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Por:Edisson Steven Castaño Mesa

Técnicas de medición de flujo:

Medidor de Flujo Sónico MedianteAgujeros Calibrados

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

Aula: 3-101

Por:Edisson Steven Castaño Mesa 2

Contenido

Objetivo

Historia y Fundamentos del Flujo Compresible

Selección de Agujeros

Construcción y Calibración

Resultados


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

Objetivo



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

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

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

Gino Girolamo Fanno (1888-1960) desarrollo un modelo donde el flujo poseía fricción trabajando de lamano con el modelo de Darcy-Weisbach. Pero que finalmente fue organizado por Shapiro y lo hizo útilcon la aparición del factor de fricción.



𝐶𝑜𝑛𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑀𝑎𝑠𝑎:

𝜌𝑐 = 𝜌 + 𝑑𝜌 𝑐 − 𝑑𝑉 → 𝑑𝑉 = 𝑐𝑑𝜌

𝜌1

𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟𝑎 𝐿𝑒𝑦:

ℎ + 𝑑ℎ +𝑐 − 𝑑𝑉 2

2=𝑐2

2+ ℎ → 𝑑ℎ = 𝑐𝑑𝑉 2

𝑆𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑎 𝐿𝑒𝑦:

𝑇𝑑𝑠 = 𝑑ℎ −𝑑𝑝

𝜌→ 𝑑ℎ =

𝑑𝑝

𝜌3

𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝐼𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑜:

𝑝 = 𝐶𝑜𝜌𝑘 𝑦

𝑑𝑝

𝑑𝜌= 𝑘

𝑝

𝜌= 𝑘𝑅𝑇 4

𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑆𝑜𝑛𝑖𝑑𝑜

𝑐2 =𝑑𝑝

𝑑𝜌= 𝑘𝑅𝑇 5

𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑀𝑎𝑐ℎ

𝑀𝑎 =𝑉

𝑐6

Donde 𝜌, 𝑝 𝑦 𝑇 son la densidad, presión y temperatura respectivamente, 𝑉 𝑦 𝑐 son la velocidaddel flujo y sonido respectivamente, ℎ es la entalpia y 𝑘 es la relación de calores específicos


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

ℎ +𝑉2

2= ℎ0 ↔ 𝑇𝑜 = 𝑇 +

𝑉2

2𝑐𝑝

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


𝑇𝑜𝑇= 1 +

𝑘 − 1

2𝑀𝑎2

𝑝𝑜𝑝= 1 +

𝑘 − 1

2𝑀𝑎2

𝑘𝑘−1 𝜌𝑜

𝜌= 1 +

𝑘 − 1

2𝑀𝑎2

1𝑘−1

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


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


𝑝∗

𝑝0=

2

𝑘 + 1

𝑘𝑘−1

𝑚𝑚𝑎𝑥 = 𝐴∗𝑝0𝑘

𝑅𝑇0

2

𝑘 + 1

𝑘+12 𝑘−1

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


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 800Fl

ujo

Más

ico

[g

/s]

Presión de Suministro [kPa]

Flujos para cada Orificio CH4

Diámetro Orificio (0,016")





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 delmedidor de flujo sónico fue de 8’000,000de pesos.


Montaje experimental

Montaje de Calibración de los agujeros del medidor de flujo sónico


CalibraciónComparación 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

Flu

jo M

ásic

o [

g/s

]


Medido 0,010"Calculado 0,010"Medido 0,016"Calculado 0,016"Medido 0,023"Calculado 0,023"Medido 0,033"


ResultadosComparación 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

Cd

[-]


Cd 0,010"

Cd 0,016"

Cd 0,023"

Cd 0,033"


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 dedescarga 0,605% y el coeficiente devariación promedio es de 0,695%

𝐶𝑑 = 𝑚𝑚𝑒𝑑

𝑚𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

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