Instrumentos de Medición y Diagramas de Flujo

1. Introducción

Los instrumentos de medición se utilizan para realizar estudios técnicos y científicos, mediante la tabulación de datos y la realización de cálculos para describir el comportamiento de un sistema. Las principales variables a medir en sistemas termodinámicos son la temperatura y la presión.

Medición de Temperatura

La temperatura es una variable de estado de un sistema, y para medirla se emplea un sistema auxiliar como el termómetro. Las condiciones para una medición óptima de temperatura son las siguientes:

• Debe existir contacto térmico entre el sistema a medir y el termómetro.
• Debemos esperar a que se alcance el equilibrio térmico entre el sistema y el termómetro.

Medición de Presión

La presión también requiere dos condiciones para que el valor medido sea óptimo:

• Se debe establecer contacto mecánico entre el sistema y el instrumento de medida.
• Se debe lograr el equilibrio mecánico entre los sistemas.

Los instrumentos de medición de presión más comunes son los barómetros, que miden presión absoluta, y los manómetros, que miden presiones relativas.

Diagramas de Flujo

Los diagramas de flujo son importantes ya que permiten simplificar la información de un proceso para hacerlo más comprensible. En estos diagramas, los flujos de entrada y de salida son claros y definidos, lo que simplifica la realización de cálculos y estudios de los procesos.

2. Fundamento Teórico

Resinas de Intercambio Iónico

Las resinas de intercambio iónico son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 1.2 mm de tamaño efectivo, aunque también las hay en forma de polvo.

Están compuestas de una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a una matriz de un polímero sintético (resinas estirénicas, resinas acrílicas, etc.) y actúan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes de otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio original, mediante el tratamiento con una solución regenerante.

En los copolímeros de estireno, las cadenas de estireno se enlazan mediante el divinilbenceno. El contenido de este último está directamente relacionado con la resistencia mecánica e inversamente proporcional con su porosidad.

El intercambio iónico es una reacción química reversible que tiene lugar cuando un ión de una disolución se intercambia por otro ión de igual signo que se encuentra unido a una partícula sólida inmóvil. Este proceso tiene lugar constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgánica como en las células vivas.

Por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales, el agua normalmente tiene muchas impurezas y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el agua separándose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para algunos usos del agua.

Las resinas de intercambio iónico poseen un radical fijo y un ión móvil o ión de sustitución. El ión móvil es el ión que es intercambiado por iones que desean eliminarse de la solución, y este intercambio solo funciona entre iones de igual carga eléctrica: cationes por cationes y aniones por aniones.

En general, las resinas de intercambio iónico operan en columnas para favorecer el proceso de intercambio, de forma similar a la destilación en bandejas. La reacción de intercambio se desplaza en el lecho de resina, generalmente hacia los niveles inferiores.

Al producirse el intercambio iónico, la capacidad de la resina comienza a decrecer, debido a que posee una capacidad limitada para la remoción de iones de las soluciones. Debido a esto, en un momento dado habrá cedido la mayoría de sus iones de sustitución y se producirá un cierto paso de iones no deseados en el agua producida, y se dice que esta resina está «agotada» o saturada de los iones que ha atrapado. Por este motivo, cuando se diseña una columna de intercambio iónico, se establece a priori la concentración máxima admisible de iones indeseables en la salida del proceso. Cuando se llega a la concentración preestablecida, se debe proceder a regenerar la resina para poderla utilizar en un nuevo ciclo.

Intercambiadores de Calor

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

Características de los Instrumentos de Medición

En física, química e ingeniería, un instrumento de medición es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición. Como unidades de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares o patrones, y de la medición resulta un número que es la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Las características importantes de un instrumento de medida son:

• Precisión: Es la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones.
• Exactitud: Es la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real.
• Apreciación: Es la medida más pequeña que es perceptible en un instrumento de medida.
• Sensibilidad: Es la relación de des

3. Objetivos y Aplicaciones Específicas

El objetivo principal es:

• Conocer el manejo de los instrumentos de medición en laboratorio, especialmente aquellos concernientes a la medición de presión y temperatura, que son los más importantes en el laboratorio de termodinámica.

Investigación: Tipos de Termómetros y Manómetros

Tipos de Termómetros

Termómetros de Columna

La gran mayoría de las sustancias se dilatan a dimensiones mayores cuando se calientan y se contraen a las dimensiones anteriores si se enfrían a la misma temperatura. Este efecto se utiliza para construir los termómetros de columna.

Estos termómetros constan de un tubo capilar (muy fino) de vidrio cerrado en un extremo, y con un bulbo lleno de líquido coloreado en el otro, al que se le ha practicado vacío. Este capilar se coloca fijo en un cuerpo que contiene una escala graduada en grados en la escala correspondiente.

Cuando el líquido se calienta, se dilata, y sube por el capilar formando una columna coloreada de mayor o menor altura de acuerdo al valor de la temperatura.

El punto de solidificación y ebullición del líquido utilizado debe estar alejado del rango de utilización del termómetro para evitar que estos estados, que lo hacen inoperante, se alcancen durante el trabajo del aparato. Es importante también que la dilatación del líquido en todo el rango de utilización sea exactamente proporcional a la temperatura para lograr una escala con las divisiones a la misma distancia.

Los líquidos más comúnmente utilizados son el mercurio de color plateado y el alcohol coloreado, generalmente de rojo. El termómetro de mercurio habitual en los laboratorios se utiliza para medir temperaturas entre -38 °C a 300 °C, límites impuestos por la temperatura de solidificación del mercurio (-38 °C) y el punto de ebullición de este (367 °C). Los termómetros más corrientemente empleados en el laboratorio tienen las siguientes escalas: -10 °C a 100 °C; -10 °C a 150 °C; –10 °C a 200 °C; –10 °C a 250 °C; -10 °C a 300 °C.

Termocuplas (Termopares)

Las termocuplas son el sensor de temperatura más común utilizado industrialmente.

Una termocupla se fabrica con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivoltios, el cual aumenta con la temperatura.

Existen una infinidad de tipos de termocuplas. Aunque en la tabla aparecen algunas de las más comunes, casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J o del tipo K.

Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio). La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo, fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos.

Pirómetros

Los pirómetros son termómetros para altas temperaturas, utilizados en fundiciones, fábricas de vidrio, hornos para cocción de cerámica, etc. Existen varios tipos según su principio de funcionamiento. Un pirómetro es un 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 de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones.

Pirómetro de infrarrojos: Captan la radiación infrarroja, filtrada por una lente, mediante un sensor fotorresistivo, dando lugar a una corriente eléctrica a partir de la cual un circuito electrónico calcula la temperatura. Pueden medir desde temperaturas inferiores a 0 °C hasta valores superiores a 2.000 °C. Pirómetro estándar para control de temperatura:

• Rango: -20 … +270 °C
• Resolución: 0,5 °C
• Precisión: ± 3 % ± 1 °C de la lectura
• Medición de la temperatura: °C / °F

Tipos de Manómetros

Manómetro de Bourdon

Es un instrumento mecánico de medición de las presiones que utiliza, a modo de elemento sensible, un tubo de metal que se encuentra curvado o torcido, y que pertenece a una sección transversal aplanada. Uno de los extremos de dicho tubo permanecerá cerrado y, por esta razón, la presión que deberá ser medida se aplicará por el otro extremo. A medida que la presión va en aumento, el tubo comenzará a adquirir una sección circular y, a su vez, empezará a enderezarse. El movimiento que se produzca del extremo cerrado va a efectuar la medición de la presión interior y a provocar otro movimiento, el de la aguja.

Manómetro de Columna de Líquido

Consta, como su nombre lo indica, de una columna líquida que es empleada en la medición de la diferencia entre las presiones de ambos fluidos. Este manómetro se constituye en el patrón base a la hora de realizar una medición de todas las ínfimas diferencias de presión que pueden llegar a suscitarse.