UNIVERSIDAD NACIONAL

DE INGENIERÍA
Facultad de Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Ingeniería
Mecánica I
(MN – 412)
Elaborado por:

D.Sc. Juan José Uchuya López

 ÍNDICE

MEDICIÓN DE TEMPERATURAS ............................................................................... 1

MÉTODOS ELÉCTRICOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA
TEMPERATURA ............................................................................................................. 5
MEDICIÓN DE TEMPERATURA MEDIANTE TERMÓMETROS POR
RESISTENCIA ................................................................................................................. 9
MEDICIÓN DE PRESIÓN ............................................................................................ 11
MEDICIONES DE POTENCIA .................................................................................... 21
MEDICIONES DE FLUJO INCOMPRESIBLE - COMPRESIBLE............................. 32
MEDICIÓN DE FLUJOS ............................................................................................... 33
FLUJO COMPRENSIBLE ............................................................................................. 44
MEDICIÓN DE VELOCIDAD...................................................................................... 53
MEDICIÓN DE PROPIEDADES .................................................................................. 57
DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE INFLAMACIÓN Y DE COMBUSTIÓN
DE LUBRICANTES Y COMBUSTIBLES ................................................................... 64
MEDICIÓN DE DENSIDAD Y GRAVEDAD ESPECÍFICA ...................................... 66
MEDICIÓN DE LA HUMEDAD .................................................................................. 71
BOMBA CALORIMETRIA DE EMERSON ................................................................ 76
ESTUDIO DEL VAPOR: CALDERO MARCET ......................................................... 82
ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DEL AGUA ............................................................... 87
ANÁLISIS DE GASES .................................................................................................. 97
 1

MEDICIÓN DE TEMPERATURAS
INTRODUCCIÓN:
La cantidad de calor que posee un cuerpo depende de su temperatura, de su masa y de la
naturaleza de la sustancia que conforma el cuerpo. Un cuerpo A es más caliente que otro
B si el calor fluye desde A hacia b cuando los cuerpos están en contacto.
En la medición de temperatura se utilizan muchos tipos de termómetros, pero antes de
poder comparar las temperaturas medidas con los diversos termómetros es necesario tener
en cuenta algunos puntos fijos reconocidos, se necesitan por lo menos dos puntos fijos
cuyas temperaturas sean constantes y puedan reproducirse fácilmente.
Los dos puntos escogidos fueron:
1. El punto fijo bajo o punto de hielo, que es la temperatura del hielo, preparado
con agua destilada cuando se funde a una presión de 760 mm de mercurio.
2. El punto fijo superior al punto de vapor, que es la temperatura del vapor del agua
destilada que ebulle a una precisión de 760 mm de mercurio.
CLASIFICACIÓN DE LOS INSTUMENTOS PARA MEDIR TEMPERATURA:
◼ Termómetro expansión (termómetro de bulbo y bimetálico).
◼ Termómetro de cambio de fase.
◼ Métodos eléctricos para la determinación de la temperatura (por termocupla y por
resistencia).
◼ Pirómetros ópticos y de radiación.
A. TERMÓMETROS DE BULBO Y BIMETÁLICOS

OBJETIVO:
Medir temperaturas mediante termómetro de bulbo y corregir la temperatura indicada
cuando varia la profundidad de inmersión. Cabe hacer mención que también utilizaremos
termómetro de cinta bimetálico.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
El coeficiente de expansión cúbica del mercurio es aproximadamente ocho veces mayor
el del vidrio, en consecuencia, si calentamos un recipiente de vidrio que contiene
mercurio, el mercurio se dilatará más que el recipiente. A una temperatura más alta, el
mercurio ocupará una fracción más grande del volumen del recipiente, pro lo tanto si el
recipiente lo hacemos en forma de bulbo con un tubo capilar insertado y lo llenamos de
mercurio de tal manera que la superficie del mercurio este en el tubo capilar, su posición
puede leerse y utilizarse para indicar temperatura. Este es el principio básico del
termómetro de bulbo con mercurio.
Bajo condiciones de temperatura ambientales casi todo el líquido está contenido en el
bulbo y cuando se caliente, se expande el líquido a lo largo de la capilaridad del tubo. La
escala de temperatura se marca en el vástago de vidrio.
Existen tres grados de precisión en los termómetros de mercurio, los límites de error de
los grados A y B son especificados en las tablas de British Standars Code N°1041, el
grado C es un grado comercial de termómetro no muy exacto, pero más barato. Deben de
compararse cada cierto tiempo con termómetro de gran aproximación.
 2

Los termómetros de bulbo se gradúan para inmersión parcial ó total, los que se gradúan
para inmersión parcial tienen una marca de la profundidad de inmersión a una cierta
distancia del bulbo. Estos termómetros han sido calibrados para utilizar la parte emergente
del vástago a una cierta temperatura (generalmente temperaturas ambientales) diferente a
la del bulbo.
Cuando el termómetro ha sido calibrado para inmersión total, debe de utilizarse con la
columna del mercurio sumergid evitándose de este modo errores debido al hecho de que
la columna emergente de mercurio y el vástago de vidrio están a una temperatura más
baja que la del bulbo y en consecuencia no se expandan igualmente. La introducción de
estos errores debe de tomarse en cuenta en mediciones de precisión, especialmente a altas
temperaturas.
A altas temperaturas, la corrección por temperatura del vástago emergente se hace
particularmente importante. El termómetro debe de sumergirse hasta el extremo superior
de la columna de mercurio, cuando sea posible, asimismo el termómetro debe de
sumergirse hasta donde las condiciones nos permitan corregir la temperatura observada
por efecto de la columna emergente; para hacer esto debemos determinar la temperatura
promedio del vástago emergente por medio de un pequeño termómetro colocado en varias
posiciones cerca del vástago emergente.
La corrección por la columna emergente puede determinarse con la siguiente fórmula:
𝑪 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟏𝟔(𝒕𝟏 − 𝒕𝟐 ). 𝑳 (𝒆𝒏 °𝑪)
Donde:
• 𝑡1 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑙𝑒í𝑑𝑎 (°𝐶 )
• 𝑡2 = 𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑒𝑚𝑒𝑟𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑛 °𝐶.
• 𝐿 = 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 𝑒𝑚𝑒𝑟𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 (𝑒𝑛 𝑔𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠).
La constante numérica es el coeficiente de expansión aparente del mercurio en el vidrio.
Por ejemplo:

Figura 1
 3

Cuando se realiza la lectura de un termómetro, el observador debe de mantener su vista

en el mismo nivel que el estreno superior de la columna de mercurio, de esta manera se
evita errores debido al paralaje.

Figura 2
TERMÓMETROS DETIRAS BIMETALICAS: Las tiras bimetálicas son cintas de dos
metales diferentes soldados entre si tal como se muestra en la figura 3a. Cuando se
calientan ambos metales se dilatan, como uno de ellos tiene mayor coeficiente de
expansión, la tira de dobla tal como se observa en la figura 3b.

Figura 3a

Figura 3b
 4

Para que se produzca un movimiento apreciable dentro de un espacio pequeño, se arrolla

estas cintas bimetálicas en helicoides el extremo libre de esta cinta acciona un eje que
tiene una aguja indicadora.

Figura 4: Termómetro Bimetálico.

 5

MÉTODOS ELÉCTRICOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA

TEMPERATURA
A. POR TERMOCUPLA:
OBJETIVO: La presente experiencia tiene como objetivo aprender a medir temperatura
mediante termocuplas utilizando un potenciómetro y calibración de la termocupla
comparándola con un termómetro normalizado.
FUNDAMENTO TEÓRICA:
◼ TERMO ELECTRICIDAD – EFECTO SEEBECK
En 1821 Seebeck descubrió que, si un circuito cerrado está compuesto de dos metales
diferentes y las dos juntas de los metales están a diferentes temperaturas, fluirá una
corriente eléctrica por le circuito. Supongamos un circuito compuesto de dos cables de
metales diferentes soldados en sus extremos, por ejemplo, de hierro y cobre. En la figura
de abajo, podemos observar que las juntas permanecen a la temperatura ambiente 𝑇2,
mientras que el otro extremo es calentado a una temperatura superior 𝑇1, entonces se
produce una corriente que fluye desde el hierro al cobre en la junta fría y desde el cobre
al hierro en la junta caliente.

Figura 5: Termocupla Simple.

◼ EFECTO PELTIER
En 1834 Peltier descubrió que cuando fluye una corriente por una junta de dos metales,
se absorbe calor cuando el flujo de corriente es en un sentido y se libera calor cuando se
invierte el flujo. Se absorbe calor cuando la corriente fluye desde el cobre al hierro en la
junta de hierro – cobre, se libera calor cuando la corriente fluye desde el hierro al cobre.
Este efecto de calentamiento no debe confundirse con el efecto de calentamiento Joule,
que es proporcional a 𝐼 2 . 𝑅 y no depende del sentido de la corriente.
La cantidad de calor liberado o absorbido es proporcional a la cantidad de electricidad
que cruza a la junta y la cantidad liberada o absorbida cuando una unidad de carga
eléctrica pasa, se denomina: Coeficiente Peltier (C).
𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝑷𝒆𝒍𝒕𝒊𝒆𝒓 (𝒈𝒑 )
𝑪=
𝑪𝒂𝒓𝒈𝒂 𝒕𝒓𝒂𝒏𝒔𝒑𝒐𝒓𝒕𝒂𝒅𝒂
 6

Ya que existen una 𝑓. 𝑒. 𝑚. a través de una junta de dos metales diferentes siendo su
sentido desde el cobre al hierro en la unión considerada. La magnitud de esta 𝑓. 𝑒. 𝑚.
depende de la temperatura de la junta. Cuando ambas juntas están a una misma
temperatura la 𝑓. 𝑒. 𝑚. en una junta es igual e inversa a la de la otra junta de tal forma que
la 𝑓. 𝑒. 𝑚. resultante en el circuito es cero. Pero si calentamos una de las juntas la 𝑓. 𝑒. 𝑚.
en la junta caliente es mayor que la de la junta fría y se tendrá una 𝑓. 𝑒. 𝑚. resultante en
el circuito, el cual es la causa de la corriente; o sea:
𝒇. 𝒆. 𝒎. 𝒓𝒆𝒔𝒖𝒍𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒄𝒊𝒓𝒄𝒖𝒊𝒕𝒐 = 𝑷𝟐 − 𝑷𝟏
Donde:
• 𝑃1 = 𝑓. 𝑒. 𝑚. 𝑃𝑒𝑙𝑡𝑖𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑇1 .
• 𝑃2 = 𝑓. 𝑒. 𝑚. 𝑃𝑒𝑙𝑡𝑖𝑒𝑟 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑇2 .
𝑻𝟐 > 𝑻𝟏
◼ EFECTO THOMSON
Considerando que un circuito Termoeléctrico es una máquina térmica reversible, el
profesor W. Thomson, puntualizó de que si el efecto reversible Peltier era la única fuente
de 𝑓. 𝑒. 𝑚. entonces si una de las juntas permanecía a una temperatura 𝑇1 y la temperatura
de la otra junta la aumentamos hasta 𝑇2, la 𝑓. 𝑒. 𝑚. total, será proporcional a: (𝑇2 − 𝑇1 ).
Se demuestra fácilmente que esto no se es cierto.
En la termocupla de cobre – hierro descrito anteriormente observamos que, si calentamos
una de las juntas y la otra se mantenida a l temperatura ambiente, la 𝑓. 𝑒. 𝑚. en el circuito
aumenta inicialmente, después va disminuye pasa a cero y se invierte.
Thomson concluyó que junto al efecto Peltier existía otro efecto térmico reversible
producido cuando una corriente fluye en un conductor calentador no uniforme.
En un experimento Thomson observo que si una corriente fluye por un conductor de cobre
cuya temperatura varia de punto a punto se libera calor en algún punto P, cuando la
corriente hacia P fluye en el mismo sentido que el flujo de calor hacia P, en cambio se
absorbe calor en P cuando se invierte la corriente. En el hierro en cambio se absorbe calor
en P cuando la corriente fluye en la dirección del flujo de calor hacia P, ocurriendo lo
contrario cuando se invierte el sentido de la corriente.
Cuando se seleccionan los materiales de una termocupla se escogen aquellos que posean
una máxima 𝑓. 𝑒. 𝑚. resultante (Thomson más Peltier) en el rango de temperatura a
utilizarse.
En la practica la junta de referencia (junta fría) puede separarse e introducirse alambres
de cobre para conectar a la termocupla el instrumento de medición como se muestra en la
figura 6.
La introducción de un tercer metal en el circuito termoeléctrico no afecta 𝑓. 𝑒. 𝑚. de la
junta, ya que, según la ley de los metales intermedios, que dice: “Se puede introducir un
tercer metal en el circuito de una termocupla sin alterar la 𝑓. 𝑒. 𝑚. generada si, es que sus
puntos de entrada y de salida están a la misma temperatura”.
Los puntos de conexión entre el cobre y el metal A y el cobre y el metal B figura 06, se
unen para formar la junta de referencia. Las dos conexiones deben estar aisladas
eléctricamente entre sí, pero deben estar en contacto térmico para asegurar de que se
encuentren a la misma temperatura 𝑇𝐵 .
 7

Figura 6: Esquema de un circuito simple de termocupla.

Existen tablas y gráficos de la relación entre 𝑓. 𝑒. 𝑚. y la temperatura de algunos metales
comúnmente utilizando en las termocuplas, en comparación con el platino y con la junta
de referencia a 0°C (Figura 07).
La 𝑓. 𝑒. 𝑚. generada al combinar cualquier par de metales se determina hallando la
distancia vertical entre las correspondientes curvas para una temperatura dada.
Por ejemplo: Si combinamos dos metales: Cobre – Constantán, la 𝑓. 𝑒. 𝑚. generada por
esta termocupla a 400°C.

Figura 7: E térmica de algunos materiales de termocupla relativos al platino.

CIRCUITO DE TERMOCUPLA: Cuando se desea aumentar la 𝑓. 𝑒. 𝑚. que produce una
sola termocupla se conecta en serie 𝑓. 𝑒. 𝑚. obtenida mediante esta disposición en “n”
veces el valor de una de las termocuplas si “n” es el número de serie. Este circuito se usa
para obtener una temperatura promedio de una región o área (Figura 8).
 8

Figura 8: Circuito en Serie.

También puede conectarse en paralelo (Figura 9) para obtener una temperatura promedio.
Este circuito tiene la ventaja de que el instrumento de medición indicará la 𝑓. 𝑒. 𝑚.
promedio y el circuito no se desconecta por la ruptura de una unidad.

Figura 9: Circuito en Paralelo.

 9

MEDICIÓN DE TEMPERATURA MEDIANTE TERMÓMETROS

POR RESISTENCIA
OBJETIVO:
Aprender a medir temperatura mediante termómetros por resistencia (termohmio)
utilizando un puente Wheatstone y también calibrar el termohmio.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
El funcionamiento de un termohmio se basa en la variación de la resistencia eléctrica del
material con que esta hecho el termohmio en función con la temperatura.
El elemento resistivo generalmente tiene la forma de una bobina de alambre fino de
platino, níquel o cobre, arrollado alrededor de un soporte y protegido por un tubo metálico
o cerámica. Los rangos de medición de temperatura varían de acuerdo al tipo de metal y
aislamiento utilizado, su rango de utilización no debe exceder su valor correspondiente
ya que se puede dañar al termohmio.
Existe otro tipo de termohmio conocido como termistor cuya resistencia eléctrica
disminuye cuando aumenta la temperatura.
Un esquema de las conexiones eléctricas del termohmio al puente Wheatstone se muestra
en figura 10.

Figura 10

Donde:
• 𝑅𝑎 𝑦 𝑅𝐵 𝑠𝑜𝑛 𝑟𝑒𝑠𝑠𝑖𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑖𝑛𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑦 𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 .
• 𝑅𝑥 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜ℎ𝑚𝑖𝑜.
• 𝑟𝑎 , 𝑟𝑏 𝑦 𝑟𝑐 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑒𝑥𝑖ó𝑛.
 10

Cuando el circuito está balanceando el galvanómetro no detecta paso de la corriente y

además se cumple que:
𝐼𝐴 = 𝐼𝐵 … … (1)
𝐼𝑅𝑉 = 𝐼𝑅𝑋 … … (2)
La caída del voltaje por A es igual a la caída del voltaje por (𝑅𝑣 + 𝑅𝑎 ) y la caída del
voltaje por B es igual a la caída de voltaje por (𝑅𝑋 + 𝑟𝐶 ), por tanto:
∆𝑉𝐴 = 𝐼𝐴 . 𝑅𝐴 = ∆𝑉. (𝑅𝑉 + 𝑟𝑎 ) = 𝐼𝑅𝑉 . (𝑅𝑉 + 𝑟𝑎 ) … … (3)
∆𝑉𝐵 = 𝐼𝐵 . 𝑅𝐵 = ∆𝑉. (𝑅𝑋 + 𝑟𝑐 ) = 𝐼𝑅𝑋 . (𝑅𝑋 + 𝑟𝑐 ) … … (4)
Dividiendo la ecuación (3) entre la ecuación (4) y sustituyendo 𝐼𝐴 por 𝐼𝐵 , asimismo:
𝐼𝑅𝑉 . 𝐼𝑅𝑋 tenemos:
𝑅𝐴 (𝑅𝑉 + 𝑟𝑎 )
= … … (5)
𝑅𝐵 (𝑅𝑋 + 𝑟𝑐 )
𝑅
Pero como 𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 ; entonces 𝑅𝐴 = 1.
𝐵

Además, las resistencias de los cables de conducción deben ser iguales o ser: 𝑟𝑎 = 𝑟𝑐 (el
cable b puede tener cualquier resistencia). Entonces:
𝑅𝑉 = 𝑅𝑋 … … (6)
Por tanto, la resistencia indicada en el instrumento es igual a la resistencia del termohmio.
La relación entre la resistencia 𝑅𝑋 y la temperatura t es la siguiente:
𝐿
𝑅𝑋 = 𝜌.
𝑆
Donde:
• 𝜌: 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑚.
• 𝐿: 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑒𝑛 𝑚.
• 𝑆: 𝑒𝑠 𝑒𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑜ℎ𝑚𝑖𝑜 𝑒𝑛 𝑀2 .
Además:
𝜌 = 𝜌0 (1 + 𝛼. 𝑡 + 𝛽. 𝑡 2 + 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑛𝑜𝑠 𝑖𝑛𝑠𝑖𝑔𝑛𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠) … … (8)
Las ecuaciones (7) y (8) pueden fusionarse en una sola:
𝑅𝑋 = 𝐴 + 𝐵. 𝑡 + 𝐶. 𝑡 2 … … (9)
Donde:
• 𝑅𝑥 : 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑜ℎ𝑚𝑖𝑜𝑠.
• 𝑡: 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑒𝑛 °𝐶.
 11

MEDICIÓN DE PRESIÓN
OBJETIVO:
Tiene por objetivo familiarizar al estudiante con los instrumentos y el aprendizaje de las
técnicas de medición de presiones y debido a las diferentes aplicaciones que se hacen en
el laboratorio, establecen el instrumento adecuado para cada caso.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
Para el tratamiento de fluidos (líquidos y gases) se utiliza ordinariamente el termino
presión que se define como la fuerza normal ejercida por el fluido sobre la unidad de
superficie. La manifestación de la presión será permanente o no permanente cuando en
un lugar definido varía con el tiempo o no. Conocer la presión de un fluido es importante
porque:
a) Con otras propiedades define el estado de un fluido.
b) Permite conocer el trabajo realizando por ó sobre el fluido.
PRESIÓN ABSOLUTA Y MANÓMETRICA: Cuando el nivel de referencia para la
medición de una presión es el cero absoluto es decir la ausencia total de moléculas que
son los agentes de la presión, la presión así medida se llama absoluta; pero el nivel de
referencia es el estado molecular atmosférico, la presión medida a partir de este nivel se
denomina manométrica.

Figura 11

La mayoría de los dispositivos mediadores de presión usan el nivel de referencia

atmosférico y dan la presión sobre o por debajo de la atmosférica (manométrica) ya que
el nivel cero es difícil de ser reproducido.
 12

MÉTODO PARA LA MEDICIÓN DE PRESIONES

a) Equilibrio la presión medida con una columna líquida.
b) Deformación solida ocasionada por la presión que se mide.
c) Método común de una fuerza sobre un área.

MANÓMETROS DE COLUMNA LÍQUIDA

Tienen su uso muy difundido, y como se muestra en la figura de abajo, se muestra la

columna “h” de la izquierda y la presión atmosférica, equilibran la presión del recipiente.

Pero la fuerza o peso que ejerce la columna: 𝐹 = 𝛾. 𝑉 = 𝛾. ℎ. 𝐴

𝛾. 𝐴. ℎ
𝑃𝑚𝑎𝑛. 𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 = = 𝛾. ℎ
𝐴
Luego en este tipo de manómetro, es suficiente conocer la altura de columna y el peso
específico del líquido para conocer la presión que reina en el recipiente.
TIPOS DE MANÓMETROS DE COLUMNA: Se utilizan diversos líquidos como: agua,
aceite, tetracloruro de carbono, mercurio, etc.
◼ MANÓMETROS DE TUBO EN “U”: Sirve para medir presiones manométricas
de determinadas líneas de presión o diferencia de presión entre dos líneas
distintos. Existen muchas variantes de estos manómetros.

Desventajas: Cuando hay presiones fluctuaciones se tienen que hacer dos lecturas
simultaneas, resulta difícil obtener una lectura verdadera.
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◼ MANÓMETROS DE UNA SOLA RAMA: Se usan para mediciones más exactas

en presiones fluctuantes. Consiste de un depósito de sección mayor que la rama,
y por esto la variación de nivel en el depósito es pequeña, aunque las variaciones
de presión sean grandes.

Por ejemplo: Si D = 5d, luego:

𝐴𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜 = 25. 𝐴𝑟𝑎𝑚𝑎
Donde:
• D = Diámetro del depósito.
• d = Diámetro del tubo.
Para una variación de altura “h” en la rama, la variación de altura “h′ ” en el
depósito será:
𝑉
ℎ= → 𝑉 = ℎ. 𝐴𝑟𝑎𝑚𝑎 … … (𝐼)
𝐴𝑟𝑎𝑚𝑎

𝑉
ℎ′ = … … (𝐼𝐼)
𝐴𝑟𝑎𝑚𝑎

Reemplazando la ecuación (I) en la ecuación (II), por lo tanto:

 14

ℎ. 𝐴𝑟𝑎𝑚𝑎 ℎ. 𝐴𝑟𝑎𝑚𝑎
ℎ′ = = = 0.04𝑥ℎ
𝐴𝑑𝑒𝑝ó𝑠𝑖𝑡𝑜 25. 𝐴𝑟𝑎𝑚𝑎

Conclusión: Para una variación en la columna h′ , en el depósito solo se produce

una variación de 0.04xh que puede despreciarse para mediciones de no mucha
precisión.

MANOMETROS PARA MEDIR PRESIONES PEQUEÑAS

MANÓMETROS INCLINADOS: Para utilizan cuando la presión a medir es muy

pequeña. Existen dos tipos característicos, el inclinado en “U” y el inclinado de una sola
rama, que se ilustra en la figura. En estos manómetros la presión medida está equilibrada
por la presión atmosférica y la columna h que es difícil de medir con precisión y se mide
“h′ ”, entonces:
𝒉 = 𝒉′ 𝒙 𝐬𝐢𝐧 𝜷

MANÓMETRO DE DOS FLUIDOS: Utilizado también para la medición de presiones

pequeñas.

Cuando se conecta la línea de una presión que se quiere medir, el volumen desplazado
por el fluido uno, es el que ocasiona la altura h2, entonces cuando se realiza una medición
por la toma B, se tiene:
𝑉𝐷𝑒𝑠𝑝 1 = 𝑉𝐴𝑢𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎 2 … … (𝐼)
𝑃𝐸1 . 𝐴1 . ℎ1 = 𝑃𝐸2 . 𝐴2 . ℎ2 … … (𝐼𝐼)
 15

De (II):
𝑃𝐸1 𝐴1
ℎ2 = 𝑥 𝑥ℎ … … (𝐼𝐼𝐼)
𝑃𝐸2 𝐴2 1
Por lo tanto, la presión manométrica del fluido es:
𝑃 = 𝑃𝐸1 𝑥ℎ1 − 𝑃𝐸2 𝑥ℎ1 + 𝑃𝐸2 𝑥ℎ2 … … (𝐼𝑉)
Reemplazando la ecuación (III) en la ecuación (IV):
𝑃𝐸1 𝐴1
𝑃 = 𝑃𝐸1 𝑥ℎ1 − 𝑃𝐸2 𝑥ℎ1 + 𝑃𝐸2 𝑥 𝑥 𝑥ℎ
𝑃𝐸2 𝐴2 1
𝐴1
𝑃 = 𝑃𝐸1 𝑥ℎ1 − 𝑃𝐸2 𝑥ℎ1 + 𝑃𝐸1 𝑥 𝑥ℎ
𝐴2 1
𝐴1
𝑃 = ℎ1 𝑥(𝑃𝐸1 − 𝑃𝐸2 + 𝑃𝐸1 𝑥 )
𝐴2
Donde:
• 𝑃𝐸1 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 1.
• 𝑃𝐸2 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 2.
• 𝐴1 = 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑒𝑛 "𝑈".
• 𝐴2 = 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑏𝑜𝑡𝑒𝑙𝑙𝑎𝑠.
MICROMANÓMETROS: Aparatos utilizando en la medición de presiones pequeñas. En
estos tipos de manómetros se utilizan tornillos micrométricos que nos facilitan la lectura
de estas pequeñas presiones, los tipos más comunes son:
1. MICROMANÓMETRO DE CONTACTO ELÉCTRICO: Que se muestra en la
figura 06 y cuyo funcionamiento se basa en el contacto de la punta con el líquido
que a su vez nos indica la altura mediante un micrómetro.
2. MICROMANOMETRO DE PUNTAS: Que se muestra en la figura 07, en este
manómetro la medida de la presión se realiza cuando las puntas rompen la
superficie del líquido.
3. MICROMANOMETRO DE ALTURA CONSTANTE: Este tipo de
micromanómetro funciona ajustando el nivel en el punto “0”, y luego de conectar
el manómetro a la línea de presión; como se produce una columna en la rama, el
menisco formado se regresa mediante el tornillo micrométrico al punto “0” de
referencia. La presión es leída en el tornillo micrométrico.

MANOMETROS DE DEFORMACIÓN SÓLIDA

MANOMETRO DE BOURDON: Es el característico de este tipo de manómetros, son

muy utilizados y tienen un gran alcance. Estos manómetros están constituidos por un
elemento curvo hueco que puede enderezarse o curvarse dependiendo de que la presión
en su interior sea mayor o menor que la exterior que siempre es la presión atmosférica,
en el primer caso es manométrica positiva y en el segundo caso manométrica negativa o
vacuométrica. El movimiento de enderezamiento o curvado es transmitido por un sistema
de bielas a una cremallera que desplaza una aguja sobre una escala graduada.
 16

BAROMETROS: El barómetro es un instrumento generalmente utilizando para la

determinación de la presión atmosférica. Consiste de un depósito de mercurio y un tubo
de alto vacío; posee además un mecanismo de pistón para regular el nivel cuando hay
variaciones en la presión atmosférica.

Para mejorar la exactitud se deben tener en cuenta:

1. Temperatura.
2. Gravedad.
3. Altitud.
4. Corrección de calibración con un patrón.
Para estos efectos se utilizan las TABLAS DE LA ASME POWER TEST CODES.
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TABLAS DE CORRECCIÓN PARA BAROMETROS Y COLUMNA LIQUIDAS

CORRECCIÓN TEMPERATURA

TEMP. LECTURA OBSERVADA

DE
COLUM. 440 450 500 350 600 650 700 750 850
°C
SUMAR
-20 1.2 1.4 1.5 1.7 1.8 2.0 2.1 2.3 2.4
-15 0.9 1.0 1.0 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
-10 0.5 0.6 0.7 0.7 0.8 0.9 1.0 1.0 1.1
-5 0.2 0.3 0.4 0.4 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5
0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
RESTAR
5 0.3 0.3 0.4 0.4 0.5 0.6 0.6 0.7 0.7
10 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
15 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.9 2.0 2.2
20 1.5 1.7 1.8 2.0 2.2 2.4 2.5 2.7 3.0
25 1.7 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 3.2 3.5 3.7
30 2.0 2.2 2.5 2.8 3.2 3.5 3.7 4.0 4.2
35 3.2 2.5 2.9 3.2 3.5 3.8 4.2 4.2 4.8
NOTA: Agrega o quitar a la presión leída (en mmHg).

CORRECCIÓN DE GRAVEDAD PARA COLUMNAS Y BAROMETROS DE

MERCURIO Y AGUA

ALTITUD
0 600 1200 1800 2400 3000
(mts)
ALTURA
DE LA
COLUMN 760 700 700 650 650 600 600 550 500 500 500 450
A
(mmHg)
LATITUD CORRECCIÓN
25 -1.2 -1.2 -1.2 -1.2 -1.2 -1.2 -1.5 -1.2 -1.5 -1.2 -1.2 -1.2
30 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 -1.2 -1.0 -1.2 -1.0 -1.2 -1.0 -1.2 -1.0
35 -0.7 -0.7 -0.7 -0.7 -0.7 -0.7 -0.1 -0.7 -1.0 -0.7 -1.0 -0.7
40 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 -0.7 -0.5 -0.7 -0.7 -0.7 -0.7
45 -0.0 -0.0 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.2 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5
50 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
 18

CORRECCIÓN PARA BAROMETRO Y MANOMETRO EN mmHg POR

DISMINUCIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFERICA CADA 100M DE AUMNETO
DE ALTITUD

ALTITUD TEMPERATURA MEDIA ATMOSFERICA °C

MEDIA
(m) -30 -20 -10 0 10 20 30 40
0 11 10 10 9 9 9 8 8
300 10 10 9 9 9 8 8 8
600 10 9 9 8 8 8 8 7
900 9 9 8 8 8 8 7 7
1200 9 8 8 8 7 7 7 7
1500 8 8 8 7 7 7 7 7
1800 8 8 7 7 7 7 7 7
2100 8 7 7 7 7 7 7 7

PRESIÓN ESTATICA, DE VELOCIDAD Y TOTAL:

◼ PRESIÓN ESTATICA: Es aquella ocasionada por el movimiento molecular al

azar de un fluido y se manifiesta como una fuerza sobre un área que envuelve al
fluido en caso de un fluido en movimiento esta presión se mide con un instrumento
viajando a la misma velocidad del flujo. Como no es practico desplazar el
instrumento con el flujo, la presión estática puede medirse insertando un tubo
estático que sea perpendicular a la dirección del flujo; y también piezómetros.
◼ PRESIÓN DE VELOCIDAD: Se manifiesta como una fuerza que ofrece un fluido
en movimiento, sobre un área perpendicular a la dirección de su movimiento.
◼ PRESIÓN TOTAL: Es la suma de la presión estática y de velocidad ejercida sobre
una superficie perpendicular al desplazamiento del fluido. Se mide mediante un
tubo de impacto.
 19

CALIBRACIÓN DE MANOMETROS
Los manómetros que más comúnmente requieren de calibración son los manómetros de
Bourdon y Diafragma que pueden calibrarse mediante un micromanometro o un
calibrador de “peso muerto”.
CALIBRADOR DE PESO MUERTO AMSLER: Utilizado para la calibración de
manómetros se ve en la figura.

Este calibrador posee 2 cámaras conectadas mediante válvulas la cámara superior tiene 2
ramales en uno de los cuales se instalará el manómetro a calibrar y el otro de los ramales
posee un pistón sobre el cual pueden colocarse pesas. La cámara inferior posee un émbolo
que es accionado por una manivela.
FUNCIONAMIENTO:
➢ Inicialmente se llena la cámara inferior de aceite y se instala en un ramal el
manómetro y en el otro el pistón.
➢ A continuación, se bombea el aceite de la cámara inferior a la superior mediante
el pistón de doble efecto.
➢ Una vez llena de aceite la cámara superior se colocan las pesas sobre el pistón el
cual ofrece a través del aceite hacia el otro ramal que es aquel donde se encuentra
ubicado el manómetro.
➢ La presión ejercida por el pistón puede aumentarse aumentado simplemente el
número de pesas; luego disminuirse quitándoles.
➢ Las presiones por el pistón y las presiones que indican el manómetro podemos
entonces construir su curva de calibración.
➢ Finalmente, para retirar el manómetro se retiran las pesas y se abre la otra válvula
que permite el paso de aceite de la cámara superior a la inferior, eliminando la
presión en dicha cámara y esto permite retirar libremente el manómetro pues en
caso contrario se produciría un derramamiento del aceite.
RECOMENDACIONES PARA LA CALIBRACIÓN:
➢ Tener cuidado de utilizar aceite limpio y tener en cuenta los detalles para su uso
(purgas y especificaciones de uso).
➢ Antes de la calibración de un manómetro se realizan algunas mediciones sobre el
alcance del manómetro para establecer si hay un error apreciable constante o hay
un error positivo en un extremo y negativo en el otro. En el primer caos la aguja
 20

está mal ajustada y con un extractor de agujas se le retira; con una presión de
media escala se instala la aguja de entonces en la posición correcta.
➢ Las lecturas en el caso de manómetros de parte móviles se realizan en forma
ascendente o descendente.
➢ La calibración se debe realizar entre el 25 al 75% de su escala a no ser que sea
utilizada fuera de este rango.
➢ En el caso de tubos en “U” la calibración se realiza si el diámetro es inferior a los
6 mm; en caso contrario es necesario que estén limpios por que la suciedad puede
deformar el menisco y también que la escala graduada sea comparada con una
escala patrón o de precisión.
Los manómetros de estuvo de diámetro pequeños se deben calibrar con un
micromanómetro.
USO, CONSTRUCCIÓN Y PRECISIÓN DE LOS MANÓMETROS:
➢ Los manómetros de columna por la general permiten mediciones de una precisión
del 1%. Estos manómetros en general se utilizan para mediciones de presiones o
diferencia de presiones inferiores a 1 kgr/cm2.
➢ La ASME POWER TEST CODES recomendó que la mínima altura para tubos en
U y de una sola rama sea de 100 mm.
➢ La precisión del 1% proviene de que esos manómetros utilizan escalas graduadas
a lo más en milímetros, entonces el error es 1 mm sobre los 100 mm de
construcción. La SME POWER TEST CODES.
➢ Los tubos para las mediciones de precisión deben de ser de un diámetro no menor
de 6.35 mm ó 9.5 mm ó 12.7 mm y para un mismo tubo en las dos ramas del tubo
no debe de diferir en más de un 8% de valor medio a fin de evitar diferencia de
capilaridad.
➢ El alcance de los manómetros de mercurio es el que limita su tamaño.
➢ Los manómetros para mediciones pequeñas se utilizan cuando la presión es menor
de 100 mm de columna líquida.
➢ Los barómetros tienen una precisión de 0.5 y 0.25 mmHg y para altura una
precisión de 0.25 mm es necesario hacer la corrección correspondiente.
MANÓMETROS DE DEFORMACIÓN SÓLIDA (BOURDON):
➢ Los manómetros de Bourdon se utilizan para alcances de presión que no pueden
ser medidos convenientemente por medio d columnas líquidas (0.5 kg/cm 2) hasta
centenares de kg/cm.
➢ Algunos manómetros poseen una precisión del ½ % a plena escala para por lo
general su precisión no es mejor del 1% del alcance a plena escala.
RECOMENDACIONES PARA LA MEDICIÓN DE PRESIONES:
1. Debe elegirse un manómetro con escala apropiada para la medición a realizarse y
que tenga la precisión deseada.
2. Revísense todas las líneas y conexiones a fin de evitar posibles fugas.
3. Cuando se trata de flujos fluidos téngase en cuenta el lugar donde se toman las
medidas pues estas pueden afectarse por la turbulencia.
4. En el caos de flujo de vapor o aire comprimido, buscar la manera de evitar el
condensado en la línea ya que puede ocasionar una lectura equivocada.
5. La calibración para un ensayo de precisión se realiza antes y después del ensayo.
 21

MEDICIONES DE POTENCIA
La importancia de un equipo se da la capacidad de trabajo en la unidad de tiempo que
pueda entregar.
La potencia desarrollada por la máquina no es la misma que se le da debida a las pérdidas
que se suscitan durante su funcionamiento.
Sin embargo, existe, una potencia entregada al pistón por la sustancia de trabajo, que es
determinado mediante los llamados indicadores; conociéndose esta potencia como
potencia indicada; para cuya determinación se pueden usar:
a) Indicadores del tipo pistón.
b) Indicadores de diafragma equilibrado.
c) Indicadores ópticos.
d) Indicadores eléctricos.
Los indicadores del tipo pistón se utilizan en máquinas alternativas de baja velocidad,
tales como máquina a vapor, bombas, compresores y motores de combustión interna.
Los indicadores de diafragma se usan para máquinas alternativas de alta velocidad.
Los indicadores ópticos han sido diseñados para 2000 RPM o más, de tal manera que los
efectos de inercia pueden ser considerados despreciable.
Los indicadores electrónicos son útiles para un rango más amplio de velocidades, estando
libre de los efectos de inercia.
Para un óptimo empleo de los indicadores debemos tener en cuenta lo siguiente:
1. El volumen de los pasajes entre el cilindro y la cara inferior del elemento sensible
debe mantenerse reducido.
2. La conexión del cilindro al indicador debe ser pequeño.
3. El indicador debe producir un área que sea posible determinarse con una precisión
aceptable.
4. En el indicador se debe tener preferido el ángulo de fase. Tomando en
consideración que cuando el pistón está en un punto muerto, el indicador debe
encontrarse en un extremo de su carga.
5. El elemento sensible del indicador debe ser calibrado a las condiciones de su uso
normal.
6. De emplearse un dispositivo reductor, este debe ser calibrado para su rango de
reducción.
7. Para el sistema de reducción debe emplearse cuerdas especiales (pequeño
estiramiento).
8. El papel donde se traza el diagrama debe estar asegurado con suficiente presión
en el tambor.
9. En los motores de combustión interna en particular se presenta variaciones de
ciclo a ciclo. De allí la necesidad de tomar un número suficiente de diagrama para
obtener un promedio.
10. Debe tratarse de evitar la superposición de dos o más diagramas, porque confunde
la toma de área con el planímetro.
11. El trazador de los diagramas debe mantenerse afilado.
 22

Para medir la potencia al freno, se usan:

a) Dinamómetro mecánicos o fricción.
b) Dinamómetros hidráulicos.
c) Dinamómetros eléctricos.
d) Dinamómetros de aire.
e) Dinamómetros de transmisión.

RANGO DE APLICACIÓN DE LOS DINAMÓMETROS

RPM Potencia máxima Error probable

DINAMÓMETROS
(máximo) en C.V. (%)
Mecánicos a fricción
De zapatos 2000 10 1–5
De cinta 1000 5 1
De abrazaderas de
1000 200 0.5 – 1
madera sobre cinta
De resistencia fluida
Froude 10000 25000 0.2 – 0.5
Westinghouse (tipo
4000 5000 0.1 – 0.2
turbina)
Alden 1000 5000 0.5 – 1
Webb 3000 200 1
De helicas 2000 200 1–5
Eléctricos
De corriente continua 6000 300 0.2 – 0.5
Generador eléctrico de
750 – 4000 30000 0.1 – 0.2
trasmisión
De trasmisión
Webber 1000 25 2
De torsión 1000 – 3000 50000 1–2
Kenerson 1500 100 2

EXPERIENCIA

A. DINAMÓMETROS MECÁNICOS A FRICCIÓN

OBJETIVO: Mediante un freno (Prony) averiguar la potencia al eje que entregue
la Turbina Pelton para diferentes cargas.
TEÓRIA: La potencia entregada por la Turbina es absorbida por la fricción
existente entre la faja y la volante. El efecto de fricción la controlamos por medio
del cargado de pesas aumentando está, conforme se aumenta el cargado.
Si deseamos medir potencias relativamente altas debemos echar agua en la volante
con la finalidad de producir enfriamiento de esta, con la consiguiente evaporación
del líquido.
El freno prony presenta grandes dificultades para la disipación del calor y para
mantener constante el par resistente, por ello su uso se limita para la medición de
bajas potencias.
 23

Según la gráfica:
R ◼ 𝑓 = Fuerza de fricción.
◼ W = Carga.
◼ Fe = Fuerza registrada en la balanza.
◼ R = Radio de la volante.
Sabemos que la potencia es:
PB = Torque x Velocidad angular.
𝑷𝑩 = (𝑭𝒅 − 𝑾)𝒙𝑹𝒙𝝎
Donde:
W
• PB = Potencia al eje.
• ω = Velocidad angular (rad/s).

TURBINA PELTON

Esta turbina hidráulica es una turbomáquina donde la presión del agua no varía
(presión atmosférica).
Esta turbina es de admisión parcial dado que todas las paletas no constantemente
en contacto con el agua.
La turbina Pelton generalmente es recomendable para relativos grandes saltos y
bajos caudales.

CARACTERÍSTICAS DE LA TURBINA
PELTON DEL LABORATORIO:
Tipo …………………………… N.O. Pelton
Flujo para potencia ………...….. 6.371 lt/seg
Caída neta máxima ………….…. 36.576 mt.
Máxima potencia de salida ….. 1790.4 Watts
Velocidad óptima ………...……... 940 RPM
Velocidad crítica …………….… 1175 RPM
 24

B. DINAMÓMETROS HIDRAULICO
OBJETIVO: Medición de la potencia al freno, con el dinamómetro hidráulico
froude, en la turbina a gas diferentes cargas.
TEÓRIA: En el dinamómetro hidráulico el cambio de cantidad de movimiento del
agua sustituye a la fricción entre sólidos.
Se componen de un rotor consistente en dos platos y de una envuelta o estator. En
el freno el rotor está provisto de cavidades con perfil de toberas, que le imprimen
al agua un aumento de velocidad siendo el cambio de cantidad de movimiento, el
que permite realizar el efecto contrario al giro del eje motor.
Las variaciones de carga se obtienen variando la separación entre los platos del
rotor. Durante su funcionamiento el agua llena las cavidades del freno y es lanzado
al exterior, pasando previamente por el conjunto de toberas del rotor, realizando
la acción de frenado.
La resistencia que el agua opone a la rotación del rotor reacciona sobre el estator
produciendo un par igual al par motor; este par se mide por medio de una balanza
aplicada en la extremidad del brazo que lleva el estator.
Dado que tenemos una circulación continua de fluido en el dinamómetro se le
utiliza para potencia mucho mayores que los dinamómetros de fricción mecánico.
La potencia que absorbe el dinamómetro froude varia aproximadamente con el
cubo de la velocidad angular; está limitado por la resistencia mecánica de la
instalación; por la cantidad de agua que puede circular.

TURBINA A GAS

Estas turbinas se dividen en turbinas de combustión a volumen constante y a

presión constante, la primera posee válvulas de aspiración y de escape en la
cámara de combustión.
La turbina a volumen constante tiene teóricamente la ventaja de permitir, a
igualdad de temperatura en el rotor, una temperatura máxima del ciclo en la
cámara de combustión mucho más alta que en la turbina a combustión continua
(presión constante) y por tanto un rendimiento térmico ideal más alto.
En la práctica, sin embargo, el sistema presenta muchos inconvenientes mecánicos
debidos a la presencia de las válvulas, así como inconvenientes aerodinámicos
debidos a las variaciones de flujo de gas a través de los chorros dirigidos sobre las
paletas del rotor.
Las turbinas se caracterizan por trabajar a altas temperaturas y tener bajas
eficiencia, se usa en plantas térmicas como equipo de emergencias o de periodos
cortos de trabajo dado su alto costo por el consumo de combustible.
Organos principales de la turbina a gas:
a) Compresor
b) Cámara de combustión
c) Sistema de alimentación del combustible
d) La turbina
e) Intercambiador de calor (calentamiento del aire dirigido a la cámara por lo
gases de escape).
 25

f) Motor de arranque y encendedor (bujía).

CARACTERISTICAS DE NUESTRA
TURBINA:
Tipo …………………..… 1560 Rover
Serie …………………...….. N° 06401
Freno Froude:
Size …………………………. D.P. x2
Orden ……………….… N° 833143A
Máxima potencia de salida ..….. 111.9

La turbina a gas del laboratorio (a presión constante) trabaja siguiendo el ciclo

Brayton. El aire entre en el compresor es comprimido adiabáticamente de 1 a 2,
la combustión tiene lugar de 2 a 3 de presión constante donde hay una entrega de
calor por parte del combustible, de 3 a 4 se produce la expansión adiabática en los
conductos de la turbina, a partir del punto 4 los gases se descargan al exterior.
 26

Procedimiento:
1. Tomar la velocidad de funcionamiento recomendada: 46000 RPM.
2. La separación de los paltos del rotor mediante el giro de la volante extrema
al freno froude.
3. Para cada caso anterior cargar al dinamómetro para balancear a al torque
producido, medir la carga.

Equipos e instrumentos:
1. Dinamómetro hidráulico froude.
2. Taquímetro.
3. Pesas.

Se pide:
1. Graficar la carga PS vs. N.
2. Hacer el ajuste de la curva.
C. DINAMÓMETRO ELÉCTRICO

OBJETIVO: Medir la potencia al freno con el dinamómetro eléctrico en la Bomba

turbina para diferentes cargas.
TEÓRIA: El dinamómetro decampo basculante o de cuna consiste esencialmente
en una máquina de c.c. en derivación que puede funcionar indiferentemente como
motor o como generador.
Como el dinamómetro hidráulico, el dinamómetro de campo basculante está
montado sobre cojinetes de bolilla de modo que la rotación del estator, que
contiene el campo, solo está limitada por el brazo basculante. La fuerza que
aplicada al extremo del brazo basculante equilibra el estator, se mide por medio
de una balanza (o pesas). El dinamómetro de campo basculante en rigor no es
dinamómetro de absorción. La parte principal de la potencia de entrada es
convertida en energía eléctrica la que puede disiparse en un banco de resistencia.
Para generar energía eléctrica hay que cortar líneas de fuerza. Esto tiende a hacer
girar el estator. Además, todos los razonamientos, tales como los de venteo y de
fricción en los cojinetes tiende a producir el mismo efecto. Así la fuerza
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equilibrante es una función de la potencia de salida del generador más las

pérdidas, suma que es igual a la potencia de entrada.
El dinamómetro de campo ofrece la ventaja sobre los demás tipos de
dinamómetros de poder funcionar como motor. Se lo utiliza por lo tanto para
determinar la potencia de entrada absorbida por ventiladores, bombas,
compresores, etc.
Además, es conveniente para el ensayo de motores de combustión interna, porque
se lo puede aprovechar para el arranque el motor y para determinar la potencia
pérdida por fricción, además de la potencia entregada por el motor de corriente
continua.
Tal como se observa en la siguiente ecuación:
𝑽. 𝑳
𝑷𝑩 = 𝑭. 𝑳. 𝑾 =
𝜼. 𝒈
Donde:
• F: Carga.
• L: Brazo.
• W: Velocidad angular.
• V: Voltaje.
• I: Amperaje.
• 𝜂. 𝑔: Eficiencia del generador.
TURBINA FRANCIS

Estas turbomáquinas hidráulicas motora transforma la energía de fluido en energía

mecánica. La presión del agua varia en los alabes por lo que se les denomina
turbinas de reacción, el rodete se encuentra totalmente inundado siendo así de
admisión total.
A la salida esta turbina posee un tubo de aspiración el cual incrementa la potencia
entregada. La turbina Francis se prefiere para grandes caudales y bajos saltos.
Bomba turbina:
CARACTERÍSTICAS DE NUESTRA TURBINA:
Tipo …...………………………………...… 6 NSIA
Caída neta ……………….….………….. 24.384 mt
Máxima potencia de salida ……….….... 3730 watts
Flujo de agua correspondiente ………. 20.955 lt/seg

Equipos e instrumentos:
1. Dinamómetro eléctrico.
2. Taquímetro.
3. Tablero de control.

Procedimiento:
1. Abrir todas las llaves del tablero.
2. Pasar al conmutador de armadura a la posición generador.
3. Cerrar el circuito.
4. Cerrar el interruptor de campo.
5. Poner en marcha la bomba (de tal manera que se tenga aproximadamente
25 a 30 pies de salto neto y una velocidad de 2500 a 3000 RPM).
 28

6. Tomar varias resistencias y para cada una de ellas mantener constante el

salto adoptado en el paso 5.
7. Para cada resistencia tomar el voltaje, amperaje y la velocidad angular.

Se pide:
1. Graficar la carga PB vs. N.
2. Ajustar la gráfica correspondiente.
D. ANÁLISIS DE TRANSFORMACIÓN DE POTENCIA EN EL MOTOR
RUSTON

OBJETIVO: Determinación de la potencia indicada, potencia al freno y potencia

de fricción del motor Ruston, utilizando el indicador de diagrama del ciclo.
TEÓRIA:
Potencia indicada: Es la potencia desarrollada dentro del cilindro del motor
debido a la combustión del combustible.

De la gráfica:
➢ I: Inyector (motor Diesel).
➢ V.A: Válvula de admisión (entrada de aire o mezcla aire – gasolina en
motor OTTO).
➢ V.E: Válvula de escape (salida de gases).
➢ P.M.S y P.M.T: Puntos muertos superior e inferior de avance del pistón).
➢ L: Carrera (avance máximo).

Sabemos:
𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛
◼ 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
◼ Presión: Usamos la presión media indicada con el indicador de pistón
(Pmi).
◼ Volumen: Tomaremos el volumen de desplazamiento máximo del cilindro
(AxL).
◼ Tiempo: El tiempo para un ciclo termodinámica.
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La potencia indicada a obtenerse es la que recibe el motor por ciclo

termodinámico. Por lo tanto:
𝑷𝒎𝒊𝒙𝑨𝒙𝑳𝒙𝑵
𝑷𝑰 =
𝝉
Para la obtención del tiempo (𝜏), se realizan los siguientes pasos:

a) Motor de 4 tiempos (el ciclo termodinámico para este motor se realiza en

2 revoluciones de la cigüeñal o manivela). Por lo tanto:
𝑃𝑚𝑖𝑥𝐴𝑥𝐿𝑥𝑁
𝑃𝐼 =
2
b) Motor de 2 tiempos (el ciclo termodinámico para este motor se realiza en
1 revolución del cigüeñal o manivela). Por lo tanto:
𝑃𝑚𝑖𝑥𝐴𝑥𝐿𝑥𝑁
𝑃𝐼 =
1
Generalizando:
𝑷𝒎𝒊𝒙𝑨𝒙𝑳𝒙𝑵
𝑷𝑰 =
𝝉
Donde:
• Pmi: Presión media indicada.
• A: Area del pistón.
• L: Carrera del pistón.
• N = RPM.
• 𝜏: 1 (motor de 2 tiempos) o 2 (motor de 4 tiempos).

La presión media indicada se obtiene con el indicador de diagrama que es un

instrumento proveído de un soporte que nos registra el ciclo termodinámico que
se suscita en escala reducida.
Diagrama que se obtiene:
̅. 𝑲
𝑷𝒎𝒊 = 𝒀
Donde:
• Pmi: Presión media indicada.
• K: Constante del resorte.
Área del diagrama: Área ABCD
𝑺 𝑺
̅ 𝒙𝑳 → 𝒀
𝑺=𝒀 ̅= → 𝑷𝒎𝒊 = . 𝑲
𝑳 𝑳
Donde:
• S: Área del ciclo termodinámico.
• K: Constante del resorte.
• L: Longitud del diagrama.
 30

Potencia al freno o efectiva:

𝑃𝐵 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒𝑥𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
R
𝑻𝒐𝒓𝒒𝒖𝒆 = 𝒇𝒙𝑹
Donde:
• f: Fuerza de fricción registrada.
• R: En la balanza equivalente radio de
volante.

Potencia de fricción: Esta potencia es utilizada para vencer los rozamientos entre
los partes mecánicos en movimiento, para efectuar el trabajo de bombeo del
fluido, para accionar los varios grupos accesorios, como la bomba de agua, de
aceite, etc.

MOTOR RUSTON

Es un motor encendido por compresión que sigue el ciclo Diesel de 4 tiempos.

CARACTERÍSTICAS DEL MOTOR:

Motor Diesel “RUSTON” monocilíndrico
horizontal
Modelo ……………………......… 1 ZHR
Diámetro del cilindro ………….… 5 3/8”
Carrera …………..…………….… 10 ½”
Máxima potencia de salida …........ 11 HP
Velocidad para esa potencia …. 175 RPM
 31

Equipos e instrumentos:
1. Freno de fricción tipo “Prony” (diámetro de la volante 39”).
2. Indicador de Diagrama del tipo “Pistón”.
3. Planímetro.

Procedimiento:
1. Poner en funcionamiento el motor conservando un régimen de 450 RPM
que será constante durante la experiencia.
2. Para cargas: 0, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 tomar diagramas indicados con el
indicador de PISTÓN y las lecturas en la balanza.
Se pide:
1. Graficar y ajustar las curvas: PI vs. PB y PF vs. PB.
 32

MEDICIONES DE FLUJO INCOMPRESIBLE - COMPRESIBLE

INTRODUCCIÓN:
Los instrumentos utilizados en la medición de flujos se pueden clasificar en dos grupos:
1. Medidores de masa o volumen.
2. Medidores de flujos de masa o volumen.
En el primer caso la masa total que fluye en un tiempo determinado se mide y para obtener
el flujo promedio esta masa debe de dividirse entre el tiempo que ha demorado en fluir.
En los medidores del segundo grupo el flujo real se mide; si queremos saber la masa total
que ha fluido en un tiempo determinado, las cantidades que han fluido en cada intervalo
pequeño de tiempo debe sumarse o integrarse. Si el flujo es razonablemente estable,
entonces la masa total es igual al flujo de masa promedio por el tiempo. Si el flujo no es
estable, entonces la masa total esta representando por el área bajo la curva obtenida
graficando el flujo de masa contra el tiempo como se observa en la figura 01.

La masa o volumen total se representa en m3 o kg. por el área sombreada.

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑓𝑢𝑗𝑜 𝑥 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜
La determinación del área bajo la curva se denomina integración de la velocidad de flujo
y se mide mecánicamente mediante el planímetro, la parte del instrumento que realiza
esta operación se denomina “integrador”.
Cada instrumento de medición este compuesto de dos partes, el elemento primario y el
elemento secundario. El elemento primario se define como porción del instrumento que
transforma la cantidad que va a medirse en una variable que actúa el elemento secundario.
Entonces el elemento secundario mide esta variable, que es función de la cantidad que va
a medirse.
Por ejemplo, un medidor de flujo tipo diferencial, el elemento primario que puede ser un
orificio o un Venturi convierte la velocidad del flujo en una diferencia de presiones cuyo
valor depende de la velocidad del flujo. El elemento secundario es un instrumento que
mide esta diferencia de presiones y la transforma en una indicación de la velocidad de
flujo, en una escala o carta.
 33

MEDICIÓN DE FLUJOS
OBJETIVO:
Aprender los fundamentos teóricos y prácticos que gobiernan el funcionamiento de los
dispositivos de medición de flujos incompresibles.
MEDIDORES VOLUMETRICOS DE LIQUIDOS
◼ TIPO TANQUE SIMPLE: Este instrumento consta de dos tanques separados por
medio de un tabique de placa metálica. El nivel de agua dentro del tanque se
observa en un tubo transparente conectado en el fondo del tanque y con una regla
graduada se puede leer directamente el volumen del líquido acumulado. Cuando
este tanque se llena, el exceso de líquido rebosa hacia el otro tanque.
Para iniciar la medición se cierran las llaves de desagüe del tanque. Para descargar
el tanque se abren las válvulas.

◼ TIPO PISTÓN ROTARIO: En la figura se muestra el medidor de flujo del tipo

pistón oscilante o rotatorio.
En (a) el líquido ingresa a la cámara 1 y 3 por la lumbrera de entrada A y sale de
la cámara B por la lumbrera de salida 2 y 4. La diferencia de presiones entre las
dos cámaras origina al movimiento oscilante del pistón P. El volumen de la
cámara 1 va aumentado mientras que el 2 disminuye hasta anularse. En el proceso
(b) y (c) se ha descargado todo el líquido de la cámara 3 y 4 y el líquido que había
en la cámara 1 y 2 se va expandiendo y llenándose de líquido de entrada. El
proceso se repite. El movimiento oscilante del pistón se transforma en un
movimiento rotatorio por medio de un tren de engranajes y transmitido a un
medidor.
 34

MEDIDORES DE FLUJO PARA GASES

◼ TIPO ALABE ROTATORIO: El principio de este medidor se observa en la
figura.

El líquido que pasa por el medidor incide sobre uno de los alabes y gira a una
velocidad que depende de la velocidad del líquido. El elemento secundario, o
indicador del medidor puede ser un contador simple de revoluciones que nos da
una lectura directa o puede tener incorporado cierto número de diales. En algunos
casos tiene una velocidad del rodete, o la velocidad del líquido.
MEDIDOR DE FLUJO DE GASES
◼ TIPO ALABE ROTATORIO - ANEMÓMETRO: La fuerza disponible de los
gases para producir la rotación del alabe es considerablemente más bajo que los
líquidos. Los alabes deben ser en consecuencia muy livianos o tener una gran área
superficial. El rotor dese ser balanceado con gran exactitud y los cojinetes deben
de tener una fricción mínima.
En el laboratorio tenemos un medidor de flujo de aire cuyo rotor tiene alabes
livianos hechos de metal liviano y sálica con el eje en la dirección del flujo de
gases. El rotor acciona un contador que nos indica la velocidad del flujo de gases.
 35

MÉTODO DE MEDICIÓN DE FLUJOS POR DIFERENCIA DE PRESIONES

Si el área por donde el fluido que circula permanece constante el flujo se puede calcular
midiendo la variación en la altura de presión. También pueden variar ambos, o sea el área
y altura. Los métodos que utilizaremos los clasificaremos en:
1. Método de área constante y altura variable. Elementos primarios:
a) Tubos Pitot.
b) Tubos Venturi y toberas.
c) Placas con orificio.

2. Método por área variable y altura constante.

a) Rotámetro.

3. Método de área variable y altura variable.

a) Vertedero.

4. Método de área constante y altura constante.

a) Tubo de Reynolds.
A. TUBO DE PITOT

Este dispositivo nos mide la velocidad de una corriente de flujo en un punto, si medimos
las velocidades en varios puntos en una sección determinada es posible obtener la
velocidad promedio de la corriente y si la multiplicamos la velocidad promedio por el
área de la sección transversal obtendremos caudal.
PRINCIPIO TEÓRICO:
Consideremos una pequeña corriente de fluido que llega hasta la punta del tubo de Pitot.
Inicialmente tendrá una velocidad 𝑉1 y finalmente se detiene.
Si aplicamos la ecuación de la energía:
𝑉12 𝑃1 𝑉22 𝑃2
𝑧1 + + = 𝑧2 + +
2. 𝑔 𝜌. 𝑔 2. 𝑔 𝜌. 𝑔
Si 𝑧1 = 𝑧2
𝑃1 − 𝑃2 𝑉22 − 𝑉12
=
𝜌. 𝑔 2. 𝑔
Pero 𝑉2 = 0
Entonces:
𝑉12
ℎ=−
2. 𝑔
El signo negativo indica que ha habido un aumento en la presión.
1𝑉2
El aumento de presión ℎ = 2.𝑔 o sea 𝑉1 = √2. 𝑔. ℎ

Ya que no toda la corriente que fluye hacia el fin del tubo no se logra detener, debido a
que algunas se desviaran alrededor del borde y el valor real de 𝑉1 será diferente del valor
teórico. Esta variación dependerá del diseño del tubo. Para compensar esta variación se
introduce el coeficiente C, llamado “coeficiente del tubo de Pitot”.
 36

En un tubo Pitot diseñado correctamente este valor llega a ser unitario:

La ecuación corregida es:

◼ MEDICIÓN DE CAUDAL DE AIRE EN UN DUCTO

El caudal de un fluido que circula por el interior de un ducto, puede calcularse a partir de
la ecuación:
̅
𝑸 = 𝑨. 𝑽
Donde:
• Q: Caudal en m3/s.
• A: Área del ducto m2.
• 𝑉̅: Velocidad promedio m/s.
Generalmente no es posible medir la velocidad promedio directamente. Para un flujo
turbulento se asume aproximadamente V = 0.82xVmáx y para uno laminar V = 0.5xVmáx.
En cálculos más precisos se realizan mediciones en varios puntos de la sección transversal
del ducto para obtener la información necesaria en el cálculo de la velocidad promedio.
Método es dividir el ducto en un número determinado de áreas iguales y determinar las
velocidades en el centroide de cada porción de área. Por ejemplo, si un ducto circular de
radio lo dividimos en 5 áreas iguales, se cumple:

𝜋(𝑟02 − 𝑟12 ) + 𝜋(𝑟12 − 𝑟22 ) + 𝜋(𝑟22 − 𝑟32 ) + 𝜋(𝑟32 − 𝑟42 ) + 𝜋(𝑟42 ) = 𝜋(𝑟02 )

Además:
𝜋(𝑟02 − 𝑟12 ) = 𝜋(𝑟12 − 𝑟22 ) = 𝜋(𝑟22 − 𝑟32 ) = 𝜋(𝑟32 − 𝑟42 ) = 𝜋(𝑟42 )
Por lo tanto:

5. 𝜋(𝑟02 − 𝑟12 ) = 𝜋(𝑟02 )

4
𝑟1 = √ . 𝑟0 → 𝒓𝟏 = 𝟎. 𝟖𝟗𝟒𝒙𝒓𝟎
5

𝒓𝟐 = 𝟎. 𝟕𝟕𝟓𝒙𝒓𝟎 𝒓𝟑 = 𝟎. 𝟔𝟑𝟐𝒙𝒓𝟎 𝒓𝟒 = 𝟎. 𝟒𝟒𝟕𝒙𝒓𝟎

 37

Si estudiamos el área sombreada, las áreas 𝐴̇1 , 𝐴̇2 , 𝐴̇3 , 𝐴̇4 , 𝐴̇1′ , 𝐴̇′2 , 𝐴̇′3 y 𝐴̇′4 , pueden
considerarse como rectángulos y su centroide está en el centro respectivo, las áreas 𝐴̇5 y
𝐴̇′5 pueden considerarse triángulos equiláteros y su centroide está a 2/3 de la base. Si
tomamos las velocidades en esos puntos y los promediamos obtendríamos una velocidad
promedio para cada sección. Luego para el área total 𝐴0 .
𝐴0 = 𝐴. 𝑉̅ = 𝐴1 . 𝑉̅1 + 𝐴2 . 𝑉̅2 + 𝐴3 . 𝑉̅3 + 𝐴4 . 𝑉̅4 + 𝐴5 . 𝑉̅5
Pero: 𝐴1 = 𝐴2 = 𝐴3 = 𝐴4 = 𝐴5 → 𝐴0 = 5𝑥𝐴1
𝐴0 = 𝐴. 𝑉̅ = 𝐴1 . 𝑉̅1 + 𝐴2 . 𝑉̅2 + 𝐴3 . 𝑉̅3 + 𝐴4 . 𝑉̅4 + 𝐴5 . 𝑉̅5
𝑉̅1 + 𝑉̅2 + 𝑉̅3 + 𝑉̅4 + 𝑉̅5
5. 𝐴. 𝑉̅ = 𝐴1 . (𝑉̅1 + 𝑉̅2 + 𝑉̅3 + 𝑉̅4 + 𝑉̅5 ) → 𝑉̅ =
5
̅
∑𝑉
Generalizando: 𝑉 = donde n es el número de secciones
𝑛

Otro método para determinar la velocidad media es:

Tomando un diferencial del área 𝑑𝐴 por el cual circula un diferencial de caudal. O sea:
𝑑𝑄 = 𝑉𝑑𝐴.

𝑄 = ∫ 𝑉̅ . (2𝜋𝑟𝑑𝑟) = ∫ 𝜋. 𝑉̅ . 𝑑𝑟 2 … … (1)

Donde: 𝑉̅ es la velocidad media anular a V.

 38

Además 𝑄 = 𝑉𝑚 . 𝐴 = 𝑉𝑚 . 𝜋. 𝑅2 … … (2)
Igualamos la ecuación (1) con la ecuación (2):
𝑅 2
∫0 𝑉̅ . 𝑑𝑟 2
𝑉𝑚 = … … (3)
𝑅2
Si graficamos 𝑉 = 𝑓 (𝑟 2 )
El área bajo la curva es:

𝑹𝟐
̅ . 𝒅𝒓𝟐
𝑨𝑫𝒊𝒂𝒈𝒓𝒂𝒎𝒂 = 𝟐. ∫ 𝑽
𝟎

Finalmente:
𝐴𝐷𝑖𝑎𝑔𝑟𝑎𝑚𝑎
𝑉𝑚 =
2. 𝑅2
El caudal es:
𝑸𝑹 = 𝑽𝒎 . 𝝅. 𝑹𝟐
B. TUBO VENTURI

El tubo Venturi tipo cónico de 5 partes:

1. La posición de ingreso cilíndrica cuyo diámetro es el mismo que el de la tubería
corriente arriba.
2. El cono de ingreso con una conicidad de 21 unido a la posición de ingreso
mediante una curva suave.
3. El cuello cilíndrico corto que tiene una toma de presión.
4. El cono de salida cuya conicidad está comprendida entre 5 y 15.
5. Posición cilíndrica de salida cuyo diámetro es igual al de la tubería.
 39

Aplicando la ecuación de la energía en el Venturi entre los puntos 1 y 2.

𝑉12 𝑃1 𝑉22 𝑃2 𝑃1 − 𝑃2 𝑉22 − 𝑉12

𝑧1 + + = 𝑧2 + + → = … … (1)
2. 𝑔 𝜌. 𝑔 2. 𝑔 𝜌. 𝑔 𝜌. 𝑔 2. 𝑔
Además:

𝑉1 𝐷22
𝐴1 . 𝑉1 = 𝐴2 . 𝑉2 → = … … (2)
𝑉2 𝐷12

Haremos:

𝐷22
= 𝑚 … … (3)
𝐷12

Entonces, la ecuación (1) se transforma en:

𝑃1 − 𝑃2 𝑉22 (1 − 𝑚2 )
= … … (4)
𝜌. 𝑔 2. 𝑔
Relacionando las presiones en el manómetro:

𝑃1 𝜌𝐻𝑔 𝑃2
+ ℎ1 − ( ) 𝑥𝐻 − ℎ2 = … … (𝐸𝑛 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎)
𝜌. 𝑔 𝜌𝐻2𝑂 𝜌. 𝑔

Reordenando:

𝑃1 𝜌𝐻𝑔 𝑃2
+𝐻−( ) 𝑥𝐻 = … … (5)
𝜌. 𝑔 𝜌𝐻2𝑂 𝜌. 𝑔

𝑃1 − 𝑃2 𝜌𝐻𝑔
= 𝐻(1 − ( )) … … (6)
𝜌. 𝑔 𝜌𝐻2𝑂

Reemplazando la ecuación (6) en (4):

 40

𝜌𝐻𝑔 𝑉22 (1 − 𝑚2 )
𝐻 (1 − ( )) =
𝜌𝐻2𝑂 2. 𝑔

1 𝜌𝐻𝑔 𝜌𝐻𝑔
𝑉2 = √ 2
. √2. 𝑔𝐻 [1 − ( )] = 𝑘. √2. 𝑔. 𝐻 [1 − ( )]
1−𝑚 𝜌𝐻2𝑂 𝜌𝐻2𝑂

Donde: K = Factor de aproximación de velocidad.

1
𝑘=√ … … (7)
1 − 𝑚2

El caudal teórico:

𝑄𝑇 = 𝑉2 . 𝐴2

𝑄𝑅 = 𝐶𝑑 . 𝑄𝑇

Donde: 𝐶𝑑 es el coeficiente de descarga.

C. PLACA CON ORIFICO

Este tipo de medidor consiste en una placa metálica que tiene un orificio circular. Este
tipo de medidor puede utilizarse para medir flujo de gases, líquidos o vapores.
Este tipo de dispositivo no es conveniente utilizarlo en la medición de flujos para líquidos
viscosos debido a la gran pérdida de presión que se produce. El fundamento teórico es el
mismo que en el Venturi.

D. ROTAMETRO

Este dispositivo consiste en un tubo largo graduado con un estrechamiento uniforme,

dispuesto de tal forma que la sección más pequeña este al fondo y el eje del tubo vertical.
Un “flotador” se desplaza libremente dentro del tubo manteniéndose en el centro por
medio de unas guías. Cuando el líquido circula por el instrumento aumenta, el flotador
sube el tubo aumentado el área del espacio anular manteniendo la diferencia de presiones
en el flotador constante. El coeficiente de descarga 𝐶𝑑 depende del tipo de flujo dentro
del tubo.
Principio teórico:
Supongamos que se va a medir un fluido cuya densidad es 𝜌𝑎 kg/m3 y que el flotador
tenga una densidad 𝜌𝑓 kg/m3 y un volumen 𝑉𝑓 m3. Existirá una fuerza actuando sobre el
flotador debido a la viscosidad del fluido, pero en muchos casos puede despreciarse por
ser muy pequeña. En consecuencia, el flotador está sometido a la acción de 3 fuerzas; su
peso, el empuje hidrostático del fluido y la diferencia entre las fuerzas que actúan en la
superficie superior e inferior del flotador, la presión en la superficie inferior es la presión
de impacto, 𝑃1 N/m2 que actúa en la superficie superior es la presión estática corriente
abajo. Si 𝐴𝑒 m2 es el área efectiva del flotador en ángulo recto con la corriente, esta
diferencia de presión produce una fuerza, (𝑃1 − 𝑃2 )𝐴𝑒 N en la dirección de la corriente.
 41

𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑜𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = (𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑥 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎)

𝑉𝑓 . 𝜌𝑓 . 𝑔 = (𝑃1 − 𝑃2 )𝐴𝑒 + 𝑉𝑓 . 𝜌𝑎 . 𝑔 → (𝑃1 − 𝑃2 )𝐴𝑒 = 𝑉𝑓 . 𝜌𝑓 . 𝑔 − 𝑉𝑓 . 𝜌𝑎 . 𝑔
𝑉𝑓
𝑃1 − 𝑃2 = (𝜌 − 𝜌𝑎 ). 𝑔
𝐴𝑒 𝑓
La velocidad del fluido por el espacio anular es: 𝑉22 = 2. 𝑔. ℎ2
Además:
ℎ2 . 𝜌𝑎 . 𝑔 = 𝑃1 − 𝑃2
𝑃1 − 𝑃2 𝑉𝑓 (𝜌𝑓 − 𝜌𝑎 )
𝑉22 = 2. 𝑔. = 2𝑔 .
𝜌𝑎 . 𝑔 𝐴𝑒 𝜌𝑎
El caudal que fluye por el espacio anular es:

𝑉𝑓 (𝜌𝑓 − 𝜌𝑎 ) 𝑚3
𝑄𝑅 = 𝐶𝑑 . 𝐴2 . 𝑉2 = 𝐶𝑑 . 𝐴2 . √2𝑔 . ( )
𝐴𝑒 𝜌𝑎 𝑠

Donde: 𝐴2 = Área del orificio anular.

En unidades de masa:

𝑉𝑓 𝑘𝑔
𝑄𝑅 = 𝐶𝑑 . 𝐴2 . √2𝑔 . (𝜌𝑓 − 𝜌𝑎 )𝜌𝑎 ( ) … … (8)
𝐴𝑒 𝑠

d
𝜋
𝐴2 = . [(𝐷 + 𝑏. 𝑦)2 − 𝑑 2 ]
4

Donde:
• D: Diámetro del tubo para la
posición “o” del flotador.
• b: Cambio de diámetro del tubo
por unidad de altura.
• y: Altura del flotador por encima
de la posición cero.
• d: Máximo diámetro del flotador.
D

E. VERTEDERO

Este tipo de medidor se utiliza para caudales en canales abiertos. El nivel liquido en un
canal abierto varía con el caudal. Existen varias formas de vertederos, utilizaremos un
vertedero triangular.
Principio teórico:
La presión que ejerce el fluido varía con la altura, siendo mayor en el vértice del vertedero,
en consecuencia, hay un gradiente de velocidades de arriba abajo. Debido a esta variación
 42

de velocidad hallaremos una ecuación para el caudal a través de un diferencial de área y

el caudal total lo calculamos integrando la ecuación.

El caudal teórico que circula por el diferencial de área:

𝑑𝑞 = √2𝑔𝑧. 𝑑𝐴
Como: dA = x.dz
Y además:
𝑋 ℎ−𝑧 𝑏
= → 𝑥 = . (ℎ − 𝑧 )
𝑏 ℎ ℎ
𝑏
𝑑𝑞 = . (ℎ − 𝑧). 𝑑𝑧. √2𝑔𝑧
ℎ
𝑧=ℎ
𝑏 𝑏 4
𝑄𝑇 = . √2𝑔. ∫ (ℎ − 𝑧)𝑧 1/2 . 𝑑𝑧 = . √2𝑔. . ℎ5/2
ℎ 𝑥=0 ℎ 15
𝛼 𝑏 𝛼
Pero: tan (2 ) = 2ℎ → 𝑏 = 2ℎ. tan (2 )

𝟖 𝜶
𝑸𝑻 = . √𝟐𝒈. 𝐭𝐚𝐧 ( ) . 𝒉𝟓/𝟐 … … (9)
𝟏𝟓 𝟐
El caudal real es 𝑄𝑇 = 𝐶𝑑 . 𝑄𝑇
Donde:
• 𝐶𝑑 : Coeficiente de descarga del vertedero.
F. TUBO DE REYNOLDS

Consiste en un orificio situado en el fondo de un tubo, donde el flujo varía con la altura
del líquido encima del orificio. La altura del líquido encima del orificio se mide por medio
de un tubo transparente conectado en el fondo del tubo.
 43

La ecuación del flujo es:

𝑄𝑅 = 𝑘. 𝐻 𝑛 … … (10)
Donde:
• 𝑄𝑅 : Es el caudal real.
• 𝑘: Constante que depende del tipo de flujo y forma geométrica del orificio.
• 𝐻: Altura del líquido encima del orificio.
• 𝑛: Constante.
Si tomamos logaritmo a la ecuación de la ecuación (10):
ln 𝑄𝑅 = ln 𝑘 + 𝑛. ln 𝐻
Si graficamos estos puntos en un papel LOGxLOG obtendremos las constantes k y n
iniciamos solamente:
𝑄𝑅 = 𝑦. 𝐻
 44

FLUJO COMPRENSIBLE
INTRODUCCIÓN:
En la actualidad es muy indispensable tener un conocimiento sólido sobre el flujo
compresible y las técnicas involucradas en su medición y calculo, ya que cada día se
implementan muchos equipos que operan con aire, gases, vapores y a presiones cada vez
más elevadas y con flujos de masa variados que oscilan desde valores muy pequeños hasta
valores muy altos.
Por lo general podremos apreciar este tipo de flujos en múltiples aplicaciones de la
industria y el campo de la investigación, sobre todo en plantas de vapor y de transporte
neumático, donde la utilización de compresores es importante. Para desarrollar esta
técnica se ha preferido dividir el contexto en dos partes haciendo en esta primera un breve
recuerdo de los conocimientos teóricos indispensables de tal manera que no se tengan
mayores dificultades en la segunda parte que es donde se dan las normas para una buena
técnica en la medición.
ANÁLISIS DE LOS FLUJOS FLUIDOS
En primer lugar, se distinguen dos amplias clases de flujos fluidos que son:
1. Flujos alrededores de cuerpos (alas de aviones, cohetes, superficies de navíos,
etc).
2. Flujos interiores limitados por contornos de diferencia tipos (tuberías, conductos,
toberas, etc).
Fijamos nuestra atención al flujo interior que es muy difundido en la actualidad.
FLUJO LAMINAR Y TURBULENTO
El flujo interior, puede ser a su vez laminar o turbulento y para examinar estas
características revisaremos la clásica experiencia de Reynolds.
 45

En la figura puede verse que al abrir la válvula al flujo aumenta su velocidad y de una
característica netamente laminar (flujo por capas) para a una característica turbulenta.
Reynolds investigó aún más el problema y encontró que además de la velocidad existen
otros factores que intervienen en las características del flujo, estas son: diámetro del
ducto, densidad, viscosidad. Comparadas ellas el denominado de Reynolds y del análisis
dimensional.
𝜌. 𝑉. 𝐷 𝑉. 𝐷
𝑅𝑒 = =
𝜇 𝛾
Donde:
• Re: Número de Reynols.
• 𝐷: Diámetro de la corriente fluida.
• ρ: Densidad.
• V: Velocidad del fluido (m/s).
• μ: Viscosidad absoluta (kg/m.s).
• γ: Viscosidad cinemática.

EL FLUJO COMPRESIBLE

Particularizando aún más estudiaremos el flujo compresible subsónico que se caracteriza

por tener un numero de Mach superior a 0.4 y menor que 1.
𝑭𝑳𝑼𝑱𝑶 𝑪𝑶𝑴𝑷𝑹𝑬𝑺𝑰𝑩𝑳𝑬 𝑺𝑼𝑩𝑺𝑶𝑵𝑰𝑪𝑶: 𝟎. 𝟒 < 𝑴 < 𝟏
Si 𝐶 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑛𝑖𝑑𝑜 = √𝑘. 𝑅. 𝑇
𝑉
𝑀=
𝐶
Donde:
• V: Velocidad del flujo.
• C: Velocidad del sonido.
MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE CAUDALES
Los métodos más prácticos y sencillos para la determinación de un caudal fluido son
reuniendo una masa o volumen en un tiempo determinado (MÉTODO DEL PESO O
VOLUMEN).
Estos métodos son funcionales cuando se trata de flujos de caudal escaso y para el caso
de gases, está limitado por el uso de una balanza muy sensible, debido a que el peso del
gas es muy pequeño con relación al del recipiente. Debido a la poca adaptabilidad se han
ideado instrumento para ser utilizados en otros métodos y para su mejor estudio y
aplicación se les ha clasificado en:
1. Medidores inferenciales.
2. Medidores de tipo positivo.
MEDIDORES INFERENCIALES
Son aquellos que se basan en la medición de alguna propiedad y a partir de ella es posible
evaluar matemáticamente el caudal, la propiedad característica que se mide es la presión
y esta que está relacionada mediante la Ecuación de Bernoulli o de la Energía, con la
 46

velocidad, nos permite determinar la velocidad que es función del caudal. Los medidores
más conocidos son:
1. Medidores de área constante y presión variable.
2. Medidores de área variable.
3. Vertederos.
4. Medidores térmicos.
5. Medidores de corriente o anemómetros.
Los medidores utilizados comúnmente en el flujo compresible son los d áreas constante
y presión variable y anemómetro.
1. MEDIDORES DE ÁREA CONSTANTE Y PRESIÓN VARIABLE
Entre estos tenemos:
a) Orificios: Que son construidos con placas gruesas o delgadas y se colocan
en la sección recta de un flujo.

b) Toberas: Son acortamientos graduales de la sección en un flujo. La ciada

de presión en la línea sigue siendo alta.

c) Venturis: son acortamientos y ensanchamientos graduales de la sección en

un fluido. La ciada de presión en la línea es pequeña.
 47

2. MEDIDORES DE CORRIENTE O ANEMÓMETROS

Son instrumentos en los cuales el aire circula a través o sobre ellos, haciendo girar sus
elementos rotativos, los que pueden ser aletas o tazas. Registran la velocidad media del
flujo.

Otro medidor utilizado para flujo compresible es:

TUBO DE PITOT
El tubo de Pitot nos permite evaluar la presión de velocidad y a partir de esta puede
calcularse la velocidad del flujo y por ende el caudal.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Para estos medidores con excepción de los de corriente puede aplicarse indistintamente
la ecuación de energía o la de Bernoulli.

𝑉12 𝑃1 . 𝜈1 𝑉22 𝑃2 . 𝜈2 (𝑢2 − 𝑢1 ) 𝑑𝑄

𝑧1 + + = 𝑧2 + + +[ − ]
2. 𝑔 𝑔 2. 𝑔 𝑔 𝑔 𝑑𝑚

Si Q = 0.
𝑉12 𝑃1 . 𝜈1 𝑉22 𝑃2 . 𝜈2 (𝑢2 − 𝑢1 )
𝑧1 + + = 𝑧2 + + +[ ] … … (1)
2. 𝑔 𝑔 2. 𝑔 𝑔 𝑔
Por continuidad:
𝑉2 . 𝐷22 𝜌2
𝜌1 . 𝐴1 . 𝑉1 = 𝜌2 . 𝐴2 . 𝑉2 → 𝑉1 = .
𝐷12 𝜌1
𝐷
Si: 𝐷2 = B.
1
 48

𝜈
Entonces: 𝑉1 = 𝑉2 𝑥𝐵2 𝑥 𝜈1
2

Reemplazando en la ecuación (1):

𝜈1 2
(𝑉2 . 𝐵2 . ) 𝑃1 . 𝜈1 𝑉22 𝑃2 . 𝜈2 (𝑢2 − 𝑢1 )
𝜈2
𝑧1 + + = 𝑧2 + + +[ ]
2. 𝑔 𝑔 2. 𝑔 𝑔 𝑔
Agrupando:
𝑉22 𝜈1 (𝑢2 − 𝑢1 ) (𝑃1 . 𝜈1 − 𝑃2 . 𝜈2 )
. [1 − 𝐵4 . ( )2 ] = (𝑧1 − 𝑧2 ) + [ ]+ … … (2)
2. 𝑔 𝜈2 𝑔 𝑔
Asimismo:
𝜇 + 𝑃. 𝜈 = ℎ (𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎)
𝑧1 = 𝑧2
En la ecuación (2), la velocidad del flujo es:

2
𝑉2 = √ 𝜈 𝑥(ℎ1 − ℎ2 )1/2
1− 𝐵4 . (𝜈1 )2
2

Para el caso de gases ideales y flujo isentrópico el caudal “Q” será:

2
𝑄 = 𝜌2 . 𝐴2 . √ 𝜈 𝑥 (ℎ1 − ℎ2 )1/2
1− 𝐵4 . (𝜈1 )2
2
1/2
𝑘 1 𝑃2 2/𝑘 𝑃2 (𝑘−1)/𝑘
. . ( ) . [1 − ( 𝑃1 ) ]
𝑘 − 1 1 − 𝑃2 ⁄𝑃1 𝑃1
𝑄 = 𝐴2 . √2. 𝜌1 . 𝐴𝑃
𝑃
1 − 𝐵4 . (𝑃1 )2/𝑘
2
[ ]
1/2
𝑃 2/𝑘 𝑃 (𝑘+1)/𝑘
𝑘 (𝑃2 ) − (𝑃2 ) 1 − 𝐵4
1 1
𝑄 = 𝐴2 . 𝑀. √2. 𝜌1 . 𝐴𝑃 . .
𝑘−1 𝑃 𝑃
1 − (𝑃2 ) 1 − 𝐵4 . (𝑃1 )2/𝑘
[ 1 2 ]
Donde:
• M: Factor de aproximación.
1 1
𝑀= =
𝑃 𝜈
√1 − 𝐵1 . ( 1 )2/𝑘 √1 − 𝐵4 . (𝜈1 )2
𝑃2 2

1/2
𝑃2 2/𝑘 𝑃2 (𝑘+1)/𝑘
( ) − (
𝑘 𝑃 𝑃1 ) 1 − 𝐵4
𝜙= . 1 .
𝑘−1 𝑃 𝑃
1 − (𝑃2 ) 1 − 𝐵4 . (𝑃1 )2/𝑘
[ 1 2 ]
 49

Por tanto:
◼ El caudal teórico es:
𝑸 = 𝑨𝟐 . 𝑴. 𝝓. √𝟐. 𝝆𝟏 . 𝑨𝑷
◼ El caudal teórico es:
𝑄𝑅 = 𝐴2 . 𝑀. 𝐶. 𝜙. √2. 𝜌1 . 𝐴𝑃
𝑸𝑹 = 𝑨𝟐 . 𝑲. 𝝓. √𝟐. 𝝆𝟏 . 𝑨𝑷
Donde:
• C: Coeficiente de descarga (Calculado mediante iteraciones).
• K: Coeficientes de flujo (K = Q x C).
El coeficiente de descarga “C” debe ser obtenido por calibración y se le presenta como
una función del número de Reynolds.
CASO DEL TUBO PITOT: En el tubo Pitot el agujero que enfrenta a la corriente, capta
la presión total y el agujero lateral capta la presión estática. Ambas líneas conectadas a
un manómetro nos permiten obtener el valor de la presión de velocidad, es decir:
𝑃𝑡 − 𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑉22
= 𝑃𝑉 =
𝛾 2. 𝑔
De aquí:
𝑃𝑉
𝑉 2 = 2. 𝑔.
𝛾
Pero: 𝛾 = 𝜌. 𝑔
Reemplazando:

𝑃𝑉 2. 𝑃𝑉
𝑉 2 = 2. 𝑔. →𝑉=√
𝛾 𝜌

𝑃𝑉 = 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑃𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑃𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

Para un flujo compresible se corrige la velocidad:

𝟐. 𝑷𝑽
𝑽 = 𝑪. √
𝝆
 50

Figura: Corrección de descarga para Tobera.

Figura: Corrección de descarga para Tubo de Venturi.

 51

COEFICIENTE DE COMPRESIBILIDAD (φ): El coeficiente de compresibilidad φ no

es necesario calcularlo cada vez, si no que viene tabulado para diferentes caídas de presión
y diferente relación de áreas del aire se tiene:

Figura: Factores de expansión para Orificio, Venturi y Pitot.

FLUJO COMPRESIBLE

PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE CAUDALES:

1. Calcúlese con los datos obtenidos el caudal teórico.
2. A continuación, asumir un coeficiente de descarga C.
3. Con el coeficiente de descarga calcúlese el caudal real, y el número de Reynolds.
 52

4. Con el N° de Reynolds se verifica el coeficiente de descarga y en caso de no

corresponderle; se asume nuevamente otro coeficiente de descarga y se siguen los
pasos 3 y 4 nuevamente. Si el coeficiente de descarga concuerda con el asumido;
el método converge en una solución y por tanto ya se tiene el caudal real.
NOTA: Para calibrar medidores de caudal por lo general se utilizan gasómetros con lo
cual los coeficientes de descarga quedan precisados, y no es necesario el procedimiento
de cálculo anterior.
 53

MEDICIÓN DE VELOCIDAD
INTRODUCCIÓN:
Para evaluar la potencia, así como también para calcular las fuerzas de energía en piezas
alternativas es importante conocer la velocidad de rotación de una máquina; es por esto
que se hace indispensable tener conocimiento de las técnicas, así como también de los
instrumentos involucrados en las mediciones de velocidad angular. Los medidores de
velocidad comúnmente conocidos son:
1. Contadores de revoluciones.
2. Tacómetros o taquímetros.
3. Estroboscopios.
CONTADORES DE REVOLUCIONES: Son aparatos cuyo mecanismo registra el
número de vueltas que da el eje o volante de una máquina. Su principio de funcionamiento
es sencillo ya que posee un eje con adaptador de goma que se adhiere a la volante y gira
con esta; al girar su mecanismo acciona por vuelta un tambor de dígitos que registran el
número de veces que el eje de una revolución. Estos contadores asociados con un
cronometro en funcionamiento simultaneo nos da el número vueltas por unidad de
tiempo.

Hay varios tipos de contadores y son:

a) Registradores de revoluciones: Son registradores de vueltas y tienen que
utilizarse con un cronometro independiente.
b) Taquiscopios: Son contadores más perfeccionados, poseen cronometro
incorporado; funcionan tanto el registrador como el cronometro en forma
simultánea apenas se inicia el contacto con el eje o volante.

c) Indicadores de velocidad: Son contadores mucho más perfeccionados que los

anteriores, pues además de registrar las revoluciones y el tiempo en forma
independiente, realizan la operación de división indicándonos en otra escala las
RPM del eje o volante.
TACOMETRO O TAQUIMETROS: Son instrumentos que directamente indican la
velocidad de rotación en su escala, el principio de funcionamiento es diferente en los
diversos tacómetros.
a) Tacómetro de mano: Son tacómetros en los cuales la fuerza centrífuga acciona
pesas pivoteadas a su eje de rotación, el cual recibe movimiento del eje o volante
de la máquina, y teniendo en cuenta que el desplazamiento de dichas pesas es
 54

función de la fuerza centrífuga y esta a su vez de la velocidad, por tanto, la

posición de la pesa comunicada a un sistema de bielas y de estas a un dial nos
indican la velocidad.

b) Tacómetros de bomba liquida: Funcionan por medio de una pequeña bomba que
impulsa el líquido por una columna; sabiendo que la altura alcanza por el líquido
es función de la velocidad de rotación de la bomba, esta puede graduarse
directamente en RPM.

c) Tacómetro electromagnético: Este tacómetro está compuesta por un generador de

corriente continua que es movido por la volante o eje, cuya velocidad deseamos
conocer, y teniendo este generador un campo producido por un imán permanente
o un electroimán, se produce una tensión que es proporcional a la velocidad. Esta
tensión es captada por un voltímetro graduado directamente en RPM.
 55

d) Tacómetro de láminas vibrantes: Son tacómetros que están conformados por

muchas laminas que tienen una frecuencia de vibración diferente, estos
tacómetros se colocan sobre la máquina y casa lamina vibra según la intensidad
de vibración que revive de la maquina en movimiento. Las láminas por lo general
tienen frecuencias que van de 50 en 50 c/s. El uso de este tipo de tacómetros es
adaptable a pequeñas maquinas, pues ello no implica consumo de potencia.
ESTROBOSCOPIOS: El principio de funcionamiento de un estroboscopio es la
persistencia visual del ojo humano. Si una marca en un eje rotativo o un objeto similar es
visto una vez en cada vuelta mediante un obturador que se abre y se cierra una vez por
cada revolución, entonces la marca aparecerá en el mismo lugar e inmóvil.

Un estroboscopio sencillo puede construirse con un disco giratorio accionado por un

motor de velocidad variable; este disco giratorio accionado por un motor de velocidad
variables; este disco posee perforaciones a través de las cuales se podrá ver el eje o
volante. La velocidad del disco es igual a la velocidad de la volante. En el caso de aparecer
varias imágenes en reposo la velocidad será:
𝑅𝑃𝑀 𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 𝑥(𝑁° 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑒𝑟𝑜𝑐𝑎𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠)
𝑅𝑃𝑀 𝑣𝑜𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 =
𝑁° 𝑑𝑒 𝑖𝑚𝑎𝑔𝑒𝑛𝑒𝑠
Existen otros estroboscopios como el estrobotac, cuyo funcionamiento se basa en la
frecuencia de destello de un oscilador, que es función de la capacitancia de un capacitador
variable. Si la frecuencia de los destellos se ajusta de tal modo que la marca en el eje o
volante aparece fija, las RPM de la volante son iguales al número de destellos por minuto
aun múltiplo entero de este número. En el caso de aparecer varias imágenes las RPM
indicadas serán un múltiplo o submúltiplo de la velocidad de rotación.
PRECISIÓN Y ALCANCE DE LOS MEDIDORES DE VELOCIDAD
1. Los contadores de revoluciones sencillos se pueden utilizar hasta velocidad de
2000, 3000 y 5000 RPM, estando su precisión limitada por la de un cronometro
común, que es de 0.2 segundos.
2. Los contadores más perfeccionados como el indicador de velocidad pueden
utilizarse con velocidades hasta de 20000 ó 30000 RPM y el máximo error
utilizando un buen contacto entre el eje o volante y el aparato, es de 11% de la
lectura a plena escala.
3. Los tacómetros de mano un amplio rango y sobrepasan a las 40000 RPM.
4. Los tacómetros de bomba liquidan tienen una precisión de 0.2 a 0.5% de su lectura
a plena escala y su rango de aplicación también es alta. No es adecuado para medir
velocidades menores que el 50 ó 60% de la lectura a plena escala.
 56

5. Los tacómetros de láminas vibrantes se utilizan para pequeñas velocidades y su

rango es de 3000 a 4000 RPM, el error que pueden tener es de 100 RPM en 3500
RPM. Su precisión a la temperatura de construcción es de 0.1%.
6. Los estroboscopios tienen hasta 4 juegos de escalas y su alcance es hasta 15000
RPM. Su precisión es variable.
7. La calibración de estos instrumentos se realiza mediante un maquina eléctrica de
velocidad conocida.
 57

MEDICIÓN DE PROPIEDADES
◼ DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD
OBJETIVO:
determinar la viscosidad cinemática de los aceite o combustibles lubricantes mediante el
viscosímetro Saybolt Universal. La viscosidad es una de las propiedades más importantes
de los lubricantes y estas a la temperatura de trabajo es un factor decisivo para elegir un
aceite lubricante en elementos fundamentales con partes móviles.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS:
VISCOSIDAD: Es la propiedad de los fluidos, mediante la cual tratan de oponerse a la
acción de los esfuerzos cortantes, también se le define como el resultado de la fricción
intermolecular que existe en el seno del fluido cuando las capas adyacentes que la
conforman tienden a deslizarse una sobre otra. Existen dos clases de viscosidad: la
dinámica o absoluta y a cinemática.
UNIDADES DE VISCOSIDAD ABSOLUTA: La unidad de la viscosidad absoluta o
dinámica en el sistema c.g.s. es el Poise, que se define como la viscosidad de un liquido
en el que se requiere una tensión de cizallamiento de una dina/cm 2 una capa de liquido
situado a una distancia de 1 cm de otra capa paralela o inmóvil.
𝒅𝑽
𝝉 = 𝝁.
𝒅𝑳
Donde:
• 𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 ó 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎.
• 𝜏 = 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒.
• 𝑑𝑉⁄𝑑𝐿 = 𝑅𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒.
• 𝑉 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑.
• 𝐿 = 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎.
𝑠𝑒𝑔 𝑔𝑟
𝑃𝑜𝑖𝑠𝑒 = 𝑑𝑖𝑛𝑎 𝑥 =
𝑐𝑚2 𝑠𝑒𝑔 𝑥 𝑐𝑚
Por tener la viscosidad absoluta valores pequeños, se usa una unidad menor que es el
centipoise (Cp). La viscosidad absoluta se tabula ordinariamente en Centipoises.
Cp = 0.01 poises
VISCOSIDAD RELATIVA O ESPECIFICA DE UN FLUIDO: Viscosidad específica de
un fluido, es la relación de la viscosidad de un fluido, a la de un fluido patrón (por lo
general el agua, o el disolvente en caso de soluciones), tomando ambas viscosidades a la
misma temperatura.
L viscosidad del agua a 20 °C, es aproximadamente un Centipoise (1 Cp), por lo tanto,
para fines prácticos, la viscosidad relativa de un fluido a 20 °C es idéntica a su viscosidad
absoluta en Centipoises.
VISCOSIDAD CINEMATICA: La viscosidad cinemática, correspondiente a un fluido,
que tiene una densidad (ρ), en kg/m3 y viscosidad absoluta (μ), en kg/m.seg., es:
𝝁 𝒎𝟐
𝜸= ( )
𝝆 𝒔
 58

La unidad de la viscosidad cinemática, en el sistema C.G.S. es el Stoke, que es igual al 1

cm2/s. Generalmente se usa el Centistoke (cSt), que es una unidad menor: cSt = 0.01
Stoke.
VISCOSIDAD SEGÚN EL METODO DE MEDICIÓN
Los equipos existentes más comunes para determinar la viscosidad cinemática son:
a) El viscosímetro de segundos Saybolt Universal, nos da la viscosidad en segundos
Saybolt Universal (S.S.U)
b) Viscosímetro en segundos Redwood.
c) Viscosímetro en segundos Redwood Admiralty.
d) Viscosímetro en grados Engler.
e) Viscosímetro en grados SAE.
f) Viscosímetro en grados API.
Todos estos métodos de medición tienen el mismo principio, es decir, que tienen un
pequeño orificio de un tubo capilar normalizado por donde se descarga un volumen fijo
de liquido tomando el tiempo que demora en vaciar el recipiente, lo cual nos da la medida
de la viscosidad cinemática.
Ejemplo: La expresión segundos Saybolt se refiere al tiempo que tarda un liquido en
pasear por un viscosímetro Saybolt. En dichos instrumentos es tan corto el tubo capilar
que los efectos en la entrada y salida constituye una parte importante de la resistencia al
paso del líquido, por eso es que se determina empíricamente la relación entre el tiempo
de paso (θ) y la viscosidad cinemática.
Estos instrumentos, no son convenientes para líquidos poco viscosos porque el paso a
través del tubo es turbulento.
Los principales viscosímetros hemos visto que obedecen a la ecuación empírica:
𝑩 𝒄𝒎𝟐
ɤ = 𝑨𝜽 − ( ) 𝒐 (𝑺𝒕𝒐𝒌𝒆𝒔)
𝜽 𝒔𝒆𝒈
Donde:
• θ está expresado en seg. y los valores de A y B son:
VISCOSIMETRO A B
SAYBOLT UNIVERSAL 0.0022 1.8
REDWOOD 0.0026 1.72
REDWOOD ADMIRALTY 0.027 20
ENGLER 0.00147 3.74
NOTA: El método de medición en grados Engler usa torquímetros de acuerdo al número
de torques sus medidas de viscosidad en grados °E.
Para el caso del viscosímetro Saybolt Universal la viscosidad en SSU también se puede
transformar a Stokes con la siguiente formula:
𝟏. 𝟗𝟓
𝑺𝒕 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟐𝟐𝟔 𝑺. 𝑺. 𝑼. −
𝑺. 𝑺. 𝑼.
Donde:
• 𝑆. 𝑆. 𝑈. ≤ 100 𝑠𝑒𝑔.
 59

Pero si toma la siguiente ecuación:

𝟏. 𝟗𝟓
𝑺𝒕 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟐𝟐 𝑺. 𝑺. 𝑼. −
𝑺. 𝑺. 𝑼.
Donde:
• 𝑆. 𝑆. 𝑈. > 100 𝑠𝑒𝑔.
FLUIDEZ: Es la recíproca de la viscosidad absoluta. En el sistema c.g.s. se denomina rhe
= 1 poise-1.
VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA Y LA PRESIÓN:
T° → La viscosidad (μ) de un líquido disminuye con el aumento de temperatura (t); con
una velocidad decreciente. Las gráficas para diferentes líquidos cuando se gráfica μ vs t
son de una forma muy semejante y a menudo puede hacérselas coincidir por una
traslación paralela al eje t. Esto nos indica que la pendiente 𝑑𝜇⁄𝑑𝑡 de la curva μ vs t es la
misma función de μ para diversos líquidos.
ρ → La variación de la viscosidad de un líquido con la presión (atm) puede expresarse
𝜇
por la relación ⁄ de donde la 𝑑𝜇⁄𝑑𝑝 = 𝑏𝑥𝜇 esto significa que la rapidez de
𝜇𝑎 − 𝑒 𝑏𝑝
aumento de la viscosidad con la presión crece al aumentar la viscosidad.
Donde 𝜇𝑎 , es la viscosidad a la presión atmosférica, μ es la viscosidad a la presión p; p
es la presión manométrica. El agua es excepcional a temperatura bajas porque muestra al
principio una disminución de la viscosidad aumenta la presión.

VISCOSIMETRO SAYBOLT UNIVERSAL

En este tipo de viscosímetro la viscosidad cinemática se determina midiendo el tiempo

que demora una cierta cantidad de un fluido en pasar por un orificio normalizado, por
acción de la gravedad. El tiempo necesario es directamente proporcional a la viscosidad
absoluta e inversamente proporcional a la densidad.
Consecuentemente, el tiempo observado es proporcional a la viscosidad cinemática del
aceite.
DESCRIPCIÓN DEL VISCOSIMETRO SAYBOLT UNIVERSAL
El viscosímetro Saybolt Universal consta de las siguientes partes:
 60

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO CON EL VISCOSIMETRO SAYBOLT UNIVERSAL

Las temperaturas especificas por la ASTM para utilizarlas con el viscosímetro Saybolt
Universal son: 70, 100, 130 y 210 °F (21.11, 37.77, 54.44 y 98.88 °C).
Durante el ensayo es importante que el aceite sea mantenido a una temperatura constante,
para lo cual se tomará las siguientes preocupaciones: Cuando la temperatura del ensayo
es superior a la del ambiente debe calentarse el aceite ligeramente por encima de la
temperatura de ensayo no más de 1.6 °C ó 3 °F, para compensar el enfriamiento mientras
se lo vierte en el tubo de aceite. La ASTM recomienda verter el aceite a través de un
colador de 100 mallas/pulg. antes de introducirlo en el tubo de aceite. Esto contribuye a
enfriar el aceite. Si la temperatura de ensayo es inferior a la del ambiente, el aceite debe
ser entonces enfriado ligeramente por debajo de la temperatura de ensayo. Al calentar el
aceite no se debe exceder de 30°C menos de la temperatura de inflamación del aceite,
debido a que la vaporización alteraría la composición del aceite.
La temperatura del baño se controla regulando al calentador de gas y ajustando la
circulación de agua fría por el serpentín de enfriamiento. El baño debe de agitarse
continuamente para uniformizar su temperatura.
Cuando el fluido del baño es agua, la ASTM especifica que su temperatura no debe
exceder a 70.1, 100.25, 130.5 ó 212 °F (21.16, 37.91, 54.72, 100 °C), según que la
temperatura de ensayo sea 70, 100, 130 ó 210 °F; sí se usan aceite como fluido del tubo
puede ser necesario duplicar las diferencias de temperatura entre el baño y la del ensayo.
Una vez introducido el aceite en el tubo de aceite, es necesario el aceite en le tubo, es
necesario agitarlo con el termómetro de ensayo hasta que su temperatura no varíe en más
de 0.02 °F (0.01 °C) durante el periodo de un minuto. Luego se retira el termómetro y se
elimina el exceso de aceite de la galería por medio de un pipeta o tubo de vidrio; al extraer
el exceso de aceite hay que tener cuidado de no tocar el borde del tubo de aceite porque
esto podría hacer que se rebalse el aceite y también se altere su temperatura.
Se inicia el ensayo retirando el corcho y poniendo en marcha un cronometro
simultáneamente. La posición de la probeta receptora debe ajustarse de modo que el
chorro de aceite de contra el cuello de esta para que no se forme burbujas y se distorsione
la superficie del aceite. El ensayo termina parando el cronometro cuando se ha alcanzado
la marca de 60 ml. en la probeta receptora.
Antes de cada ensayo el corcho debe ajustarse lo suficiente para evitar que se escape el
aire, de lo contrario se escaparía algo de aceite del tubo de aceite. Si al momento de retirar
el corcho se nota que está con aceite el ensayo debe descartarse.
El tubo de ensayo debe lavarse antes de cada ensayo con benzol para eliminar restos de
otros aceites que hayan quedado de ensayos anteriores.
ABACO DE VISCOSIDAD – TEMPERATURA
Índice de viscosidad
Muchos derivados del petróleo tienen una disminución de la viscosidad muy rápido,
cuando aumenta la temperatura.
Cuando se utilizan coordenadas rectangulares para representar estas variables, las
desviaciones con respecto a la línea recta son tan pronunciadas que hay que determinar
muchos puntos para poder trazar la curva. Para evitar esta dificultad se han ideados
papeles con coordenadas especiales en los que las curvas de viscosidad – temperatura
resulta una línea recta.
 61

El estudio de los gráficos de viscosidad – temperatura para diversos aceites nos muestra
que hay amplias variaciones en el régimen de variación de la viscosidad con la
temperatura.
Este régimen de variación es muy importante cuando la temperatura de trabajo del aceite
es muy variable y difiere mucho de la temperatura ambiente. Por ejemplo, en los motores
de combustión interna, es cuando el motor empieza a funcionar tiene una baja temperatura
y cuando está en su régimen de trabajo tiene una alta temperatura, si utilizamos un aceite
de lubricación cuyo régimen de variación de su viscosidad es muy alto puede ocurrir de
que a bajas temperaturas no fluya correctamente por tener alta viscosidad y a altas
temperaturas su viscosidad es tan baja que su capacidad para soportar la carga resulta
insuficiente.
Con el objeto de poder comparar el régimen de variación de la viscosidad con la
temperatura, se ha establecido el llamado índice de viscosidad. Inicialmente el índice de
viscosidad se determinará por comparación con el aceite patrón Actualmente la
determinación del índice de viscosidad se ha normalizado según las normas ASTM de la
siguiente manera:
𝑳−𝑼
Í𝒏𝒅𝒊𝒄𝒆 𝒅𝒆 𝒗𝒊𝒔𝒄𝒐𝒔𝒊𝒅𝒂𝒅 (𝑰. 𝑽) = 𝒙𝟏𝟎𝟎
𝑳−𝑯
Donde:
• L: Viscosidad de un aceite a 100 °F cuyo índice de viscosidad es cero y que a
210 °F tiene una viscosidad igual a la del aceite de ensayo.
• U: Viscosidad a 100 °F del aceite de ensayo.
• H: Viscosidad a 100 °F de un aceite cuyo índice de viscosidad es 100 y cuya
viscosidad a 210 °F es igual a la del aceite en ensayo.
Existen tablas de la ASTM para determinar L y H. A falta de estas tablas, los valores de
L y H pueden ser calculado usando las siguientes ecuaciones cuando la viscosidad Saybolt
Universal y del aceite de ensayo está comprendida entre 50 y 350 segundos 210 °F.
𝐻 = 0.0408𝑥𝑌 2 + 12.568𝑥𝑌 − 475.4
𝐿 = 0.216𝑥𝑌 2 + 12.07𝑥𝑌 − 721.2
En conclusión, el índice de viscosidad nos indica: la rapidez con que la viscosidad varía
en función de la temperatura.
 62

Esquema para calcular el

índice VI de un aceite

Sí el índice es grande, la viscosidad cambia para con la temperatura, la cual es una

propiedad deseable para los aceites que tengan que emplearse en una gama muy amplia
de temperatura. Los aceites de base parafínica tienen índice elevado, mientras que las de
base nafténica es caracterizan por el pequeño valor de sus índices. Con ayuda de ciertos
aditivos, se puede aumentar el índice de viscosidad.
RECOMENDACIONES GENERALES
◼ Emplear un aceite de pequeña viscosidad, para rodamientos con baja temperatura
de trabajo, gran número de revoluciones o pequeña carga.
◼ Emplear un aceite de gran viscosidad, para rodamientos con elevada temperatura
de trabajo, pocas revoluciones o gran carga.
◼ Emplear aceite de gran índice de viscosidad para rodamientos en los que la
temperatura de trabajo varía mucho.
◼ Emplear aceite resistente a la oxidación para rodamiento con largos periodos de
funcionamiento continuo.
TABLA DE VISCOSIDAD PARA ACEITES ESPECIFICADOS POR LA SAE

SAE Rango de viscosidad en S.S.U.

N° a 130 °F a 210 °F
10 90 – 120
20 120 – 185
30 185 – 255
40 Mayor de 255 Menor de 80
50 80 a 105
60 105 a 125
70 125 a 150
80 100 segundos a 0 °F máx.
90 800 a 1500 segundos a 100 °F
140 120 a 200 segundos a 210 °F
250 200 segundos a 210 °F
 63

ESPECIFICACIONES PARA ACEITES Y LUBRICANTES

Los aceites se clasifican en clases:
◼ CLASE A: Se usan por lo general para la lubricación de máquinas cuando en
estas no se requiere un aceite altamente refinado.
◼ CLASE B: Se usa para la lubricación de turbinas dinamos y maquinas de vapor
de alta velocidad, usándolo en la circulación y sistemas de alimentación forzada.
◼ CLASE C: Se usa como aceite que cumple ciertas condiciones de servicio, como
un aceite lubricante para la turbina y la máquina de combustión interna.
◼ CLASE D: Cubre los grados de lubricantes para máquinas de combustión interna,
excepto las máquinas para aeronáutica y Diesel.

TABLA DE ESPECIFICACIONES Y PROPIEDADES DE ACEITES Y

LUBRICANTES

Clases A, B y C Valores
Mínimos CLASES: A, B y
Punto de Punto de C viscosidad a
Inflamación Combustión 100 °F máx.
(FLASH) (FIRE)
Extra Liviano 315 355 134 a 165
Liviano 325 365 180 a 220
Medio 335 380 270 a 330
Pesado 345 390 360 a 440
Extra Pesado 355 400 450 a 550
Ultra Pesado X 360 410 560 a 650
Máquina de Vapor A 475 --- 120 a 150
210 °F
Máquina de Vapor B 475 --- 135 a 165
210 °F
Grado 1 a 2 525 --- 180 a 220
Máquina de Hielo grado 100 290 --- 95 a 115
Máquina de Hielo grado 125 290 --- 120 a 135
Compresor de aire, simple etapa 390 --- 920 a 1100
Compresor de aire, múltiples etapas 400 450 410 a 455
100 °F – 210 °F
Turbina, conexión directa --- --- 150 a 300
100 °F

CUESTIONARIO

1. ¿Qué equipo se emplearía para determinar la viscosidad de una muestra de

grasa?
2. ¿Qué diferencia existen entre el viscosímetro Saybolt y el Redwood?
3. ¿Qué podría ocurrir si un lubricante es sometido a temperatura mayores a su
rango?
4. ¿Ocasionaría daños a la maquina lubricada (en un motor de combustión
interna)?
 64

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE INFLAMACIÓN Y DE

COMBUSTIÓN DE LUBRICANTES Y COMBUSTIBLES
OBJETIVO:
Determinar mediante el equipo adecuado los puntos de inflamación y de combustión de
los aceites combustibles y lubricantes. Los puntos de inflamación y de combustión son
importantes por razones de seguridad y los aceites cuyo punto inferior a 150°C no deben
emplearse para fines de lubricación. Esta característica no debe confundirse con la
temperatura de autoinflamación que es aquella ala que le aceite se inflama sin aplicación
de llama o chispa y que es completamente independiente de la correspondiente a los
puntos de inflamación y de combustión.
FUNDAMENTO TEÓRICO:

PUNTO DE INFLAMACIÓN: La menor temperatura a la cual el régimen de emisión de

vapores del aceite combustible o lubricante es de a la magnitud suficiente, que al
acercársele una llama ocurre una combustión instantánea (centelleo); pero no suficiente
para mantener una combustión continua.

PUNTO DE COMBUSTIÓN: Es la menor temperatura del aceite para mantener un

régimen de emisión de vapores que asegure una combustión continua, así se le retire la
llama. Este punto suele estar a 22 ó 28 °C más alto que el de inflamación, aunque las
temperaturas de inflamación y de combustión están determinadas por la ignición de los
vapores del aceite, debe hacerse notar que estas temperaturas son una medida no de la
verdadera inflamabilidad del aceite sino de su volatilidad inicial.

El conocimiento de los puntos de inflamación y de combustión de los combustibles

lubricantes y solventes es necesario para tomar las medidas de seguridad en el almacenaje
y aplicación que puedan tener. Además, las temperaturas mencionadas indican también
que pueden estar produciéndose una vaporización de los aceites y adecuar para su uso.

La determinación de las temperaturas mencionadas depende no solo del aceite, sino del
régimen de calentamiento, el movimiento del aire sobre la superficie del aceite y los
medios de ignición.

La ASTM, recomiendo el uso del VASO DE CALVELAND abierto para la

determinación del petróleo, excepto los aceites combustibles y otros productos cuyo
punto de inflamación en vaso abierto es inferior a 80 °C (175 °F aprox.).

El punto de inflamación de los combustibles se determinar generalmente con un vaso

cerrado, tal como el aparato de PENSKY-MARTENS, para otros líquidos cuyo punto de
inflamación es inferior a 80 °C se usa normalmente el vaso cerrado de TAG.

El punto de inflamación y de combustión del lubricante o combustible son una medida de

la volatilidad inicial más no de una verdadera inflamación.

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE INFLAMACIÓN EN EL APARATO DE

VASO CERRADO PENSKY-MARTENS

Este método de prueba estás referido para determinar el punto de inflamación de petróleo
o aceite combustibles.
 65

APARATOS Y ACCESORIOS:
Todo el equipo tiene los requerimientos dimensionales de la ASTM:

◼ Una taza de bronce.

◼ Una estufa o cámara para la transferencia de calor.
◼ Un plato capote, sobre el cual descansa el borde de la taza.
◼ Un agitador (accionado por un motor eléctrico a 110 volt. ½ HP)
◼ Una llama piloto y llama de prueba.
◼ Un termómetro, de 0 a 150 °C con aproximación de 1 °C.
La cámara de transferencia de calor puede estar calentada por una llama de gas o un
elemento de resistencia eléctrica. En nuestro caso se usa mechero BUNSEN. El plato
capote es de metal y debe estar asegurado con un tornillo y tuerca a la cámara.
PROCEDIMIENTO:
Todas las partes de la taza y sus accesorios serán cuidadosamente lavados y secados antes
de empezar la experiencia. La taza será llenada con el aceite materia de la experiencia
hasta la línea del nivel indicado.
El termómetro se suspenderá en el aceite de manera que el fondo del tubo esté a 1.75
pulg. del fondo del vaso. La llama del ensayo debe tener un diámetro de 5/32 pulg. (4
mm. aprox.)
Mientras el agitador, para uniformizar la temperatura de la muestra gire a una velocidad
de 1 a 2 revoluciones por segundo la muestra se calentará a un régimen de 9 a 11 °F por
minuto. La primera llama de prueba sobre la taza a través de la ventana por el quemador
debe ser de 30 °F por debajo del probable punto de inflamación. Para rangos de
temperatura sobre los 220 °F, cada 2 °F de aumento de temperatura debe pasarse la llama
de prueba sobre el vaso y cada 5 °F de aumento de temperatura para rangos inferiores a
220 °F. La aplicación de la llama de prueba será hecha operando el dispositivo de control
de la ventana para que se introduzca la llama del quemador en 0.5 seg. y mantenerla en
su posición más baja durante 1 seg. antes de regresar a su posición inicial. El agitador
debe ser desconectado en el momento de aplicar la prueba.
El punto de inflamación en este vaso cerrado estará determinado por la lectura de la
temperatura en el termómetro en el instante en el que al aplicar la llama de prueba causa
un centello en el interior de la taza.
Para determinar el punto de combustión, es necesario continuar el calentamiento con el
mismo régimen y pasar la llama cada 5 °F de aumento de la temperatura hasta que los
gases del aceite se inflamen y continúen ardiendo por lo menos durante 5 segundos.
 66

MEDICIÓN DE DENSIDAD Y GRAVEDAD ESPECÍFICA

OBJETIVO:
Determinar mediante los instrumentos adecuados la gravedad específica, densidad y peso
específico de líquidos, sólidos y gases. Como aplicación especial para lubricantes y
combustibles.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
DENSIDAD: Es la masa por unidad de volumen (es la inversa al volumen específico).
𝑴
𝝆=
𝑽
Donde:
• M: Masa.
• V: Volumen.
𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎 2°𝐶 = 0.99823 𝑔/𝑚𝑙
𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑎 25°𝐶 = 0.99707 𝑔/𝑚𝑙
PESO ESPECÍFICO:
𝑊
𝛾=
𝑉
Donde:
• W: Peso → W = M.g
• g: Gravedad → g = 32.174 pie/seg2
→ g = 9.81 m/seg2
• V: Volumen.
Es más frecuente usar el peso específico.
GRAVEDAD ESPECÍFICA DE UN LIQUIDO: Se define con la relación en peso de un
líquido con respecto a agua destilada, a igualdad de volumen, a condiciones standard de
T° (generalmente 15 °C ó 60 °F). Esta relación es la “gravedad específica aparente”,
debido a que los pesos no han sido corregidos por el empuje del aire.
Si la verdadera densidad y la gravedad específicas son deseados, todos los pesos deben
ser reducidos a su equivalente en vacío.
𝑾𝑳
𝑮𝑬𝑳 =
𝑾𝑨
Donde:
• WL: Peso del líquido.
• WA: Peso del agua.
GRAVEDAD ESPECÍFICA DE UN GAS: Relación en un peso de un gas con respecto
al aire seco, a igualdad de volumen, a condiciones estándar (presión barométrica estándar,
la T° a 60 ó 68 °F).
𝑾𝒈
𝑮𝑬𝑮 =
𝑾𝒂
 67

Donde:
• Wg: Peso del gas.
• Wa: Peso del aire seco.

MÉTODO DE MEDICIÓN DEL PESO ESPECÍFICO Y LA GRAVEDAD

ESPECÍFICA

A. PARA SOLIDOS
El peso específico es fundamental por: medida de volumen y peso o por el peso
hidrostático.
MEDIDA DE VOLUMEN Y PESO:
Sólidos de figura geométrica regular pueden ser (calibrados) y su volumen
determinado, y luego se pesa, determinando así un peso por unidad de volumen.
Para sólidos de figura irregular, el volumen puede ser determinado a través del
desplazamiento de un líquido usando recipiente graduado.
METODO DEL PESADO HIDROSTATICO:
Para sólidos no absorbentes la muestra es primero pesada en aire (W1) y luego
suspendida por medio de un cable fino en el líquido de prueba y se pesa nuevamente
(W2). La densidad de la muestra (𝜌𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎 ) es la masa en aire dividido por este
volumen (VL). Este volumen es igual a la pérdida de peso de la muestra (E), dividida
por el peso específico (𝛾𝑙 ) del líquido de prueba a la temperatura (T°) de observación.

B. PARA LIQUIDOS
El peso específico es determinado por: EL PICNOMETRO, pesado hidrostático.
HIDROMETRO o la balanza WESTPALL.
C. PARA GAS O VAPOR
El peso específico es determinado por expansión o por la balanza de Gravedad
Específica.

PICNOMETRO O MÉTODO DE LA BOTELLA DE GRAVEDAD ESPECÍFICA

El picnómetro es un recipiente de vidrio, que tiene un volumen definido y varias formas.

Generalmente se usa para hidrocarburos, líquidos (heptano, isoctano, etc). El picnómetro
puede ser usado para líquidos, para semisólidos de bajo punto de fusión (introducido
después de fusionado) o para polvos o sólidos granulares. El uso del picnómetro requiere
mucho cuidado y un exacto procedimiento en la limpieza y secado de la botella secando
las burbujas de aire, haciendo las correcciones de T° C, y un pesado preciso.
 68

El método a usa (AST estándar), es primero, pesar la botella, que debe estar limpia, seca
y tener una tapa, en una balanza analítica sensitiva (peso a). Luego llenar la botella con
agua destilada (de caldero, fresca) a 60°F y pesar (peso b). Tener cuidado de explotar las
burbujas de aire y llenar con la muestra hasta la parte superior (incluyendo el tubo capilar
existente en la tapa). Pesar nuevamente, (peso c).
𝑐−𝑎
𝐺𝐸 =
𝑏−𝑎
Si se requiere una precisión de 2 a 3 decimales, la botella debe ser limpiadas usando agua
destilada y alcohol o éter.
Si el picnómetro va a ser calibrado, la curva de calibración se debe plotear entre le peso
del agua destilada y la temperatura, lo cual permitirá la determinación de la gravedad
específica para cualquier peso.
El picnómetro también proporciona un método para determinar la gravedad específica de
los líquidos volátiles.
MÉTODO DEL HIDROMETRO
Determinar la gravedad específica de los líquidos no volátiles. Consta de un tubo pesado,
(adecuado para ciertas G.E) y un vástago graduado donde se lee directamente la gravedad
específica del líquido.
El valor de la gravedad específica esta determinado por el valor que señala el líquido en
su superficie al tocar el vástago numerado del hidrómetro.
La temperatura estándar normalmente es 15°C (60°F) la temperatura del líquido, la del
hidrómetro y la del recipiente del líquido deben ser iguales.

Existen tablas para corregir las mediciones de G.E a condiciones diferentes de los
estándares (15°C ó 60°F). Ejemplo: En general una corrección de 0.000295 debe ser
hecha por cada variación de 1°C de la temperatura estándar a 60°F la corrección debe
agregarse si la T° está encima de 60°F y sustraerse si está por debajo de 60°F (para la
G.E).
En la industria del aceite y derivados, no se escala la gravedad específica, debido a que
todas las lecturas deber ser expresadas en decimales se ha establecido la escala BAUME,
para esta escala la gravedad del agua pura es tomada como 10°Be, para líquidos más
pesados que el agua están designados en Be° > 10, para líquidos menos pesados que el
agua está designada en grados menores que 10.
 69

Si la muestra de la cual se va determinar su gravedad específica no está a 60°F, se debe

usar una corrección de acuerdo a:
◼ Para aceites lubricantes: La corrección de lectura (por temperatura) es agregar o
quitar 0.05°Be, de la lectura observada si está por encima o debajo de 60°F,
respectivamente (por cada 10°F).
◼ Para gasolina, kerosen o destilados livianos: La corrección esta dad por
0.010°Be aproximadamente, similar al caso anterior.
La industria del aceite y derivados ha adoptado la ESCALA BAUME específica por la
API (Instituto Americano de Petróleo), pero algunos hidrómetros están graduados de
acuerdo a la escala BAUME especificada por la U.S. Bureau de estándar. Las ecuaciones
para convertir la lectura de cada hidrómetro de gravedad específica son:
➢ Escala API:
𝟔𝟎 𝟏𝟒𝟏. 𝟓
𝑮. 𝑬 (𝒂 °𝑭) =
𝟔𝟎 𝟏𝟑𝟏. 𝟓 + °𝑨𝑷𝑰 𝒂 𝟔𝟎°𝑭
➢ Escala del Bureau de Estándar:
𝟓𝟎 𝟏𝟒𝟎
𝑮. 𝑬 (𝒂 °𝑭) =
𝟔𝟎 𝟏𝟑𝟎 + °𝑩𝒆 𝒂 𝟔𝟎°𝑭
NOTA: Para el correcto uso del hidrómetro, éste, debe sumergirse en un recipiente
cilíndrico de vidrio, donde ∅𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 ≤ ∅ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 + 25𝑚𝑚, y debe tener una
profundidad tal que la mínima distancia del hidrómetro en su parte inferior, al fondo del
cilindro debe ser ≥ 25 𝑚𝑚.

BALANZA WESTPHAL

Balanza especial para determinar la gravedad específica de líquidos no volátiles. Da una

medida exacta de la G.E. hasta con 4 decimales. Se basa en la determinación del peso
necesario para compensar el efecto de flotación del líquido sobre una plomada de
volumen fijo.
PROCEDIMIENTO:
La balanza se debe equilibrar para: agua destilada a 15°C (aproximadamente 60°F), para
lo cual la lectura debe ser 1000 (posición horizontal del brazo), esta se logra sumergido
el bulbo suspendido, como en la figura, y colocando en el gancho el peso de 5 gramos y
se debe equilibrar haciendo coincidir la punta del brazo flexible con la punta fija o el cero
de la escala. Luego se puede determinar la densidad de cualquier líquido, del modo
siguiente:
Para líquidos menos pesados que el agua, quitar el peso de 5 gramos de la punta y para
los líquidos más pesados que el agua trabajar con este peso colocado (5 gramos). Cada
peso de 5, 0.5, 0.05 y 0.005 gramos significa un décimo, centésimo, milésimo de G.E. y
el valor correspondiente a la hendidura donde se coloca, en el cual se encuentra un
número.
Por ejemplo: Si los 5 gramos se colocan en la hendidura 7, los 0.5 gramos en la hendidura
6 y los 0.05 gramos se coloca en la hendidura 4, y los 0.05 gramos se coloca en la
hendidura 3, la gravedad específica es 0.7643.
 70

Cuando 2 pesos, se van a colocar en la misma ranura, el peso más chico puede colgarse
del mayor y ambas tienen el mismo número, diferente valor (de acuerdo a si es décimo,
centésimo, etc. de densidad G.E). Algunos pesos no usados se indican como cero.

NOTA: Todos los valores de densidad o gravedad específica que aparecen a 60°F, si se
quiere tener en el SISTEMA INTERNACIONAL, se deben tomar a 15°C.
 71

MEDICIÓN DE LA HUMEDAD
OBJETIVO:
Determinar la humedad presente en una mezcla, especialmente en la atmosfera y de:
◼ Mezclas de aire vapor en calderos, turbinas de vapor.
◼ Enfriamiento de gua por evaporación en aire.
◼ Acondicionamiento de aire.
Desde que la humedad afecta el comportamiento de muchos materiales comerciales, tales
como: madera, papel, textiles, pintura, tabaco, pastas y harinas, el control de la humedad
atmosférica es uno de loa mayores problemas en la industria, así como en el aire
acondicionado para el hogar y oficinas.
En el laboratorio, se va a determinar la H.R. existente en el medio ambiente, mediante un
psicómetro de Revoleo.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
HIDROMETRIA: Es la medida de la humedad de una mezcla. Se considera que: la
desviación del vapor de agua respecto a las leyes de los gases ideales es de 0.75% a
temperatura inferiores a 65°C.
PRESIÓN DE SATURACIÓN: Es la presión de vapor para condición de equilibrio entre
las fases líquidas y de vapor. Es igual a la presión de ebullición del líquido para la
temperatura dad (es la presión del líquido cuando hierve a la temperatura dada).
PUNTO DE ROCIO: Es la temperatura a la cual comienza a condensarse el vapor, cuando
una mezcla de gas-vapor como el aire atmosférico se enfría a P = cte.
HUMEDAD RELATIVA (H.R): Es la relación de la presión parcial de vapor de agua en
la escala de vapor aire, a la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura de la
mezcla.
𝑷𝒔 𝑷𝒗 𝝆𝒗
𝑯. 𝑹 = = =
𝑷𝒔𝒂𝒕. 𝑷𝒈 𝝆𝒈
Donde:
• Ps = La presión parcial del vapor de agua en la mezcla = Pv.
• Psat. = Presión de saturación a la temperatura de la mezcla = Pg.

𝐴 → 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎, 𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑃𝑠.

 72

𝐵 → 𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎 𝑃𝑠𝑎𝑡. 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝐴.

𝐻. 𝑅𝐴 > 𝐻. 𝑅𝐶
𝐻. 𝑅𝐵 = 1 = 100%
El término H.R. nos indica también el grado de sobrecalentamiento del vapor de agua en
la mezcla de aire, por lo tanto, el punto C tiene más vapor sobrecalentado que el punto A.
Ejemplo: Se puede apreciar el contenido de humedad en el aire ambientes, cuando nos
encontramos dentro de un vehículo con las lunas cerradas (casi hermético) y en el medio
ambiente que lo rodea hay cambio de temperatura (de caliente a frío), apreciamos que en
el interior del vehículo se van formando gotas de agua, porque se ha llegado al punto de
rocío.
HUMEDAD ESPECÍFICA (ABSOLUTA): Es la masa de vapor de agua (Mv) por unidad
de masa de aire seco (Ma) para la mezcla de los dos.

𝑴𝒗 𝑷𝒗 𝒈𝒓𝒂𝒎𝒐𝒔 𝒎𝒈𝒓.
𝑯. 𝑬. = = 𝟎. 𝟔𝟐𝟐 ( ) ó( )
𝑴𝒂 𝑷𝒂 𝒍𝒊𝒃𝒓𝒂𝒔 𝑲𝒈.
Donde:
• Pv = Presión de vapor = Ps.
• Psat. = Presión del aire seco = Ptotal - Pvapor.
• 1 grano = 0.0648 gramos = 1/7000 libras.
AIRE SECO: Suma de todos los componentes del aire atmosférico que queda cuando el
vapor de agua se elimina.

INSTRUMENTO PARA MEDIR LA HUMEDAD

PISCROMETRO: Forma de indicar la TBS y la TBH. El termómetro húmedo difiere del

seco, en que su bulbo o depósito de mercurio está envuelto en un paño (tela) mojado con
agua. Cuando la corriente de aire húmedo sopla los bulbos de estos termómetros, el
termómetro seco indica la temperatura del aire húmedo.
El termómetro húmedo indica la temperatura a la que está el agua contenida en la tela
húmeda que envuelve el bulbo de este termómetro. Esto significa que cuando el aire sopla
sobre el termómetro húmedo, el agua se evapora, de la superficie de la tela mojada, si el
aire húmedo (corriente de aire), no está saturado. La evaporación del agua será tanto más
intenso cuanto más seco este el aire que indica sobre la tela (es decir, cuanto menor sea
la presión parcial del vapor en el aire).
Como en evaporar la humedad se gasta una cantidad de calor igual al calor de
vaporización del agua, que se extrae en primer lugar de la misma agua, la temperatura de
la tela húmeda descenderá si al termómetro húmedo no llegara calor del exterior, de las
capas de aire que lo rodean, la temperatura de la tela húmeda descendería hasta hacerse
igual a la temperatura de saturación del agua a una presión igual a la parcial dela vapor
de agua en el aire analizado, es decir, a la temperatura del punto de rocío, para la presión
dada del vapor de agua. En este caos el agua que hay en la tela deja de evaporarse a la
temperatura del punto de rocío y hallando para ella la presión de saturación del vapor de
agua (valiéndose de tablas o de diagrama Ps, Ts del agua), se determina la presión parcial
del vapor de agua en el aire húmedo y por lo tanto la humedad del aire.
 73

Sin embargo, en realidad, cuando desciende la temperatura del termómetro en tela

húmeda y debido a que al ocurrir esto aparece una diferencia entre la temperatura del agua
de la tela y la temperatura del aire que la rodea, se produce un flujo de calor, procedente
de las capas de aire próximas a la tela húmeda, en virtud de lo cual el equilibrio se
establece (constancia de la temperatura de dicha tela) no a la temperatura del punto de
rocío, sino a una temperatura algo más alta, que recibe el nombre de temperatura del
termómetro de bulbo húmedo.
La diferencia entre la temperatura del bulbo o termómetro seco 𝑇𝑠𝑒𝑐𝑜 y la temperatura del
bulbo o termómetro húmedo 𝑇𝐻ú𝑚𝑒𝑑𝑜 , es proporcional a la humedad del aire: Cuanto más
seco sea el aire, tanto mayor será la diferencia 𝑇𝑠𝑒𝑐𝑜 − 𝑇𝐻ú𝑚𝑒𝑑𝑜 . Si el aire está saturado
de vapor, 𝑇𝑠𝑒𝑐𝑜 = 𝑇𝐻ú𝑚𝑒𝑑𝑜 , ya que la presión parcial del vapor de agua en el aire será
igual a la presión de saturación del vapor de agua a esta temperatura 𝑇𝑠𝑒𝑐𝑜 .
La dependencia del contenido de vapor en aire HM, con respecto a las magnitudes 𝑇𝑠𝑒𝑐𝑜
y 𝑇𝐻ú𝑚𝑒𝑑𝑜 se establece por medio de experimentos, de acuerdo con cuyos resultados se
construye DIAGRAMA PSICROMETRICAS especiales (como el de la figura) o tablas.
Por las indicaciones de un Psicrómetro y valiéndose de estos diagramas o tablas es fácil
determinar el contenido de vapor del aire.

Humedad en masa (HM): Es la razón de la cantidad en masa de vapor de agua contenido

en el aire húmedo, agua a la cantidad en masa de aire seco, 𝐺𝑎𝑖𝑟𝑒 :

𝑮𝒂𝒈𝒖𝒂 𝒌𝒈.
𝑯𝑴 = ( )
𝑮𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒌𝒈. 𝒂𝒊𝒓𝒆 𝒔𝒆𝒄𝒐
Es decir, HM, es la masa de agua (en kg) correspondiente a 1 kg. De aire seco, o lo que
es lo mismo, a (1 + HM) kg de aire húmedo.
PSICROMETRO DE REVOLEO: Es otra forma de calcular la presión parcial de vapor,
CARRIER consideraba la acción del bulbo húmedo como de saturación adiabática.
Suponía que el aire al ponerse en contacto con (el bulbo húmedo) la mecha húmeda, se
saturaba sin intercambio de calor con el medio ambiente.
 74

Una vez establecida la condición de equilibrio, la energía cedida por el aire y su vapor al
pasar sobre el bulbo húmedo debía ser igual a la energía necesaria para vaporizar el agua
que satura el aire.
Ecuación de carrier, para determinar la presión parcial de vapor de agua en el aire a partir
de las lecturas del bulbo seco y bulbo húmedo.
(𝑷𝑩 − 𝑷′𝒗 ). (𝒕 − 𝒕′)
𝑷𝒗 = 𝑷′𝒗 −
𝟏𝟓𝟑𝟐 − 𝟏. 𝟑𝒕′
Donde:
• 𝑃𝑣 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑣𝑒𝑟𝑑𝑎𝑑𝑒𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟.
• 𝑃𝑣′ = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎 𝑙𝑎 𝑡 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑢𝑙𝑏𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜.
• 𝑃𝐵 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑏𝑎𝑟𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎.
• 𝑡 = 𝑇° 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑢𝑙𝑏𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 (°𝐶 ).
• 𝑡 ′ = 𝑇° 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑢𝑙𝑏𝑜 ℎú𝑚𝑒𝑑𝑜 (°𝐶 ).

OTROS MEDIDORES DE HUMEDAD:

◼ HYGRODO IK Y EL HIGROMETRO DE MAON: Estos instrumentos indican
lecturas verdaderas por corrientes de aire (aire a cierta velocidad). (Parecidos al
Psicrómetro).
◼ HIGROMETRO DE ABSORCIÓN: Se basa en el principio de algunas sustancias
sufren cambios físicos (longitud) según absorben o ceden humedad. Ejemplo: El
pelo humano y instrumento similar al Manómetro de Bourdon.
◼ HIGROMETRO QUÍMICO: Se basa en que algunas sustancias como el ácido
sulfúrico, el cloruro de calcio y el pentóxido fosfórico tienen gran afinidad con el
agua y la absorbe química o físicamente. El aire se hace pasar por un conducto,
donde están los tubos con estas sustancias (conociendo el volumen total del aire,
la Ptotal, Psat. del vapor y la T° del aire, se puede determinar el peso del aire seco
químicos las cuales se pesan antes y después del ensayo, siendo la diferencia de
pesos igual el peso del vapor de agua absorbido, podemos obtener la H.E.
Ejemplo de Psicrómetro de Revoleo.
MARCA: BACHARACH SLING PSYCHROMETER
➢ 2 termómetro de rango 30 a 110 °F aproximadamente.
➢ HR de 10 a 100% indicada, en el instrumento.
OPERACIÓN:
1. Sacar la tapa inferior y sumergir en el agua, para saturar la mecha.
2. Llenar el reservorio del psicrómetro con agua y colocar la tapa.
3. Sacar el cuerpo del Psicrómetro (elemento con el termómetro de bulbo seco y
húmedo) del bulbo hasta que quede libre totalmente y pueda girar libremente.
4. Agarre el tubo y haga girar el cuerpo psicrómetro entre 120 180 Rpm durante 1 ½
minutos para estabilizar la temperatura.
5. Leer inmediatamente la T° del bulbo seco y del bulbo húmedo.
 75

6. Introducir el cuerpo psicrómetro, haciendo coincidir la T° del bulbo seco (leída)

con la T° del bulbo húmedo (leída) que esta fija en el tubo y leer el % de HR, que
se indica por la fecha en la escala interior. Ejemplo:

Para una mejor precisión usar la carta Psicrómetro, con las T° halladas y determinar la
HR, comparado con la leída directamente en el instrumento.
 76

BOMBA CALORIMETRIA DE EMERSON

OBJETIVO:
Determinar el valor calorífico de combustible sólidos y líquidos factor importante en el
estudio de las Máquinas Térmicas.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
En primer lugar, daremos una idea acerca del concepto que involucra la palabra
combustible, así como de sus formas en que se presenta.
COMBUSTIBLE: Sustancia que si logra oxidarse con un comburente desarrolla un gran
calor.
Tipos de combustibles: Los hay de 3 tipos:
1. SÓLIDOS: Entre los canales tenemos: leña, carbones naturales o artificiales,
bagazos, etc.
El carbón es el combustible representativo dentro de los agrupados en esta
clasificación.
Los carbones podemos subdividirlos en:
a) Lignita.
b) Sub-Pitaminoso.
c) Semi-Bituminoso.
d) Semi-Antracita.
e) Antracita.
Subdivisión hecha en base a antigüedad de este tipo de combustible se hallan
cifradas en el carbón y, principalmente, la entradita cuya explotación a gran
escala está en vías de desarrollo.
2. LÍQUIDOS: Generalmente son derivados del petróleo, cuya refinación ha sido
hecha en diferentes grados; algunos se encuentran más concentrados que otros,
o pueden ser craqueados ó sea, descompuestas en moléculas más simples, o
pueden ser polimerizadas o son moléculas simples asociadas con las más
pesados.
Considerando que el petróleo está compuesto de tantos hidrocarburos no hay
ensayo que permita decir su comportamiento exacto; pero hay ensayos
compartidos normalmente, tales como de la ASTM.
3. GASEOSOS: Combustibles que se encuentran en estado natural o artificial en
forma de gas, algunos provienen de la extracción natural, tal como el gas natural,
cuyo proceso de refinamiento da una serie de diferentes tipos; en cuanto al más
usado especialmente el de tipo doméstico es el propano.
VALOR CALORÍFICO O PODER CALORÍFICO
Realizada una reacción química de tipo exotérmica, lógicamente desprende calor, esta
cantidad de calor medida en condiciones estándar se le conoce como valor calorífico.
 77

Existen 2 tipos de valor calorífico: el “valor calorífico alto” y el “valor calorífico bajo”;
cuya diferencia está en la consideración del agua en formación como producto de la
combustión; es decir tomándola como condensado o como vapor y cuya relación es:

𝑸𝒂𝒍𝒕𝒐 − 𝑸𝒃𝒂𝒋𝒐 = 𝑪𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒍𝒂𝒕𝒆𝒏𝒕𝒆 𝒅𝒆𝒍 𝒗𝒂𝒍𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂

En cálculos de ingeniería se trabaja con el valor calorífico alto cuyo promedio de los
principales combustibles mencionados son:
◼ Carbón: 700 kcal/kg
◼ Petróleo: 10500 kcal/kg
◼ Gas: 252 kcal/pie3
BOMBA CALORIMETRICA DE EMERSON
Basa su funcionamiento en los principios de transferencia de calor para lo cual se lleva
una cantidad determinada de combustible hasta su temperatura de ignición; el calor
desarrollado por la combustión es transmitido a un elemento fluido (agua en nuestro
caso); lo cual nos permite medir calor liberado por el combustible.
El poder calorífico obtenido es a volumen constante puesto que no hay flujo másico; cabe
mencionar que este difiere muy poco del poder calorífico a presión constante (1%); por
tanto, para cálculos de ingeniería pueden tomarse indistintamente estos poderes
caloríficos mencionados.
Esta bomba presenta una camiseta de agua según se aprecia en a la figura mostrada más
adelante agregarse calor desde un medio externo hacia esta camiseta obteniéndose
entonces condiciones de temperatura uniforme con el adecuado control de esta
transferencia de calor; como segunda alternativa podríamos dejar esta camiseta vacía y
obtener condiciones con similitud adiabática.
Considerando la bomba como un sistema cerrado a volumen constante tenemos:

Donde el análisis es considerado a condiciones estándar, o sea 77°F (25°C) y 14.7 psi (1
atm) y el medio interior está saturado de agua; por tanto, el vapor de agua formado es
únicamente producto de la combustión; el cual al ser enfriado junto con los productos
hasta las condiciones estándar cede su calor obteniéndose de este modo el valor del poder
calorífico alto o superior.

Donde:
 78

• U: Representa energía interna.

• Ec: Representa energía química.

Y los subíndices “r”, “p” y “t” se refieren a reactivos; productos y total respectivamente;
así mismo, condiciones estándar.

Entonces la energía que sala del sistema según los estados (1) y (2) del esquema anterior:

1° Ley Termodinámica: 𝑸 = 𝑬𝒕 + 𝑾

𝐸𝑡°1 − 𝐸𝑡°2 = 𝑞𝑣° = 𝑄 … (I)

Ya que no hay trabajo puesto que es un sistema cerrado.

𝑞𝑣° = (𝑈𝑟° + 𝐸𝐶 ) − 𝑈𝑃° … (II)

Finalmente:

𝐸𝐶 = (𝑈𝑃° − 𝑈𝑟° ) + 𝑞𝑣° … (III)

Donde:

• EC: kcal/kg de combustible en un proceso a T = cte.

Por otra parte:

Considerando dos estados cualesquiera (1) y (2) en combustión adiabática.

De la ecuación (I):
𝐸𝑡°1 − 𝐸𝑡°2 = 𝑄
(𝑈𝑟°1 + 𝐸𝐶 ) − 𝑈𝑃° 2 = 𝑄 = 0
Pero:
𝐸𝐶 = (𝑈𝑃° − 𝑈𝑟° ) + 𝑞𝑣° … (III)
Por tanto:
(𝑈𝑃2 − 𝑈𝑃° ) = (𝑈𝑟1 − 𝑈𝑟° ) + 𝑞𝑣°

𝒒°𝒗 = (𝑼𝑷𝟐 − 𝑼°𝑷 ) − (𝑼𝒓𝟏 − 𝑼°𝒓 ) → 𝑬𝒏 𝒑𝒓𝒐𝒄𝒆𝒔𝒐 𝒅𝒆 𝒄𝒐𝒎𝒃𝒔𝒖𝒕𝒊ó𝒏 𝒂𝒅𝒊𝒂𝒃á𝒕𝒊𝒄𝒂.

Si el H2O se condensa obtenemos el poder calorífico bajo a volumen constante; en cambio
si es condensada después de lo combustión obtenemos el poder calorífico alto.
 79

Tal como se indicó líneas atrás, este poder calorífico es obtenido a volumen constante y
su diferencia con el poder calorífico a presión constante encontrado usualmente en tablas
radica en:
𝑞𝑣° = (𝑈𝑟° − 𝑈𝑝° ) + 𝐸𝐶 … de (II)
Se sabe que:
𝐻 = 𝑈 + 𝑃. 𝑉 y 𝑃. 𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
Entonces:
𝑞𝑃° = (𝐻𝑟° − 𝐻𝑝° ) + 𝐸𝐶 … (IV)
La ecuación (II) en (IV):
𝑞𝑃° = (𝐻𝑟° − 𝐻𝑝° ) + (𝑞𝑣° − 𝑈𝑟° + 𝑈𝑝° )
(𝑞𝑃° − 𝑞𝑣° ) = (𝑈𝑟° + 𝑛𝑟 𝑅𝑇) − (𝑈𝑃° + 𝑛𝑃 𝑅𝑇) − 𝑈𝑟° + 𝑈𝑝°
Por lo tanto:
(𝒒°𝑷 − 𝒒°𝒗 ) = (𝑼°𝒓 + 𝒏𝒓 − 𝒏𝑷 ) 𝒌𝒄𝒂𝒍/𝒌𝒈 𝒄𝒐𝒎𝒃𝒖𝒔𝒕𝒊𝒃𝒍𝒆
Donde:
• 𝑛𝑟 : 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑜𝑠𝑜𝑠 (𝑂2 )
• 𝑛𝑝 : 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟(𝐶𝑂2 )
NOTA: Ambos obtenidos del balance de la ecuación de combustión.
Se ha hallado que el valor promedio de: 𝑅𝑇(𝑛𝑟 − 𝑛𝑝 ) es de 1% por tanto en cálculos de
ingeniería es aceptable.
Tal como se ha visto anteriormente la única energía que cruza el sistema es 𝑞𝑣° que es el
calor que aprovecha el agua contenida en el interior de la bomba, por tanto, conociendo
esta masa de agua, masa y calor específico del enfriamiento transitorio es factible hallar
la energía calorífica disipada durante el proceso de combustión.
𝑄𝑐 = 𝑚𝑐 𝑥𝑃𝑐 (𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑐𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒)
𝑄𝐵 = 𝑚𝐵 𝑥𝐶𝑝𝐵 𝑥𝑇𝐵 (𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎)
𝑄𝐻2 𝑂 = 𝑚𝐻2 𝑂 𝑥𝐶𝑝𝐻2 𝑂 𝑥𝑇𝐻2𝑂 (𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑔𝑎𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎)
𝑄𝐶 = 𝑄𝐵 + 𝑄𝐻2 𝑂
𝑄𝐶 = 𝑚𝐵 𝑥𝐶𝑝𝐵 𝑥𝑇 + 𝑚𝐻2 𝑂 𝑥𝐶𝑝𝐻2 𝑂 𝑥𝑇
Donde: 𝑇𝐵 = 𝑇𝐻2 𝑂 = 𝑇

Finalmente:

𝑻𝒙(𝒎𝑩 𝒙𝑪𝒑𝑩 + 𝒎𝑯𝟐 𝑶𝒙𝑪𝒑𝑯𝟐 𝑶)

𝑷𝑪 =
𝒎𝑪

Donde:
Se conoce como capacidad térmica de
• (𝑚𝐵 𝑥𝐶𝑝𝐵 + 𝑚𝐻2 𝑂 𝑥𝐶𝑝𝐻2 𝑂 ) → absorción de la bomba y es dato proporcionado
por el fabricante (K).
 80

Este poder calorífico es necesario corregirlo por el calor liberado por el fusible (aprox.
1600 cal/gr.); por formación de ácido nítrico (230 cal/gr de ácido nítrico) en trabajos de
menor precisión tomar 10 cal; por formación de ácido sulfúrico (1300 cal/gr de azufre
presente en la muestra).

PROCEDIMIENTO:

- Una cantidad de combustible (1 cm3) se coloca en el crisol junto con un alambre

que sirve de elemento incandescente; se satura el espacio con unas cuantas gotas
para la condensación completa del vapor y se arma.
- Suministrar O2; sumergida en agua e instalar termómetro.
- El combustible se enciende al hacer circulas corriente eléctrica por el alambre y
por estar la bomba llena de oxigeno (300 psi).
- El calor desprendido del sistema a V = cte es enfriado a su temperatura original y
usando factores correctivos para condiciones estándar (25°C) es posible obtener
el valor calorífico:
𝑻𝒙𝑲 𝒄𝒂𝒍
𝑷𝑪 = ( )
𝑽𝒄 𝒙𝝆𝑪 𝒈𝒓

Donde:
cal Capacidad térmica de absorción de la bomba
• K = 2440 °C →
(dato proporcionado por el fabricante).
• VC = Volumen del combustible (cm3 )
gr
• ρC = Densidad del combustible (cm3 )

Así mismo:

𝑻 = (𝑻𝒎á𝒙 − 𝑻𝒆 + 𝑷𝟐 − 𝑷𝟏 ) °𝑪

Donde:

• Tmáx: Temperatura máxima alcanzada.

• Te : Temperatura en el instante de encendido.
 81

𝑹𝟏 𝑹𝟐
𝑷𝟏 = 𝒙𝒕 𝑷𝟐 = 𝒙𝒕
𝟐 𝟏 𝟐 𝟐
Donde:

• P1 y P2 : Factores correctores.
• R1: Régimen de aumento de la temperatura por minuto antes de encendido, para
lo cual registrar temperatura del agua cada minuto durante 5 min. antes del
encendido, cada 30 segundo a partir del momento de encendido hasta alcanzar
la temperatura máxima y se continúa midiendo cada minuto durante 5 min.
• R2: Régimen de disminución de temperatura después del máximo.
• t1: Tiempo transcurrido desde el momento de encendido hasta alcanzar
temperatura ambiente.
• t2: Tiempo transcurrido desde temperatura máxima a temperatura ambiente.

RECOMENDACIONES GENERALES:

- Recipiente interior debe tener 1900 gr. de H2O y a temperatura menor de 3°F que
la temperatura externa.
- Bobina ó elemento incandescente debe tocar el combustible para el crisol.
- Accionar el agitador (3 – 4 min.) a fin de uniformizar condición.
- El termómetro debe estar sumergido 75 mm. de agua.

CUESTIONARIO

1) ¿Qué es valor calorífico alto?

2) ¿Qué es valor calorífico bajo?
3) ¿Cuál de los dos se obtiene con la bomba calorimétrica de EMERSON y porqué?
4) ¿Qué factores deben ser considerados en cuanto a transmisión de calor a fin de
acercarnos hacia la exactitud de la determinación del valor calorífico?
5) ¿Qué tipo de proceso de lleva a cabo en la bomba calorimétrica?
6) En caso de una muestra de combustible sólido, ¿Qué equipo se emplearía y cual
seria los pasos a seguir?
 82

ESTUDIO DEL VAPOR: CALDERO MARCET

OBJETIVO:
La presente experiencia nos permite obtener el calor latente de vaporización del vapor de
agua.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
La experiencia en mención se basa en la determinación del calor latente de vaporización
mediante la ecuación de CLAPEYRON.
La deducción de la ecuación mencionada se basa en una de las relaciones de MAXWELL:

𝑑𝑝 𝑑𝑆
( ) = ( ) … … (1)
𝑑𝑇 𝑣 𝑑𝑣 𝑇

Entonces, considerando la ecuación anterior en condiciones de equilibrio para las

condiciones de vaporización, tenemos que: T = °C, y las condiciones P y T no son
funciones del volumen y los limites de integración están definidos desde líquidos saturado
hasta vapor saturado, entonces:

𝑑𝑝 𝑇. (𝑆2 − 𝑆1 )
=
𝑑𝑇 𝑇. (𝑣2 − 𝑣1 )

𝑑𝑝 𝑇. 𝑆𝑓𝑔 ℎ𝑓𝑔
= = … … (2)
𝑑𝑇 𝑇. 𝑣𝑓𝑔 𝑇. 𝑣𝑓𝑔

Donde:

• 𝑑𝑝⁄𝑑𝑇: Es la temperatura de la curva que separa la fase líquida y vapor del

diagrama P y T.
Se puede aplicar este mismo principio en la fase sólido – líquido.

Además:
𝑑𝑈 = 𝑑𝑄 − 𝑑𝑊
𝑑𝑈 = 𝑇𝑑𝑆 − 𝑑𝑊
𝑑𝑈 + 𝑉. 𝑑𝑃 = 𝑇𝑑𝑆 − 𝑑𝑊 + 𝑉. ∆𝑃
 83

𝑑ℎ = 𝑇𝑑𝑆 + 𝑉. 𝑑𝑃
𝑑ℎ − 𝑆. 𝑑𝑇 = 𝑇. 𝑑𝑆 + 𝑉. 𝑑𝑃 − 𝑆. 𝑑𝑇
𝑑(ℎ − 𝑇𝑆) = 𝑉. 𝑑𝑃 − 𝑆. 𝑑𝑇
Así mismo, durante el cambio de estado del agua en vapor se lleva a cabo un proceso de
P y T constante; entonces:
𝑑ℎ − 𝑆. 𝑑𝑇 = 0
Donde:
(ℎ − 𝑇𝑆) se conoce como función de GIBBS (G) y para dos fases en equilibrio G=0.
Entonces:
𝑑𝐺 = 𝑑ℎ − 𝑇𝑑𝑆 − 𝑆𝑑𝑇
𝑑𝐺 = 𝑉. 𝑑𝑃 − 𝑆𝑑𝑇
Haciendo la consideración que durante la vaporización y a bajas presiones el vapor se
comporta como gas ideal y que 𝑣𝑓 es despreciable comparado con 𝑣𝑔 tenemos:
𝑅𝑇
𝑣𝑓𝑔 = 𝑉. … … (3)
𝑃
La ecuación (3) en la ecuación (2):
𝒅𝑷 𝑹. 𝑻𝟐
𝒉𝒇𝒈 = . → 𝑬𝑪𝑼𝑨𝑪𝑰Ó𝑵 𝑫𝑬 𝑪𝑳𝑨𝑷𝑬𝒀𝑹𝑶𝑵
𝒅𝑻 𝑷
Donde:
• P: Presión de saturación (psi).
• T: Temperatura de saturación (°R).
• R = 0.1102 BTU/lbm.°R. Constante del vapor.
Es necesario acotar que esta ecuación nos proporciona valores más o menos exactos del
calor latente de vaporización a bajas presiones y permite verificar su compatibilidad del
ℎ𝑓𝑔 con los datos experimentales.
PROCEDIMIENTO:

- Abrir la tapa de llenado y válvula de nivel de agua.

- Llenar íntegramente con agua destilada, tapar y cerrar válvula.
- Encender el mechero y calentar el caldero hasta 8 kg/cm 2, previa purga de aire a
2 kg/cm2.
- Medir en intervalos iguales de presión lecturas ascendentes de temperatura.
- Medir en intervalos iguales lecturas de constantes de temperaturas.
 84

∆𝑷𝒊 𝑹𝑻𝟐
𝒉𝒇𝒈 = .
∆𝑻𝒊 𝑷𝒊

RECOMENDACIONES GENERALES:

- Llenar el caldero íntegramente hasta que comience a gotear por la válvula de nivel.
- Tener cuidado en la toma de medidas de P y T.

CUESTIONARIO

1) ¿Por qué se evacua el aire del Caldero Marcet?

2) Difiere el ℎ𝑓𝑔 calculado, del valor de las tablas, ¿Por qué?
3) ¿Por qué se toma como base de cálculos la curva promedio del gráfico P y T?

CALORIMETRO UNIVERSAL

OBJETIVO:
Hallar la calidad de una determinada muestra de vapor.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
Este tipo de calorímetro basa su funcionamiento en la separación del agua del vapor
mediante cambios de dirección del flujo de una determinada muestra de vapor húmedo,
considerando que el agua tiene inercia mayor.
El vapor seco se estrangula al pasar por un espacio anular, es sobrecalentado para
finalmente ser condensado y recogido.
En un diagrama T – S obtenemos los siguientes procesos:
 85

𝒉𝟑 = 𝒉𝒈𝟑 + (𝟎. 𝟒𝟖)∆𝑻

Considerando:
• mt = Masa total de vapor húmedo.
• ms = Masa de líquido separado.
• mc = Masa de condensado.
• mv = Masa de vapor seco.
• X1 = Calidad de la muestra.
• X2 = Calidad a la salida del separador.
Asimismo:
ℎ2 = ℎ𝑓2 + 𝑋2 . ℎ𝑓𝑔2
Sabemos: ℎ3 = ℎ2

Por lo tanto:
ℎ3 − ℎ𝑓2
𝑋2 = … … (1)
ℎ𝑓𝑔2
Teniendo en cuenta que:
 86

Entonces teniendo como guía la distribución de la figura anterior:

𝑚𝑣
𝑋2 = … … (2)
𝑚𝑐

Reemplazamos la ecuación (2) en (1):

ℎ3 − ℎ𝑓2
𝑚𝑣 = ( ) . 𝑚𝑐 … … (3)
ℎ𝑓𝑔2

Finalmente, la ecuación (3) en la ecuación (4):

𝑚𝑐 ℎ3 − ℎ𝑓2
𝑋1 = ( ).( )
𝑚𝑠 + 𝑚𝑐 ℎ𝑓𝑔2

PROCEDIMIENTO:

1. Hacer pasar vapor a través del calorímetro.

2. Tomar mediciones de temperatura en los puntos (1), (2) y (3).
3. De las tablas de vapor se obtienen: ℎ3 , ℎ𝑓2 y ℎ𝑓𝑔2 .
4. Medir la masa separada y la masa condensada.

RECOMENDACIONES GENERALES:

La separación incompleta del vapor de agua y vapor, así como errores de medición traen
consigo erróneos valores de la calidad.

CUESTIOANRIO

1. En que consiste un proceso de estrangulamiento.

2. La masa separada es la humedad contenida en el vapor, ¿Por qué?
 87

ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DEL AGUA

OBJETIVO:
Determinar en el agua que se va a utilizar en determinado proceso (sistema de
alimentación a calderos, sistema de refrigeración, agua para consumo humano), los
valores de PH y Dureza, para saber si está dentro del rango adecuado de utilización y de
esta manera evitar cualquier deterioro de algunos elementos del equipo de los sistemas
mencionado anteriormente
FUNDAMENTO TEÓRICO:
DUREZA DEL AGUA: Se denomina agua dura, al agua que presenta sales de magnesio
y de calcio principalmente, que son inevitables a simple vista. Todas las aguas presentes
en la naturaleza tienen un determinado PH y prácticamente todas presentan una
determinada dureza.
El agua presenta problemas, especialmente en el agua para alimentación del caldero, que
se puede resumir en:

1. Incrustaciones en las tuberías, la que actuando como superficie de intercambio de

calor. Entre el agua y el elemento caliente, trae como consecuencia una
disminución en el intercambio de calor y un aumento de temperatura en las
paredes metálicas. Cuando se esta trabajando a una temperatura cercana a los
500°C se corre el peligro de recalentamiento de la superficie de intercambio de
calor, debido a las incrustaciones y de una exposición de la caldera.
2. Disminución de la sección transversal de la tubería de paso de agua por la
acumulación de incrustaciones, aumentando el coeficiente de fricción y
circulación defectuosa con el consiguiente aumento de potencia para hacer
circular el agua.
La dureza del agua generalmente se refiere al contenido de Carbonato de Calcio (CaCO 3)
a las sales de magnesio y otros componentes de calcio, de los cuales se hace su
equivalencia respectiva para indicarlos como Dureza Total en términos de Carbonato de
Calcio.
El termino Dureza Temporal, llamada también dureza por “Carbonatos” es una dureza
aparente, que se determina inicialmente cuando se está determinando la dureza total con
la solución estándar de jabón.
La dureza del agua puede expresarse en:

1. Miligramos por litros (mg/l).

2. Parte por millón (ppm).
3. Granos por galón (U.S.A.)
En algunos países indican la dureza del agua en términos de cal viva (CaO), expresándola
como grados alemanes (dH°).
DUREZA Granos por galón Partes por millón Grados alemanes
(U.S.A) (ppm) (dH°)
1 galón por galón (U.S.A) 1 17.1 0.958
1 partes por millón 0.058 1 0.056
1 grado alemanes 1.04 17.9 1
 88

NOTA:

• 1 miligramos por litro (ml/l) = 1ppm.

• 1 grano = 0.0648 gramos.

SÓLIDOS TOTALES EN EL AGUA: Los sólidos totales es la suma de los sólidos en

suspensión y los sólidos disueltos. Los sólidos en suspensión (no están en solución
química), pueden ser eliminados por filtración o sedimentación. Los sólidos disueltos
(están en solución química) pueden ser determinados a través de la evaporización.

ALCALINIDAD: Se dice que un agua es alcalina cuando predominan los iones OH sobre
los iones H.

MÉTODO PARA DETERMINAR LOS SÓLIDOS TOTALES

A continuación, se indica uno de los métodos más simples y económicos para determinar
los sólidos totales.
En un recipiente forma de palto con una capacidad entre 125 a 150 cm3 de la muestra del
agua. Proceda a evaporar lentamente, hasta que el agua desaparezca. Colocar el recipiente
con el residuo en un sistema de enfriamiento y una vez enfriado pesar el recipiente con el
residuo.
El incremento en peso, expresado en miligramos y multiplicado por 10 es igual al total
de sólidos expresado en ppm.
Los sólidos en suspensión (ppm), pueden ser determinados por la diferencia entre el total
de sólidos de una muestra de agua evaporada y el total de sólidos de una muestra de agua
evaporada filtrada previamente al ensayo.
Los sólidos disueltos totales (SDT), en ppm, se determinan tomando una muestra de agua
filtrada.
OTROS MÉTODOS PARA DETERMINAR LOS SDT
El total de sólidos disueltos, se puede determinar por medio de HIDROMETROS, con
escalas especiales en ppm, algunos hidrómetros se calibran para flotar y marcar
correctamente la densidad o gravedad específica, según la temperatura que registra un
termómetro especial, instalado dentro de ellos.
Los SDT se pueden determinar a través de un medidor de conductividad del agua, porque
existe una relación entre la conductividad del agua y la concentración salina de solidos
disueltos. La ppm de las SDT, son aproximadamente equivalente a 75% de la lectura en
microhmios del instrumento medidor de conductividad del agua.

MÉTODOS PARA DETERMINAR LA DUREZA TOTAL DEL AGUA

Existen varios métodos, siendo los más usados los siguientes:

MÉTODO DE SOLUCIÓN ESTANDAR DE JABÓN
Con el objeto de obtener resultados que puedan reproducirse, las trazas de agua deberán
llevarse al mismo valor de PH, aproximadamente 8.3.
 89

La temperatura de la muestra de agua deberá estar entre 15 y 38°C. las muestras que
contienen cantidades apreciables de materia en suspensión deberán sedimentar y filtrar
basta que quede clara, es decir, la muestra debe ser agua filtrada.
Para ajustar el PH, tomar 50 ml de la muestra que se va a probar en un frasco de vidrio
transparente, dotado de un tapón, agregar 3 gotas del indicador de fenolftaleína y ajústese
el valor de PH hasta el punto de viraje del indicador, agregando gotas de solución de
hidróxido de sodio 0.1 N, o solución de acido sulfúrico 0.1 N, según se requiere. Por
ejemplo, si la muestra presenta un color rosa (por la fenolftaleína agregada), agréguense
gotas de ácidos sulfúrico (0.1 N) para remover el color, hasta un ligero tinte rosa en la
muestra. Si se agrega un exceso de acido y desaparece el color rosa agréguense gotas de
la solución de hidróxido de sodio (0.1 N), hasta que empiece aparecer un tono de color
rosa, que indica un PH aproximado de 8.3 (sólo para este caso).
A la muestra de agua (50 ml) con el valor de PH ajustado, agréguense la SOLUCIÓN
ESTANDAR DE JABÓN, por medio de una bureta, en 0.2 ml cada vez, cerrar el
recipiente y agitar vigorosamente. Cuando empiece a formarse una espuma permanente,
redúzcanse los incrementos de solución de jabón a 0.1 ml, hasta que, con una agitación
posterior la capa de espuma persista sobre la superficie durante un periodo de 5minutos.
En este momento, el recipiente deberá dejarse en reposo en posición horizontal, para que
la espuma tenga más área y deberá anotarse los milímetros de la solución estándar de
jabón usados.
Cuando se llega a este punto, deberá hacerse la prueba para el punto final falso, agregando
0.2 ml de solución de jabón y agítese. Si la espuma desaparece, la valoración Debra
continuar hasta el punto final, que nos indicará la dureza Total del agua en términos de
CaCO3. El punto final falso, nos indica la presencia de sales de magnesio (dureza
temporal en términos de CaCO3).
NOTA: Si se sabe que la muestra contiene solamente pequeñas cantidades de dureza (caso
de agua ablandada), las adiciones de jabón deberán hacerse en incrementos de 0.05 ml
cada vez. Si la muestra requiere más de 8 ml de solución de jabón, es preferible tomar
una muestra de 25 ml y diluirla con agua destilada (25 ml). En este caso debe duplicarse
lo milímetros de solución de jabón usado.

RESULTADO:
𝑫 = (𝑱 − 𝑱𝒆). 𝑭
Donde:
• D: Dureza Total, en ppm como CaCO3.
• J: ml de solución de jabón empleado.
• Je: ml del factor de espuma
• F: Factor de Dureza.
FACTOR DE ESPUMA: El factor de espuma de la solución de jabón, se determina
añadiendo 0.05 ml de la solución estándar de jabón, cada vez, a una muestra de 50 ml. de
agua destilada, hasta que se forme una espuma estable que persista por más de 5 minutos,
después de agitar, el numero de milímetros de jabón empleado nos indica el Je. Como la
solución de jabón puede cambiar, el factor de espuma deberá comprobarse cada mes. El
factor de espuma, se encuentra en el orden de los 0.2 ml.
FACTOR DE DUREZA: Se debe determinar cada mes, debido a cualquier cambio en la
solución jabón por la evaporización de alcohol etílico. Para hacer esta prueba agréguense
 90

5 ml del patrón de agua estándar (dureza de 1000 ppm de CaCO3), 0 45 ml de agua

destilada. Ajústese la mezcla al punto final de la fenolftaleína y valórese con la solución
estándar de jabón, hasta que se produzca una espuma estable durante 5 minutos. El factor
de dureza se calcula así:
𝑭𝒙𝟐𝟎
𝑭=
(𝒎𝒍 𝒅𝒆 𝒋𝒂𝒃ó𝒏 − 𝒎𝒍 𝒅𝒆 𝒇𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒆𝒔𝒑𝒖𝒎𝒂)
El valor de F se encuentra en el orden de 20.
MÉTODO DE LA SOLUCIÓN JABONOSA BB
La determinación de la dureza se hace con 40 ml de agua filtrada, que se coloca en un
recipiente de vidrio, agregándose gota a gota o de 0.2 ml en 0.2 ml de la solución BB
hasta obtener una espuma compacta y uniforme, que persista por más de 3 minutos.
La solución BB levantará una espuma en 40 ml de agua destilada, siendo las tres gotas
(ml) el factor de espuma de la solución BB.
RESULTADO:
Por cada 1 ml de la solución BB empleada, obtiene 91.3 ml/l de dureza.
MÉTODO EDTA (ÁCIDO ETILENODIAMINO TETRA ACETICO): Es el método más
usado en la actualidad. Emplea unas tabletas indicadoras y el reactivo EDTA.
Tomar 5 ml de agua filtrada, colocarla en un recipiente de vidrio, luego agregarle una
tableta indicadora, agitar hasta disolver la tableta (si el agua está dura, tomará un color
rojo), luego agregar gota a gota la solución EDTA y agitar mezclado uniformemente hasta
cambiar de color la muestra (cambia a color verde), siendo este el punto final, porque el
EDTA ha neutralizado toda la dureza de la muestra.
RESULTADO:
Cada gota de EDTA agregada equivale a 17.9 mg/litro.

MÉTODO PARA DETERMINAR LA ALCALINIDAD DEL AGUA

Se necesitan los siguientes reactivos:

◼ INDICADOR DE FENOLFTALEINA: Disuélvanse 5 gr. De fenolftaleína en

alcohol etílico en agua destilada. Neutralícese con una solución diluida d soda
cáustica (hidróxido de sodio) NaOH, hasta obtener un color rosa pálido.
◼ INDICADOR DE ANARANJADO DE METILO: Disuélvase 1 gramo de
anaranjado de metilo en un litro de agua destilada.
◼ SOLUCIÓN ESTANDAR DE ÁCIDO SULFURICO: A una normalidad N/50.

PROCEDIMIENTO:

◼ ALCALINIDAD P: Tomar 2 muestras de agua filtrada, cada una de 50 ml, en un

recipiente, añádanse dos gotas del indicador neutro de fenolftaleína. Si se produce
un color rosa, valórese una de las muestras con la solución de ácido sulfúrico N/50
utilizando una bureta con graduaciones de 0.1 ml. La solución de ácido se deberá
agregar lentamente agitando la muestra hasta que desaparezca el color rosa. Cerca
punto final agréguense solo una o dos gotas de ácidos cada vez. Otra muestra se
tiene a la mano con la finalidad de comparar el color.
 91

Cálculo de Alcalinidad P (ppm):

𝒎𝒍 á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝒂𝒈𝒓𝒆𝒈𝒂𝒅𝒐 𝒙 𝟏𝟎𝟎

𝑨𝒍𝒄𝒂𝒍𝒊𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅 𝑷, 𝒄𝒐𝒎𝒐 𝑪𝒂𝑪𝑶𝟑 (𝒑𝒑𝒎) =
𝒎𝒍 𝒅𝒆 𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂

◼ ALCALINIDAD M (TOTAL): A la misma muestra usada para la determinación

de la alcalinidad agréguense 3 gotas del indicador de anaranjado de metilo, con
cual la muestra obtendrá un color amarillo anaranjado.
Sin rellenar la bureta, continuase la valoración lentamente, solución de ácido
sulfúrico N/50, hasta que se observe un tinte definido en el color amarillo de la
muestra, en este momento leerá nuevamente la bureta para conocer la cantidad de
solución estándar del ácido que se ha necesitado en total (para el cálculo M), para
las dos etapas consecutivas de la titulación.
Para este caso, un color rosa intenso indica que se sobrepasan el punto final.

Cálculo de Alcalinidad M (ppm):

𝒎𝒍 á𝒄𝒊𝒅𝒐 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒂𝒈𝒓𝒆𝒈𝒂𝒅𝒐 𝒙 𝟏𝟎𝟎

𝑨𝒍𝒄𝒂𝒍𝒊𝒏𝒊𝒅𝒂𝒅 𝑴, 𝒄𝒐𝒎𝒐 𝑪𝒂𝑪𝑶𝟑 (𝒑𝒑𝒎) =
𝒎𝒍 𝒅𝒆 𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂

NOTA: Si la muestra es alcalina a la fenolftaleína, esta se tronará rosa cuando se

agrega el indicador. Esto indica la presencia de hidróxido alcalinos y carbonatos.
Si la muestra es alcalina solamente al anaranjado de metilo, eso es, si no se
desarrolla un color rosa cuando se agrega fenolftaleína, pero la muestra cambia al
amarillo por la adición del anaranjado de metilo, solamente se encuentran
presentes los bicarbonatos, que son menos alcalinos.
La prueba a la fenolftaleína representa la alcalinidad parcial y la prueba al
anaranjado de metilo representa la alcalinidad total. A base de los fenómenos
indicándose, se ha formado la Tabla: RELACIÓN ENTRE ALCALINIDADES.

RELACIÓN ENTRE ALCALINIDADES

Cuando el análisis de
agua indica: Se puede suponer en ppm.
En ppm
Alcalinida Total Dureza Dureza
Alcalinidad Dureza Carbonatos
d libre Bicarbonatos Temporal Permanente
P=0 D=0 0 0 M 0 0
P=0 D=M 0 0 M D 0
P=0 D=M 0 0 M D 0
P=0 D=M 0 0 M M D-M
P = M/2 D=0 0 2P M-2P 0 0
P = M/2 D = M–2P 0 2P M-2P D 0
P = M/2 D = M–2P 0 2P M-2P D 0
P = M/2 --- 0 2P 0 0 0
P = M/2 --- 2P-M 2(M-P) 0 0 0
P=M --- M 0 0 0 D
 92

TRATAMIENTO DE AGUA (RESUMEN)

Límite de tolerancia
en el agua de Clase de
Impurezas Efecto
alimentación a tratamientos
Calderos
ppm como CaCO3 20 Tratamiento
Sales de Ca, Mg Incrustación (baja presión) a 2 extremo y
para alta presión. tratamiento interno
Fe Incrustación Trazas Cambio de base
Desoxidación
química.
O2 Corrosión 0.03 cm3 por litro
Desareacción
térmica
Desaireación
CO2 Corrosión 3 ppm
térmica
Arrastre en el 40 (baja presión) a S
SiO2 agua, (para alta presión) Desionización
incrustaciones ppm
Sppm como CaCO3 a
Neutralizador de
Alcalinidad de Na Fragilización alta presión. Variable
ácido
a baja presión 4
Coagulación.
Aceite Espuma 1 a 5 ppm Filtración.
Soplado superficial.
Coagulación
Turbidez Lodo sedimentos 1 a 5 ppm Sedimentación
Filtración
Ver tabla de
------ Arrastre en el agua concentración Dilución
máximas.

CONCENTRACIONES MÁXIMAS DEL AGUA PARA CALDERAS

RECOMENDADAS POR LA ASOCIACIÓN AMERICANA DE FABRICANTE
DE CALDERAS
SÓLIDOS DISUELTOS TOTALES
Presión del vapor de la caldera Concentración del agua de la
(kg/cm2) caldera SDT (no más de ppm)
0 – 21.09 3500
21.16 – 31.64 3000
31.71 – 42.18 2500
42.25 – 52.73 2000
52.80 – 63.28 1500
63.35 – 70.31 1250
 93

70.38 – 105.46 1000

La alcalinidad no debe exceder del 20% de la concentración total.

1. Promedios de la práctica. Los datos cuantitativos son siempre discutibles.

2. Para tener un exceso se necesitan 30 ppm de sulfito de sodio en el agua de la
caldera.
3. Sólidos Totales disueltos en la Caldera.
4. Especificación ABMA. No debería excedérselos SDT del 20%.
5. Tratamiento interno, es la adición de reactivos químicos al agua que está dentro
de la Caldera. Debe hacerse en forma periódica. Sustancias empleadas en
tratamiento interno:
◼ Carbonato de sodio, para precipitar el calcio.
◼ Aluminio de sodio, para coagular los precipitados muy divididos en
flóculos, también para precipitar el calcio y el magnesio.
◼ Hidróxido de sodio, para producir un PH alcalino y precipitar el magnesio.
◼ Fosfatos de sodio, para precipitar el calcio de manera que se pueda extraer
al descargar el agua. La reacción del fosfato trisódico es:
3𝐶𝑎𝐶𝑂3 + 2𝑁𝑎3 𝑃𝑂4 → 𝐶𝑎(𝑃𝑂4 )2 + 3𝑁𝑎2 𝐶𝑂3
◼ Caloides, Caloides protectores como el Tanino y formas orgánicas
reactivas para formar un fluido de partículas en suspensión.
◼ Ácido, para controlar la alcalinidad. Se emplea comúnmente el ácido
sulfúrico. Ejemplo de reacción con ácido

𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 + 𝐻3 𝑆𝑂4 → 𝑁𝑎𝑆𝑂4 + 𝐻2 𝐶𝑂3

◼ Sulfito de sodio, para completar la desoxidación.

Tratamiento externo, se usa en el agua de alimentación:
◼ Depuración con cal y sosa.
◼ Corrección con fosfatos.
◼ Evaporación – destiladores.
◼ Corrección con
◼ Desmineralización.

6. Dilución, consiste en descargar una parte del agua con concentración de sólidos
disueltos, concentrada en la caldera y reponer dicha cantidad de agua descargada
con un agua con menor cantidad de sólidos disueltos, para que se mezclen y
obtener un agua en la caldera con la mínima concentración de sólidos disueltos
recomendada con la finalidad de obtener la concentración original recomendada.
Esto se hace debido a que en las plantas donde se usa agua cruda o tratada
químicamente para reponer las pérdidas, se produce una acumulación continua de
sólidos disueltos en el agua de la caldera. Aun cuando la reposición de agua se
haga con la obtenida por evaporación, la concentración del agua de la caldera
aumentará despacio.
La cantidad de la descarga que mantenga una concentración determinada del agua
en la caldera, se determina fácilmente haciendo un balance de sólidos dentro y
fuera de la caldera.
7. Desaireación Térmica, es la eliminación del O2 y CO2 del agua de alimentación
mediante el calentamiento de la mezcla (agua + CO2 + O2), a temperatura mayores
 94

de 110°C y agitando dicha mezcla con la cual se separará el agua en estado de

vapor del O2 y CO2, y pudiendo eliminarse dichos gases mediante un condensado
del vapor de agua.

DUREZA RECOMENDADAS:

◼ Para consumo humano, el agua apta para bebida deberá tener una dureza total
máxima de 1000 ppm; pero en términos generales, esta no deberá exceder de 500
ppm (salinidad normal).
◼ El agua destilada tiene una dureza de o ppm.
◼ Para agua de alimentación a calderos se dice que:
a. Dureza menor que 137 ppm es: Muy buena.
b. Dureza de 135 a 257 ppm es: Buena.
c. Dureza de 257 a 342 ppm es: Regular
d. Dureza de 342 a 513 ppm es: Mala.
e. Dureza de más de 513 ppm es: Muy mala.
◼ Para agua que se usa como refrigerante de un motor se dice:
a. El total de los sólidos disueltos máximo es 340 ppm.
b. La dureza total máxima es 170 ppm.

MÉTODOS DE CORRECCIÓN O ABLANDAMIENTO MÁS COMUNES

(Tratamiento Externo)

◼ EVAPORADORES – DESTILADORES: Se usa para cuando se repone el agua a

un ciclo de vapor (Rankine), entre el 1 al 4% del total del agua del ciclo. Un
evaporador mantenido en trabajo moderado produce un vapor extremadamente
puro.
◼ DEPURACIÓN EN CAL Y SOSA: Se usa para sistemas fríos o calientes y
consiste en agregar sosa (Carbonato sódico) y cal (Hidrato de calcio). Produce un
agua con una dureza bien baja.
◼ CORRECIÓN DE FOSFATOS (PO4): Se usa en tratamiento directo o como
auxiliar en las depuraciones con cal y sosa en frío y caliente. Se usa para obtener
durezas menores que el método anterior.
◼ CORRECCIÓN CON PERMUTITA (Zeolita) SODICA: Tiene la propiedad de
cambiar las bases cuando hay un agua entrando en contacto con la permutita, está
cambia su base sódica por las bases cálcicas o magnésicas contenidas en el agua.
◼ DESMINERALIZACIÓN: Mediante una resina sintética de Na +, absorbe los
cationes y aniones regenerados por ácidos. Cambia el hidrogeno por Ca y Mg,
presentes en el agua que lo atraviesa. Se regenera la resina, cuando está saturado
con sal de mesa (NaCl) en polvo.

NOTA: Los dos últimos métodos de corrección, son los más usados tanto en sistemas de
refrigeración, como para agua de reposición al ciclo Rankine. Siempre debe haber un
filtro de agua, para atrapar los sólidos o sales en suspensión en el agua, antes de usar el
sistema de ablandamiento de agua.
 95

LÍMITES RECOMENDADOS DE SÓLIDOS EN AGUA DE ALIEMNTACIÓN DE

CALDEROS
Presión del Domo Menos de De 600 a De 1000 a Sobre 2000
Superior 600 psi 1000 psi 2000 psi psi
Total sólidos ppm --- --- 0.15 0.05
Dureza total como ppm
0 0 0 0
de 𝐶𝑎𝐶𝑂3
Hierro, ppm 0.1 0.05 0.01 0.01
Cobre, ppm 0.05 0.03 0.005 0.002
Oxígeno, ppm 0.007 0.007 0.007 0.007
PH 8.9 – 9.5 0 – 9.5 8.5 – 9.5 8.5 – 9
Sustancias Orgánicas 0 0 0 0

DETERMINACIÓN DEL PH

VALOR DEL PH: Es un índice de la fracción de hidrógeno ionizado presente en el agua

(H+). Indica la cantidad de iones de H+ o de OH- presentes en el agua.

RANGO DEL PH (para valores de 16°C): Se tiene lo siguiente:

◼ De 0 a un valor menor de 7 es un PH ÁCIDO.

◼ Valor de 7 indica un PH NEUTRO (agua destilada a 16°C).
◼ Valor mayor de 7 a 14 indica un PH ALCALINO O BÁSICO.

VARIACIÓN DEL PH CON LA TEMPERATURA: El índice del PH disminuye al

aumentar la temperatura, pero la sustancia continúa siendo ácida o básica, conforme se
determinó inicialmente a 16°C. La variación del PH con la temperatura se indica en el
siguiente gráfico:

COEFICIENTE DEL PH:

Para el hidrogeno, es la fracción en gramos de ión H+, presente en cada 1000 cc de agua.
Ejemplo:

◼ PH2, indica 0.01 gramos de ión H+, existentes en 1000 cc de agua.

◼ PH6, indica 0.000001 gramos de ión H+ en 1000 cc de agua.

Para el oxidrilo OH-, los iones OH-, tiene una escala empezando desde PH8 = 0.000001
gramos de OH- hasta PH14 = 1 gramos de OH- en 1000 cc de agua. En general se puede
indicar el coeficiente del PH de la manera siguiente:
 96

◼ PH de 0 a 7, se obtiene gramos de ión H+ = 10-N, en 1000 cc de agua.

◼ PH de 8 a 14, se obtiene gramos de ión OH- = 10N-14, en 1000 cc de agua.

NOTA: El PH se usa predecir la corrosión (con rango ácido) el agua con menor
concentración de iones hidrógenos es menos corrosiva que el agua con mayor
concentración de iones hidrógeno. La corrosión pude ser reducida en forma apreciable
con el agregado de una cierta concentración de hidróxido de sodio en el agua.

MÉTODOS PARA DETERMINAR EL PH

MÉTODO ELECTROMETRICO (PH METER): Este método es el más exacto para

determinar el PH. El potencial producido químicamente es una medida de la
concentración de ión H+ ó OH-, presente en la solución. Se basa en que cuando se
introduce un electrodo en la muestra de agua, se produce una media celda electrolítica,
para medir su potencial su correspondiente media celda agregarse.

El flujo de corriente (intensidad), de la celda completa es producida por la suma del

potencial de las dos medidas celdas. El uso de electrodos de vidrio y antimonio instalados
en una tubería (circuito), permite la continua medición del valor del PH de la solución.
La fuerza electromotriz de estos electrodos se envía a través de un amplificador de tubo
con vacío. La 𝑓𝑒𝑚 amplificada puede ser medida a través de un potenciómetro.

MÉTODO COLORIMETRICO: Es un método comparativo y es menos aproximado que

el método electrométrico.
USO DEL INDICADOR UNIVERSAL DE PH
Consiste en introducir 100 cc de una muestra de agua filtrada, aproximadamente a 16°C,
en un recipiente de vidrio, luego agregar 5 gotas de INDICADOR UNIVERSAL (DYE).
Note el color y compare con una muestra estándar o use la tabla de identificación de
colores para el PH.
USO DE PAPEL O LAMINA INDICADORA DE PH
Es un método comparativo, que se basa en la introducción de un papel o lamina especial
dentro de la muestra de agua por 5 segundos, luego retirarlo y dejar que toma una
determinada coloración, que indica el PH de acuerdo a un muestrario de colores adjunto
o usar la tabla que se indica a continuación:

IDENTIFICACIÓN DE COLORES PAARA EL PH

RANGO ÁCIDO RANGO ALCALINO
COLOR VALOR DEL PH COLOR VALOR DEL PH
Rojo 3 Verde 8
Rojo oscuro 4 Azul - Verde 8.5
Rojo naranja 5 Verdoso – azul 9
Naranja 5.5 Azul 9.5
Naranja amarillo 6 Violeta 10
Amarillo 6.5 Rojizo – Violeta 10.5 – 11
Verde amarillo 7 – 7.5 (Neutral) ------ ------
 97

ANÁLISIS DE GASES
INTRODUCCIÓN:
La combustión es una reacción química, en la cual una sustancia llamada combustible
experimenta una oxidación rápida, acompañada de una transformación de la energía
química en energía molecular y el concerniente aumento de la temperatura de las
sustancias en la reacción.
Los combustibles pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos. Los elementos combustibles
de la casi totalidad de los combustibles son el carbono y el hidrogeno, aunque algunos
contienen azufre en pequeñas proporciones.
Cuando los combustibles que, quemados con una cantidad de aire superior a la requerida
para una combustión completa, los productos resultantes son monóxido de carbono,
dióxido de carbono, vapor de agua, dióxido de azufre, nitrógeno, oxígeno y otros
hidrocarburos. La presencia de monóxido de carbono y otros hidrocarburos se explica
por una combustión incompleta, causada por una inadecuada mezcla del aire y el
combustible, a pesar de que el oxigeno presente era mayor que el requerido teóricamente.
Si la cantidad de aire es menor que la requerido, se obtiene con seguridad una combustión
incompleta. La cantidad óptima de aire a suministrar, para una instalación particular se
calcula mediante ensayos.
El dióxido de azufre esta presente en muy pequeñas cantidades por lo que se lo puede
despreciar. El vapor de agua en exceso para saturar el gas, se condensa cuando el gas es
enfriado; por ello, el análisis se hace sobre la base del dióxido de carbono, monóxido de
carbono, oxígeno y nitrógeno.

ANALIZADOR ORSAT

El analizador Orsat es el aparato más comúnmente usado para el análisis de los gases de
la combustión. La figura siguiente, nos muestra esquemáticamente las partes esenciales
de un analizador Orsat.

Las partes esenciales de este aparato son:

1. Una bureta de medición A, rodeada por una camisa de agua para mantener una
temperatura constante durante las operaciones de análisis.
 98

2. Tres pipetas de absorción B, C y D, las cuales están provistas para absorber el

CO2, O2 y CO respectivamente. La parte inferior de cada pipeta se extiende casi
hasta el fondo del recipiente que contiene el reactivo químico almacenado. Cada
uno de estos recipientes es llenado por el tubo de respiro K. Cada pipeta está
conectada en su extremo superior al tubo capilar, el cual a su vez conectado a la
bureta de medición A.
3. Una botella de nivelación E, conectada en el extremo inferior a la bureta de
medición A.
4. Una cámara de expansión o respiración J, a la cual son conectados los tubos de
aspiración K de las pipetas C y D durante el uso. El propósito de esta cámara de
expansión es el de proveer de una cámara de respiración y al mismo tiempo
prevenir la absorción de oxígeno de la atmósfera.
El absorbente del CO2 es una solución de una parte de hidróxido de potasio en dos partes
de agua destilada. Esta solución absorbe alrededor de 20 veces su volumen de CO 2.
El absorbente de O2 es una mezcla de 5 gramos de ácidos poligálico con 100 cc de la
solución de hidróxido de potasio usado para absorber el CO2. La solución para absorber
el O2, absorbe sólo el doble de su volumen de O2 y es capaz de absorber CO2, por lo que
se debe estar seguro de que el CO2 ha sido previamente absorbido de la muestra. Es obvio
que esta solución debe protegerse de la atmosfera una vez que ha sido preparada, ya que
puede absorber el O2 del aire atmosférico.
El absorbente del CO es una solución de 25 gramos de oxido de cobre en 500 de ácidos
hidroclórico, al cual debe adicionarse alrededor de 200 gramos de alambran de cobre.
Esta solución absorbe su mismo volumen de CO. Debe protegérsela de la atmósfera ya
que puede absorber O2.
PROCEDIMIENTO DE ANÁLISIS
Previamente al uso del Orsat para el análisis de la muestra y después del llenado de los
recipientes que almacenan los reactivos. Los reactivos deben ser elevados dentro de las
pipetas de absorción para llenarlos hasta el nivel apropiado, este nivel está generalmente
marcado en el cuello estrecho de la pipeta.
Antes de tomar la muestra, el aparato debe ser purgado de gases remanentes de nuestras
previas. Esto se hace colocando la llave H para que provea comunicación con la
atmósfera. Entonces se levanta la botella de nivelación para que el agua fluya a la bureta
de medición y desplaza el gas.
Una muestra del gas se obtiene ajustando la llave H de tal manera que la bureta de
medición quede conectada al aspirador F. El gas es, entonces bombeado y burbujeada a
través del agua en la botella de nivelación E. Se puede obtener también una muestra de
gas bajando la botella de nivelación para producir vacío que absorba la muestra.
La cantidad del gas medida para el análisis es a continuación obtenida ajustando la llave
H, para conectar la bureta de medición con la atmósfera y entonces se eleva la botella de
nivelación hasta que el nivel del agua en la botella E y en la bureta de medición estén en
un plano horizontal con la marca cero de la bureta de medición.
En estas condiciones, la muestra se encuentra a presión atmosférica. Luego se cambia la
posición de la llave H para conectar la bureta de medición con el tubo capilar. Debe
tenerse cuidado de prevenir la contaminación de la muestra con el aire atmosférico. El
volumen de la muestra es de 1000 unidades (100 cc) a la presión atmosférica y a una
temperatura controlada por la camisa de agua alrededor de la bureta.
 99

Una vez que la muestra ha sido obtenida se cierra la llave H. Se pase, a continuación, la
muestra a la pipeta B donde el CO2 será absorbido. Para esto se abre la válvula B ’ y se
eleva la botella de nivelación, mientras que observamos que se va elevando el nivel del
agua en la bureta A. no se debe dejar que el agua pase al tubo capilar. Como casi toda la
muestra ha pasado a la pipeta B, en nivel del reactivo baja y este pasa al recipiente
almacenador. El anhídrido carbónico es absorbido por la película de reactivo que queda
en las paredes y por el que queda en las virutas. Para estar seguros de que todo el CO2 ha
sido absorbido debe repetirse el procedimiento volviendo la muestra a la bureta de
medición y de ahí de nuevo a la pipeta B. Esto debe hacerse varias veces y cuantas más
se hagan se garantizará mejor la total absorción del CO2.
Una vez que se tiene la certeza de que el CO2 ha sido absorbido se debe retomar la muestra
a la bureta de medición, teniendo precaución de que el nivel del reactivo en la pipeta B
retorne a su marca en el cuello de su parte superior. Luego se cierra la válvula B’.
Se debe tener cuidado de que el reactivo no ingrese al tubo capilar. Para efectuar la
medición debe nivelarse el agua de la bureta de medición A con el de la botella E. Esto
se hace que la muestra esté nuevamente a la presión atmosférica. La diferencia entre el
nivel inicial y el actual da el volumen de CO2 absorbido.
Los procedimientos anteriores deben ser repetidos para la absorción del O 2 en la pipeta C
y luego con el CO en la pileta D. El cambio en las cantidades medidas representa la
cantidad del respectivo gas absorbido. Es sumamente importante que las mediciones se
hagan en el orden correspondiente y que todo el gas sea absorbido antes de iniciar la
absorción del siguiente.
Si bien es cierto que, durante las mediciones, la muestra está saturada de vapor de agua,
está en proporciones mínimas debido a que gran parte se condesa. Por esta razón el
análisis del Orsat es un análisis volumétrico de los productos secos de la combustión.
Lo que queda luego de la absorción del CO2, el O2 y el CO se asume que es N2. Las
cantidades presentes de otros gases como el SO 2 son insignificantes y su determinación
requiere otros procedimientos de análisis.

INTERPRETACIÓN DEL ANÁLISIS

Las figuras 02, 03 y 04 muestran aspectos relacionados con la combustión teórica de un

grupo de combustibles. La combustión del C8H18 con aire en menor cantidad que el aire
estequiométrico se calculó sobre la base de que el oxígeno es el primero en combinarse
con el hidrógeno, cada su gran afinidad con este elemento; el resto se uniría con el carbono
para formar CO y lo demás se une con el CO para formar CO2. Como ejemplo, pondremos
que los cálculos para un 80% de aire estequiométrico fue hecho como sigue:

𝐶8 𝐻18 + 10. 𝑂2 + 37,8. 𝑁2 → 3𝐶𝑂2 + 5. 𝐶𝑂 + 37,8. 𝑁2 + 9. 𝐻2 𝑂

En la figura 02 se nota el hecho de que el vapor porcentaje de CO 2 se obtiene en la

combustión perfecta, con la cantidad teórica d aire o aire estequiométrico.

La figura 03 sirve para chequear un análisis de gas. Para un combustible dado se observa
que el gráfico de CO2 vs. CO2 + O2 es una línea recta.

El análisis de los combustibles usados para graficar esta carta es:

 100

Carbón Petróleo
Antracita
bituminoso crudo
C 82.5 66 84.6
H 2.5 5.9 10.9
O 4.9 19.9 2.87
N 1.2 1.5 0
S 0.5 1.1 1.63
Ceniza 8.4 5.6 0

Gas Porcentaje en
natural volumen
CH4 83.5
C2H6 12.5
CO2 0.2
N2 3.8
En la figura 04, independientemente del combustible, el contenido de O 2 en los productos
secos de la combustión, nos indica el porcentaje de exceso de aire, de mejor forma que el
CO2.
Debe tenerse en cuenta que la combustión real va a diferir de lo que se muestra en las
figuras 02, 03 y 04, Ya que esta depende las características de la instalación. Es necesario
recalcar que siempre se encontrará CO aun se suministre exceso de aire.

Figura 02
 101

Figura 03

Figura 04
 102

CÁCULOS A PARTIR DE LOS DATOS DEL ORSAT

RELACIÓN AIRE – COMBUSTIBLE TEÓRICA: La relación aire – combustible teórico

es la que corresponde a la combustión teórica con aire estequiométrico o aire necesario
para la combustión completa. Para un hidrocarburo de formula C 10H21 la relación aire –
combustible teórico la calculamos a partir de la ecuación teórica para la combustión
completa:

𝐶10 𝐻21 + 𝑎. 𝑂2 + 3,76. 𝑎. 𝑁2 → 𝑏. 𝐶𝑜2 + 3,76. 𝑎. 𝑁2 + 𝑐. 𝐻2 𝑂

Balanceando la ecuación, nos resulta de la siguiente ecuación:

𝐶10 𝐻21 + 15,25. 𝑂2 + 57,37. 𝑁2 → 10. 𝐶𝑜2 + 57,34. 𝑁2 + 10,5. 𝐻2 𝑂

De donde:

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 15,25𝑥32 + 57.34𝑥28

𝑟𝑎⁄𝑐 = = = 14,85
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 10𝑥12 + 21𝑥1
Luego la relación aire – combustible teórico para el C10H21 es 14,85.

RELACIÓN AIRE – COMBUSTIBLE REAL: Esta se obtiene a partir de los datos del
Orsat. Los siguientes datos corresponden a la combustión de C10H21 con exceso de aire.

𝐶𝑂2 = 11,45% 𝐶𝑂 = 0,3%

𝑂2 = 4,49% 𝑁2 = 83,76%

La ecuación de la combustión real para un compuesto de la formula C xHy es:

𝐶𝑥 𝐻𝑦 + 𝑎. 𝑂2 + 3,76. 𝑎. 𝑁2 → 𝑏. 𝐶𝑜2 + 𝑐. 𝐶𝑂 + 𝑑. 𝑂2 + 3,76. 𝑎. 𝑁2 + 𝑒. 𝐻2 𝑂

La cual con los datos del Orsat queda:

𝐶𝑥 𝐻𝑦 + 𝑎. 𝑂2 + 3,76. 𝑎. 𝑁2 → 11,45. 𝐶𝑜2 + 0,3. 𝐶𝑂 + 4,49. 𝑂2 + 83,76. 𝑁2 + 𝑒. 𝐻2 𝑂

Balanceando la ecuación, nos resulta de la siguiente ecuación:

𝐶11.75 𝐻24.76 + 22,28. 𝑂2 + 83,76. 𝑁2

→ 11,45. 𝐶𝑜2 + 0,3. 𝐶𝑂 + 4,49. 𝑂2 + 83,76. 𝑁2 + 12,38. 𝐻2 𝑂

De donde:

𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 22,28𝑥32 + 83.76𝑥28

𝑟𝑎⁄𝑐 = = = 18,45
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 11,75𝑥12 + 24,76𝑥1

Luego la relación aire – combustible de la reacción es 18,45.

EXCESO DE AIRE:

El cálculo del exceso de aire podemos hacerlo de dos formas:

a. Mediante la fórmula:
 103

(𝑟𝑎⁄𝑐 )
𝑟𝑒𝑎𝑙
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑥100 − 100
(𝑟𝑎⁄𝑐 )
𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎

Reemplazando datos:

18,45
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑥100 − 100 = 24.2%
14,85

b. Mediante la fórmula en la que intervienen únicamente los datos del Orsat:

𝐶𝑂
(𝑂2 − 2 2 )
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑥100
21 𝐶𝑂
[ . 𝑁2 − (𝑂2 −
79 2 )]
Reemplazando datos:

0,3
(4,49 − 2 )
𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑥100 = 24.2%
21 0,3
[ . 83,76 − (4,49 −
79 2 )]
Se puede observar que mediante las dos fórmulas obtenemos el mismo resultado: 24,2%.
Como el balance de la ecuación de la combustión nos da la fórmula del combustible y
sabiendo que este combustible es 𝐶10 𝐻21, asemejamos el 𝐶11.75𝐻24.76 a la fórmula 𝐶𝑥 𝐻𝑦 y
nos resulta 𝐶10 𝐻21.07, que es prácticamente la formula real del combustible usado en la
reacción.