PRÁCTICA DE LABORATORIO: MEDIDOR DE FLUJO THOMAS

CUELLO CASTRO EDINSON

JIMENEZ ENAMORADO DAVID

SALAZAR HERNÁNDEZ EDINSON

VI semestre

Informe de laboratorio presentado a

CRISOSTOMO PERALTA

Ingeniero Químico

UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

BARRANQUILLA

2008

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN

INTRODUCCIÓN

PARTE EXPERIMENTAL

CALCULOS Y TABLAS

Tabla 1. Datos de la experiencia 1

Tabla 2. Resultados Experiencia 1, unidades SI

Tabla 3. Resultados Experiencia 1, unidades Sistema Inglés

GRAFICAS

Gráfica 1. Lectura del transformador vs.Q

Gráfica 2.Diferencia de temperatura vs. Q

PREGUNTAS GENERALES SOBRE MEDIDORES DE FLUJO DE GASES

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

RESUMEN

La práctica de laboratorio Medidor Thomas tiene como objetivos:

manejar en forma práctica los conceptos relacionados con la

transferencia calorífica en gases a través de una resistencia eléctrica,

así como calcular la rata de flujo de aire de un ducto para una rata de

calor constante y diferentes lecturas en el trasformador de velocidad del

motor. El medidor Thomas calienta el fluido cuando este pasa por una

resistencia eléctrica que le transfiere energía, así se fue variando la

lectura del transformador comenzando en 30 hasta llegar a 100

observando que la temperatura del gas aumentó. Todos los datos

recopilados así como los cálculos realizados se presentan en el siguiente

informe. Las conclusiones a las que se llegó se exponen al final.

INTRODUCCIÓN

En algunos procesos de ingeniería es común el manejo y transporte de

gases o aires, tales como ventilación, procesos industriales y

refrigeración. A diferencia de los líquidos, los gases son muy

compresibles, lo cual puede afectar fundamentalmente el diseño de los

equipos. Sin embargo, siempre que el gas no varíe sensiblemente su

densidad, y por tanto su volumen específico, la experiencia confirma que

el as prácticamente puede considerarse incompresible. Existen equipos

y procedimientos para cuantificar la rata de flujo de aire, dependiendo

de los diferentes procesos y operaciones que se realizan en el una

técnica es por mecanismos térmicos, generando calor por el paso de una

corriente eléctrica a través de una resistencia. Este calor es absorbido

por el aire que se hace circular por medio de un soplador, el aire se

calienta y la diferencia de temperatura generada nos proporciona una

forma de realizar un balance de energía al aire. Esta elevación promedio

de la temperatura del aire, resulta de la absorción de la potencia

eléctrica disipada en la resistencia, la cual se obtiene aplicando la ley de

Ohm.

Potencia eléctrica = V * I = q = m*Cp* (T2 – T1) = Q* ρ*Cp* (T2 – T1)

(1)

Donde las propiedades del aire son tomadas a 30°C y 1 atm.

La ecuación (1) tiene las unidades en el Sistema Internacional:

V * I [=] kW [=] kJ/s

Q* ρ*Cp* (T2 – T1) [=] (m3/s)(kg/m3)(kJ/K*kg)/(K) [=] kJ/s

Analizando la ecuación (1) se obtienen las relaciones para hallar los

flujos volumétricos y másico:

q = Q* ρ*Cp* (T2 – T1)

Q = q / [ρ*Cp* (T2 – T1)]

Q = V*I / [ρ*Cp* (T2 – T1)] [=] m3/s (2)

y

q = m*Cp* (T2 – T1) = Q* ρ*Cp* (T2 – T1)

m = Q* ρ [=] kg/s (3)

donde ρ es la densidad del aire a la temperatura promedio en unidades

del Sistema Internacional. Dado que se solicita calcular las ratas de flujo

de aire en lbm/min (mi) y ft3/s (Qi), la conversión necesaria es:

1 m3/s = 2118,88000329 ft3/s

Qi [=] 2118,88000329*Q (3)

Para el flujo de aire en lbm/min (mi) se tiene: mi = Qi * ρi

donde ρi es la densidad del aire a la temperatura promedio en unidades

del sistema inglés, para tal fin se tiene que:

1 kg/m3 = 0,06242691 lbm/ ft3

ρi = 0,06242691 * ρ

mi = 0,06242691 *ρ*Qi (4)

ó mi = Qi * ρi

Por último el cálculo de la diferencia de temperatura en °F se empleó la

conversión:

T(ºF) = (9/5)T(ºC) + 32 (5)

Aplicación Industrial. En muchos procesos industriales es necesario

medir los flujos de aire o gases, antes de alimentarse a los procesos. En

la ventilación de salas de trabajo, túneles, secado de procesos

industriales, en refrigeración y acondicionamiento de aire entre otras.

Anemómetros. Pueden ser de varias clases:

* De película caliente (explicado en la sección Preguntas)

* Anemómetro de copa. ‘Es el instrumento clásico usado en la

tecnología meteorológica para medir el viento. Los valores de medida

empiezan con 0,1 m/s y 1 m/s, dependiendo del diseño’.

* Ultrasónico. ‘Un anemómetro ultrasónico consiste en

transformadores ultrasónicos, colocados opuestos el uno al otro. Las

trayectorias de medición así formadas son verticales el uno al otro. Los

transformadores actúan como transmisores acústicos y receptores

acústicos. Las trayectorias respectivas y su dirección de medición se

seleccionan vía el control electrónico. Cuando una medida comienza, se

realiza una secuencia de varias medidas individuales en las 4

direcciones de las trayectorias de medición, a la máxima velocidad

posible. Las direcciones de medición (direcciones acústicas de

propagación) rotan a la derecha, primero del sur al norte, entonces del

oeste al este, del norte al sur y finalmente del este al oeste. Los valores

medios se forman de esta manera1’.

1 Tomado de www.sicocv.es

PARTE EXPERIMENTAL

La experiencia consta de un solo banco en el cual se empleó un Medidor

de Flujo Thomas descrito a continuación:

Descripción del Equipo:

Medidor de Flujo Thomas2. Su principio de operación se fundamenta en

la potencia disipada por una resistencia eléctrica expuesta a una

corriente gaseosa a la que se le desea medir su velocidad. Este fluido es

transportado por una ranura frontal y es succionado por intermedio de

un extractor de aire (blower), accionado por un motor de velocidad

variable. El gas circula al interior del equipo por un ducto en forma

rectangular, en donde se encuentra una resistencia eléctrica, la cual

transfiere energía al gas, para posteriormente descargarlo por otra

ranura de salida en la parte posterior del equipo. Conectado a la

resistencia eléctrica existe un voltímetro y un amperímetro, además de

un transformador de corriente eléctrica y de dos orificios para conectar

los termómetros. Se cuenta con dos interruptores para el encendido del

motor y resistencia eléctrica respectivamente.

Instrumentos auxiliares:

- Reactivos: el fluido utilizado es aire a temperatura ambiente.

- Frecuencia de Medidas: 1 sola vez.

Operación del equipo:

- Arranque del equipo: El profesor instructor se encargó de abrir las

compuertas de admisión y descarga del aire de las ranuras. Se

comprobó que el transformador variable TR-1 que regula la velocidad del

motor estuviera en posición cero (0), así como también los controles de

temperatura. Se encendió el interruptor del transformador variable, (IN-

1). Luego se giró suavemente la perilla del trasformador variable, (TR-1),

hasta la lectura deseada y por último se encendió el interruptor de la

resistencia (IN-2).

EXPERIENCIA 1. MEDICIÓN DE FLUJO DE GASES (aire)

- Metodología: Una vez se giró el transformador a una lectura inicial de

30, se dejó transcurrir un tiempo prudencial, hasta que la temperatura

de salida del aire, fuera constante tras haber pasado por la resistencia.

Luego se registraron los siguientes datos:

* Lectura del transformador variable. * Temperatura a la

entrada del medidor, T.

* Voltaje de AC en la resistencia. * Temperatura a la

salida del medidor, T

* Amperaje de AC en la resistencia.

__________________2 Tomado de la guía de Laboratorio Medidor de Flujo ThomasSe repitió el procedimiento unas nueve (9) veces más, variando la

lectura en la escala trasformador hasta llegar a una lectura de 100.

Todos los datos se registraron en la Tabla 1. Datos de la experiencia 1.

- Parada del equipo: Se apagó el interruptor de la resistencia

eléctrica, (IN-2), luego se llevó la posición del transformador a una

lectura de 50, con el fin de enfriar la resistencia durante diez

minutos. Transcurrido este tiempo, el profesor se encargó de llevar

la posición del transformador variable a una lectura de cero (0) y

apagó el interruptor del motor de velocidad variable, (IN-1).

CÁLCULOS Y TABLAS

Se presentan a continuación la tabla de datos:

  LECTURA DEL TRANSFORMADO

R

VOLTAJE (V)

AMPERAJE (A)

TEMPERATURA

DE ENTRADA (°C)

TEMPERATURA

DE SALIDA (°C)

1 30 95 8,8 29 382 35 95 8,8 29 373 40 95 8,8 29 364 45 95 8,8 29 355 50 94 8,75 29 34,56 55 94 8,75 29 347 60 94 8,75 29 348 65 94 8,75 29 339 90 94 8,75 29 3210

100 94 8,75 2932

Tabla 1. Datos de la experiencia 1

Con los datos obtenidos para cada posición del transformador, calcule:* Potencia eléctrica suministrada por la resistencia.* Rata de flujo de aire, (Lb/min)* Rata de flujo de aire, (ft3/min)* Diferencia de temperatura en grados Fahrenheit

Empleando las ecuaciones (1), (2), (3), (4), (5) y (6) detalladas en la sección Introducción, se calcularon los anteriores ítems. Se muestran a continuación los resultados obtenidos3.

 

Potencia

Eléctrica (W)

Tsal-Tent

(K)

Cp (kJ/kmol*K

)

Cp (kJ/kg*K

)

Tprom(K)

q (kW)

ρ (kg/m

3)

Q (m3/s

)

m (kg/s

)

1836 9 29,173 1,007 306,5

0,8356

1,154

0,0799

0,0922

2836 8

29,173 1,007306

0,8362

1,156

0,0898

0,1038

3836 7

29,173 1,007305,5

0,8360

1,158

0,1024

0,1186

4836 6

29,173 1,007305

0,8362

1,161

0,1192

0,1384

5822,5 5,5

29,173 1,007 304,75

0,8223

1,162

0,1278

0,1485

6 822,55

29,173 1,007304,5

0,8227

1,163

0,1405

0,1634

7 822,55

29,173 1,007304,5

0,8227

1,163

0,1405

0,1634

8 822,54

29,173 1,007304

0,8225

1,165

0,1753

0,2042

9 822,53

29,173 1,007303,5

0,8226

1,167

0,2333

0,2723

10

822,53

29,173 1,007303,5

0,8226

1,144

0,2380

0,2723

Tabla 2. Resultados Experiencia 1, unidades SI

__________________3 Las constantes para el Cp se tomaron Termodinámica, Yunus Cengel. De la referencia 3 se obtuvieron los datos de la densidad del aire.

 TENTRA

DA (°F) TSALID

A (°F)

TSAL-TENT

(°F) q

(kW)

 Q (ft3/m

in)

ρ (lb/ft3) 

m (lb/mi

n) 1

84,2 100,4 16,20,8356

169,298

0,0629

10,6488

2 84,298,6 14,4

0,8362

190,275

0,0629

11,9683

3 84,296,8 12,6

0,8360

216,973

0,0629

13,6476

4 84,295 10,8

0,8362

252,570

0,0629

15,8866

5 84,294,1 9,9

0,8223

270,793

0,0629

17,0329

6 84,293,2 9

0,8227

297,702

0,0629

18,7254

7 84,293,2 9

0,8227

297,702

0,0629

18,7254

8 84,291,4 7,2

0,8225

371,440

0,0629

23,3636

9 84,289,6 5,4

0,8226

494,335

0,0629

31,0937

10

84,289,6 5,4

0,8226

494,335

0,0629

31,0937

Tabla 3. Resultados Experiencia 1, unidades Sistema Inglés

GRAFICAS

Gráfica 1. Lectura del transformador vs.Q

Gráfica 2. Diferencia de temperatura vs. Q

PREGUNTAS GENERALES SOBRE MEDIDORES DE FLUJO DE GASES

1. ¿Qué es un anemómetro térmico?

Es un dispositivo que sirve para medir fluctuaciones rápidas de flujo,

mediante el cambio en la resistencia del aparato a causa del

calentamiento o enfriamiento del mismo cuando es expuesto los efectos

de la velocidad de un flujo gaseoso.

2. ¿Qué es un anemómetro de película caliente?

Es un dispositivo del tipo de los anemómetros térmicos implementado

por primera vez por Gust. El dispositivo consiste en una resistencia

eléctrica en la forma de película calienta fina de metal aplicada a un

substrato, esta se calienta inicialmente hasta la temperatura adecuada,

luego es expuesta a la corriente del flujo de gas a medir, por acción de

la velocidad de este (alta o baja), el dispositivo cambia de temperatura

lo que a su vez hace cambiar la resistencia eléctrica del mismo, este

dato es registrado por sensores y da evidencia de la rata de flujo de

fluido de trabajo. Las frecuencias necesarias para medir el 90% de la

energía cinética son del orden de los 3-4 Hz, los datos se reportan con

una precisión aproximada de 0.01 cm/s. Los datos recolectados se

relacionan las velocidades de flujo local en el gas. Dado su pequeño

tamaño en función de la naturaleza delgada de la película en algunas

ocasiones se puede pensar que el fluido que se maneja debe ser

restringido en cuanto el contenido de sedimentos.

3. ¿Qué es un termopar calentado?

Son dispositivos empleados en distintos baños termostáticos para

diversos rangos de temperatura ya que los líquidos conducen mejor el

calor que el aire o algún bloque metálico. Los baños termostáticos

utilizan líquidos agitados para mejorar la conducción y para evitar la

formación de gradientes, así como puntos fríos o calientes. En función

de la temperatura se utilizan diferentes fluidos de trabajo y diseños. Los

termopares son pues los equipos de medida de la temperatura que más

se utilizan en la industria. Son simples, robustos, de bajo coste, tamaño

pequeño y amplio rango de temperatura (desde –270ºC a 3000 ºC). En

ocasiones cuando se utiliza un grupo de termopares para medir la

temperatura de un flujo de aire, a temperatura ambiente, que pasa por

el centro de un conducto, mientras que la temperatura de los

termopares aumentada gracias a una fuente de radiación térmica, cada

termopar gana calor por radiación desde la pared calentada y pierde

calor por convección al flujo de aire y por conducción a lo largo del

alambre. El resultado neto es un aumento de la temperatura del

termopar por encima de la temperatura del flujo de aire que debe medir.

El resultado es un error en la lectura del termopar, por lo cual plantear

formas de eliminar estos errores.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Luego de la realización de la experiencia “Medidor de Thomas” se

concluyó que:

* El medidor Thomas es un dispositivo idóneo el flujo de gases mediante

la medición práctica de variables de sencillo registro.

* Los resultados indican una disminución de la temperatura de salida a

expensas de un aumento en el caudal del aire, dado por el cambio en la

lectura del transformador.

* El manejo de los conceptos relacionados con la transferencia de calor a

través de una resistencia eléctrica se facilita al trabajar con el medidor

de Thomas ya que es un aparato didáctico y práctico para la

comprobación de los conocimientos básicos.

Se recomienda:

* El laboratorio es un lugar para la formación integral del estudiante,

evite actos que puedan causar accidentes que atenten contra la

integridad física propia y de sus compañeros, así como daños al equipo e

instalaciones.

* No manipule partes del equipo sin la autorización previa o por

recomendación del docente o asistente.

* Tenga cuidado al señalar con sus manos u otros objetos el sistema

volante-polea del motor ventilador.

* No coloque sus manos u otros objetos en las ranuras de entrada y

salida del aire.

* En la parte posterior del equipo existen tomas eléctricas, no manipule

estos circuitos.

* Al terminar la experiencia, deje el quipo y sus alrededores en orden y

aseo adecuado.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. CRANE, división de ingeniería. FLUJO DE FLUIDOS EN VÁLVULAS,

ACCESORIOS Y TUBERÍAS. McGraw-Hill : México. 214 p.

2. FRANZINI, Joseph; FINNEMORE, John. MECÁNICA DE FLUIDOS CON

APLICACIONES EN INGENIERIA. 9 ed. McGraw-Hill : México. 503 p.

3. MOTT, Robert. MECÁNICA DE FLUIDOS APLICADA. 4 ed. Prentice Hall :

México. 581 p.