informe_2 - U

Universidad de Chile
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Laboratorio de Fluidodinámica y Procesos
INFORME DE LABORATORIO Nº 2
Bombas y turbinas
CI4101 - Hidráulica
Nota Informe Preliminar:
Sección:
Nota Informe Final:
Nombres:
Maximiliano Barra
Jorge Fuentes
Ignacio Toledo
Ayudante encargado:
Jorge Casanova
Fecha de realización:
Fecha de entrega:
21/04/2011
28/04/2011
Observaciones:
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Introducción
Si se extrae agua de un estanque de grandes dimensiones hacia cotas superiores a el,
es necesario incorporar energía al sistema, pues, en caso contrario el objetivo no se
cumple producto de la insuficiencia de energía que le impide romper las fuerzas
gravitaciones. Los dispositivos que entregan emergía al sistema se denominan bombas.
Por el contrario, los quitan energía reciben el nombre de turbinas.
Existe una gran variedad de este tipo de dispositivos. Por ejemplo, existen bombas tipo
centrifugas, de vacío, de ariete,etc. En cuanto a turbinas, exístela tipo Pelton y a reacción.
Cada uno de estas bombas y turbinas funcionan con fenómenos diferentes, sin embargo,
el fin perseguido es el mismo. Una descripción más detallada de algunos de estos
dispositivos se encuentra en este informe
Además tiene como contenido el estudio y análisis de una bomba centrifuga y una
turbina tipo Pelton, cada una con su respectivo montaje experimental. Cada experiencia,
mediante un sistema computacional, entrega información de las influencias de la
condiciones de borde impuestas al sistema y como se ven afectadas las distintas
variables medidas durante el trascurso del experimento. De esta manera, se encontrara la
curva característica dela bomba, relación entre la eficiencia-caudal, energía entregada al
sistema, energía generada por la turbina en función del torque que ejerce,etc.
Objetivos.
 Analizar los términos de la ecuación de balance de energía que involucran a
bombas y turbinas.
 Comprender la forma en que trabajan las turbinas provocando una pérdida de
energía en el flujo y que se aprovecha para otros fines como generación de energía
eléctrica.
 Mismo objetivo anterior pero esta vez para las Bombas, que entregan energía al
fluido para producir el movimiento de este.
 Determinar el funcionamiento óptimo (rendimiento máximo) en una bomba y en una
turbina.
 Para lo anterior se deben determinar las curvas de funcionamiento de una de las
turbinas y de la bomba. Se debe determinar también la curva característica para el caso
de la bomba.
 El funcionamiento de la bomba y la turbina se debe describir hidráulicamente
además de esquematizar la variación de lineas de energía a lo largo de las tuberías. Todo
esto relacionado con la comprensión del funcionamiento de estos aparatos.
 Comprender el funcionamiento de una central hidroeléctrica en base a lo estudiado
en esta sesión.
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Metodología
Bomba
Se cuenta con el siguiente montaje para la Bomba Centrífuga:
Figura 1: Instalación Experimental de Bomba Centrífuga.
Viendo la figura 1. Se tiene un estanque (1) que cuenta con una carga constante,
una tubería de PVC lo conecta con la bomba (5). En medio de la tubería existe una
válvula (2). Una segunda válvula (7) se ubica entre la bomba y la salida de la tubería al
estanque por la parte superior de este. Hay una serie de sensores incorporados a lo largo
de la tubería, los cuales, miden en tiempo ral el caudal, la temperatura y diferencia de
presiones antes y después de la bomba. La potencia de la bomba puede ser regulada en
(10), se regula en términos de porcentaje de la potencia máxima disponible (0,37 [KW]).
La altura de elevación máxima es 40 [m] y el caudal máximo es de 40 [l/min].
La bomba centrífugas entrega energía al fluido mediante una hélice. La potencia de
la bomba se relaciona con el Caudal y con el caudal y con el Bernoulli entregado por la
bomba al flujo mediante la siguiente expresión:
En la relación anterior η representa al rendimiento de la Bomba en un rango entre 0
y 1, mientras P es la potencia de la bomba y H es el Bernoulli entregado al flujo, γ es el
peso específico del fluido, Q es el caudal.
Para encontrar la combinación de valores que determinan el funcionamiento óptimo
de la bomba se procede a determinar las curvas características. Estas relacionan el
comportamiento del rendimiento y de la altura de elevación en función del caudal elevado.
Un programa computacional conectado al montaje, en particular a los sensores
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presentes en este, registra en el tiempo con un Δt de 1 [seg] el caudal del flujo, la
temperatura, la diferencia de presión antes y después de la bomba, la potencia de la
bomba, la velocidad del flujo y la eficiencia o rendimiento de la bomba. El programa
entrega los datos directamente en formato Excel, listos para ser manipulados.
Para encontrar las curvas características se procede a graficar el Caudal v/s Altura
de Presión y por otro lado Eficiencia v/s Caudal. Se requiere ir variando el caudal para que
se produzcan las variaciones necesarias, luego, se tiene una persona a cargo de ir
variando el caudal para que las mediciones del programa computacional vayan sufriendo
variaciones. Se espera que los datos graficados para Eficiencia v/s Caudal se aproximena
una parábola pues en esta parte se espera encontrar un máximo que representaría el
punto de funcionamiento óptimo de la bomba. Por otra parte cabe señalar que los datos
de diferencia de presión entregados por el programa vienen en dimensiones de [Bar], por
lo que es necesario transformarlo a [Pa] y luego dividirlo por el peso específico del agua
(γ) para encontrar la altura de presión y poder graficar correctamente.
La curva de funcionamiento se obtiene al graficar Eficiencia v/s Potencia. Para
realizar esto el procedimiento consiste en ir regulando la potencia manualmente a medida
que el programa computacional va tomando los datos, por lo que se designa un
encargado de ir moviendo la perilla que regula la potencia.
Turbina
Para la Turbina el montaje es el siguiente: (se trabaja con la turbina Pelton)
Figura 2: Instalación básica para las turbinas.
Viendo la figura 2 se tiene el estanque (2) del que sale una tubería hacia una bomba
centrífuga (1), la que entrega energía al sistema para ser utilizada por la turbina. La
válvula (8) permite regular el caudal. Existen sensores de presión para determinar el
Bernoulli entregado por la bomba al sistema y al caudal.
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En la parte superior del estanque está instalada la turbina, la estructura de esta se
muestra a continuación:
Figura 3: Instalación para estudio de las Turbinas.
Al ver la figura 3, (1) corresponde a la turbina, a la cual llega la manguera (2) que
viene de la bomba. Hay dos sensores de medición: de frecuencia de rotación de la hélice
y del torque aplicado. Se hace necesario mostrar otra figura para ver la parte posterior de
la turbina:
Figura 4: Regulación del torque de la turbina.
En la figura (4) se ve un tornillo (14) que aprieta o suelta una cinta (11), lo que
permite variar el torque aplicado.
De forma similar al caso de las bombas, existe una expresión que relaciona la
potencia producida con la energía que se extrae del flujo y caudal circulante, que es la
siguiente:
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En la relación anterior: P es la potencia generada, η es el rendimiento de la turbina
(rango [0,1]), H es el Bernoulli extraído desde el flujo y los términos γ y Q son análogos al
caso visto para la bomba centrífuga.
Para encontrar las curvas de funcionamiento de la turbina se cuenta al igual que en
el caso de la bomba con un programa computacional calibrado para registrar datos con
variaciones en el tiempo de Δt=1 [seg], los datos registrados son: caudal circulante,
torque, presión, potencia y velocidad. El procedimiento consiste en variar el torque entre
los rangos posibles por lo que nuevamente hay un encargado de manipular gradualmente
el torque para que las mediciones sufran variaciones.
Se deben graficar por separado las curvas de funcionamiento, estas curvas son
potencia producida, rendimiento y torque de la hélice; todas las anteriores en función de
las revoluciones de la hélice. Se grafica además la curva de Eficiencia v/s Torque que se
espera tenga la forma aproximada a una parábola pues debe tener un máximo, este
máximo representa el punto de funcionamiento óptimo de la turbina similarmente a como
se encuentra el funcionamiento óptimo de la bomba centrífuga.
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Desarrollo
2) Describir hidráulicamente el funcionamiento de la turbina y la bomba, y
esquematizar la variación de las líneas de energía a lo largo de las tuberías. Señalar,
para el caso de la bomba, que ocurre cuando están las válvulas cerradas.
Bomba:
En el sentido más general es una máquina que transforma energía con la cual es
accionada (por ejemplo la electricidad) en energía hidráulica del fluido, aumentando el
Bernulli en cualquiera de sus 3 formas, es decir, puede aumentar la altura de velocidad, la
presión o la cota. Los tipos de bombas más comunes son
 Bomba de vacío:
Su principio básico de operación es la generación de bajas presiones locales, que
detona una gradiente de presión que hace que le flujo circule
 Bomba de ariete:
Básicamente opera cambiando las condiciones de borde del sistema, generando
unas condiciones impermanentes que se traducen en cambios de la presión elevando el
líquido.
 Bomba centrifuga:
Este dispositivo entrega energía la flujo mediante el uso de una hélice que se
encuentra perpendicular a él. Al rotar la hélice se genera energía cinética la cual es
máxima en los extremos del alabe o hélice. La fuerza centrífuga hace que el fluido sea
expulsado hace el exterior, el cual es recogido por una carcasa que tiene forma de
caracol, o bien hacia otra hélice dependiendo del tipo de bomba que sea. La energía
cinética generada se vaya transformando en presión disminuyendo la velocidad.
Turbina:
Son máquinas a través de las cuales pasa un fluido que le entrega su energía
transformándola en energía mecánica. Las maquinas en general son rodetes, hélices que
puestos en movimiento producto de la fuerza tangencial que hace el flujo sobre ellos. Este
giro se traduce en energía mecánica que puede utilizarse para generar por ejemplo
electricidad.
3) Describir el funcionamiento de una central hidroeléctrica, como a la vez los
diferentes tipos de turbinas que existen. ¿Existe alguna analogía con respecto a las
termoeléctricas?
Turbinas a reacción
Son aquellas turbinas que sufren un cambio de presión considerable. La presión
entra al rodete con una presión mayor a la atmosférica y sale con una menor a la
atmosférica. Se caracterizan por presentar tubería de aspiración. Un ejemplo de esta
turbina es la de tipo Kaplan, donde le flujo es inyectado en forma radial al rodete.
Turbinas a acción
Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso
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por el rodete. Carecen de tubería de aspiración. Un ejemplo de esta turbina es la tipo
Pelton.
 Turbina pelton
Es un rodete dotado con cucharas en su alrededor que están adaptadas para
convertir la energía del chorro que incide sobre ella que proviene del inyector, el cual
suministra caudal en forma tangencial al rodete
Turbinas Eólicas
Una turbina eólica es un mecanismo que transforma la energía del viento en otra
forma de energía útil como mecánica o eléctrica. Su funcionamiento consiste en
transformar energía cinética del viento en energía mecánica a través de la rotación de una
hélice que puede generar energía eléctrica
Turbinas Submarinas:
Convierte la energía de las corrientes submarinas en energía eléctrica. Básicamente,
esta turbina se instala en el fondo submarino sobre estructuras que permiten el giro de la
turbina aprovechar de mejor manera las corrientes que varían en el año.
Figura 5: Central Hidroeléctrica
Figura 6: Turbina Pelton
El principio básico de operación de una central hidroeléctrica es la transformación de
energía potencial en energía eléctrica mediante turbinas. El funcionamiento, en términos
del bernulli, consiste en la transformación de la cota piezometrica acumulada en un
reservorio en altura de velocidad, que será aprovechada por la turbina para mover el eje
del generador eléctrico. Este desnivel que se genera entre la ubicación de la turbina y la
cota de la masa de agua acumulada permite que la central funcione.
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Una central termoeléctrica al igual que una central hidroeléctrica, es una instalación
utilizada para la generación de energía eléctrica. Su modo de operar es semejante a la
hidroeléctrica en el sentido que también ocupa turbinas. En sentido general, la única
diferencia entre ambas centrales es una ocupa agua y la otra energía en forma de calor.
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