¿Cómo afectan las presiones subatmosféricas a las tasas de flujo?

Alicat U mass flow and pressure application training

El medidor de flujo másico de un cliente no está midiendo correctamente a media atmósfera. ¿Qué pasa? Medir el flujo másico bajo presiones subatmosféricas puede ser desafiante porque cambia las tasas de flujo volumétrico. En esta publicación, examinamos qué ocurre exactamente en estas condiciones y cómo puede asegurarse de que su medidor de flujo másico o volumétrico tenga el tamaño adecuado para su aplicación.

Efectos de la presión sobre la masa y el volumen de los gases estáticos

La presión es una medida de la fuerza ejercida sobre una superficie. De acuerdo con la Ley de Gas Ideal (PV=nRT), a medida que la presión (P) aumenta, el volumen del espacio que ocupa el gas (V) disminuye. Esto sucede porque los gases son comprimibles y sus moléculas se acercan entre sí a medida que aumenta la presión. Si la presión disminuye, entonces las moléculas se separan más y ocupan un mayor volumen. Sin embargo, en cada caso, el número de moléculas de aire dentro del volumen (n, masa molar) permanece constante.

Air at 2 atm Mass: 500 scm3 Volume: 250 cm3

Aire a 2 atm
Masa: 500 scm3
Volumen: 250 cm3

Imaginemos un recipiente flexible y no elástico como un globo de mylar. Lo llenamos con 500 cm3 de aire a presión atmosférica (1 atm, aproximadamente 14.696 psia) y temperatura ambiente estándar de (25­°C). Si doblamos la presión a 2 atm, las moléculas de aire se acercan y el volumen se comprime a 250 cm3. Si reducimos a la mitad la presión original a 0,5 atm, el volumen se duplica a 1000 cm3. Si reducimos a la mitad la presión otra vez a 0,25 atm, el volumen se incrementa a 2000 cm3. En cada caso, no hemos quitado ni añadido aire, por lo que la masa molar de aire dentro del contenedor sigue siendo de 500 scm3 de aire.

Air at 0.25 atm Mass: 500 scm3 Volume: 2000 cm3

Aire a 0.25 atm
Masa: 500 scm3
Volumen: 2000 cm3

Air at 1 atm Mass: 500 scm3 Volume: 500 cm3

Aire a 1 atm
Masa: 500 scm3
Volumen: 500 cm3

Efectos de la presión de la línea sobre los gases en movimiento

Cuando el aire se pone en movimiento, su volumen sigue variando con la presión como hemos visto anteriormente. Doblar la presión de la línea reduce a la mitad el caudal volumétrico, y disminuir la presión de la línea aumenta el caudal volumétrico. Sin embargo, el número de moléculas de aire que fluyen (tasa de flujo másico) no cambia.

Pressure effects on air in motion

Dimensionando medidores de flujo para presiones subatmosféricas

Los medidores de flujo másico basados en presión diferencial tienen canales de flujo internos que están dimensionados para los caudales volumétricos más altos que se espera que pasen a través de ellos. Cuando estos medidores se utilizan en aplicaciones subatmosféricas, es posible que tengan que ser sobredimensionados para poder manejar los caudales volumétricos incrementados.

Tomemos por ejemplo un medidor de flujo másico Alicat construido para 500 sccm (scm3) a escala completa (M-500SCCM-D). Si fluimos 500 sccm al doble de la presión (2 atm), el caudal volumétrico disminuye a 250 ccm. Esta disminución en el volumen real de flujo de aire no plantea desafíos para la medición de flujo porque el medidor puede manejar el doble de esa cantidad.

Ahora, si tenemos la intención de hacer fluir los mismos 500 sccm a 0.5 atm, sabemos que la tasa de flujo volumétrico se duplicará a 1000 ccm. Nuestro medidor de flujo de 500 sccm es demasiado pequeño; en su lugar, deberíamos usar un medidor de 1000 sccm (M-1SLPM-D). Para mantener la mayor resolución de flujo másico, especificaríamos rangos personalizados de 500 sccm (masa) y 1000 ccm (volumétrico). De manera similar, a 0.25 atm el medidor sería construido para cuatro veces el flujo másico deseado (M-2SLPM-D) y oscilaría entre 500 sccm y 2000 ccm.

En general, los medidores de flujo másico Alicat pueden utilizarse hasta 0,8 atm/11,5 psia sin sobredimensionamiento. Podemos sobredimensionar los medidores de flujo para su uso a presiones tan bajas como 0.2 atm/2.9 psia.

Dimensionando controladores de flujo para el vacío y presiones subatmosféricas

A diferencia de los medidores, los controladores de flujo másico basados en presión no necesitan ser de gran tamaño para su uso en condiciones subatmosféricas. Para estas aplicaciones, ubicamos la válvula de control proporcional en el lado aguas abajo del controlador. Esto forma una barrera sónica que protege al sensor de flujo de la expansión volumétrica del gas. En el siguiente ejemplo, el cabezal de medición dentro del controlador de flujo siempre ve los caudales a la presión del aire ambiental (1 atm). El gas entra en la condición subatmosférica (0.25 atm) y se expande sólo después de pasar a través de la válvula. Como en los ejemplos anteriores, el caudal másico permanece constante a medida que el gas pasa de 1 atm a 0,25 atm.

Pressure effects on volumetric flow for controllers

Si tiene alguna pregunta sobre su aplicación subatmosférica o de vacío, 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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