas temperatura, usualmente cercanas al cero absoluto.

• Termometría: Medición en el rango intermedio de temperaturas.

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Transferencia de calor

• Conducción: Este proceso está basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo a mayor temperatura a otro a menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

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Conducción

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• Ley de Fourier:• El flujo de transferencia de calor

por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección:

• k: Conductividad térmica (W/(m·K))• A: Area transversal, por donde

circula el calor

Conductividad térmica

• A temperatura ambiente:

• Aire: 0.024 W/ (m.K)• Aluminio: 205 W/ (m.K)• Latón: 121 W/ (m.K)• Ladrillo: 0.6 W/ (m.K)• Carbono: 1.7 W/(m.K)• Concreto (piedra): 1.7 W/ (m.K)• Cobre: 401 W/(m.K)

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Ejemplos

• En la figura se muestra la pared de una casa.

• Se pide determinar la transferencia de calor por conducción para las condiciones presentadas.

• Considerar conductividad térmica de la pared:

• k = 0.6 W/ m.K27/04/23 Instrumentación Industrial I 11

Transferencia de calor

• Convección: Se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (líquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas.

• La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico (convección mecánica, forzada o asistida).

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Convección• En la transferencia de calor libre o natural un fluido es más caliente (o

más frío) y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

• La transferencia de calor por convección se expresa con la Ley del Enfriamiento de Newton.

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Convección

• Ley de Newton:

• h: Coeficiente de convección (W/(m2K))

• As: Area del cuerpo en contacto con el fluido.

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Coeficiente de convección

• Convección libre – Aire: 5-25 W/(m2K)• Convección libre – Agua: 20-100 W/(m2K)

• Convección forzada – Aire: 10-200 W/(m2K)• Convección forzada – Agua: 50-10000 W/(m2K)

• Agua hirviendo: 3000-100000 W/(m2K)• Vapor de agua condensando: 5000-100000 W/(m2K)

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Convección por aire

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Fórmula empírica: , en el rango v= [2 20] m/s v: velocidad relativa del objeto a través del aire.

Ejemplos

• Un fluido circula sobre una superficie plana de 1m x 1m con una temperatura promedio de 50ºC. La temperatura de la superficie es 20ºC. El coeficiente de transferencia de calor por convección es: 2000 W/(m2K). Calcule la transferencia de calor.

• Un fluido circula sobre una superficie cilíndrica de radio R=1’’ y longitud L=20’’ con una temperatura promedio de 176 ºF. La temperatura de la superficie es 40ºC. El coeficiente de transferencia de calor por convección es: 3000 W/(m2K). Calcule la transferencia de calor.

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Ejemplos

• Una plancha de acero inoxidable (k=16W/m.K) de (0.3m)x(0.1m) con un espesor de 12 mm, es expuesta a una corriente de aire por su superficie superior a 20ºC.

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Ejemplos

• En el experimento, la cara inferior de la plancha es calentada eléctricamente a 100ºC.

• Se conecta un voltímetro y un amperímetro al calentador, para obtener 200 VDC y 0.25 A respectivamente.

• Asumiendo que la plancha se encuentra perfectamente aislada por todas sus caras, excepto la superior, calcule su coeficiente de convección.

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Transferencia de calor

• Radiación térmica: Es radiación electromagnética generada por movimiento térmico de partículas cargadas en la materia.

• Toda la materia con temperatura mayor al cero absoluto emite radiación térmica. Esto se debe a aceleraciones debido a colisiones internas a nivel de los átomos y moléculas que componen todas las cosas del universo.

• Ejemplos: luz visible emitida por una luminaria, radiación infrarroja emitida por animales, radiación cósmica de fondo, etc.

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Radiación electromagnética

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¿Dada una cierta temperatura T, cuánta radiacióntérmica produce?

Ley Stefan-Boltzmann

¿Por qué se mide la temperatura?

• Para dar condiciones de seguridad.Las temperaturas excesivas pueden provocar accidentes en planta, daño de máquinas y personal.

• Para garantizar la ejecución de un proceso.Los procesos de fabricación siempre se ejecutan exitosamente bajo ciertas condiciones específicas de temperatura.

¿Por qué se mide la temperatura?

• En el campo de los procesos industriales, químicos, petroquímicos, siderúrgicos, cerámico, farmacéutico, alimenticio, hidroeléctrico, nuclear, papel y celulosa, etc. El monitoreo de la variable temperatura es fundamental para la obtención del producto final especificado.

Horno industrial

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Autoclaves textiles

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Planta de desorción de oro

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Lazo de control

TT

TC

ENTRADA

DE VAPOR

SALIDA DE VAPOR

ENTRADA DE AGUA FRIA

SALIDA DE AGUA CALIENTE

CONTROLADOR DE TEMPERATURA

TRANSMISOR DE TEMPERATURA

VALVULA

VARIABLE MANIPULADA

INTERCAMBIADOR

DE CALOR

Instrumentos de temperatura

• Utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura, entre ellos se pueden mencionar:

• Variaciones en volumen o en estado de los cuerpos (sólidos, líquidos o gases)

• Variación de resistencia de un conductor (sondas de resistencia) o de un semiconductor (termistores)

• F.E.M creada en la unión de dos metales distintos (termocuplas)

• Intensidad de la radiación total emitida por un cuerpo (pirómetro de radiación)

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Instrumentos de temperatura

• De este modo, se emplean los instrumentos siguientes:

• Termómetros de vidrio, bimetálicos, elementos primarios de bulbo y capilar rellenos de líquido, gas o vapor, termopares, pirómetros de radiación, termómetros de resistencia, termómetros ultrasónicos, de cristal de cuarzo.

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Termómetro de dilatación

• Termómetro de vidrio:• El termómetro de vidrio consta de un depósito de vidrio

que contiene, por ejemplo, mercurio y que al calentarse se expande y sube por el tubo capilar. El tubo es bastante delgado lo que permite apreciar fácilmente las variaciones de temperatura. Los márgenes de trabajo de los fluidos comúnmente empleados son:

Termómetro de dilatación

• En aplicaciones industriales se protege los termómetros con una vaina o cubierta de metal, que puede ser acero (generalmente inoxidable), bronce, latón, aluminio o níquel.

• El espacio entre el bulbo y la vaina se rellena con algún material altamente conductor térmico como aceite de silicona o polvo fino de cobre a fin de evitar retardos de tiempo por transporte.

• Los termómetros se calibran para ser usados en modo: inmersión parcial o completa.

Termómetro de vidrio

Termómetro de dilatación

Termómetro bimetálico:Constan de 2 láminas metálicas con diferente coeficiente de dilatación, unidas sólidamente por sus extremos.

Muy usados como termostatosCuando por efecto de la temperatura se dilatan, sedeforman produciéndose un desplazamiento mecánicocuya fuerza se emplea para mover una agujaindicadora o activar un mecanismo de controlRango: -40 a 500°C Precisión: 1%

Termómetro bimetálico

Termómetro bimetálico

Termómetro bimetálico

Si m ≈ n ≈ 1 (lo usual), la fórmula se reduce a:

Termómetro de bulbo

• Los termómetros tipo bulbo consisten esencialmente en un bulbo conectado por un capilar a un espiral.

• Dentro del tubo capilar hay un líquido, vapor o un gas, se elige según la aplicación.

Termómetro de bulbo

• Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden (aumentando la presión) y la espiral tiende a desenrollarse moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.

• Rango: -40°C a 425°C• Precisión: 1%

Termómetro de bulbo

Termómetro de bulbo

• Hay tres clases de este tipo de termómetros:

• Los termómetros Clase I tienen el sistema de medición lleno de líquido y como su dilatación es proporcional a la temperatura, la escala de medición resulta uniforme.

• Bulbo de poca masa, velocidad de respuesta rápida.• Líquidos: alcohol y éter

Termómetro Clase I B

• Un problema común es que la temperatura ambiente actúa sobre el capilar y el espiral por lo que hay que efectuar compensaciones.

• Los termómetros que compensan la influencia del espiral (en general con un bimetal) son de clase I B. Esta se denomina compensación en caja.

Compensación con bimetal

• La acción del bimetálico se contrapone a la que produce la temperatura ambiente sobre el capilar y el tubo Bourdon, de manera que efectúa una compensación por variación de la temperatura ambiente en el espiral.

Termómetro Clase I A

• Los termómetros de bulbo y Bourdon clase I A compensan la influencia de la temperatura ambiente sobre el volumen del líquido en el espiral mediante un segundo espiral de acción inversa de manera que ambas se compensen. Esto es necesario en capilares largos (más de 5 metros).

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Compensación

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Clase II

• Se basa en que la presión de un líquido en equilibrio con su vapor depende de la temperatura, como esa presión no depende de la temperatura que hay en el capilar y en el Bourdon de medición, no es necesario realizar compensaciones.

• Cuando la temperatura del bulbo es superior a la ambiente y el fluido en el capilar y en el Bourdon no se vaporiza (están llenos de líquido), se dice que es un termómetro clase II A.

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Diagrama de fase

• En el equilibrio líquido-vapor, la presión generada depende solamente de la temperatura a la que está expuesta el material.

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Compensación

• En este caso, si hay diferencia de alturas entre el Bourdon y el bulbo hay que corregir esa diferencia de presiones generada por dicha diferencia de alturas.

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Clase II B

• En estos termómetros la temperatura del bulbo es inferior a la ambiente entonces el capilar y el tubo Bourdon se llenan de vapor.

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Clase II C – II D

• La clase II C opera con la temperatura del bulbo superior e inferior a la temperatura ambiente, la clase II D trabaja con otro líquido no volátil para transmitir la presión de vapor.

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Clase III

• Estos termómetros operan con gas a volumen prácticamente constante, el Bourdon se deforma nuevamente debido al aumento de presión del gas.

• En este caso aplica la ley de gases ideales:

• PV = n R T• R = 8.314 J / (mol.K)

• Es necesario compensar la temperatura del ambiente en el sistema de medición.

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Clase IV

• Los termómetros actuados por mercurio son similares a los termómetros actuados por líquidos (clase I). Pueden tener compensación en la caja y compensación total.

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Tabla comparativa de algunas características