Vapor y movimiento. El vapor como fuente de movimiento. En los años 1700, ocurre en Europa, la Revolución Industrial, dejando a su paso maquinarias que sustituían, en gran medida, la mano de obra humana. Algunos de los avances mas destacados fueron, la máquina de vapor, la cual suplantó la rueda hidráulica, y las mejoras realizadas a las máquinas herramientas. Estas máquinas contaban con la innovación de la polea, la cual consistía en una rueda móvil, que gira sobre su eje, y canales sobre los que se coloca una soga en la que actúan resistencia y potencia, respectivamente, en cada extremo. Gracias a estas implementaciones fue más fácil la concepción de lugares para la instalación de fábricas, puesto que, en el caso de las industrias que requerían de ruedas hidráulicas antes de estas invenciones, ya no tenían que depender del curso del río.

Fue Henry Maudslay, originario de Gran Bretaña, quien se destacó en la elaboración de elementos que otorgaran la exactitud requerida para la confección de productos, ya que éste ejecutó el primer torno íntegro de metal con un husillo guía patrón, que disponía de un micrómetro como medidor, al cual llamó “El señor Canciller”, éste contaba con una precisión tal que media con certeza hasta la milésima de pulgada. Gracias a los avances llevados acabo por Maudslay el progreso en la elaboración de maquinas herramientas fue mas que notable. Maudslay también dejó a su paso discípulos de su obra, como fue el caso de Richard Roberts, que construye el cepillo puente y James Nasmyth quien fuese el ejecutor de la primera limadora. En Alemania, para el siglo XIX, Dietrich Uhlhöm elabora la prensa de acuñación de monedas, en 1817.

Funcionamiento de una locomotora a vapor :

Examinaremos los principales elementos de una locomotora a vapor, vemos en los diagramas en donde se muestra una de las potentes locomotoras que fueron el más importante medio de transporte en los albores del siglo XX, se ve que la caldera va asentada sobre una armadura que a su vez es sostenida sobre los ejes de las ruedas por el intermedio de muelles. Una armadura sólida de hierro colado conecta el extremo anterior de la caldera con el bastidor del vehículo y lleva también los cilindros de la máquina. En la figura se ha separado la pared del cilindro, para mostrar el pistón circular que se mueve hacia atrás y hacia adelante en el interior del cilindro. El vapor es admitido en el cuerpo de bomba por una válvula que obedece a la acción del maquinista. Dentro del cuerpo de bomba existe otra válvula, que no se muestra en la figura y que funciona por la acción de uno de los ejes, de modo que cuando el eje giro da entrada al vapor, primero hacia un lado del pistón y después hacia el otro, permitiendo que éste escape cuando ha obligado al pistón a pasar desde un extremo al otro del cilindro. El tallo del pistón se articula con una biela que a su vez actúa sobre un perno de una de las ruedas motrices, de forma que el movimiento de vaivén del pistón y su tallo pone en movimiento a la biela y el desplazamiento de ésta hace que la rueda gire de la misma manera que el pedal de una máquina de coser y produce el movimiento rotatorio de su rueda motriz. Cuando la máquina lleva más de un juego de ruedas motrices, con objeto de obtener mayor contacto con la vía, todas las ruedas de un lado se hallan acopladas por medio de una barra lateral que las obliga a girar al unísono.

1- Caldera , 2- caja de vapor , 3- juego delantero de ruedas auxiliares , 4- pistón , 5- cilindro , 6- articulación del tallo del pistón con la biela , 7- barra lateral que acopla las ruedas , 8-biela , 9-armadura , 10- carril , 11-juego trasero de ruedas auxiliares, 12- caja de humos , 13- tubos , 14- agua , 15- armadura , 16-muelle , 17- soportes , 18- cojinete , 19- carril , 20- parrilla del hogar , 21- boca del hogar

A cada lado de la locomotora funciona un cilindro con su pistón correspondiente acoplado al mismo juego de ruedas; pero las bielas de cada lado funcionan con un cuarto de vuelta de diferencia, de modo que las dos máquinas laterales nunca se encuentran al mismo tiempo al extremo de un golpe de pistón, y una de ellas, por consiguiente, está siempre en disposición de actuar sobre la locomotora. El mecanismo para hacer funcionar la válvula de admisión del vapor en el cuerpo de bomba permite el cambio de dirección del surtidor de vapor con objeto de invertir también la dirección del movimiento de la locomotora cuando se quiere que ésta marche hacia atrás.

En la figura inferior del diagrama se hallan suprimidas las ruedas, para mostrar cómo se soporta el gran peso de toda la máquina. La caldera, como se ha hecho notar, descansa sobre el bastidor. Este a su vez se halla suspendido de los muelles por medio de eslabones o anillos de enganche. Los muelles están sostenidos por soportes que, en forma de horquilla, van montados sobre el bastidor, y que descansan sobre los cojinetes del eje. Estos, finalmente, transmiten el peso a las ruedas, que a su vez descansan sobre los carriles. En las locomotoras americanas, en las que hay varios juegos de ruedas motrices, los extremos adjuntos de los muelles están conectados con los extremos opuestos de una palanca común, como se muestra en la figura, lo cual da mayor elasticidad a la conexión entre el bastidor y el eje. Esto permite a las grandes máquinas moverse sobre sitios no bien

nivelados en la vía, sin necesidad de obligar al bastidor o a la caldera a sufrir un esfuerzo excesivo.

Cuando la locomotora es muy larga como la que se muestra en la figura debe ir provista de juegos de ruedas auxiliares en uno o en los dos extremos, y que se denominan respectivamente juego delantero y juego trasero. Algunas veces las locomotoras se hallan montadas en dos ruedas; otras veces, en cuatro, y el bastidor que lleva los ejes está dispuesto de modo que puede girar alrededor de un perno central, lo que permite a la locomotora salvar las curvas. En la figura inferior del diagrama se ha suprimido también una parte de la cubierta de la caldera, para mostrar la parrilla del hogar donde se quema el combustible y los tubos que llevan las llamas y los gases calientes desde dicho hogar a la caja de humos, al extremo anterior de la caldera, donde escapan por la chimenea. El agua que rodea los tubos y el hogar se convierte en vapor por la acción de los gases calientes y pasa al cuerpo de bomba; después de haber actuado allí, se le da salida por medio de un tubo que conduce a la chimenea, ocasionando un fuerte tiro a través de los tubos y del hogar, estimulando enormemente la combustión del carbón. Si no fuera por esto, la locomotora a vapor no sería tan potente como lo es, dado su tamaño.

Máquina de vaporDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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Máquina de vapor. Véase también la Animación gif de una máquina de vapor.

Una máquina de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de vapor de agua en energia mecánica. En esencia, el ciclo de trabajo se realiza en dos etapas:

Se genera vapor de agua en una caldera cerrada por calentamiento, lo cual produce la expansión del volumen de un cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela - manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia.

El vapor a presión se controla mediante una serie de válvulas de entrada y salida que regulan la renovación de la carga; es decir, los flujos del vapor hacia y desde el cilindro.

El motor o máquina de vapor se utilizó extensamente durante la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbomáquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación e introduce en el cilindro arrastrando el émbolo o pistón en su expansión; empleando energía genérica de turbinas de vapor. En la actualidad la máquina de vapor alternativa es un motor muy poco usado salvo para servicios auxiliares, ya que se ha visto desplazado especialmente por el motor eléctrico en la maquinaria industrial y por el motor de combustión interna en el transporte.

2. La máquina de vapor.

 

Uno de los ejemplos tradicionales de la relación entre el movimiento de rotación con el desplazamiento en vaivén lo constituye el funcionamiento de la máquina de vapor. Aquí tenemos un triángulo de base variable: cuando B gira alrededor de A, la biela BC transfiere el movimiento a un émbolo, que se mueve por el interior de un cilindro.

En la realidad, el punto impulsor es C y su movimiento de vaivén se traduce en un movimiento de rotación de B alrededor de A, pero esta construcción presenta algunos problemas en Cabri y se ha optado por la contraria.

Para analizar el modelo de la máquina de vapor, en lugar de situar el punto C sobre un segmento XY, como en la construcción del gato elevador, hacemos que el grado de libertad del sistema recaiga sobre el punto B. La condición que debemos imponer a este punto es distinta a la construcción del gato.

Como el segmento AB tiene longitud fija, B ha de ser un punto situado sobre la circunferencia de centro A y radio AB. Para situar la otra varilla de longitud fija debemos hacer un nuevo compás de centro B y radio BC, de esta manera tendremos una circunferencia que corta a la semirecta en el punto C.  

El triángulo de base variable tendrá ahora otra apariencia; un punto B gira alrededor de A e impulsa una biela, uno de cuyos extremos es obligado a moverse por una línea recta.

El punto C es el que debe arrastrar consigo el rectángulo que simula el pistón. Uno de los lados del triángulo estará situado sobre la recta perpendicular al segmento AC que pasa por C, tomamos dos puntos de esa recta D y D’ que estén a la misma distancia de C que serán dos vértices y trazamos dos rectas paralelas a AC que pasen por ellos.

Dibujamos después dos circunferencias del mismo radio DE con centro en D y D’, y los puntos de corte con las últimas rectas dibujadas nos determinan los dos vértices E y E’ del rectángulo.

Para acabar, trazamos el polígono DEE’D’, ocultamos las líneas auxiliares e introducimos algunos elementos de presentación para que el resultado sea lo más realista posible.

El diseño de la máquina de vapor es útil para profundizar en conceptos matemáticos, como la medida de ángulos y las funciones trigonométricas. Con un punto, que gira alrededor de una circunferencia de radio unidad, es sencillo dibujar la función seno como la medida de la distancia del punto al eje de abscisas.

 Podemos utilizar el sistema biela-manivela de la construcción del motor de explosión con Cabri II para estudiar la altura que alcanza el émbolo en el cilindro, y construir la gráfica que determina la posición de este punto cuando da una vuelta completa. Es interesante comparar esta gráfica con la función seno, veremos que hay pequeñas diferencias, algunas de ellas vienen marcadas por detalles que no son fáciles de detectar: la construcción realizada hace que tarde más en ir de derecha a izquierda por la parte de arriba que al revés, consecuencia de esto es que la gráfica que indica la posición del cilindro –en azul- esté por encima de la del seno, excepto en dos puntos: pi/2 y 2pi/3 que son los únicos en los que ambas coinciden.

 

La máquina de vapor (1). (210vapor)

Un punto B gira alrededor de A mientras la biela BC transfiere este movimiento al punto C que está situado sobre una recta que pasa por A, y arrastra consigo al pistón por el interior del cilindro.

La máquina de vapor (2). (220vapor)

Igual que el anterior situado en posición horizontal.

La máquina de vapor y la función seno. (230sinex)

Esta construcción sirve para comparar la gráfica de la función seno con la que determina la posición del pistón dentro del cilindro.

El hinchador. (240hinch)

El triángulo de base variable se acciona con una palanca desde el punto P. Con ella conseguimos acortar la longitud del segmento BC para que expulse el aire del interior del cilindro.

Cilindro giratorio. (250cilgi)

El triángulo ABC con BC de longitud variable se acciona mediante la manivela AC.

Cuando C gira, obliga al pistón a desplazarse por el interior del cilindro a la vez que gira.

Aguja en la máquina de coser. (260maqco)

Con un funcionamiento muy parecido a la máquina de vapor, conseguimos el movimiento arriba-abajo de la aguja en la máquina de coser

La máquina de coser a pedal. (270cospe)

PQ hace pedal que bascula alrededor de O. La biela transfiere este movimiento a la rotación de un punto alrededor de una circunferencia. En el diseño sólo podemos ver el movimiento sobre media circunferencia. En la realidad la inercia se encargará de que R dé la vuelta completa

La palanca acodada. (280palco)

Tiene un funcionamiento muy parecido al hinchador. En este caso se aprovecha el hecho de que, cuando P está próximo a X, sus desplazamientos se convierten en movimientos muy pequeños de B, con lo que será más fácil conseguir que la barra se introduzca por el interior de un pasador.

El cubo de basura. (290cubas)

Al bajar P en el pequeño arco marcado, hacemos que B bascule con él alrededor de A. La barra BC está articulada de forma que pase por R. Cuando B se eleve, C presionará sobre la tapa para abrirla.

De la misma forma, cuando dejemos de presionar sobre P, la tapa caerá sobre C y se producirá el movimiento al contrario.

Este último triángulo situado en el mecanismo a pedal de apertura de la tapadera del cubo de basura, es uno de los más difíciles de ver, porque el triángulo se encuentra oculto dentro del armazón. El diseño se ha realizado tomando como base el triángulo ABC con un lado AC de longitud variable. El pedal se baja en P, punto que se mueve sobre un pequeño arco y hace balancear una barra con punto fijo en A para que B suba y eleve consigo una barra que es obligada a pasar por el punto R. En C contacta con la tapa del cubo que gira alrededor del punto fijo O y la levanta.

Presión1. Introducción 2. Experiencia de Torricelli

3. Tipos de Medidores de Presión 4. Medidas de presión 5. Elementos mecánicos 6. Elementos neumáticos 7. Elementos Electromecánicos Electrónicos 8. Elementos Electrónicos de Vacío 9. Planta de Hipoclorito de sodio 10. Anexo 11. Conclusión 12. Bibliografía

Introducción

El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema.

Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación.

La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza, conocidas que puede ser la de una columna liquida un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.

Tenemos que:

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La relación de los diferentes tipos de presión se expresa en la figura siguiente:

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Presión Absoluta

Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto. La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las moléculas lo que indica que la proporción de

moléculas en estado gaseoso o la velocidad molecular es muy pequeña. Ester termino se creo debido a que la presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un termino absoluto unifica criterios.

Presión 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 próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2 (101,35Kpa), ,disminuyendo estos valores con la altitud.

Presión Manométrica

Son 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 existe, si el valor absoluto de la presión es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye; esta diferencia generalmente es pequeña 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.

La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a la lectura del manómetro.

Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.

Vacío

Se refiere a presiones manométricas menores que la atmosférica, que normalmente se miden, mediante los mismos tipos de elementos con que se miden las presiones superiores a la atmosférica, es decir, por diferencia entre el valor desconocido y la presión atmosférica existente. Los valores que corresponden al vacío aumentan al acercarse al cero absoluto y por lo general se expresa a modo de centímetros de mercurio (cmHg), metros de agua, etc.

De la misma manera que para las presiones manométricas, las variaciones de la presión atmosférica tienen solo un efecto pequeño en las lecturas del indicador de vacío.

Sin embargo, las variaciones pueden llegar a ser de importancia, que todo el intervalo hasta llegar al cero absoluto solo comprende 760 mmHg.

Medida de la presión. Manómetro

Para medir la presión empleamos un dispositivo denominado manómetro. Como A y B están a la misma altura la presión en A y en

B debe ser la misma. Por una rama la presión en B es debida al gas encerrado en el recipiente. Por la otra rama la presión en A es debida a la presión atmosférica más la presión debida a la diferencia de alturas del líquido manométrico.

p=p0 gh+

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 Experiencia de Torricelli

Para medir la presión atmosférica, Torricelli empleó un tubo largo cerrado por uno de sus extremos, lo llenó de mercurio y le dio la vuelta sobre una vasija de mercurio. El mercurio descendió hasta una altura h = 0.76 m al nivel del mar. Dado que el extremo cerrado del tubo se encuentra casi al vacío p = 0, y sabiendo la densidad del mercurio es 13.55 g /cm3 ó 13550 kg/m3 podemos determinar el valor de la presión atmosférica.

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Tipos de Medidores de Presión

Los instrumentos para medición de presión pueden ser indicadores, registradores, transmisores y controladores, y pueden clasificarse de acuerdo a lo siguiente:

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Tipo de Manómetro Rango de Operación

M. de Ionización 0.0001 a 1 x 10-3 mmHg ABS

M. de Termopar 1 x 10-3 a 0.05 mmHg

M. de Resistencia 1 x 10-3 a 1 mmHg

M. Mc. Clau 1 x 10-4 a 10 mmHg

M. de Campana Invertida 0 a 7.6 mmH2O

M. de Fuelle Abierto 13 a 230 cmH2O

M. de Cápsula 2.5 a 250 mmH2O

M. de Campana de Mercurio (LEDOUX) 0 a 5 mts H2O

M. "U" 0 a 2 Kg/cm2

M. de Fuelle Cerrado 0 a 3 Kg/cm2

M. de Espiral 0 a 300 Kg/cm2

M. de Bourdon tipo "C" 0 a 1,500 Kg/cm2

M. Medidor de esfuerzos (stren geigs) 7 a 3,500 Kg/cm2

M. Helicoidal 0 a 10,000 Kg/cm2

MEDIDAS DE PRESION

Unidades y clases de presión

La presión es una fuerza por unidad de superficie y puede expresarse en unidades tales como pascal, bar, atmosferas, kilogramos por centímetro cuadrado y psi (libras por pulgada cuadrada). En él Sistema Internacional (S.I.) esta normalizada en pascal de acuerdo con las Conferencias Generales de Pesas y Medidas que tuvieron lugar en Paris en octubre de 1967 y 1971, y según la Recomendación Internacional número 17, ratificada en la III Conferencia General de la Organización Internacional de Metrologia Legal. El pascal es 1 newton por metro cuadrado (1 N/m²), siendo el newton la fuerza que aplicada a un cuerpo.

Tabla 1 de unidades de presión

de masa 1 kg, le comunica una aceleración de 1 m/s² . Como el pascal es una unidad muy pequeña, se emplean también el kilopascal (1 kPa = 10 ² bar), el megapascal (1 MPa = 10 bar) y el gigapascal (1 GPa = 10 000 bar). En la industria se utiliza también el bar (1 bar = 10 5 Pa = 1,02 kg/cm. cuadrado) y el kg/CM2, Si bien esta última

unidad, a pesar de su uso todavía muy extendido, se emplea cada vez con menos frecuencia.

En la tabla 1. figuran las equivalencias entre estas unidades.

La presión puede medirse en valores absolutos o diferenciales. En la figura 1.1 se indican las clases de presión que los instrumentos miden comúnmente miden en las industrias.

Figura 1.1 Clases de Presion

La presion absoluta mide con relación al cero absoluto de presión (puntos A y A' de la figura 1.1).

La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmosfera terrestre medida mediante un barometro. A nivel del mar, esta presión es proxima a 760 mm (29,9 pulgadas) de mercurio absolutas o 14,7 psia (libras por pulgada cuadrada absolutas) y estos valores definen la presión ejercida por la atmosfera estandar.

La presión relativa es la determinada por un elemento que mide la diferencia entre la presión absoluta y la atmosferica del lugar donde se efectúa la medición (punto B de la figura). Hay que señalar que al aumentar o disminuir la presión

atmosférica, disminuye o aumenta respectivamente la presión leída (puntos

(B yB'), si bien ello es despreciable al medir presiones elevadas.

La presión diferencial es la diferencia entre dos presiones, puntos C y C'. El vacío es la diferencia de presiones entre la presión atmosférica existente y la presión absoluta, es decir, es la presión medida por debajo de la atmosférica(puntos D, D' y D"). Viene expresado en mm columna de mercurio, mm columna de agua o pulgadas de columna de agua. Las variaciones de la presión atmosférica influyen considerablemente en las lecturas del vacío.

El campo de aplicación de los medidores de presión es amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones de miles de

bar. En anexo 1 pueden verse los tipos de instrumentos y su campo de aplicación.

Los instrumentos de presión se clasifican en tres grupos: mecánicos, neumáticos, electromecánicos y electrónicos.

Elementos mecánicos

Se dividen en:

Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un liquido de densidad y altura conocidas (barómetro de cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana), y .

Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen.

Los elementos primarios elásticos mas empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.

El tubo Bourdon es un tubo de sección elìstica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. AI aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón. La Iey de deformación del tubo Bourdon es bastante compleja y ha sido determinada empíricamente a través de numerosas observaciones y ensayos en varios tubos.

El material empleado normalmente en el tubo Bourdon es de acero inoxidable, aleación de cobre o aleaciones especiales como hastelloy y monel.

El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando mas de una espira en forma de hè1ice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y por ello, son ideales para los registradores.

El diafragma consiste en una o varias capsulas circulares conectadas rigidamente entre si por soldadura, de forma que al aplicar presión, cada capsula se deforma y la suma de los pequeños desplazamientos es amplificada por un juego de palancas. El sistema se proyecta de tal modo que, al aplicar presión, el movimiento se aproxima a una relacion lineal en un intervalo de medida lo mas amplio posible con un minimo de histèresis y de desviación permanente en el cero del instrumento.

El material del diafragma es normalmente aleacion de niquel o inconel x. Se utiliza para pequeñas presiones.

El fuelle es parecido al diafragma compuesto, pero de una sola pieza flexible axialmente, y puede dilatarse o contraerse con un desplazamiento considerable.

Hay que señalar que los elementos de fuelle se caracterizan por su larga duración, demostrada en ensayos en los que han soportado sin deformación alguna millones de ciclos de flexión. El material empleado para el fuelle es usualmente bronce fosforoso y el muelle es tratado térmicamente para mantener fija su constante de fuerza por unidad de compresiòn. Se emplean para pequeñas presiones.

Los medidores de presión absoluta consisten en un conjunto de fuelle y muelle opuesto a un fuelle sellado al vacio absoluto. El movimiento resultante de la unión de los dos fuelles equivale a la presión absoluta del fluido. El material empleado para los fuelles es latón o acero inoxidable. Se utilizan para la medida exacta y el control preciso de bajas presiones, a las que puedan afectar las variaciones en la presión atmosférica. Por ejemplo, en el caso de emplear un vacuometro para el mantenimiento de una presión absoluta de 50 mm de mercurio en una columna de destilación, el punto de consigna seria de 710 mm, con una presión atmosférica de 760 mm. Si la presión atmosférica cambiase a 775 mm cl vacuometro indicaría: 710 + 15 = 725 mm con lo cual la presión absoluta en la columna sería controlada a 50 + 15 = 65 mm, es decir, a un 30 % más de la deseada.

En la medida de presiones de fluidos corrosivos pueden emplearse elementos primarios elásticos con materiales especiales en contacto directo con el fluido. Sin embargo, en la mayoría de los casos es más económico utilizar un fluido de sello cuando él fluido es altamente viscoso y obtura el elemento (tubo Bourdon, por ejemplo), o bien, cuando la temperatura del proceso es demasiado alta. Tal ocurre en la medición de presión del vapor de agua en que el agua condensada aísla el tubo Bourdon de la alta temperatura del vapor figura 1.2 a.

Se emplean asimismo sellos volumétricos de diafragma y de fuelle figura b y c que contienen un liquido incompresible para la transmisión de la presión.

Figura 1.2 Tipos de Sellos

En la tabla 2 pueden verse las características de los elementos mecánicos descritos.

Tabla 2 elementos mecanicos

Elementos neumáticos

Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumaticos

Transmisores neumáticos

Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera-obturador que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática.

El sistema tobera-obturador consiste en un tubo neumático aumentado a una presión constante P,,, con una reducción en su

salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una lámina llamada obturador cuya posición depende del elemento de medida. En la figura 2.1 se presenta el conjunto.

Figura 2.1 Sistema tobera-obturador

El aire de alimentación de presión normalizada 1,4 bar (20 psi) pasa por la restricción R y llena el volumen cerrado V escapándose a la atmósfera por la tobera R,. Ésta tiene un diámetro muy pequeño, de unos 0,25-0,5 mm, mientras que la restricción R tiene un diámetro alrededor de 0,1 mm. Con el obturador abierto la presión posterior remanente es de unos 0,03 bar, lo cual indica que la relación de presiones diferenciales a través de la restricción R es de 1,4/0,03 =-= 50 veces. El consumo de aire del conjunto tobera-obturador es relativamente pequeño, del orden de 3 NI/min.

El escape de aire a través de la tobera depende de la posición del obturador, es decir, del valor de x. Debido a este escape, el volumen V se encontrará a una presión P, intermedia entre P, y la presión atmosférica. En efecto: para x = 0 el obturador tapa casi totalmente a la tobera, con lo cual no hay escape de aire a la atmósfera y P, llega a ser casi igual a la presión P, del aire de alimentación: para x relativamente grande el obturador está bastante separado de la tobera y no limita el escape a la atmósfera siendo la presión P, próxima a la atmosférica.

En la figura 2.2 se representa una tobera ejerce una fuerza sobre el obturador F P, X S que tiende a desplazarlo. Esta curva de respuesta típica de un sistema tobera-obturador, pudiendo verse que la misma no es lineal.

El aire que se escapa de la fuerza debe hacerse despreciable con relación a la fuerza del elemento de medida que posiciona el obturador.

Con este objeto, en el amplificador de dos etapas se utiliza sólo una parte reducida de la curva, y se disminuye además la sección de la tobera a diámetros muy pequeños de 0,1 a 0,2 mm (no se consideran diámetros más pequeños para evitar que la tobera se tape por suciedad del aire). De este modo, la parte reducida de la curva puede aproximarse a una línea recta con lo cual se consigue una relación

prácticamente lineal entre el valor de la variable y la señal transmitida.

  Figura 2.2 Curva de respuesta de un sistema tobera-obturador

Como la restricción fija R es 3 a 4 veces menor que la tobera R,; sólo pasa por la misma un pequeño caudal de aire, por lo cual, el volumen V debe ser tan reducido como sea posible para obtener un tiempo de respuesta del sistema inferior al segundo.

La válvula piloto (amplificador neumático) empleada en el amplificador de dos etapas figura 2.3 cumple las siguientes funciones:

1. Aumento del caudal de aire suministrado, o del caudal de escape para conseguir tiempos de respuesta inferiores al segundo.

2. Amplificación de presión (ganancia) que suele ser de 4 a 5, en general, para obtener así la señal neumática estándar 3-15 psi (0,2-1 bar).

 

Figura 2.3 Bloque amplificador de dos etapas

En la válvula piloto con realimentación, sin escape continuo (fig. 2.4 a), la presión posterior P, de la tobera actúa sobre la membrana de superficie S, mientras que la presión de salida Po lo hace sobre la membrana S2. El conjunto móvil de las dos membranas tiende al equilibrio y cuando éste se establece se verifica la siguiente ecuación:

Pl - SI = PO ' S2

La relación

K. = P0 = S1

P1 S2

es el factor de amplificación o de ganancia de la válvula piloto.

En la posición de equilibrio y ante un aumento de la presión posterior P1 de la tobera, el aire de alimentación entra en la válvula aumentando el valor de Po. Por el contrario, si P1 disminuye, el aire contenido en el receptor escapa a través del orificio de escape, con lo cual Po baja. Entre estas dos reacciones del sistema existe una zona muerta debida a la histéresis mecánica de las partes moviles que esta representada en la curvas caracteristicas de presion y caudal de la válvula en las figuras 2.4 c y d.

 

Figura 2.4 (a,b,c)

El sistema descrito compuesto por el conjunto tobera-obturador y la válvula piloto presenta todavía las siguientes desventajas:

- Las variaciones en la presión del aire de alimentación influyen en la señal de salida.

-Las vibraciones que pueden existir en el proceso influyen en el juego mecánico entre el obturador y el elemento de medida y dan lugar a pulsaciones en la señal de salida, ya que el factor de amplificación del sistema tobera-obturador es muy grande.

Estos inconvenientes se evitan disminuyendo la ganancia del conjunto por realimentación negativa de la señal posterior de la tobera P, sobre el obturador. Se utilizan así tres sistemas de transmisión, el transmisor de equilibrio de movimientos, el de equilibrio de fuerzas y el de equilibrio de momentos.

Transmisor de equilibrio de movimientos

El transmisor de equilibrio de movimientos (fig. 2.5) compara el movimiento del elemento de medición asociado al obturador con un fuelle de realimentación de la presión posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza según la diferencia de movimientos alcanzando siempre una posición de equilibrio tal que existe una correspondencia lineal entre la variable y la señal de salida. Hay que señalar que en este tipo de transmisores, las palancas deben ser livianas, pero bastante fuertes para que no se doblen.

Fig. 2.5 Transmisor de equilibrio de movimientos.

  Estos instrumentos se utilizan, en particular, en la transmisión de presión y temperatura donde los elementos de medida tales como tubos Bourdon, manómetros de fuelle, elementos de temperatura de bulbo y capilar son capaces de generar un movimiento amplio, sea directamente o bien a través de palancas con la suficiente fuerza para eliminar el error de histéresis que pudiera producirse. Si la fuerza disponible es pequeña, aparte de la histéresis, el tiempo necesario para el movimiento es grande y el transmisor es lento en responder a los cambios de la variable. En este caso, se acude a los transmisores de equilibrio de fuerzas en los que básicamente el elemento primario de medida genera una fuerza que se equilibra con otra igual y opuesta producida por el transmisor.

Transmisor de equilibrio de fuerzas

En la figura 2.6 puede verse que el elemento de medición ejerce una fuerza en el punto A sobre la palanca AC que tiene su punto de apoyo en D. Cuando aumenta la fuerza ejercida por el elemento de medición, la palanca AC se desequilibra, tapa la tobera, la presión aumenta y el diafragma ejerce una fuerza hacia arriba alcanzándose un nuevo equilibrio. Hay que señalar, como se ha dicho, que en este transmisor los movimientos son inapreciables.

 Fig. 2.6. Transmisor de equilibrio de fuerzas.

Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumaticos cuyo elemento de medida es la presion adecuado al campo de medida correspondiente. El tipo de transmisor queda establecido por el campo de medida del elemento segun el anexo 1. Por ejemplo, un transmisor de 0-20 kg/cm2 utilizará un transmisor de equilibrio de fuerzas de tubo Bourdon mientras que uno de 3-15 psi será de equilibrio de movimientos con elemento de fuelle.

Elementos Electromecánicos Electronicos

Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, helice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos que, a traves de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico.

Los elementos electromecánicos de presión se clasifican segun el principio de funcionamiento en los siguientes tipos:

Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas:

Resistivos.

Magnéticos

Capacitivos.

Extensométricos.

Piezoeléctricos.

EL MANÓMETRO

Que es y para que sirve? Rango de presiones Manómetro Burdon Manómetro de columna de Liquido El Barómetro Manómetro de McLeod Algunas aplicaciones cotidianas Algunos manómetros en la industria

Que es y para que sirve?:

El manómetro es un instrumento utilizado para la medición de la presión en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presión entre el fluido y la presión local.

En la mecánica la presión se define como la fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie.

La presión suele medirse en atmósferas (atm); en el sistema internacional de unidades (SI), la presión se expresa en newtons por metro cuadrado; un newton por metro cuadrado es un pascal (Pa). La atmósfera se define como 101.325 Pa, y equivale a 760 mm de mercurio en un barómetro convencional.

Cuando los manómetros deben indicar fluctuaciones rápidas de presión se suelen utilizar sensores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.

Hay que tener en cuenta que la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, entonces hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Cuando se obtiene una medida negativa en el manómetro es debida a un vacío parcial.

 

Rango de presiones :

Las presiones pueden variar entre 10-8 y 10-2 mm de mercurio de presión absoluta en aplicaciones de alto vacío, hasta miles de atmósferas en prensas y controles hidráulicos. Con fines experimentales se han obtenido presiones del orden de millones de atmósferas, y la fabricación de diamantes artificiales exige presiones

de unas 70.000 atmósferas, además de temperaturas próximas a los 3.000 °C.

En la atmósfera, el peso cada vez menor de la columna de aire a medida que aumenta la altitud hace que disminuya la presión atmosférica local. Así, la presión baja desde su valor de 101.325 Pa al nivel del mar hasta unos 2.350 Pa a 10.700 m (35.000 pies, una altitud de vuelo típica de un reactor).

Por 'presión parcial' se entiende la presión efectiva que ejerce un componente gaseoso determinado en una mezcla de gases. La presión atmosférica total es la suma de las presiones parciales de sus componentes (oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono y gases nobles).

 

Manómetro de Burdon:

Instrumento mecánico de medición de presiones que emplea como elemento sensible un tubo metálico curvado o torcido, de sección transversal aplanada. Un extremo del tubo esta cerrado, y la presión que se va a medir se aplica por el otro extremo. A medida que la presión aumenta, el tubo tiende a adquirir una sección circular y enderezarse. El movimiento del extremo libre (cerrado) mide la presión interior y provoca el movimiento de la aguja.

El principio fundamental de que el movimiento del tubo es proporcional a la presión fue propuesto por el inventor francés Eugene Burdon en el siglo XIX.

Los manómetros Burdon se utilizan tanto para presiones manométricas que oscilan entre 0-1 Kg/cm2 como entre 0-10000 Kg/cm2 y también para vacío.

Las aproximaciones pueden ser del 0.1 al 2% de la totalidad de la escala, según el material, el diseño y la precisión de las piezas.

El elemento sensible del manómetro puede adoptar numerosas formas. Las más corrientes son las de tubo en C, espiral y helicoidal.

El tubo en C es simple y consistente y muy utilizado con esferas indicadoras circulares. También se emplea mucho en algunos indicadores eléctricos de presión, en los que es permisible o deseable un pequeño movimiento de la aguja. El campo de aplicación es de unos 1500 Kg/cm2.

Las formas espiral y helicoidal se utilizan en instrumentos de control y registro con un movimiento más amplio de la aguja o para menores esfuerzos en las paredes. Los elementos en espiral permiten un

campo de medición de 0.300 Kg/cm2, y los helicoidales hasta 10000 kg/cm2

A menudo se prefiere el tubo torcido, consistente y compacto, especialmente para los indicadores eléctricos de presión.

Los tubos Burdon se presentan en una serie de aleaciones de cobre y en aceros inoxidables al cromo níquel. En ciertos aspectos las aleaciones de cobre dan mejor resultado, pero los aceros inoxidables ofrecen mayor resistencia a la corrosión. También se utilizan tubos de aleación hierro-níquel, debido a que tienen un coeficiente de dilatación muy pequeño, que hace que la lectura d la presión no esté influida por la temperatura del instrumento.

Los instrumentos mecánicos y neumáticos con elementos Burdon permiten una aproximación del 0.5% de la escala. Si se precisa mayor exactitud se emplean indicadores eléctricos. Los manómetros Burdon miden la diferencia entre la presión interior y la exterior del tubo. Como la presión exterior suele ser la atmosférica, el manómetro indica la diferencia existente entre la presión medida y la presión atmosférica, es decir la presión manométrica.

El manómetro Burdon es el instrumento industrial de medición de presiones más generalizado, debido a su bajo costo, su suficiente aproximación y su duración.

 

Manómetro de columna de líquido:

Doble columna líquida utilizada para medir la diferencia entre las presiones de dos fluidos. El manómetro de columna de líquido es el patrón base para la medición de pequeñas diferencias de presión.

Las dos variedades principales son el manómetro de tubo de vidrio, para la simple indicación de la diferencia de las presiones, y le manómetro de mercurio con recipiente metálico, utilizado para regular o registrar una diferencia de presión o una corriente de un líquido.

Los tres tipos básicos de manómetro de tubo de vidrio son el de tubo en U , los de tintero y los de tubo inclinado, que pueden medir el vacío o la presión manométrica dejando una rama abierta a la atmósfera.

Manómetro de tubo en U: Si cada rama del manómetro se conecta a distintas fuentes de presión, el nivel del líquido aumentara en la rama a menor presión y disminuirá en la otra. La diferencia entre los niveles es función de las presiones aplicadas y del peso específica del líquido del instrumento. El área de la sección de los tubos no influyen

el la diferencia de niveles. Normalmente se fija entre las dos ramas una escala graduada para facilitar las medidas.

Los tubos en U de los micro manómetros se hacen con tubos en U de vidrio calibrado de precisión, un flotador metálico en una de las ramas y un carrete de inducción para señalar la posición del flotador. Un indicador electrónico potenciometrico puede señalar cambios de presión hasta de 0.01 mm de columna de agua. Estos aparatos se usan solo como patrones de laboratorio.

 

manómetro de tubo en U

manómetro de tintero: Una de las ramas de este tipo de manómetro tiene un diámetro manómetro relativamente pequeño; la otra es un deposito. El área de la sección recta del deposito puede ser hasta 1500 veces mayor que la de la rema manómetro, con lo que el nivel del deposito no oscila de manera apreciable con la manómetro de la presión. Cuando se produce un pequeño desnivel en el depósito, se compensa mediante ajustes de la escala de la rama manómetro. Entonces las lecturas de la presión diferencial o manométrica pueden efectuarse directamente en la escala manómetro. Los barómetros de mercurio se hacen generalmente del tipo de tintero.

manómetro de tintero con ajuste de cero

manómetro de tubo inclinado: Se usa para presiones manométricas inferiores a 250mm de columna de agua. La rama larga de un manómetro de tintero se inclina con respecto a la vertical para alargar la escala. También se usan manómetros de tubo en U con las dos ramas inclinadas para medir diferenciales de presión muy pequeñas.

Si bien los manómetros de tubo de vidrio son precisos y seguros, no producen un movimiento mecánico que pueda gobernar aparatos de registro y de regulación. Para esta aplicación de usan manómetros de mercurio del tipo de campana, de flotador, o de diafragma.

Los manómetros de tubo en U y los de deposito tienen una aproximación del orden de 1mm en la columna de agua, mientras que el de tubo inclinado, con su columna más larga aprecia hasta 0.25mm de columna de agua. Esta precisión depende de la habilidad del observador y de la limpieza del líquido y el tubo.

manómetro de tubo inclinado

El Barómetro:

El barómetro es básicamente un manómetro diseñado para medir la presión del aire. También es conocido como tubo de Torricelli. El nombre barómetro fue usado por primero vez por Boyle.

Historia del manómetro: La historia del descubrimiento parece haber sido la siguiente: Antiguamente se había observado que si por el extremo superior de un tubo abierto y vertical se aspiraba el aire mediante una bomba, estando el otro extremo en comunicación con un recipiente con agua, esta ascendía por el tubo, este fenómeno era atribuido al horror que manifestaban los cuerpos al vacío, según Aristóteles. Pero un constructor de bombas de Florencia se propuso elevar por este medio agua a una altura superior de 10 metros, sin conseguirlo. Fue y la pregunto a Galileo la razón del hecho, y este le respondió que era que el agua había alcanzado su límite de horror al vacío.

El primero que se dio cuenta del fenómeno real fue una de los discípulos de Galileo, Viviani (1644), quien afirmó que era la presión atmosférica y que la máxima altura del agua en un tubo vertical cerrado, suficientemente largo, y en cuya parte superior se hiciera vacío, debía exactamente medir la presión atmosférica, ya que esta era la que sostenía la columna de agua. Pensó luego que si la presión atmosférica sostenía a nivel de mar una columna de agua de 10 metros aproximadamente, podría sostener una columna de mercurio de unos 760mm, ya que el mercurio es 13.5 veces más pesado que el agua. Esta observación fue el fundamento del experimento de Torricelli, un amigo de Viviani, que confirmó la explicación de su amigo.

El experimento de Torricelli consiste en tomar un tubo de vidrio cerrado por un extremo y abierto por el otro, de 1 metro aproximadamente de longitud, llenarlo de mercurio, taparlo con el dedo pulgar e invertirlo introduciendo el extremo abierto en una cubeta con mercurio. Luego si el tubo se coloca verticalmente, la altura de la columna de mercurio de la cubeta es aproximadamente cerca de la altura del nivel del mar de 760mm apareciendo en la parte superior del tubo el llamado vacío de Torricelli, que realmente es un espacio llenado por vapor de mercurio a muy baja tensión.

Torricelli observó que la altura de la columna variaba, lo que explico la variación de la presión atmosférica.

experimento de Torricelli

Manómetro de McLeod:

Modelo de instrumento utilizado para medir bajas presiones. También se llama vacuometro de McLeod. Se recoge un volumen conocido del gas cuya presión se ha de medir y se eleva en el nivel de fluido (normalmente mercurio) por medio de un embolo, por una elevación del deposito, con una pero de goma o inclinando el aparato. Al elevar mas el nivel del mercurio el gas se comprime en el tubo capilar. De acuerdo con la Ley de Boyle, el gas comprimido ejerce ahora una presión suficiente para soportar una columna de mercurio lo bastante alta como para que pueda ser leída. Las lecturas son casi por completo independientes de la composición del gas.

El manómetro de McLeod es sencillo y económico.

Es muy usado como patrón absoluto de presiones en la zona de 0.0001-10mm de mercurio; a menudo se emplea para calibrar otros manómetros de bajas presiones que tienen un uso más practico.

Este manómetro tiene como inconvenientes que las lecturas son discontinuas, que necesita cierta manipulación para hacer cada lectura y que esta lectura es visual. El vapor de mercurio puede ocasionar trastornos al difundirse en el vacío que se va a medir.

posición de carga

  posición de medida

Algunas aplicaciones cotidianas del manómetro:

El manómetro en el buceo: El manómetro es de vital importancia para el buceador por que le permite conocer cuanto aire le resta en el tanque (multiplicando el volumen del tanque por la presión), durante una inmersión y determinar entonces si debe continuarla o no.

Se conecta, mediante un tubo de alta presión o latiguillo, a una toma de alta presión (HP). Normalmente, indica la presión mediante una aguja que se mueve en una esfera graduada, en la que acostumbra a marcarse en color rojo la zona comprendida entre las 0 y las 50 atmósferas, denominada reserva.

La manometría en la medicina: En la mediciones se utiliza la manometria para realizar mediciones de actividades musculares internas a través de registros hidroneumocapilares, por ejemplo la manometría anorectal o la manometría esofágica.

En la industria del frigorífico: Para mantener controlada la presión del líquido refrigerante que pasa por la bomba.

Algunos manómetros en la industria:

  MANOMETROS DE COLUMNA.

Manómetros de columna para presión, vacío y presión diferencial.

Columna inclinada con tres escalas de 10 – 25 y 50 mmca.

Columna en "U", escalas de 50 – 0 – 50 mmca. hasta 1500 -- 0 – 1500 mmca.

Columna directa, escalas 0 / +250 mmca hasta 

0 – 1400 mmca.

Líquido medidor: Silicona, tetrabromuro ó mercurio.

 

  MANOMETROS STANDARD.

Manómetros de muelle tubular serie standard en diámetros 40,50,63,80,100 ó 160 mm.

Montaje radial, posterior, borde dorsal, borde frontal o con brida, según modelos.

Material de la caja: en plástico, acero pintado de negro ó acero inoxidable. Racord – tubo en latón (según modelos).

Conexiones 1/8", 1/4",1/2 " GAS, según modelos (otras bajo demanda).

Rangos de 0 – 0,6 bar a 0 – 1000 bar (según modelos) para vacío, vacío / presión o presión.

Precisión clase 1 ó 1,6.

Ejecuciones: Llenado de glicerina, contactos eléctricos, marcas personalizadas, ... etc. (Otras, consultar).

 

  MANOMETROS DE BAJA PRESION.

Manómetros a cápsula, serie BAJA PRESION.

En diámetros 63, 100 ó 160.

Montaje radial, posterior, borde dorsal o borde frontal (según modelos).

Material: caja en acero pintado en negro o acero inoxidable. Racord – cápsula en latón o acero inoxidable.

Conexiones 1/4",1/2" GAS, según modelos. (Otras bajo demanda).

Rangos de 0 – 2,5 mbar a 0 – 600 mbar (según modelos), para vacío, vacío / presión o presión.

Precisión clase 1,6.

Otras ejecuciones, consultar.

 

  MANOMETROS DIGITALES.

Manómetros digitales con sensor integrado o independiente.

Rangos de 0 – 30 mbar a 0 – 2000 bar ó –1+2 bar a –1 +20 bar.

Precisiones del ± 0,2 %, ± 0,1 % ó 0,05% sobre el fondo de escala.

Opciones con selección de unidades, valor máximo y mínimo, tiempo de funcionamiento, puesta a cero, salida vía RS232 para volcado de datos y software.

 

BIBLIOGRAFÍA

Enciclopedia Encarta 98

Enciclopedia Universal Ilustrada, Europeo-Americana, Tomos XXXII, VII, Hijos de J Espasa editores. Barcelona, España.

Enciclopedia Salvat de la ciencia y de la tecnología tomo VIII, editorial Salvat, primera edición. Barcelona, España. 1964.

Fundamentos de Mecánica de Fluidos, segunda edición, P. Gerhart, R. Gross, J. Hochtein, Addison-Wesley Iberoamericana. USA 1995.

 

Manometer, manómetro. Instrumento medidor de presión; dial manometer, manómetro de cuadrante; mercurial manometer, manómetro de mercurio; metallic manometer, manómetro metálico.

Manometro tipo Bourdon

MANÓMETROS

Un manómetro es un dispositivo que mide la intensidad de una fuerza aplicada (presión) a un líquido o gas. Estos pueden ser de dos clases:

1. Los que equilibran la presión desconocida con otra que se conoce. A este tipo pertenece el manómetro de vidrio en U, en el que la presión se determina midiendo la diferencia en el nivel del líquido de las dos ramas.

2. Los que la presión desconocida actúa sobre un material elástico que produce el movimiento utilizado para poder medir la presión. A este tipo de manómetro pertenece el manómetro de tubo de Bourdon, el de pistón, el de diafragma, etc.

Manómetro de Bourdon.

Este manómetro consiste de una carátula calibrada en unidades PSI o Kpa y una aguja indicadora conectada a través de una articulación a un tubo curvado de metal flexible llamado tubo de bourdon. El tubo de bourdon se encuentra conectado a la presión del sistema.

Conforme se eleva la presión en un sistema, el tubo de bourdon tiende a enderezarse debido a la diferencia en áreas entre sus diámetros interior y exterior. Esta acción ocasiona que la aguja se mueva e indique la presión apropiada en la carátula.

El manómetro de tubo de bourdon, es por lo general, un instrumento de precisión cuya exactitud varia entre 0,1% y 3% de su escala completa. Son empleados frecuentemente para fines de experimentación y en sistemas donde es importante determinar la presión.

Manómetro de Pistón

Este manómetro consiste de un pistón conectado a la presión del sistema, un resorte desbalanceador, una aguja y una carátula calibrada en unidades apropiadas, PSI o Kpa.

Conforme la presión se eleva en un sistema, el pistón se mueve por esta presión, la que actúa en contra de la fuerza del resorte desbalanceador. Este movimiento ocasiona que la aguja indique en la escala la presión apropiada.

Manómetro de diafragma

Este manómetro posee una lámina ondulada o diafragma que transmite la deformación producida por las variaciones de presión

Manómetro de Fuelle

Este manómetro utiliza como elemento elástico un fuelle de tipo metálico el cual al recibir la fuerza proveniente del líquido, tiende a estirarse, con lo cual transmite a la aguja el movimiento para indicar en la carátula el valor de presión.

Vacuómetro

Los manómetros, como hemos visto, marcan presiones superiores a la atmosférica, que son las empleadas en hidráulica, pero también es necesario medir presiones

inferiores a la atmosférica por ejemplo, a la entrada de la bomba donde la presión es inferior a la atmosférica y la depresión debe ser mínima. Los aparatos que miden este vacío se llaman vacuómetros. Están calibrados en milímetro de mercurio. 30 pulgadas de mercurio (Hg) = 760 mm de Hg. 30 pulgadas de mercurio es el vacío perfecto.

Energía TérmicaIndice1. Introducción2. Vapor Saturado3. Análisis para selección de calderas

1. Introducción

La energía térmica es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica energía al frío; el tipo de energía que se cede de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la energía térmica.

Según el enfoque característico de la teoría cinético-molecular, la energía térmica de un cuerpo es la energía resultante de sumar todas las energías mecánicas asociadas a los movimientos de las diferentes partículas que lo componen. Se trata de una magnitud que no se puede medir en términos absolutos, pero es posible, sin embargo, determinar sus variaciones. La cantidad de energía térmica que un cuerpo pierde o gana en contacto con otro a diferente temperatura recibe el nombre de calor. El calor constituye, por tanto, una medida de la energía térmica puesta en juego en los fenómenos caloríficos.

Un símil hidráulico permite aclarar las diferencias entre los conceptos de temperatura, calor y energía térmica. Se dispone de dos recipientes cilíndricos de igual altura situados en una mesa horizontal, la superficie de cuyas bases están en la relación de uno a diez. Se trata de un vaso y de una probeta. Si se llena completamente de agua la probeta y el vaso sólo hasta la mitad, debido a su distinta capacidad, el primer recipiente contendrá cinco veces menos agua que el segundo. A pesar de ello, si se conectaran entre sí mediante un tubo de goma, el agua fluiría de la probeta al vaso y no al revés. La transferencia de agua de un recipiente al otro se ha llevado a cabo en virtud no del volumen almacenado, sino del nivel alcanzado por el agua en cada uno de ellos antes de comunicarlos.

En el caso de los fenómenos caloríficos la transferencia de energía térmica se produce de un modo semejante, puesto que ésta se cede no del cuerpo que almacena más energía térmica al cuerpo que almacena menos, sino del de mayor al de menor temperatura. La temperatura puede ser asimilada por tanto al nivel de energía térmica, y el calor puede ser comparado con la cantidad de agua que un recipiente cede al otro al comunicarlos entre sí.

La interpretación, desde el punto de vista de la teoría cinética, puede facilitarse si se comparan las moléculas de los cuerpos con bolas en movimiento. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto se produce una cesión de energía a nivel molecular. El cuerpo de mayor temperatura poseerá moléculas con mayor energía cinética que podrán ceder a las del cuerpo de menor temperatura, del mismo modo que una bola rápida que choca con una lenta la acelera; este tránsito de energía mecánica microscópica, cuyo efecto conjunto es el calor, se mantendrá en tanto aquéllas no se igualen.Termoeléctricas de Combustibles Fósiles: Producen electricidad mediante la energía calorífica generada por la combustión de diesel, carbón, gas natural, combustóleo y otros aceites pesados.

Un ejemplo interesante es el de una planta generadora de energía, la energía química almacenada en el combustible, se transforma por combustión en energía térmica. La energía térmica cambia el agua líquida a vapor. La energía del vapor es transformada en parte en energía mecánica en la turbina. Esta energía mecánica se transforma en energía eléctrica en el generador de corriente alterna. Esta última es transferida por los cables eléctricos en varios puntos en donde se usan para diferentes transformaciones. Nuestro entorno está basado económicamente en el suministro eléctrico y está vinculado a la transferencia y transformación de la energía, en la cual sin duda juega un papel clave en la transformación a otras formas previa a su generación y transferencia generalmente a distancias considerables.

Los procesos detallados de la digestión de alimentos es un asunto complicado, pero se realiza una transformación de la energía química localizada en los alimentos a energía térmica para mantener

el cuerpo caliente y ene energía mecánica para que el cuerpo realice trabajo moviendo las diferentes partes del mismo como un todo. Hay también alguna transformación en energía eléctrica y otros tipos de energía química que permiten establecer comunicación entre las diferentes partes del cuerpo y facilita la función del sistema nervioso. Aquí de nuevo se involucra transferencia y transformación. Todos los procesos biológicos a través del dominio de los seres vivientes pueden ser interpretados en términos del concepto de energía.

Los vientos y los huracanes constituyen otro ejemplo de la transformación de energía térmica comunicada a la atmósfera a través de energía mecánica; los movimientos resultantes son amplificados por la transferencia de energía mecánica de la tierra en rotación. La energía también juega un papel característico en los terremotos. Cuando una masa de rocas se desliza a lo largo de una falla, la energía potencial es transformada en energía cinética o energía de movimiento, la cual produce cambios en las vecindades. La energía puede llegar a producir graves destrucciones cerca de la superficie y cerca de la fuente. Este fenómeno puede ser detectado a grandes distancias de la fuente por medio de instrumentos sensibles denominados sismógrafos. La propagación por ondas es un ejemplo muy importante de transferencia de energía, lo mismo que la luz y el sonido.

Como un ejemplo de la propagación por ondas es el caso de la energía transferida, que se recibe en cantidades relativamente grandes del sol a través de las ondas emitidas por este cuerpo caliente y luminoso, el cual es responsable por la existencia y mantenimiento de la vida en la tierra.

Cual es el origen de toda esta energía procedente de la superficie solar que entrega energía a una tasa aproximadamente de 4 x 1023 kilovatios. Este ha sido un problema muy interesante para los astrólogos y físicos. Solamente en tiempos recientes se ha encontrado una respuesta plausible a este interrogante. La fuente de energía solar no es una transformación tan simple de la energía química en calor como cuando se quema carbón, ahora se considera que existe una transformación de masa en energía a través de la creación de núcleos de helio a partir de hidrógeno, es un proceso termonuclear, base de la bomba de hidrógeno.

Ahora la gente es más consciente del papel de la energía en la vida humana y en sus actividades. Ello se ha logrado a través de los medio de comunicación que informan sobre la velocidad de transformación de la energía lo cual determina la disminución de los recursos energéticos los cuales son finitos. La tecnología moderna está diseñando continuamente equipos y nuevas formas de transferir y transformar la energía para obtener los requerimientos de una sociedad que aspira cada vez más a una mejor y mayor calidad de vida esta forma de transformación de la energía a ritmos muy

rápidos a partir de combustibles fósiles y de la construcción de plantas, las cuales no solamente disminuye las reservas de combustibles sino que también interfieren con el ambiente, generando procesos de alteración. El rápido incremento de la población mundial produce mayores requerimientos de energía.

Podría objetarse en la transferencia y transformación de la energía es de importancia vital y que si ello no fuera así se pasaría por muchas dificultades. Pero entonces ¿cuál es el significado real de la energía y de qué manera se mide? Por ejemplo el agua se mide en galones o en litros. Si para los requerimientos domésticos se usa energía eléctrica hay un aparato que mide el número de revoluciones del dial. El aparato es un medidor de watio-hora. Lo usa la compañía eléctrica para facturar el uso de la electricidad, sería más correcto energía eléctrica.

2. Vapor Saturado

Vapor saturado: vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Mezclas vapor líquido: calidad = % vapor Vapor sobrecalentado: vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición.

Uso Del Vapor SaturadoLa esterilización con vapor saturado es el método universal más utilizado, aplicable a todos aquellos artículos que pueden soportar el calor y la humedad.Para conseguir una perfecta relación entre la temperatura de esterilización y la presión del vapor saturado, hay que eliminar eficazmente el aire del interior del autoclave

Vapor saturado:es el método más efectivo y de menor costo para esterilizar la mayoría de los objetos de uso hospitalario. El autoclave tiene la ventaja de producir un elevamiento de la temperatura en forma rápida, con cortos tiempos de esterilización y no dejar residuos tóxicos en el material.

La presencia de materia orgánica o suciedad en el material interfiere con la acción del vapor caliente por lo que, si el material está sucio, después del proceso, no se puede garantizar su esterilidad. Los microorganismos son eliminados por desnaturalización de las proteínas, proceso que es acelerado por la presencia de agua como en la mayoría de las reacciones químicas. Se logran temperaturas de 134ªC.

Ciclo Térmico De La CalderaEn el ciclo térmico como puede observarse en esta simple figura, se producen las distintas transformaciones y transferencia de la energía. El proceso químico de la combustión en la caldera produce energía, parte de la cual es cedida al agua que esta circulando

elevando su temperatura al punto de ebullición, el vapor presurizado y caliente incide sobre los alabes de la turbina, la que se pondrá en movimiento rotacional junto con el rotor del generador produciendo energía eléctrica.

3. Análisis para selección de calderas

El riesgo principal de los aparatos a presión es la liberación brusca de presión. Para poder ser utilizados deben reunir una serie de características técnicas y de seguridad requeridas en las disposiciones legales que les son de aplicación, lo que permitirá su homologación, con la acreditación y sellado pertinente.

Al margen de las características constructivas de los equipos, los usuarios de los aparatos a presión, para los que es de aplicación el reglamento de aparatos a presión, deberán llevar un libro registro, visado y sellado por la correspondiente autoridad competente, en el que deben figurar todos los aparatos instalados, indicándose en el mismo: características, procedencia, suministrador, instalador, fecha en la que se autorizó la instalación y fecha de la primera prueba y de las pruebas periódicas, así como las inspecciones no oficiales y reparaciones efectuadas con detalle de las mismas. No se incluyen en el libro las botellas y botellones de GLP u otros gases, sifones, extintores y aparatos análogos, de venta normal en el comercio.

Los operadores encargados de vigilar, supervisar, conducir y mantener los aparatos a presión deben estar adecuadamente instruidos en el manejo de los equipos y ser conscientes de los riesgos que puede ocasionar una falsa maniobra o un mal mantenimiento. En el caso de calderas de PxV>50 (P en kg/cm2 y V en m3), el Reglamento de aparatos a presión exige que los operadores dispongan de acreditación que garantice un adecuado nivel de conocimientos.

El Reglamento de aparatos a presión, mediante sus ITC determina, para cada aparato, las prescripciones de seguridad que deberán cumplir, así como las características de los emplazamientos o salas donde estén instalados, en función de su categoría.

CalderasCaldera.-Es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.Caldera de vapor.-Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua.Caldera de agua caliente.-Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110°.Caldera de agua sobrecalentada.-Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110°.Calderas de nivel definido.-Son aquéllas calderas que disponen de un determinado plano de separación de las fases líquida y vapor, dentro de unos límites previamente establecidos.

Calderas sin nivel definido.-Son aquéllas calderas en las que no haya un plano determinado de separación entre las fases líquida y vapor.Calderas automáticas.-Son aquellas calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo en su puesta inicial en servicio o en caso de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación calorífica. Asimismo se considerarán como automáticas las calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de una acción manual, salvo para cada puesta en marcha de su sistema de aportación calorífica después de que éste haya sufrido un paro ocasionado por la acción de alguno de sus órganos de seguridad o de regulación.Calderas manuales.-Se considerará como manual cualquier caldera cuyo funcionamiento difiera del de las anteriormente definidas como automáticas.

Factor de seguridad

1. Válvulas de seguridad-Todas las válvulas de seguridad que se instalen en las calderas de esta Instrucción serán de sistema de resorte y estarán provistas de mecanismos de apertura manual y regulación precintable, debiéndose cumplir la condición de que la elevación de la válvula deberá ser ayudada por la presión del vapor evacuado. No se permitirá el uso de válvulas de seguridad de peso directo ni de palanca con contrapeso.

Las válvulas de seguridad cumplirán las disposiciones constructivas y de calidad recogidas en la norma UNE 9-100.Toda caldera de vapor saturado llevará como mínimo dos válvulas de seguridad independientes, las cuales deberán precintarse a una presión que no exceda en un 10 por 100 a la de servicio, sin sobrepasar en ningún caso la de diseño. No obstante, las calderas de la clase C podrán llevar una sola válvula, que deberá estar precintada a la presión de diseño como máximo.

1. Válvulas del circuito de agua de alimentación.-La tubería de alimentación de agua desde la bomba dispondrá de dos válvulas de retención; una de estas válvulas se situará muy cerca de la caldera y la otra se colocará a la salida de la bomba. La válvula de retención situada junto a la caldera llevará, entre está y dicha válvula, una válvula de interrupción que pueda aislar e incomunicar la caldera de la tubería de alimentación; estas dos válvulas podrán ser sustituidas por una válvula mixta de interrupción y retención. Si existe un economizador incorporado a la caldera de vapor, estas válvulas se montarán a la entrada del economizador.

Todas las válvulas deberán estar protegidas contra la acción de los fluidos calientes y se instalarán en sitio y forma tales que puedan ser accionadas fácilmente por el personal encargado.

Partes integrantes de la caldera

Casco o domo Hogar ó Caja de fuego Instrumentación

Fluxes Registros Mamparas

Sobrecalentadores Chimenea Economizadores

Quemadores Precalentadores de aire Sopladores de hollín

Precalentadores de agua Sistema de tiro Puerta de acceso a los fluxes

 

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H U M A N I D A D

miércoles 7 de mayo de 2008

Turbina de vapor

Inventos que cambiaron el curso de la humanidad.La historia cuenta que en 1629 Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que salía por un caño. No se sabe a ciencia cierta si la máquina de Branca se construyó, pero, es claro que es el primer intento de construcción de las que hoy se llaman turbinas de acción.Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad.

En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.

El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora la cual cuenta con un conjuntos de turbinas para transformar la energía del vapor, también al conjunto del rodete y los álabes directores.