Página principal

Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas


Descargar 41.63 Kb.
Fecha de conversión20.09.2016
Tamaño41.63 Kb.

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:
Nota Informe Final:
Observaciones:

Sección:
Nombres:

Ayudante encargado:


Fecha de realización:

Fecha de entrega:



Maximiliano Barra

Jorge Fuentes

Ignacio Toledo


Jorge Casanova
21/04/2011

28/04/2011




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.



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 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.

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:

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.



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 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.


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.





La base de datos está protegida por derechos de autor ©espanito.com 2016
enviar mensaje