Kitabı oku: «Preparar y acondicionar elementos y máquinas de la planta química. QUIE0108», sayfa 3
Como se sabe, en un fluido contenido en un recipiente existe presión en cualquier punto de este. En los gases es igual en todo su volumen, y en los líquidos la presión es la misma en cualquier punto en la misma dirección horizontal, es decir, a la misma altura o profundidad, y sin embargo, cambia en la dirección vertical por el efecto de la gravedad.
La presión en cualquier punto del líquido es directamente proporcional al peso de la columna vertical de dicho líquido situada sobre ese punto. La presión es a su vez proporcional a la profundidad del punto con respecto a la superficie, y es independiente del tamaño o forma del recipiente. La presión en un líquido aumenta con la profundidad, ya que descansa sobre él más líquido, y por tanto, en las capas más profundas hay más presión que en las proximidades a la superficie.
La presión en el fondo de una tubería vertical llena de agua de 3 cm de diámetro y 10 m de altura es la misma que en el fondo de un lago de 10 m de profundidad. De igual forma, si una tubería de 25 m de longitud se llena de agua y se inclina de modo que la parte superior esté solo a 10 m en vertical por encima del fondo, el agua ejercerá la misma presión sobre el fondo que en los casos anteriores, aunque la distancia a lo largo de la tubería sea mucho mayor que la altura vertical de esta. Pero la presión en el fondo de una columna de mercurio de la misma altura será 13,6 veces superior, ya que el mercurio tiene una densidad 13,6 veces mayor a la del agua.
Para calcular la presión de un líquido en un recipiente a cualquier profundidad del mismo se utiliza la siguiente expresión matemática:
P = Patm + h · r · g
Donde en unidades del S.I.:
1 P = la presión ejercida sobre las paredes del recipiente que contiene el líquido en pascales (Pa).
2 Patm = la presión atmosférica en pascales (Pa).
3 h = profundidad a la que se encuentra el punto en que se quiere medir la presión en metros (m).
4 ρ = la densidad del líquido en kilogramo por metro cúbico (Kg · m -3).
5 g = la aceleración de la gravedad en metros por segundo al cuadrado (m · s - 2).
Además, a partir de la ecuación anterior, se puede calcular la diferencia de presión de un líquido entre dos puntos en un recipiente. Esta será:
P2 – P1 = (h2 – h1) · ρ · g
Por tanto se puede concluir que la forma del recipiente no afecta a la presión de un líquido, ya que lo que determina la presión es la altura vertical de este.
En las plantas químicas es importante medir y controlar la presión en un recipiente o la diferencia de presiones en un proceso. Para ello se utiliza el manómetro de tubo en U.
Por ejemplo, sirve para calcular la presión de un depósito de gas donde la presión es la misma en todo su volumen, ya que los efectos de la gravedad sobre los gases son despreciables. Además, la presión en el fluido del manómetro no varía en dirección horizontal, por lo que PA = PB. La columna diferencial de fluido de altura h está en equilibrio estático y abierta a la atmósfera, entonces, con la ecuación del cálculo de la presión a una profundidad dada se obtiene que la presión en el depósito (P2) es:
P2 = Patm + h · ρa · g
Donde:
ρa = densidad del líquido en el tubo.
Otro caso es el cálculo de la diferencia de presiones entre dos puntos en un proceso, por ejemplo, antes y después de un equipo con cambio de presión. La presión P2 se ejerce sobre un brazo del tubo y P1 sobre el otro. Una de ellas puede ser incluso la presión atmosférica. La parte superior del manómetro está llena del líquido B con una densidad ρB y la parte inferior con el líquido A con una densidad ρA. El líquido A es más denso que B y ambos son inmiscibles. La diferencia de presiones entre los fluidos A y B será:
P1 – P2 = h (ρA - ρB) · g
Aplicación práctica
Un manómetro en U se utiliza para calcular la caída de presión del agua entre dos puntos en un proceso industrial químico. El fluido más pesado, el mercurio, tiene una densidad de 13.600 Kg · m-3 y el menos pesado, el agua, tiene una densidad de 1.000 Kg · m-3. Si la lectura del manómetro es de 0,25 m. ¿Cuál es la diferencia de presiones en kilopascales?
SOLUCIÓN
Para resolver esta práctica se debe utilizar la ecuación:
PA – PB = h (ρA – ρB) · g
De tal manera que sustituyendo los datos se tendrá que la diferencia de presiones es:
PA – PB = 0,25 (13.600 – 1.000) · 9.81 = 30.901,5 Pa = 30,9 KPa
Aplicación práctica
Un manómetro en U se utiliza para calcular la presión en un tanque de gas, siendo la presión ejercida sobre el otro brazo del manómetro la atmosférica (96 KPa). El fluido del manómetro es el agua, con densidad de 1000 Kg · m-3 y la lectura del manómetro de 0,25 m. ¿Cuál será la presión en el tanque?
SOLUCIÓN
Para resolver esta práctica se debe utilizar la ecuación:
P = Patm + h · ρ · g
De tal manera que sustituyendo los datos se tendrá que la presión absoluta en el tanque es:
P = 96.000 + 0,25 ·1.000 · 9,81 = 98.452,5 Pa = 98,5 KPa
Esta es la presión absoluta, pero si se quisiera saber la presión relativa en el tanque, habría que restarle la presión atmosférica, y por tanto sería:
98,5 – 96 = 2,5 KPa
4. Electricidad
La electricidad es una manifestación física relacionada con los electrones de los átomos. Se trata de una de las formas de energía que más ventajas está aportando en la actualidad a lo seres humanos y es imprescindible en cualquier planta química.
4.1. Corriente eléctrica
La corriente eléctrica es el desplazamiento de carga eléctrica en forma de electrones libres por un conductor eléctrico. Este desplazamiento se produce siempre desde el polo negativo al positivo, ya que el sentido lo establecen los electrones desde el punto donde hay exceso de estos hasta el punto donde hay defecto de ellos.
Intensidad de corriente. Voltaje. Resistencia eléctrica. Ley de Ohm
Las tres magnitudes fundamentales en electricidad son la intensidad de corriente, el voltaje y la resistencia eléctrica. Las tres se relacionan mediante la ley de Ohm.
Intensidad de corriente
La intensidad de corriente (I) es una medida de la cantidad de corriente eléctrica o cantidad de electricidad, y se expresa matemáticamente como:
I = Q / t
Definición
Intensidad de corriente eléctrica Es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor por unidad de tiempo.
Donde:
1 I = la intensidad de corriente eléctrica en amperios (A).
2 Q = la cantidad de carga en culombios (C).
3 t = el tiempo en segundos (s).
Por tanto, cuando en un circuito se mueve una carga de un culombio en un tiempo de un segundo, se puede decir que la corriente tiene una intensidad de un amperio.
Con un símil hidráulico, la intensidad de corriente es parecida al caudal, es decir, a la cantidad de agua que pasa por una tubería por unidad de tiempo, por ejemplo, litros por segundo.
Para medir la intensidad de corriente se utiliza el amperímetro.
Voltaje
El voltaje, la tensión eléctrica o diferencia de cargas es el que produce todo generador de electricidad como pila, alternador, etc., y para ello, toma electrones del polo positivo y los deposita en el polo negativo. Para llevar a cabo esto, en el interior del generador se necesita desarrollar una energía, y esto se realizará mediante la fuerza electromotriz (f.e.m.).
Definición
Voltaje, tensión eléctrica o diferencia de potencial Es la diferencia de cargas entre dos puntos cargados eléctricamente que da lugar a que los electrones se muevan ordenadamente a través de un conductor, produciéndose así una corriente eléctrica.
Fuerza electromotriz Es la fuerza necesaria para desplazar los electrones desde el polo positivo al negativo, para así poder crear la diferencia de cargas en el conductor.
La fuerza electromotriz es la que permite la circulación de los electrones. Por ejemplo, en una pila la fuerza electromotriz es el proceso químico interno que da lugar a la energía que pone en movimiento a los electrones.
La unidad de medida de la tensión eléctrica, diferencia de potencial o voltaje es el voltio (V). La unidad de medida de la fuerza electromotriz también es el voltio.
Siguiendo con el símil hidráulico, la tensión eléctrica equivale a la fuerza de presión que ha generado una bomba para hacer que el agua circule por una tubería, y el generador eléctrico equivale a la bomba.
Para medir el voltaje se utiliza el voltímetro.
Resistencia eléctrica
La explicación física de la resistencia eléctrica es que los electrones circulan a través de los átomos de los conductores, produciendo un rozamiento que se transforma en calor. Este rozamiento que es la resistencia al movimiento de los electrones es lo que se conoce como resistencia.
La resistencia eléctrica será mayor o menor dependiendo del tipo de material del conductor, por lo que puede ayudar a elegir los mejores o peores conductores eléctricos. Si la resistencia eléctrica es muy alta el conductor será peor y viceversa.
Definición
Resistencia eléctrica La dificultad que presentan los conductores al paso de la corriente eléctrica.
La unidad de medida de la resistencia eléctrica (R) es el ohmio (Ω).
En la práctica, muchas resistencias son aparatos que transforman la energía eléctrica en otra diferente. Ejemplos: lavadoras, planchas, etc.
La resistencia se mide con el óhmetro o también llamado ohmímetro.
La resistencia de una sustancia depende de la naturaleza del material con el que está hecha, y según esta, existen materiales conductores y aislantes eléctricos. Mientras los materiales conductores permiten el paso de corriente con relativa facilidad, los aislantes la impiden.
Recuerde
El paso de la corriente eléctrica depende de la diferencia de potencial o voltaje y de la resistencia eléctrica que presenta el conductor.
Son buenos materiales conductores prácticamente todos los metales como por ejemplo, hierro, plata o platino. Unos son mejores que otros, pero el más utilizado es el cobre.
Son buenos materiales aislantes, entre otros, las cámaras de vacío, el vidrio, los plásticos, la porcelana o el aceite mineral. Gracias a ellos se puede aislar la electricidad.
Ley de Ohm
La ley de Ohm relaciona las tres magnitudes comentadas anteriormente y establece que “la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional al voltaje o diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo”.
Y por tanto se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación:
I = V / R
Donde:
1 I = la intensidad de corriente en amperios (A).
2 V = el voltaje, tensión o diferencia de potencial en voltios (V).
3 R = la resistencia en ohmios (Ω).
En la práctica, si se conocen dos de las tres magnitudes eléctricas, se puede calcular la tercera.
De la ecuación anterior puede despejarse la tensión si se conoce el valor de la intensidad y la resistencia, o la resistencia, si se conoce el valor de la intensidad y la tensión, tal y como se puede observar a continuación:
V = I · R
R = V / I
La explicación física es la siguiente: cuanto mayor sea la diferencia de potencial de un conductor, mayor fuerza atraerá al polo positivo los electrones desde el polo negativo que atravesarán la resistencia del circuito y, por tanto, será mayor la intensidad de la corriente. Cuanto mayor sea el valor de la resistencia que se opone al paso de la corriente, menor será la intensidad de esta.
Corriente continua y corriente alterna
Hay dos clases de corriente, la corriente continua y la corriente alterna.
La corriente continua es una corriente eléctrica que circula con una intensidad constante y en el mismo sentido a través de un conductor, y cuyo símbolo de representación es “-”.
Si se dibuja en una gráfica la corriente eléctrica (I) en función del tiempo (t) se obtiene una línea recta paralela al eje del tiempo.
Ejemplo
Un circuito muy simple es una pila que proporciona corriente continua a una lámpara, y con un amperímetro se señala una corriente constante en el tiempo.
Este tipo de corriente se utiliza en cubas o baños electrolíticos y para alimentación de equipos o aparatos electrónicos.
La corriente alterna es una corriente eléctrica que circula con una intensidad y sentido que varía constantemente a través del conductor, y cuyo símbolo de representación es “~”.
El generador produce en intervalos de tiempo iguales cambios en la polaridad de sus terminales de salida. Estos cambios de polaridad y por tanto de sentido e intensidad de corriente, por ejemplo, en una lámpara, deberían hacer que esta se encendiese y apagase constantemente, pero estos cambios de polaridad son tan rápidos que no pueden ser percibidos por el ojo humano.
Si se dibuja en una gráfica la corriente en función del tiempo se obtiene una línea ondulada que se va repitiendo constantemente en el tiempo. Si, por ejemplo, fuese una lámpara, en la zona positiva, es decir, por encima del eje del tiempo, estaría encendida, y en la negativa apagada.
Ejemplo
Un circuito muy simple es conectar una bombilla en un circuito con un amperímetro (con el cero de la escala en el centro) y una dinamo de una bicicleta que actuará como generador. Cuando se mueve el rotor de la dinamo lentamente, la aguja indicadora del amperímetro señala hacia la derecha e izquierda variando constantemente su intensidad de corriente.
Su campo de aplicación es mucho más amplio debido a que es más fácil de generar y de transportar, por lo que se producen en las centrales eléctricas y se utiliza en las viviendas y en la industria en general.
Resistencia de un conductor filiforme. Resistividad
Como ya se sabe, la resistencia eléctrica (R) es la dificultad al paso que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de un conductor.
Atendiendo a esto se puede entender que cuanto mayor longitud tenga un conductor, mayor será su resistencia debido a que la corriente eléctrica y, por tanto sus electrones, tendrán más dificultad en atravesarlo.
Por otro lado, si aumenta la sección del conductor, los electrones tendrán más libertad para moverse y la resistencia será menor.
Recuerde
La resistencia de un conductor aumenta con su longitud y disminuye con su sección.
Un conductor filiforme es aquel conductor con forma de hilo largo y sección circular pequeña.
Para calcular la resistencia de un conductor filiforme de sección constante, la fórmula general es:
R = ρ · (L / S)
Siendo:
1 R = la resistencia del conductor en ohmios (W).
2 L = la longitud del conductor en metros (m).
3 S = la sección del conductor en milimetros cuadrados (mm2).
4 ρ = el coeficiente de resistividad (W · mm2 · m-1).
La resistividad, que se designa por la letra griega r y se mide en ohmios milímetros cuadrados por metro (W · mm2 · m-1), describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es ese material.
Definición
Resistividad Es la resistencia eléctrica específica de un material.
A partir de la resistividad se puede calcular la conductividad eléctrica de una sustancia, es decir, la capacidad que tiene un material para conducir la corriente.
La conductividad se calcula como la inversa de la resistividad. Se designa por la letra griega s y se mide en siemens por metro (S · m-1) o (Ω-1 · m-1):
σ = 1 / r
Un valor de resistividad alto y por tanto de conductividad bajo indica que el material es un mal conductor, mientras que un valor de resistividad bajo y conductividad alto señala un buen conductor.
Efecto joule. Potencia eléctrica
Es bastante interesante conocer para esta actividad qué es el efecto joule en un conductor y qué es la potencia eléctrica de un dispositivo.
Efecto joule
Para un conductor por el que circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética del movimiento de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan. El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, lo que provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable.
El efecto fue definido de la siguiente manera: “el calor generado por una corriente eléctrica es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente eléctrica, al tiempo que esta circula por el conductor y a la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente”. Matemáticamente se expresa como:
Q = I2 · t · R
Definición
Efecto Joule Es el fenómeno por el cual se calienta un material cualquiera cuando es recorrido por una corriente eléctrica.
Donde:
1 Q = el calor generado en julios (J).
2 I = la intensidad de corriente eléctrica en amperios (A).
3 t = el tiempo en segundos (s).
4 R = la resistencia en ohmios (W).
Si el conductor es muy fino, este se calienta hasta ponerse incandescente. La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en calor, como, por ejemplo, en estufas eléctricas, hornos eléctricos, etc. Para estos y otros aparatos eléctricos, este es el efecto deseado: el calor desprendido por el paso de la corriente eléctrica.
Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y es la razón por la que los aparatos eléctricos necesitan un ventilador que evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos eléctricos o electrónicos.
Potencia eléctrica
La potencia es la tensión que impulsa a moverse a los electrones por un conducto multiplicado por la intensidad de corriente eléctrica, que es la cantidad de electrones que se mueven en un circuito en el tiempo.
P = V · I
Definición
Potencia eléctrica Es la energía eléctrica consumida por un dispositivo conectado a un circuito eléctrico por unidad de tiempo o la que necesita cualquier aparato eléctrico para que pueda funcionar.
Pero, matemáticamente se puede calcular también mediante otras dos ecuaciones, relacionadas la tres por la Ley de Ohm:
P = I2 · R o P = V2/R
Donde:
1 P = la potencia eléctrica expresada en vatios (W).
2 I = la intensidad de corriente eléctrica expresada en amperios (A).
3 R = la resistencia expresada en ohmios (W).
4 V = la tensión expresada en voltios (V).
El aparato que mide la potencia eléctrica es el vatímetro.
A partir de la potencia se puede calcular la energía eléctrica consumida por un receptor o aparato eléctrico conectado a la instalación. Este cálculo es muy importante, ya que sobre él facturan el consumo eléctrico las compañías eléctricas. La ecuación que los relaciona es:
E = P · t
Donde:
1 E = la energía eléctrica consumida en julios (J).
2 P = la potencia eléctrica en vatios (W).
3 t = el tiempo en segundos (s).
El julio es la unidad de medida perteneciente al S.I. de medidas, pero al ser esta una unidad muy pequeña se suele utilizar para la potencia eléctrica el Kilovatio que son 1.000 vatios y el tiempo en horas, lo que da lugar a que la unidad de energía eléctrica consumida sea el kilovatio-hora (KWh).
El aparato de medida de la energía eléctrica es el contador, que funciona igual que un vatímetro.
Unidades de medida de magnitudes eléctricas. Diagramas unifilares
Es importante hacer un repaso de las unidades de medida de las magnitudes eléctricas estudiadas y saber cómo interpretar un diagrama unifilar de una instalación eléctrica.
Unidades de medida
Las unidades de medida de las magnitudes eléctricas que se han comentado a lo largo de este capítulo son los que aparecen en la siguiente tabla.
| Amperio(A) | Es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. |
|---|---|
| Culombio(C) | Es la unidad de carga eléctrica y equivale a 6,3 · 1018 electrones. |
| Voltio(V) | Es la unidad del voltaje, tensión o diferencia de potencial eléctrico y de la fuerza electromotriz. |
| Ohmio(W) | Es la unidad de resistencia eléctrica. La inversa de la resistencia, es decir, W-1, es el siemens (S). |
| Julio(J) | Es la unidad de calor generado en un conductor eléctrico. También se utiliza como unidad de medida la caloría (cal), que equivale a 4,187 J. El julio también se utiliza como unidad de la energía consumida, aunque, al ser esta una unidad muy pequeña en relación con los valores con lo que se trabaja, se utiliza normalmente el kilovatio-hora (KWh). |
| Vatio(W) | Es la unidad de potencia eléctrica, aunque normalmente se utiliza el kilovatio (kW), que son 1.000 W. |
Diagramas unifilares
Todos los dispositivos eléctricos de una instalación, y a veces, el conjunto de estos dispositivos, que llevan a cabo una determinada función, se representan por un símbolo.
Estos símbolos son dibujos muy simplificados de elementos o aparatos al que representan y forman parte de un esquema eléctrico.
Importante
Las dimensiones de los símbolos no guardan proporción con el tamaño real del elemento o aparato representado, ya que no son dibujos a escala sino una representación simbólica.
El esquema es la forma más sencilla de representar las instalaciones eléctricas, y con él se puede comprender el funcionamiento de un equipo o aparato, por lo que deben ser claros y concisos.
Existen diversos tipos de esquemas eléctricos, pero el esquema unifilar o de un solo hilo es el más importante para el desarrollo de esta actividad, ya que proporcionan la visión más simplificada de una instalación y normalmente los esquemas eléctricos suelen tener este tipo de representación.
En este tipo de esquema se simplifica mucho las instalaciones con varios conductores y varios aparatos que funcionan simultáneamente.
Definición
Esquema o diagrama unifilar Es una representación gráfica de una instalación eléctrica o parte de ella cuyo conjunto de conductores se representa mediante una única línea independientemente de la cantidad de dichos conductores.
Se representa mediante un único conductor o aparato, cruzado por pequeños trazos oblicuos o indicando sobre la línea principal el numero de conductores. La cantidad de trazos oblicuos que cruzan al conductor o al dispositivo indican el número de conductores o dispositivos que representa. Por ejemplo, un único conductor cruzado por tres trazos oblicuos o un trazo con un tres indica que se trata de una línea trifásica, si son cuatro los trazos que lo cruzan se trata entonces de una línea trifásica con neutro.
Los elementos típicos de un esquema unifilar son:
1 Símbolos: que representan máquinas, instalaciones, aparatos, dispositivos o partes de elementos. Toda la simbología aparece en normas UNE. Por ejemplo, un círculo significa que se trata de una máquina rotativa.
1 Cableado y conexiones: el cableado se representa con líneas rectas, y se colocan normalmente las líneas de alimentación en la parte superior e inferior del dibujo y todos los dispositivos y sus interconexiones, entre ambas líneas.
2 Marcas o referencias: permiten identificar instalaciones, máquinas, aparatos, sus elementos y conducciones. Por ejemplo, si se tiene M 3 ~ dentro de un círculo, significa que se trata de un motor (M) de corriente alterna (~) y trifásico o de tres fases (3). Y si tiene “Y”, es que el motor tiene una conexión tipo estrella.
1 Leyenda: es la referencia en la que se identifica cada componente del esquema en un listado. Por ello, no es necesario aprenderse los símbolos.
Aplicación práctica
Se conecta un equipo eléctrico de 1.000 W a la corriente, con una resistencia de 62,5 Ω. ¿A qué tensión habrá que conectarlo? ¿Cuál es la intensidad de corriente eléctrica? Si se utiliza durante 5 días, ¿cuál será la energía eléctrica consumida en kilovatios-hora?
SOLUCIÓN
Una de las ecuaciones de la potencia eléctrica es P = V2 / R. Como se conoce la potencia del equipo eléctrico (P) y la resistencia (R), solo hay que despejar la tensión (V) de la ecuación para obtener su resultado, es decir, la raíz cuadrada de P por R. → V = (P · R)1/2 = (62.500)1/2 = 250 V. Se conectará a una tensión de 250 V.
Para calcular la intensidad de la corriente eléctrica se puede hacer por la ecuación de la ley de Ohm: I = V / R = 250 / 62,5 = 4 A. La intensidad de corriente es de 4 A.
El consumo de energía eléctrica se calcula mediante la siguiente ecuación: E = P · t = 1 · 120 = 120 KWh. La energía eléctrica consumida es de 120 KWh. Se debe tener en cuenta que en el cálculo de la energía eléctrica se debe poner la potencia en kilovatios, en este caso 1.000 W = 1 KW, y el tiempo en horas, en este caso 5 días = 120 horas.
Aplicación práctica
Comente los elementos que tiene el siguiente tramo de esquema unifilar, ayudado por los símbolos que se han visto en este capítulo.
SOLUCIÓN
Se trata de una parte de un esquema unifilar de tres fases porque aparece un tres con un trazo oblicuo al inicio de la línea (en la zona de arriba). Está formado por un motor trifásico de corriente alterna (M3~) y un contactor (K1). Además, para cada fase hay un fusible (F1, 2, 3) y un relé térmico (F7).
