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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
Por:Edisson Steven Castaño Mesa 3
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
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Historia y Fundamentos del Flujo Compresible
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.
Por:Edisson Steven Castaño Mesa 5
Historia y Fundamentos del Flujo Compresible
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
Por:Edisson Steven Castaño Mesa 6
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
Historia y Fundamentos del Flujo Compresible
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.
Por:Edisson Steven Castaño Mesa 7
Se dice que el flujo se choca (Choked Flow) cuando las variaciones en las condiciones aguasabajo no afectan el flujo. ¿Cómo ocurre esto?
Historia y Fundamentos del Flujo Compresible
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.
Por:Edisson Steven Castaño Mesa 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 800Fl
ujo
Más
ico
[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")
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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.
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Montaje experimental
Montaje de Calibración de los agujeros del medidor de flujo sónico
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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
]
Presión de Suministro [kPa]
Medido 0,010"Calculado 0,010"Medido 0,016"Calculado 0,016"Medido 0,023"Calculado 0,023"Medido 0,033"
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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
[-]
Presión de Suministro [kPa]
Cd 0,010"
Cd 0,016"
Cd 0,023"
Cd 0,033"
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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