Unidad cuatro

COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Un equipo de intercambio de calor es un aparato que transfiere energía térmica desde un fluido a alta temperatura hacia un fluido a baja temperatura con ambos fluidos moviéndose a través del aparato. Algunos ejemplos de intercambiadores de calor en la vida diaria lo constituyen el radiador de un automóvil y el calentador de agua domestico. En industrias químicas y plantas de energía se utilizan ampliamente los intercambiadores de calor. El rango de temperaturas, las bases de los fluidos. La cantidad de energía térmica que se debe transferir y la caída de presión permitida para los fluidos fríos o calientes, determinan la configuración del intercambiador de calor para una aplicación dada. En la práctica, el proceso de diseño y selección involucra con frecuencia un procedimiento de ensayo error.

 

Donde:Q = calor total transmitido en W = J/s.Ua = coeficiente global volumétrico de transmisión de calor en W/m3.K.V = volumen del secador en m3.(∆T)m= media logarítmica entre las diferencias de temperatura de bulbo húmedo del gas secante en la entrada y la salida del secador, en K.

Es necesario contar con valores confiables para el coeficiente global de transferencia de calor, dado que depende de las propiedades del material a secar, las condiciones de la alimentación, la caída de temperatura, la velocidad másica del gas secante y la geometría de los secaderos.A pesar de existir en la bibliografía trabajos sobre coeficientes de transferencia de calor en equipos como calentadores, evaporadores y secaderos en transporte neumático (Kays y London, 1984; Aralde et al, 1993; Hewitt, 1998; Kreith y Bohn, 2001), se han encontrado pocos trabajos sobre coeficiente global de transferencia de calor Ua para secaderos rotativos. Las correlaciones publicadas en la bibliografía consultada (Friedman y Marshall, 1949; Gutzeit y Spraul, 1953) describen los efectos relativos de las variables de diseño y de operación sobre el valor del coeficiente global de transferencia de calor Ua en secadores rotativos experimentales para secar arena y nitrato de amonio. Todos estos autores emplearon relaciones que pueden ser reducidas a la forma:

 

Donde:k = constante de proporcionalidad.G = caudal másico del gas secante por unidad deárea transversal del secador, en kg/hm2.D = diámetro del secadero en m.n = constante.

McCormick (1962) comparó los trabajos previos disponibles de secado de arena y nitrato de amonio, y encontró que todos los datos experimentales registrados podían correlacionarse en una sola expresión con valores de n en el rango de 0,46 a 0,67. Este autor comparó todos los datos disponibles concluyendo que la geometría de las aspas y la velocidad de la cubierta deberían ser tomadas en cuenta en la evaluación de k. También sugirió que la velocidad de rotación de la cubierta y la forma de las aspas deberían afectar el balance general. Sin embargo, no disponía de datos para evaluar estas variables por separado.En el caso de secaderos comerciales que se fabrican actualmente en los Estados Unidos, que funcionan con velocidades periféricas de 18,3 a 22,7 m/min (60 a 75 ft/min), Perry et al. (1992) recomiendan emplear la siguiente relación:

 

No se ha encontrado en la bibliografía consultada este tipo de estudios referidos al secado de cáscara de limón.El objetivo del presente trabajo es determinar el coeficiente volumétrico de transmisión de calor Ua en secaderos rotativos industriales de cáscara de limón, a partir de ensayos experimentales de medición, empleando un modelo matemático determinístico basado en los balances de masa y energía. Por otro lado, se intenta obtener una correlación que permita determinar Ua, en función de las principales variables del sistema

Factor de suciedad

Estos son normalmente proporcionados por el cliente basándose en su

experiencia con el funcionamiento de su planta en producción o proceso, pero si

éstos no son definidos o acotados apropiadamente dentro de ciertos niveles

pueden hacer totalmente inútil la labor del ingeniero por muy hábil que sea en el

diseño del intercambiador. Representan la resistencia teórica al flujo de calor

debido a la acumulación de una capa de suciedad o cualquier otra sustancia en

uno o los dos lados de las superficies del tubo, pero a menudo se 'engordan' por el

usuario final en un intento de minimizar la frecuencia de las paradas para limpieza

del intercambiador. En realidad esta práctica puede, si no se seleccionan

correctamente, conducir a una mayor frecuencia de las paradas para limpieza.

Los mecanismos por los cuales se produce el ensuciamiento varian con la

aplicación pero pueden ser ampliamente clasificados en cuatro tipos claramente

identificables.

Tipos de ensuciamiento

Ensuciamiento químico, en el que cambios químicos en el fluido causan que

se deposite una capa de ensuciamiento sobre la superficie (interna o externa)

de los tubos. Un ejemplo común de este fenómeno es la expansión en una

olla o caldera causados por el depósito de sales de calcio en los elementos de

calentamiento conforme la solubilidad de las sales disminuye al aumentar la

temperatura. Este tipo está fuera del control del diseñador de

intercambiadores de calor pero puede ser minimizado controlando

cuidadosamente la temperatura del tubo en contacto con el fluido. Cuando se

presenta este tipo de ensuciamiento normalmente es eliminado mediante

tratamiento químico o procesos mecánicos (cepillos de acero, taladros o

incluso pistolas de agua a alta presión en algunos casos).

Ensuciamiento biológico, causado por el crecimiento de organismos en el

fluido que se depositan en la superficie. Esté tipo también está fuera del

control del diseñador del intercambiador pero puede verse influido por la

elección de los materiales ya que algunos, notablemente los latones no

ferrosos, son venenosos para algunos organismos. Cuando se presenta este

tipo de ensuciamiento normalmente es eliminado mediante tratamiento

químico o procesos mecánicos abrasivos.

Ensuciamiento por depósito, en el que las partículas en el fluido se acumulan

en la superficie cuando la velocidad cae por debajo de cierto nivel crítico. Esto

está en gran medida bajo el control del diseñador ya que la velocidad crítica

de cualquier combinación fluido/partícula puede ser calculada para permitir un

diseño en el que la velocidad mínima sea siempre mayor que la crítica. Montar

el intercambiador de calor verticalmente tambien puede minimizar los efectos

ya que la gravedad tiende a llevar las partículas fuera del intercambiador fuera

de la superficie de intercambio térmico. Cuando se presenta este tipo de

ensuciamiento normalmente es eliminado mediante procesos de cepillado

mecánico.

Ensuciamiento por corrosión, en el que una capa producto de la corrosión se

se acumula en la superficie del tubo, formando una capa extra, normalmente

de material con un alto nivel de resistencia térmica. Mediante la elección

adecuada de los materialesde construcción los efectos pueden ser

minimizados ya que existe a disposición del fabricante de intercambiadores un

amplio rango de materiales resistentes a la corrosión basados en acero

inoxidable.

Tubos corrugados

El uso de tubos corrugados se ha demostrado beneficioso para minimizar los

efectos de al menos dos de estos mecanismos: ensuciamiento por depósito,

porque un mayor nivel de turbulencias son generadas a una velocidad más baja y

ensuciamiento químico, porque la mejora en los coeficientes de intercambio

térmico cuando existe corrugacion en el tubo resultan en temperaturas de la pared

del tubo más cercanas a la temperatura del grueso del fluido. Más detalles de

estas ventajas están disponibles para más información.

Tipos de intercambiadores

Doble tubo

Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Estan constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. A continuación se pueden ver dos imágenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.

Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. Se utilizan tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Como resultado el área exterior se amplia, siendo ésta más grande que el área interior.El tubo con aletas transversales representado a continuación, se utiliza cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo.

En cambio, cuando la dirección del flujo de los fluidos es paralela al eje de los tubos, el tubo es con aletas longitudinales:

Una aplicación de un intercambiador de doble tubo es el que se utiliza para enfriar o calentar una solución de un tanque encamisado y con serpentín

EVAPORADORES

Un evaporador es un intercambiador de calor de coraza y tubos. Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos.

Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la cual tiene lugar el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras, diseñadas para que la eficacia sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.

Podemos clasificar los evaporadores en dos grandes grupos:

- Evaporadores de tubos horizontales. El vapor calefactor es vapor de agua saturado que cede su calor de condensación y sale como agua líquida a la misma temperatura y presión de entrada. Este evaporador se denomina de tubos horizontales porque los tubos están dispuestos horizontalmente.

En el siguiente evaporador, la cámara de calefacción está formada por los tubos horizontales, que están soportados por dos placas. El vapor entra en los tubos y se condensa al cedes su calor de condensación. Puede quedar vapor no condensable, que se elimina mediante una purga. La cámara de evaporación formada por un cuerpo cilíndrico vertical, cerrado por las bases, con una salida para el disolvente evaporado por la parte superior y otra salida para la disolución concentrada en la parte inferior. Estos evaporadores suelen ser de chapa de acero o hierro con un diámetro aproximado de 2 metros y 3 metros de altura. El diámetro de los tubos acostumbra a ser de 2 a 3 centímetros.

PLACAS

Un intercambiador de calor de placas consiste en una sucesión de láminas de metal armadas en un bastidor y conectadas de modo que entre la primera y la segunda placa circule un fluido, entre la segunda y la tercera otro, y así sucesivamente. Estas placas están separadas por juntas, fijadas en una coraza de acero.La circulación de estos fluidos puede tener diferentes configuraciones, en paralelo y contracorriente.

En la figura de debajo hay diferentes tipos de placas que se pueden encontrar en un intercambiador de calor de placas. Cada placa tiene canalizaciones diferentes de fluido que inducen a turbulencia. Si el fluido frío circula por la parte de delante de la placa, el fluido caliente lo hace por la parte de detrás.

COMPACTO

Los intercambiadores de calor compactos están diseñados para conseguir una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen.

En los intercambiadores compactos, los dos fluidos normalmente se mueven en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración del flujo recibe el nombre de flujo cruzado. El flujo cruzado se clasifica en mezclado (uno de los dos fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones) y no mezclado (se ponen unas placas para guiar el flujo de uno de los fluidos).

Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de los coches, los intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas, el regenerador del motor Stirling y el pulmón humano.

DISEÑO DE INTERCAMBIADOR

Paso 1: Analizar la aplicación

Cuando recibimos una solicitud de oferta para un intercambiador de calor, el

primer paso cosiste en analizar la aplicación. ¿Es una aplicación alimentaria? ¿Es

una aplicación industrial? El ingeniero de diseño debe definir correctamente el tipo

de intercambiador que se necesita y cumple con los requerimientos de la

aplicación. Como puede verse en nuestro catálogo de productos, existe un amplio

abanico de tipos de intercambiadores de calor.

La temperatura de diseño, la presión de diseño y pérdida de carga máxima

admisible deben definirse para los fluidos de producto y servicio.

Paso 2: Identificar las propiedades de los fluidos

El siguiente paso consiste en analizar los fluidos involucrados: el fluido en el lado

de producto y en el lado de servicio. Para poder realizar un correcto diseño de un

intercambiador de calor, se necesitan conocer cuatro importantes propiedades

físicas de los fluidos implicados:

Densidad

Calor específico

Conductividad térmica

Viscosidad

El modo correcto de proceder es obtener los valores para estos cuatro parámetros

para varias temperaturas en la curva de calentamiento o enfriamiento de la

aplicación. Cuanto mejor se entiendan las propiedades físicas de los fluidos

implicados, más afinado será el diseño del intercambiador. Cualquier error en las

propiedades físicas puede encaminar directamente a un diseño erróneo del

intercambiador.

Paso 3: Balance de energía

Una vez definidas correctamente las propiedades físicas, es momento de

comprobar el balance energético. Normalmente el cliente define los caudales de

producto y las temperaturas deseadas de entrada y salida de este producto.

Necesitará también indicar el tipo de fluido de servico a usar y definir dos de los

siguientes tres parámetros: cadudal de servicio, temperatura de entrada del

servicio o temperatura de salida del servicio. Conocidos dos de esos tres valores,

podremos resolver la ecuación de balance energético calculando el tercer valor. El

poder completar el paso 3 fija los caudales de entrada y salida tanto del producto

como del servicio.

Paso 4: Definir la geometría del intercambiador de calor

En este paso el ingeniero diseñador define la geometría del intercambiador de

calor. Decidirá el diámetro de la camisa y definirá el haz tubular que se colocará

en el interior del intercambiador de calor: número de tubos interiores, diámetro

interior y grosor de pared de los tubos interiores y longitud de los mismos. En

segundo lugar, se definen las dimensiones de las conexiones de la camisa y

tubos. En este punto debe decidirse también sobre los materiales con los que

debe construirse el intercambiador de calor. De modo standard, en HRS Heat

Exchangers construimos los intercambiadores de acero inoxidable en ambos lados

(camisa y tubos), pero también fabricamos con otras aleaciones.

Paso 5: Cálculos térmicos

En este punto el ingeniero de diseño realiza el cálculo térmico. El objetivo de este

cálculo es obtener los coeficientesde intercambio en el lado de producto y de

servicio. Estos coeficientes dependen básicamente de los cuatro parámetros clave

de los fluidos (definidos previamente) y de la velocidad del (los) fluido(s). La

relación entre los parámetros y los coeficientes de intercambio térmico está

definida en una fórmula matemática que es específica para la geometría aplicada

(intercambiador de calor tubular, de placas, de tubos corrugados). En HRS Heat

Exchangers hemos diseñado nuestro propio software de cálculo matemático para

el diseño de intercambiadores de calor de tubo corrugado.

Conocidos los coeficientes de los fluidos de camisa y tubos, se puede calcular el

coeficiente de transferencia térmica global. Conocido este valor, es ya posible

calcular el área total necesaria para el intercambio térmico requerido en la

aplicación.

Area = Duty / [K x LMTD]

Area: Área total de intercambio térmico requerida, m².

Duty: Calor total transferido, kcal/hr (obtenido del balance energético).

K: Coeficiente de intercambio térmico general, kcal/[hr.m².°C].

LMTD: Diferencia de temperatura media logarítmica, °C (la media logarítmica de

las diferencias de temperatura entre los fluidos de camisa y tubos side a lo largo

de la longitud del intercambiador de calor).

Otro parámetro importante definido es la pérdida de carga que se calcula para los

fluidos de camisa y tubos. La pérdida de carga es una función del número de

Reynolds, el tipo de flujo (flujo turbulento o laminar) y el valor de rugosidad de la

camisa y los tubos interiores.

Paso 6: Interpretación de los cálculos térmicos

El área calculada es comparada con el área definida en el paso 4 (geometría del

intercambiador de calor) y se realizan comprobaciones para ver si las pérdidas de

carga están dentro de los límites de diseño. En caso de que el área calculada

exceda el área definida previamente, la geometría del intercambiador necesita ser

redefinida (más longitud o más tubos interiores). Igual ocurre para la pérdida de

carga: si el valor calculado excede del máximo permitido definido, una nueva

geometría diferente debe asegurar la reducción de la pérdida de carga. La

interpretación de los resultados obtenidos y la adaptación del diseño puede causar

que deban repetirse los pasos 4 a 6, hasta que se obtienen unos resultados

satisfactorios.

Paso 7: Cálculos de diseño mecánico

Definida la geometría del intercambiador de calor, se deben realizar los cálculos

de diseño mecánico que aseguren que el diseño del intercambiador de calor es

válido para las presión y condiciones de diseño. Los cálculos típicos son:

Cálculos del grosor de la pared de la camisa.

Cálculos del grosor de las conexiones de entrada y salida.

Cálculos del grosor de pared de los tubos interiores.

Cálculos de las dimensiones de las juntas de expansión (para compensar a la

camisa y a los tubos de las diferentes expansiones que sufren debido a las

diferentes temperaturas que soportan).

Cálculos del grosor de los tubos del haz tubular.

Los cálculos de diseño mecánico pueden resultar en la necesidad de un grosor de

pared u otros parámetros que no se ajusten con el diseño geométrico definido en

el paso 4. En este caso debe realizarse una nueva propuesta para la geometría y

repetir los pasos del 4 al 7.

Paso 8: Preparación de los planos de fabricación

Conocidas todas las dimensiones del intercambiador de calor, que ya se

encuentra definido, se pueden preparar los planos de fabricación. Este paquete de

planos contiene detalles de los componentes del intercambiador de calor:

Camisa.

Tubos interiores.

Junta de expansión.

Conexiones.

Peana.

Baffles.

etc

UNIDAD 5

EQUIPOS AUXILIARES PARA EL SISTEMA DE GENERACIÓN DE VAPOR

A. Equipo de suavización de agua: Convierte el agua común en agua “blanda”, la cual puede ser utilizada para alimentar la caldera. Por su importancia, este equipo se tratará por separado en otra guía de operación.

B. Tanque de retorno de condensados: Es un recipiente que contiene el agua de alimentación a la caldera y debe de cumplir con tres funciones primordiales:

Mantener una reserva mínima de agua, suficiente para alimentar a la caldera durante 20 minutos; esto determina las dimensiones que debe tener.

Recuperar el agua suave de los retornos de los condensados. Para mantener económica la producción de vapor, debe recolectarse el condensado, ya que es agua suavizada y calentada, que tiene un costo extra en su producción y por lo tanto no debe desperdiciarse.

Precalentar el agua de alimentación a la caldera. El agua de alimentación a las calderas debe estar a la mayor temperatura posible para evitar daños internos a la caldera al introducirle agua “fría”, y además por economía, para gastar menos combustible al elevar la temperatura del agua para convertirla en vapor. Cuanto más caliente se le introduzca el agua, más aumenta la capacidad de la caldera.

C. Tanque deareador o desaereador

Cuando las calderas instaladas sobrepasan de 200 caballos caldera, para producción de vapor, se justifica la utilización de este tipo de tanque, que cumple con las mismas funciones del tanque de condensados, además de que remueve el excedente de aire y los gases corrosivos (oxígeno, bióxido de carbono) a través de un deareador que se instala en su interior para crear corriente de vapor que obligue a salir por el venteo (puede ser automático o manual).

ELEMENTOS AUXILIARES DE LAS TURBINAS DE VAPOR

De los elementos fundamentales de una turbina, existen otros elementos auxiliares que son tan importantes como los anteriores. Estos son los siguientes: Pistón de equilibrio Cojinetes o chumaceras Sistema de regulación o gobierno Sistema de lubricación Sistema de sellado Dispositivos de protección

Una cámara térmica o cámara infrarroja

  dispositivo que, a partir de las emisiones de infrarrojosmedios del espectro

electromagnético de los cuerpos detectados, forma imágenes luminosas visibles

por elojo humano.

Estas cámaras operan, más concretamente, con longitudes de onda en la zona del

infrarrojo térmico, que se considera entre 3 µm y 14 µm.

Imagen de un perro visto por una cámara infrarroja. A la derecha la escala de

temperaturas. También se puede apreciar la asignación arbitraria de colores a las

temperaturas.

Un pirómetro

dispositivo capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 grados celsius. El rango de temperatura de un pirómetro se encuentra entre -50 grados celsius hasta +4000 grados celsius. Una aplicación típica es la medida de la temperatura demetales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

Los psicrómetros

constan de un termómetro de bulbo húmedo y un termómetro de bulbo seco. La

humedad relativa del aire se calcula a partir de la diferencia de temperatura entre

ambos aparatos. El húmedo es sensible a la evaporación de agua, y debido al

enfriamiento que produce la evaporación, medirá una temperatura inferior. Si hay

poca diferencia entre una y otra temperatura, hay poca evaporación, lo cual indica

que la humedad relativa es alta. Si hay mucha diferencia, hay mucha evaporación,

lo cual indica que la humedad relativa es baja. Una tabla nos puede proporcionar

el dato exacto dehumedad relativa, expresada como un porcentaje con respecto a

la saturación.

Conociendo la temperatura y la humedad relativa, podemos calcular también

el punto de rocío o temperatura a la que se producirá la condensación del vapor

de agua.

Psicrómetro de Asmann de circulación forzada.

Un termopar

 (también llamado termocople) es un transductor formado por la unión de

dos metales distintos que produce unadiferencia de potencial muy pequeña (del

orden de los milivoltios) que es función de la diferencia de temperatura entre uno

de los extremos denominado «punto caliente» o «unión caliente» o de «medida» y

el otro llamado «punto frío» o «unión fría» o de «referencia» (efecto Seebeck).

Normalmente los termopares industriales están compuestos por un tubo de acero

inoxidable u otro material. En un extremo del tubo está la unión, y en el otro el

terminal eléctrico de los cables, protegido dentro de una caja redonda de aluminio

(cabezal).

En instrumentación industrial, los termopares son usados como sensores de

temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son

capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación está en

la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema cuando se trabaja con

precisiones inferiores a un grado Celsius.[cita requerida]

El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto

los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones

de calefacción a gas.

Diagrama de funcionamiento del termopar

Un termostato

 

componente de un sistema de control simple que abre o cierra un circuito

eléctrico en función de la temperatura.

Su versión más simple consiste en una lámina metálica como la que utilizan los

equipos de aire acondicionado para apagar o encender elcompresor.

Otro ejemplo lo podemos encontrar en los motores de combustión interna, donde

controlan el flujo del líquido refrigerante que regresa alradiador dependiendo de la

temperatura del motor.

Termómetros mecánicos

Termómetro de líquido en vidrio. Permite correlacionar las variaciones de volumen de un líquido con las variaciones de su temperatura. Consiste en un bulbo de vidrio que contiene el líquido, un tubo capilar y un bulbo pequeño en la parte superior.

El líquido se elige según el nivel de temperatura a medir; el más común es el Mercurio, con el cual se puede medir entre -35°C y 650°C; para temperaturas menores, puede usarse el alcohol metílico (punto de congelación —97°C) o el etílico (punto de congelación —114°C). Sin embargo, el alcohol sólo puede medir hasta 120°C.

Termómetro bimetálico. Está compuesto por dos láminas de metal fuertemente unidas y de coeficiente de dilatación diferente. Es muy usado en industria.

Termómetros eléctricos

Termocupla. Consta de dos alambres metálicos diferentes unidos por sus extremos. En estas condiciones aparece una f.e.m., que es función de los metales utilizados y de la diferencia de temperatura entre las soldaduras de los extremos de los alambres. Con alambres de longitud dada, es decir, de resistencia dada, la medición de corriente circulante es una indicación válida de la diferencia de temperaturas entre las soldaduras caliente y fría. La figura No.2 muestra la disposición básica de la termocupla.

Tal como muestra la figura No.2, no necesariamente los alambres deben estar unidos entre sí en una junta, pero deben tener la misma temperatura. En este caso, la junta fría es llamada junta de referencia. La junta caliente suele llamarse junta de medición. Los metales utilizados para las termocuplas son diversos y pueden clasificarse en bajos y nobles.

Los nobles son el platino y el rodio. En este caso, el platino puro conforma un alambre y una aleación de platino y rodio (90/10) conforma el otro alambre. Cubre lecturas hasta 1400°C.

Los metales bajos son las aleaciones cobre-constantán (hasta 200°C), hierro-constantán (hasta 750°C)y cromel-alumel (hasta 1200°C). El constantán es una aleación de cobre y níquel (60/40). El cromel es una aleación de cromo y níquel (20/80). El alumel es una aleación de aluminio y níquel (2/98).

Una diferencia fundamental entre los metales nobles y los metales bajos es la mucho mayor f.e.m. que producen estos últimos, a igualdad de temperaturas, como puede verse en la Tabla No.2.

Tabla No.2 - Tipos de Termocupla y Rangos de Operación (Junta de referencia a 0°C)

Tipo Materiales Rango de Temperatura vs. Diferencia de tensión

B Platino-Rodio (94/6), Platino-Rodio (70/30) 0-2400°C vs. 0-9mVE Cromel, Constantan 0-1400°C vs. 0-55mVJ Hierro, Constantan 0-1400°C vs. 0-45mVK Cromel. Alumel 0-2400°C vs. 0-55mVR Platino, Platino-Rodio (87/13) 0-2200°C vs. 0-20mVS Platino, Platino-Rodio(10/90) 0-2200°C vs. 0-15mVT Cobre, Constantan 0-700°C vs. 0-15mV

Termómetro de radiación

Infrarrojo. Consta de un sensor de luz infrarroja que recibe esta onda y la interpreta como calor emitido por la superficie a la cual se mide la temperatura.

El infrarrojo es una porción invisible del espectro de luz que se extiende entre 0.75 y 1000 m m. La medición de temperatura mediante el sensor infrarrojo se basa en que todo objeto que tenga una temperatura mayor a 0 grados absolutos (0 Kelvin ó -273.15°C) emite energía algo de radiación dentro de este rango.

La radiación térmica, según Maxwell, viaja como una vibración eléctrica y perturbación magnética a través del espacio en una dirección perpendicular a dicha perturbación. Es una onda que se mueve en línea recta con velocidad constante (igual a la velocidad de la luz si este movimiento es a través del vacío).

El espectro electromagnético cubre una gran cantidad de longitudes de onda, desde ondas muy cortas hasta muy largas. La única región del espectro electromagnético la cual es sensible a nuestro ojos es el rango "visible" identificado en el diagrama con los colores del arcoiris.

El sol no es el único objeto que provee energía radiante; algunos objetos cuya temperatura es mayor que el 0 Kelvin, como se vio antes, pueden emitir algo de

energía radiante. Esta energía radiante está relacionada a la temperatura del objeto.

Si un objeto está colocado dentro de un recipiente cuyas paredes están a temperatura uniforme, se espera que el objeto alcance el equilibrio térmico con las paredes del recipiente y el objeto pueda emitir energía radiante semejante a las paredes del recipiente. Así un objeto absorbe e irradia la misma cantidad de energía. Ahora las superficies negras absorben toda la radiación incidente sobre ellos y estos pueden irradiarla de la misma manera si están en equilibrio térmico. La radiación en equilibrio térmico es llamada Radiación de cuerpo negro.

La primera relación entre la temperatura y la energía radiante fue deducida por J. Stefan en 1884 y teóricamente explicada por Boltzmann con la siguiente ecuación:

Energía Total = s T4

Donde:

Energía Total = energía por unidad de área por segundo emitido por un cuerpo negro

T = Temperatura absoluta.

s = Constante de Stefan-Boltzmann.

La manera como la energía total emitida por un cuerpo negro es desplegada en varias frecuencias y longitudes de onda fue explicada por Max Planck el cual lo resolvió planteando que la energía de las oscilaciones debe estar cuantizada, es decir la energía puede no tomar cualquier valor pero puede cambiar por pasos, siendo el tamaño de cada paso o quantum proporcional a la frecuencia de oscilación multiplicada por la constante de Planck. Con esta proposición, Planck derivó la distribución de la energía de los cuerpos negros y mostró que es definida por su temperatura. Así, si la temperatura de un cuerpo negro es especificada, la Ley de Planck puede usarse para calcular la energía emitida por el cuerpo como una función de la longitud de onda, y si la distribución de energía del cuerpo radiante es medida, entonces, ajustándole una curva de Planck puede determinarse su temperatura.

Los cuerpos más calientes emiten más energía a longitudes de onda más cortas. La Ley de Wien dice:

l (max) ~ 0.29/T

Donde:

l (max) = longitud de onda del máximo brillo en cm

T = temperatura absoluta de el cuerpo negro.

Como ejemplo, el cuerpo humano tiene una temperatura alrededor de los 310 K (36,7°C) e irradia primeramente en el infrarrojo. Si una fotografía de una humano es tomado con un cámara sensitiva a la región de las longitudes de onda se puede obtener una "imagen térmica".

La medición con el termómetro infrarrojo aprovecha esta radiación, que convierte en una lectura de temperatura.Los termómetros infrarrojos tienen ciertas características que los diferencian de otros tipos de medición de temperatura. Se puede medir objetos en movimiento, pues la medición no requiere de contacto entre la superficie medida y el instrumento de medición.

Asimismo, la distancia entre el objeto y el instrumento no afecta la medición. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el sensor infrarrojo mide la energía en una zona circular del objeto y el tamaño de esa zona es función de la distancia entre el sensor y el objeto, y mientras mayor es la distancia, mayor es la zona circular. Consecuentemente, la distancia estaría limitada únicamente por el tamaño del objeto a medir.

En este caso, y para tener la seguridad de estar leyendo la temperatura de la zona que se desea medir, algunos termómetros infrarrojos incluyen un haz laser de baja potencia para "afinar la puntería" y localizar el punto de interés.

El color no afecta la medición. Aunque una característica de la superficie llamada emisividad, si influye. La emisividad es función tanto del tipo de material como de la calidad de la superficie del objeto a medir. Sin embargo, la mayoría de equipos de medición por infrarrojo corrigen esta inconveniencia durante la lectura.

Tal como puede verse, es posible medir la temperatura de superficies sin tocarlas. Esto quiere decir que no se puede medir la temperatura del aire, puesto que la presencia de éste no debe afectar la medición en ningún caso.

Los termómetros infrarrojos pueden ser portátiles o fijos. Los rangos de temperatura para uso industrial van de —50 a 3000°C, según el modelo y la aplicación. Muchos de ellos incluyen equipo de registro de lecturas con salida de señal a una computadora.

La ventaja de la medición con termómetro infrarrojo es poder medir temperatura tanto en un punto definido como en una zona o a todo un equipo completo, teniendo en este caso una termografía o imagen termográfica del objeto.

En el caso de la medición de la temperatura en un punto, nos ayuda a conocer propiedades particulares de ese punto, por ejemplo la temperatura de ingreso de un fluido a un proceso. Es decir, ayuda a controlar procesos.

En el caso del termograma, ayuda a diagnosticar fallas en la operación de un equipo, por ejemplo la rotura del material refractario de la puerta posterior de una caldera. Es decir, ayuda al trabajo de mantenimiento del equipo. Es importante destacar que para obtener un resultado efectivo en el uso del termómetro infrarrojo no se necesita un experto. Lo que sí es importante es que el usuario está familiarizado con los procesos y principios de operación del equipo a inspeccionar.

4 Medición de caudal

El flujo de vapor, agua u otro fluido es importante porque da la cantidad de energía que está circulando en un ducto. Es decir, si se conoce el caudal se sabe con cuánta energía se cuenta para una aplicación dada (por ejemplo en un flujo de vapor) o cuánta energía se pierde en un proceso (por ejemplo en los gases de una chimenea). Es necesario conocer algunos términos antes de revisar la medición de caudal.

Flujo laminar y flujo turbulento. Son los regímenes principales del movimiento de un fluido. El primero se refiere a flujos lentos que se caracterizan por tener una distribución ordenada de velocidades en el ducto. El segundo se refiere a flujos con mayores velocidades y se caracteriza por el movimiento desordenado del fluido dentro del ducto.

Número de Reynolds. Es un número que no tiene dimensiones. Se calcula teniendo en cuenta tanto las propiedades del fluido como la geometría del ducto que lo transporta. Define el tipo de régimen de flujo que tiene un ducto. Es decir, hay un número de Reynolds a partir del cual el flujo deja de ser laminar para ser turbulento.

La ecuación de Bernouilli. Es la base para la medición de caudal con los medidores de obstrucción. Plantea la igualdad de energía en dos puntos: el ingreso y la garganta del medidor. La energía puede escribirse:

E = P/r +1/2 v2 + g.z

Donde:

E = Energía en un punto

P = presión en es punto

r = densidad del fluido

v = velocidad del fluido

g = aceleración de la gravedad

z = altura del punto respecto a una referencia.