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Técnicas de medición de flujo: Medidor de Flujo Sónico Mediante Agujeros Calibrados

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Academic year: 2022

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(1)

Técnicas de medición de flujo:

Medidor de Flujo Sónico Mediante Agujeros Calibrados

Fecha: Septiembre 2 de 2016 Hora: 16:00-18:00

Aula: 3-101

(2)

Contenido

Objetivo

Historia y Fundamentos del Flujo Compresible Selección de Agujeros

Construcción y Calibración

Resultados

(3)

Divulgar la metodología usada en la construcción y puesta a punto de un medidor de flujo de gases a través de orificios calibrados cuando se alcanzan las condiciones críticas o sónicas.

Objetivo

(4)

Historia y Fundamentos del Flujo Compresible

Aquel flujo donde las variaciones de densidad y, por lo tanto, los efectos de compresibilidad son significativos, a menudo en flujos de gases a velocidades altas.

Ernest Mach (1838-1916) realizó un revolucionario experimento al utiliza la técnica Schlieren para observar ondas de choque en flujos externos, notó que la transición ocurría cuando la relación V/c cambiaba.

John William Strutt (Lord Rayleigh 1842-1919) desarrollo un modelo para un flujo sin fricción pero con una transferencia de calor constante, alcanzando un flujo chocado debido a la transferencia de calor llamado (Choque Térmico).

Gino Girolamo Fanno (1888-1960) desarrollo un modelo donde el flujo poseía fricción trabajando de la

mano con el modelo de Darcy-Weisbach. Pero que finalmente fue organizado por Shapiro y lo hizo útil

con la aparición del factor de fricción.

(5)

Historia y Fundamentos del Flujo Compresible

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑀𝑎𝑠𝑎:

𝜌𝑐 = 𝜌 + 𝑑𝜌 𝑐 − 𝑑𝑉 → 𝑑𝑉 = 𝑐 𝑑𝜌

𝜌 1

𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟𝑎 𝐿𝑒𝑦:

ℎ + 𝑑ℎ + 𝑐 − 𝑑𝑉

2

2 = 𝑐

2

2 + ℎ → 𝑑ℎ = 𝑐𝑑𝑉 2 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑎 𝐿𝑒𝑦:

𝑇𝑑𝑠 = 𝑑ℎ − 𝑑𝑝

𝜌 → 𝑑ℎ = 𝑑𝑝

𝜌 3

𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝐼𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑜:

𝑝 = 𝐶

𝑜

𝜌

𝑘

𝑦 𝑑𝑝

𝑑𝜌 = 𝑘 𝑝

𝜌 = 𝑘𝑅𝑇 4

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑆𝑜𝑛𝑖𝑑𝑜 𝑐

2

= 𝑑𝑝

𝑑𝜌 = 𝑘𝑅𝑇 5 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑀𝑎𝑐ℎ

𝑀𝑎 = 𝑉 𝑐 6

Donde𝜌, 𝑝 𝑦 𝑇 son la densidad, presión y temperatura respectivamente, 𝑉 𝑦 𝑐 son la velocidad del flujo y sonido respectivamente,ℎ es la entalpia y 𝑘 es la relación de calores específicos

(6)

La entalpía de estancamiento representa la entalpía de un fluido cuando es llevado al reposo adiabáticamente.

ℎ + 𝑉 2

2 = ℎ 0 ↔ 𝑇 𝑜 = 𝑇 + 𝑉 2 2𝑐 𝑝

Las relaciones entre las propiedades de estancamiento y las propiedades estáticas definen el estado del flujo a lo largo de su dirección

Historia y Fundamentos del Flujo Compresible

𝑇

𝑜

𝑇 = 1 + 𝑘 − 1

2 𝑀𝑎

2

𝑝

𝑜

𝑝 = 1 + 𝑘 − 1

2 𝑀𝑎

2

𝑘−1𝑘

𝜌

𝑜

𝜌 = 1 + 𝑘 − 1

2 𝑀𝑎

2

𝑘−11

Fuente: Cengel, Y. A., & Boles, M. A. (2012). Termodinamica. McGraw-Hill Education.

(7)

Se dice que el flujo se choca (Choked Flow) cuando las variaciones en las condiciones aguas abajo no afectan el flujo. ¿Cómo ocurre esto?

Historia y Fundamentos del Flujo Compresible

𝑝

𝑝

0

= 2 𝑘 + 1

𝑘−1𝑘

𝑚

𝑚𝑎𝑥

= 𝐴

𝑝

0

𝑘 𝑅𝑇

0

2 𝑘 + 1

2 𝑘−1𝑘+1

(8)

Selección de Agujeros

Flujo Másico [g/s]

- CH4 CO2 H2 CO C3H8

Min 0,058002 0,057135 0,014466 0,187243 0,107169 Max 1,435530 2,438560 0,200617 4,339716 0,932006

VALORES DE OPERACIÓN DEL MOTOR

Rendimiento Volumétrico - 0,9

Cilindrada m^3 8,50E-04

Régimen de Giro rpm 1800

Presión Admisión kPa 200

Temperatura de Admisión K 300

Densidad kg/m^3 2,32288037

Masa de Aire kg/s 0,02665505

Tamaño de Orificios [pulg]

CH4 CO2 H2 CO C3H8

0,016 0,018 0,010 0,028 0,023

0,024 0,026 0,016 0,042 0,035

0,035 0,038 0,023 0,063 -

0,052 0,055 0,033 0,125 -

- 0,063 - - -

- 0,125 - - -

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00

300 400 500 600 700 800

Fl u jo Másic o [g /s]

Presión de Suministro [kPa]

Flujos para cada Orificio CH4

Diámetro Orificio (0,016") Diámetro Orificio (0,024") Diámetro Orificio (0,035") Diámetro Orificio (0,052")

(9)

Construcción

Elementos Construcción Medidor

Designación Cantidad

Acople Tubing 1/4 - 1/4 NPT 50

Union 1/4 NPT 20

Reducción 1/4 NPT - 3/8 NPT 40 Válvulas On-Off Electrónicas 5V - 3/8" 20

T - Tubing 1/4 30

Válvulas Anti-retorno 1/4 5 Transmisor de Presión Manométrica 1 - 10

bar 4

Tubing 1/4 5 Metros

T - Tubing 3/8 4

Tubing 3/8 3 Metros

Agujeros 1/4 NPT 30

Reducción 1/4 NPT - Tubing 3/8 5

El costo aproximado de la construcción del

medidor de flujo sónico fue de 8’000,000

de pesos.

(10)

Montaje experimental

Montaje de Calibración de los agujeros del medidor de flujo sónico

(11)

Calibración

Comparación de Flujos para Agujeros de H2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

235 285 335 385 435 485 535

Fl u jo Másic o [g /s]

Medido 0,010"

Calculado 0,010"

Medido 0,016"

Calculado 0,016"

Medido 0,023"

Calculado 0,023"

Medido 0,033"

(12)

Resultados

Comparación de los Coeficientes de Descarga para H2

0.75 0.77 0.79 0.81 0.83 0.85 0.87 0.89 0.91

235 285 335 385 435 485 535

C d [ -]

Presión de Suministro [kPa]

Cd 0,010"

Cd 0,016"

Cd 0,023"

Cd 0,033"

(13)

Coeficientes de Descargar [-]

CH4 CO2 H2 CO C3H8

0,88532 0,88532 0,88532 0,91632 0,95738

0,89820 0,89820 0,89820 0,88350 -

0,92178 0,92178 0,92178 - -

0,89993 0,89993 0,89993 - -

Resultados

La desviación promedio del coeficiente de descarga 0,605% y el coeficiente de variación promedio es de 0,695%

𝐶 𝑑 = 𝑚 𝑚𝑒𝑑

𝑚 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

Referencias

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