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Absoluto vs Manométrico: Eligiendo el control de presión adecuado

Alicat U mass flow and pressure application training

¿Presión absoluta o presión manométrica? ¿Qué referencia debe utilizar cuando configure un proceso de control de presión? Para muchas aplicaciones, esta elección puede ser simplemente una cuestión de continuar con la convención establecida. Sin embargo, algunas aplicaciones de control de presión operan a o justo por encima de la presión atmosférica, por ejemplo, el control de contrapresión para analizadores de proceso o caracterización de flujo para filtros de cigarrillos. Para aplicaciones como estas, la elección de utilizar presión absoluta o manométrica puede ser una decisión crítica que impacta significativamente la operación prevista de su proceso.

Presión Absoluta vs Manométrica

Pressure is caused by the kinetic energy of molecules pressing against a surface.

Figura 1. La presión es causada por la energía cinética de las moléculas que presionan contra una superficie.

La presión es una medida de la fuerza que empuja contra una superficie. Esta fuerza proviene de la energía cinética de las moléculas en movimiento contra la superficie. De acuerdo con la Ley de Gas Ideal (PV=nRT), la presión aumenta con la temperatura y la masa, y disminuye con el volumen. Consideremos un contenedor rígido con un vacío perfecto. Porque no hay materia, no hay presión. Si añadimos algo de gas al contenedor, las moléculas de gas en movimiento generan presión contra las paredes del contenedor (Figura 1). Duplicar el número de moléculas de gas

Figura 2. La adición de masa a un contenedor rígido aumenta la presión en su interior.

duplica su presión contra el contenedor (Figura 2). Sin embargo, si duplicamos el volumen, las moléculas de gas tienen más espacio y la presión se reduce a la mitad (Figura 3). El aumento de la temperatura del gas también aumenta la presión porque aumenta la energía cinética de las moléculas de gas y sus interacciones con el contenedor (Figura 4). Por el contrario, una caída en la temperatura reduce la presión, lo que explica por qué la presión de los neumáticos puede bajar en una mañana de invierno (ver abajo).

Increasing the volume of a rigid container reduces the pressure inside it.

Figura 3. Aumentar el volumen de un contenedor rígido reduce la presión dentro de él.

Figura 4. Aumentar la temperatura de un contenedor rígido aumenta la presión dentro de él.

 

Este vacío perfecto con el que empezamos en los ejemplos anteriores es la referencia para la presión absoluta. Las medidas de presión absoluta no pueden tener valores negativos. La presión manométrica está referenciada a la presión atmosférica local, que a su vez se mide en una escala absoluta. En otras palabras, la presión manométrica le indica cuánto por encima o por debajo de la presión atmosférica local es su presión de proceso. Cuando se utiliza una escala de presión manométrica, la presión total real es la lectura del manómetro más la presión atmosférica local actual (referenciada a una escala de presión absoluta).

Por convención, los procesos que no pueden descender por debajo de la presión atmosférica se miden típicamente utilizando la presión manométrica. La presión de los neumáticos, por ejemplo, utiliza una referencia de manómetro porque queremos saber cuánto más aire hay en él del que ya hay en la atmósfera a su alrededor. Un neumático pinchado tiene una presión manométrica de 0 porque su presión interna es equivalente a la presión atmosférica. Los procesos de deposición al vacío, sin embargo, son usualmente referenciados a una escala absoluta porque necesitan mantener el proceso a una cantidad específica de presión por encima del vacío absoluto. Esto, sin embargo no es el final de la historia.

Presión, Temperatura y Altitud

¿Alguna vez ha caminado a su auto en una mañana fría para encontrar que la presión de sus neumáticos está baja? El Sistema de Monitoreo de Presión de Llantas (TPMS) de su vehículo no se ha vuelto loco. De acuerdo con la Ley de Gas Ideal (PV=nRT), la presión aumenta con la temperatura y la masa, y disminuye con el volumen. La temperatura fría ha reducido la energía cinética de las moléculas de aire dentro del neumático de su coche, y por lo tanto su presión se ha reducido. Este mismo fenómeno salió a la luz el pasado invierno en el Partido de fútbol del Campeonato de la AFC “Desinflado“, cuando las bajas temperaturas pueden haber contribuido a una caída de presión de 1,8 psi dentro del balón.

Para complicar aún más las cosas, la presión atmosférica disminuye con la altitud, porque hay una menor cantidad de moléculas de gas para presionar contra todo lo demás. En el vacío del espacio, no hay presión, pero a nivel del mar la presión es, en promedio, de 14.696 psia (absoluta). Por lo tanto, las ciudades a nivel del mar tienen presiones atmosféricas más altas que las ciudades en las montañas. Al cambiar de altitud, las medidas de presión absoluta darán lecturas muy diferentes que las medidas de presión manométrica.

Por ejemplo, digamos que apretaremos la tapa de una botella de agua vacía en la oficina de Alicat en Tucson. A una elevación de 2160 pies, la presión atmosférica ambiente promedio es de 13.67 psia (absoluta), por lo que la presión dentro de la botella también es de 13.67 psi en una escala absoluta. En una escala de presión manométrica, la presión dentro de la botella es de 0 psig, igual a la presión del aire ambiental. Conducimos la botella de agua hasta la cima de 9.159 pies del Monte Lemmon, justo al norte de Tucson, donde la presión atmosférica ambiental es de sólo 10,44 psia. La presión de aire dentro de la botella sellada sigue siendo de 13,67 psia, que a esta altitud equivale ahora a 3,23 psig (13,67-10,44).

 

La presión manométrica de un proceso aumenta a medida que la presión atmosférica disminuye.

Por la 2da Ley de Termodinámica, los fluidos se mueven de áreas de alta presión a áreas de baja presión. Si abrimos la botella de agua sellada en la cima, la mayor presión en el interior hará que parte del aire salga de la botella hasta que la presión interna sea igual a 10.44 psia, o lo que ahora es 0 psig. Luego, volvemos a sellar la botella en la cima y bajamos la montaña. La presión dentro de la botella (10.44 psia) es ahora menor que la presión atmosférica circundante (13.67 psia), por lo que en una escala de manómetro la presión es de -3.23 psig (10.44-13.67). Cuando abrimos la botella, el aire circundante se precipita en la botella de baja presión hasta que su presión ha aumentado a 13,67 psia.

La presión manométrica de un proceso disminuye a medida que la presión atmosférica aumenta.

 

Sistemas de Presión y Clima

Los sistemas meteorológicos aumentan o disminuyen aún más la presión atmosférica local en una pequeña cantidad. La presión barométrica fluctúa a lo largo del día, alcanzando su punto máximo alrededor de las 10 de la mañana y su punto más bajo alrededor de las 4 de la tarde. Esta diferencia es mayor en el ecuador, donde tanto la rotación de la tierra como las fluctuaciones diarias de temperatura son mayores. Además de las fluctuaciones diarias, los sistemas meteorológicos traen presiones que pueden ser mayores o menores que el promedio. A lo largo del año, la presión atmosférica de un solo lugar puede variar hasta 0.3 psi. Los lugares que ven tormentas frecuentes, depresiones tropicales o huracanes pueden ver variaciones aún mayores en un tiempo mucho más corto.

Tomando de nuevo el caso de Tucson, Arizona, nuestra presión atmosférica promedio es de aproximadamente 13.7 psia, con máximos típicos de 13.8 psia y mínimos de 13.6 psia. Si pretendíamos controlar un proceso a sólo 0,3 psi por encima de la presión atmosférica, ¿deberíamos usar un controlador de presión manométrica o un controlador de presión absoluta? El control de la presión manométrica (el lado izquierdo en el diagrama de abajo) resultaría en un control inestable que monta las ondas de las variaciones locales de la presión atmosférica. Sin embargo, estas fluctuaciones no serían visibles porque el controlador siempre leería una presión manométrica de 0.3 psig. El control de la presión absoluta (a la derecha abajo) proporciona un control constante, independientemente de lo que está sucediendo en la atmósfera, porque está referido al vacío, no a la presión atmosférica.

El control de la presión absoluta estabiliza los efectos de la variabilidad de la presión atmosférica.

Tenga en cuenta que cuanto mayor sea su punto de ajuste de presión por encima de la presión atmosférica, menor será el efecto de las fluctuaciones anteriores. En Tucson, un proceso establecido para 100.0 psig vería fluctuaciones de 113.6 psia a 113.8 psia, mientras que el control de presión absoluta proporcionaría una presión constante de 113.7 psia. En la escala de 113.7 psia, una variación de +/- 0.1 psi probablemente sería insignificante para el proceso y la pregunta y no justificaría el control de la presión absoluta.

Eligiendo el control de presión adecuado

Los ejemplos anteriores ilustran la importancia de elegir la escala de referencia correcta para medir o controlar la presión en sus procesos. Si deseamos aislar una cantidad específica de presión dentro de un proceso, independientemente de lo que suceda en la atmósfera, entonces debemos utilizar un sistema de presión absoluta. Sin embargo, si nos preocupamos por mantener una cierta presión relativa a la presión atmosférica actual, entonces deberíamos utilizar un sistema de presión manométrica. Un controlador de presión manométrica agregará o eliminará aire a medida que la presión del aire ambiente sube y baja para mantener el diferencial de presión deseado. Como hemos visto, las aplicaciones que requieren el control de bajas presiones atmosféricas muy probablemente se beneficiarán más del control de presión absoluta.

Si tiene alguna pregunta sobre su aplicación de control de presión, póngase en contacto con Alicat (info@alicat.com o llame al 888-290-6060) para que uno de nuestros ingenieros de aplicaciones pueda ayudarle a encontrar la solución correcta.

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