Relación entre el medidor de caudal térmico y la presión y la temperatura

Para responder a la pregunta del autor, primero debemos comprender el principio de medición del caudal masivo de gas por método térmico. El modelo matemático del medidor de flujo másico de gas por efecto Joule es el siguiente: H=Cp*m*ΔT, m=H/Cp*ΔT, Qm=K*ΔP/Cp*ΔT. Qm: flujo másico de gas; K: coeficiente K del medidor; ΔP: magnitud de la potencia eléctrica de compensación; Cp: calor específico a presión constante; ΔT: diferencia de temperatura entre las dos sondas. El sensor de flujo consta de dos resistencias térmicas: una es la sonda de referencia y la otra es la sonda calentadora. Cuando el gas pasa por la sonda de calentamiento, se lleva consigo una parte del calor; por lo tanto, la sonda se enfría. La cantidad de calor perdida está relacionada con el caudal de masa. Se mantiene constante la diferencia de temperatura entre la sonda de calentamiento y la sonda de referencia, lo que permite determinar la corriente de calentamiento necesaria. De esta manera, se obtiene el caudal de masa correspondiente. Este principio de funcionamiento se denomina principio de diferencia de temperatura constante. Actualmente, la mayoría de los sistemas térmicos a nivel mundial se fabrican basándose en el principio de la diferencia de temperatura. A través de los modelos matemáticos, podemos observar que el caudal está en proporción inversa con la capacidad calorífica del medio a medir, y en proporción directa con la potencia eléctrica utilizada para calentarlo. En otras palabras, cuanto mayor sea la potencia eléctrica, mayor será la masa. Si el medio a ser medido es constante, entonces la capacidad calorífica a presión constante de dicho medio también será constante. Podemos considerar esta capacidad calorífica como una constante. Pero todos sabemos que la capacidad calorífica a presión constante no es una constante invariable. El concepto de calor específico a presión constante se refiere a la energía necesaria para elevar la temperatura en un grado, cuando la presión permanece constante; en otras palabras, es la capacidad de absorber calor. La capacidad de absorción de calor de cada medio varía según la temperatura. Por favor, consulte la siguiente imagen: Calor específico a presión constante cp/(kJ/kg·K) para gases ideales. Nombre, Fórmula molecular, Temperatura/°C: -40, 106, 110, 160, 260, 360, 460, 760, 1200. Hidrógeno H2: 14.83, 14.29, 14.11, 14.09, 14.18, 14.43, 14.67, 14.84, 15.02, 16.25. Oxígeno O2: 0.9378, 0.9169, 0.9169, 0.9253, 0.9420, 0.9797, 1.013, 1.043, 1.097, 1.147. Nitrógeno N2: 1.089, 1.043, 1.026, 1.026, 1.034, 1.059, 1.089, 1.118, 1.172, 1.252. Amoníaco NH3: 2.005, 2.043, 2.114, 2.186, 2.303, 2.508, 2.700, 2.881, 3.329, 3.869. Monóxido de carbono CO: 1.084, 1.043, 1.029, 1.030, 1.038, 1.068, 1.101, 1.130, 1.189, 1.264. Dióxido de carbono CO2: 0.7997, 0.8289, 0.8709, 0.9043, 0.9546, 1.030, 1.097, 1.147, 1.243, 1.340. Dióxido de azufre SO2: 0.5862, 0.6071, 0.6322, 0.6573, 0.6908, 0.7411, 0.7787, 0.8122, 0.8541, 0.8960. Sulfuro de hidrógeno H2S: 0.9839, 0.9797, 0.9964, 1.013, 1.051, 1.118, 1.176, 1.235, 1.361, 1.524. Metano CH4: 2.077, 2.189, 2.336, 2.466, 2.675, 3.031, 3.383, 3.689, 4.568, 5.355. Etano C2H6: 1.465, 1.692, 1.913, 2.081, 2.336, 2.721, 3.077, 3.395, 4.153, 4.823. Propano C3H8: 1.344, 1.603, 1.846, 2.026, 2.290, 2.684, 3.031, 3.337, 4.036, 4.652. Butano C4H10: 1.361, 1.612, 1.846, 2.022, 2.282, 2.663, 3.002, 3.295, 3.965, 4.555. Pentano C5H12: 1.352, 1.603, 1.838, 2.009, 2.265, 2.646, 2.977, 3.266, 3.923, 4.492. Hexano C6H14: 1.339, 1.591, 1.825, 2.001, 2.257, 2.633, 2.960, 3.249, 3.889, 4.455. Heptano C7H16: 1.336, 1.587, 1.821, 1.993, 2.248, 2.625, 2.952, 3.232, 3.869, 4.425. Octano C8H18: 1.336, 1.583, 1.817, 1.993, 2.244, 2.617, 2.943, 3.224, 3.852, 4.400. Nonano C9H20: 1.331, 1.583, 1.817, 1.989, 2.240, 2.613, 2.935, 3.215, 3.839, 4.384. Decano C10H22: 1.331, 1.578, 1.813, 1.985, 2.236, 2.608, 2.931, 3.207, 3.831, 4.371. Ciclopentano C5H10: 0.7913, 1.105, 1.800, 1.578, 1.863, 2.273, 2.629, 2.935, 3.630, 4.199. Metilciclopentano C6H12: 0.9295, 1.231, 1.499, 1.687, 1.964, 2.361, 2.705, 3.002, 3.663, 4.216. Etilciclopentano C7H14: 0.9504, 1.256, 1.528, 1.721, 1.997, 2.399, 2.738, 3.035, 3.689, 4.442. Ciclohexano C6H12: 0.8499, 1.181, 1.469, 1.679, 1.976, 2.412, 2.784, 3.107, 3.831, 4.371. Metilciclohexano C7H14: 0.9797, 1.294, 1.578, 1.679, 2.072, 2.491, 2.851, 3.161, 3.848, 4.371. Etilciclohexano C8H16: 1.026, 1.336, 1.612, 1.813, 2.098, 2.512, 2.868, 3.169, 3.839, 4.358. Etileno C2H4: 1.298, 1.495, 1.687, 1.829, 2.043, 2.357, 2.633, 2.872, 3.416, 3.919. Propeno C3H6: 1.256, 1.461, 1.658, 1.805, 2.026, 2.353, 2.642, 2.897, 3.479, 3.998. Buteno-1 C4H8: 1.231, 1.461, 1.679, 1.838, 2.068, 2.412, 2.709, 2.968, 3.546, 4.065. Penteno-1 C5H10: 1.269, 1.499, 1.712, 1.871, 2.106, 2.449, 2.747, 3.006, 3.588, 4.099. Hexeno-1 C6H12: 1.277, 1.507, 1.725, 1.884, 2.123, 2.466, 2.767, 3.031, 3.613, 4.124. A través de esta imagen podemos ver claramente que, bajo ciertas condiciones, el cambio en el calor específico a presión constante es muy pequeño. Sin embargo, cuando la temperatura varía significativamente, el calor específico también cambia notablemente; este cambio, a su vez, afecta las mediciones. Según los cambios en la temperatura, la tasa de variación del calor específico a presión constante también difiere en diferentes medios. La empresa estadounidense SIERRA, pionera a nivel internacional en el desarrollo de productos de tipo térmico, ha investigado los efectos de los cambios de temperatura y presión en los medidores de flujo, y especifica de manera muy detallada las características técnicas de sus productos. Como se indica en la instrucción del producto 620S respecto a los efectos de la temperatura y la presión: Coeficiente de temperatura: dentro del rango de ±500°F en las condiciones especificadas por el usuario, la variación en la lectura es de ±0.02% por cada 0°F. En las condiciones especificadas por el usuario, el rango de 500°F a 1000°F corresponde a un error de lectura del ±0,03% por cada 0°F. En el rango de ±25 °C bajo las condiciones especificadas por el usuario, la precisión de la lectura es de ±0,04% por °C. Bajo las condiciones especificadas por el usuario, en el rango de ±25°C a 50°C, la precisión de la lectura es de ±0,06% por °C. Coeficiente de presión: 0,02 % por psi (aire); para otros gases, consulte al fabricante. Los productos nacionales no han sido objeto de estudios a fondo en este ámbito; por lo tanto, los efectos de los cambios de temperatura y presión en los medidores de flujo tampoco se mencionan en los folletos informativos de dichos productos. Por eso enfatizamos especialmente la importancia de la calibración con flujo real para las aplicaciones de tipo térmico (en particular, para la medición de otros gases que no sea el aire). Si la calibración no se realiza según las condiciones del proceso en el lugar donde se utiliza el medidor de caudal, entonces su funcionamiento no será óptimo y habrá una alta probabilidad de que surjan problemas. Ninguno de los productos de tipo térmico disponibles en el mercado cuenta con calibración basada en flujo real. Si se utilizan con aire, no hay muchos problemas, pero al emplearlos con otros gases pueden surgir algunas dificultades. Y una vez que surge un problema, realmente es difícil solucionarlo; ya sea cambiando el reloj o no, eso no permite eliminar el problema de raíz. Por eso, los buenos productos importados prestan tanta atención a la calibración de caudal real; el calor específico a presión constante es un factor clave.

Respecto a la segunda pregunta planteada por el autor: el impacto de la humedad. Es evidente que la humedad tiene un impacto muy grande en los medidores de flujo de tipo térmico. La capacidad de absorción de calor del gas húmedo es muy diferente a la del gas seco. Cuando el gas a medir contiene humedad, el resultado directo es una gran desviación en los datos de medición. El grado de esta desviación está relacionado con el contenido de humedad en el gas. Si la proporción de humedad es alta, esto puede causar daños graves en el medidor de flujo (ya que el vapor de agua altera el campo de temperatura; además, los filamentos calefactores funcionan bajo carga excesiva durante mucho tiempo, lo que aumenta significativamente las posibilidades de daño en la sonda). Por lo tanto, se recomienda utilizar los productos de tipo térmico en gases puros y secos; la presencia de polvo no supone un gran problema. Incluso pueden utilizarse en ambientes con cierta cantidad de suciedad, aunque eso sí aumentará la frecuencia de las reparaciones necesarias.

Según la ecuación Qm=K*ΔP/Cp*ΔT, se puede entender que en el cálculo del caudal no interviene la presión; por lo tanto, al calcular el caudal no es necesario tener en cuenta los factores relacionados con la presión

De hecho, ya se ha explicado claramente anteriormente que la medición realizada por los caudalímetros térmicos está relacionada con la capacidad de absorción de calor de cada tipo de medio; esa capacidad de absorción de calor es, en otras palabras, el calor específico del medio. Es una magnitud física muy utilizada en la termodinámica, que representa la capacidad de un cuerpo para absorber o liberar calor. Cuanto mayor es la capacidad calorífica, mayor es la capacidad del objeto para absorber o liberar calor. Se refiere al calor absorbido o liberado por una unidad de masa de una sustancia determinada al aumentar o disminuir su temperatura en una unidad. La capacidad calorífica de una sustancia está relacionada con el proceso que se lleva a cabo. En las aplicaciones de ingeniería, se utilizan comúnmente tres tipos de capacidad calorífica específica: la capacidad calorífica específica a presión constante Cp, la capacidad calorífica específica a volumen constante Cv y la capacidad calorífica específica en estado saturado. Capacidad calorífica a presión constante Cp: es la energía que absorbe o libera por unidad de masa de una sustancia, cuando su temperatura aumenta o disminuye en 1°C o 1K, manteniéndose la presión constante. Ese es el punto clave del problema: la capacidad calorífica a presión constante se refiere a condiciones en las que la presión no cambia. Pero cuando la presión sí cambia, entonces esa capacidad calorífica a presión constante ya no es válida. Sin embargo, el efecto de los cambios de presión en la capacidad calorífica es muy pequeño. Por eso, generalmente se considera que los cambios de presión pueden ignorarse en las mediciones térmicas. Pero eso no significa que no tengan ningún efecto en absoluto. Tomemos como ejemplo los productos de tipo térmico SIERRA de Estados Unidos. El impacto de uno de sus indicadores de presión se expresa mediante una cuantificación que muestra el efecto que produce el cambio en la presión: coeficiente de presión: 0,02 % por psi (aire); para otros gases, consulte al fabricante.

De hecho, ya se ha explicado claramente anteriormente que la medición realizada por los caudalímetros térmicos está relacionada con la capacidad de absorción de calor de cada tipo de medio; esa capacidad de absorción de calor es, en otras palabras, el calor específico del medio. Es una magnitud física muy utilizada en la termodinámica, que representa la capacidad de un cuerpo para absorber o liberar calor. Cuanto mayor es la capacidad calorífica, mayor es la capacidad del objeto para absorber o liberar calor. Se refiere al calor absorbido o liberado por una unidad de masa de una sustancia determinada al aumentar o disminuir su temperatura en una unidad. La capacidad calorífica de una sustancia está relacionada con el proceso que se lleva a cabo. En las aplicaciones de ingeniería, se utilizan comúnmente tres tipos de capacidad calorífica específica: la capacidad calorífica específica a presión constante Cp, la capacidad calorífica específica a volumen constante Cv y la capacidad calorífica específica en estado saturado. Capacidad calorífica a presión constante Cp: es la energía que absorbe o libera por unidad de masa de una sustancia, cuando su temperatura aumenta o disminuye en 1°C o 1K, manteniéndose la presión constante. Ese es el punto clave del problema: la capacidad calorífica a presión constante se refiere a condiciones en las que la presión no cambia. Pero cuando la presión sí cambia, entonces esa capacidad calorífica a presión constante ya no es válida. Sin embargo, el efecto de los cambios de presión en la capacidad calorífica es muy pequeño. Por eso, generalmente se considera que los cambios de presión pueden ignorarse en las mediciones térmicas. Pero eso no significa que no tengan ningún efecto en absoluto. Tomemos como ejemplo los productos de tipo térmico SIERRA de Estados Unidos. El impacto de uno de sus indicadores de presión se expresa mediante una cuantificación que muestra el efecto que produce el cambio en la presión: coeficiente de presión: 0,02 % por psi (aire); para otros gases, consulte al fabricante.