Informe Bombas y Turbinas [PDF]

Zitiervorschau

LABORATORIO DE HIDRÁULICA DE SISTEMAS A PRESIÓN

INFORME DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

PRESENTADO A: ING. MÓNICA ANDREA VARGAS SOLLA

GRUPO HSAP+ 34

PRESENTADO POR: NIETO MENDOZA VALENTINA OCHOA MESA JHONATAN DAVID PATARROYO GONZALEZ YURI ANDREA ROA RUBIO LAURA JULIANA RUBIO AGUIRRE JUAN DIEGO

BOGOTÁ D.C. 8 DE MAYO DE 2020

TABLA DE CONTENIDO 1

LISTA DE TABLAS................................................................................................................... 3

2

LISTA DE ILUSTRACIONES....................................................................................................3

3

LISTA DE ECUACIONES..........................................................................................................3

4

INTRODUCCIÓN...................................................................................................................... 4

5

OBJETIVOS.............................................................................................................................. 5 5.1

OBJETIVO GENERAL.......................................................................................................5

5.2

OBJETIVOS ESPECÍFICOS..............................................................................................5

6

MARCO TEÓRICO................................................................................................................... 6

7

METODOLOGÍA....................................................................................................................... 6

8

ANÁLISIS.................................................................................................................................. 6

9

CONCLUSIONES..................................................................................................................... 6

10

REFERENCIAS..................................................................................................................... 7

Página | 2

1 LISTA DE TABLAS

2 LISTA DE ILUSTRACIONES

3

LISTA DE ECUACIONES

Página | 3

4 INTRODUCCIÓN

Página | 4

1 OBJETIVOS 1.1 OBJETIVO GENERAL Conocer y comprender el funcionamiento, elementos y comportamiento de los diferentes tipos de bombas, además de sus diferencias, ecuaciones y graficas descriptivas.

     

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Comprender la funcionalidad y usos de las diferentes bombas hidráulicas. Conocer y comprender el uso de la teoría en la práctica para determinar la característica de una bomba. Conocer el uso de la turbina. Describir los principales términos teóricos sobre el funcionamiento de las bombas como las turbinas, estos son la eficiencia y las potencias correspondientes a cada una. Determinar la eficiencia en un conjunto de turbinas ya sean paralelas o en serie. Comprender que son y cómo funcionan las turbinas Francis y Pelton.

Página | 5

2 MARCO TEÓRICO Las bombas son máquinas destinadas a trasladas fluidos; el funcionamiento de estas máquinas consiste principalmente en la transformación inicialmente de una energía eléctrica que pasa a ser energía mecánica y se transforma en energía hidráulica que es transmitida a una corriente de agua la cual es expresada como potencia. La energía que llega y sale de la bomba es expresada en alturas y para los puntos antes y después de la bomba pueden expresarse de la siguiente manera.

Hp=

(

P2 v2 P v2 +∝2 2 − 1 + ∝1 1 γ 2g γ 2g

)(

) Ecuación 1

Donde: Hp: energía suministrada por la bomba (m) P2 y P1: Presión a la salida y a la entrada de la bomba (N/m^2) V1 y v2: velocidad a la salida y a la entrada de la bomba (m/s) α1 y α2: factor de corrección de la energía cinética ϒ: peso específico del fluido bombeado (N/m^3) g: aceleración de la gravedad (m/s^2) Sin embargo, para diámetros iguales, las velocidades como los factores de corrección de energía van a ser iguales también con lo que a la expresión queda de la siguiente manera.

Hp=

(

P2 −P1 P p = γ γ

)

Ecuación 2, Energía de la Bomba

Potencia Útil La potencia útil o energía suministrada por la bomba es la energía suministrada por unidad de tiempo al fluido.

P H =γQ H p Ecuación 3, Potencia Hidráulica

Donde PH: Potencia Hidráulica. Potencia suministrada al fluido (vatios) ϒ: peso específico del fluido bombeado (N/m^3) Q: Caudal (m^3/s) Hp: Energía suministrada por la bomba. (m)

Potencia mecánica Página | 6

Las bombas consumen más potencia de la que producen y a la relación de estas potencias se le llama eficiencia o rendimiento de la bomba. Este valor es importante a la hora de querer seleccionar una bomba ya que se debe buscar optimizar la eficiencia del bombeo.

η=

PH PM Ecuación 4, Eficiencia de la bomba

Donde: Ƞ=eficiencia de la bomba PH: potencia hidráulica (vatios) PM: potencia mecánica (vatios) Teniendo en cuenta lo anterior la potencia mecánica es la potencia consumida por la bomba para su funcionamiento, también es conocida como potencia al freno, y se utiliza para la elección del motor. De la ecuación cuatro podemos despejar el valor de la potencia mecánica obteniendo:

P M=

γQ H p η Ecuación 5, Potencia mecánica

Potencia Eléctrica A partir del punto de vista físico la potencia mecánica es suministrada a la bomba por un eje con un torque T, que gira a una velocidad angular ω, lo cual se puede expresar como lo muestra la ecuación 6.

P M =Tω Ecuación 6,Potencia mecánica

Sabiendo que la potencia mecánica es la potencia que consume el eje y este recibe su potencia de un motor eléctrico, podemos determinar la eficiencia del motor eléctrico como la relación entre la Potencia mecánica y la Potencia eléctrica ƞe.

ηe =

PM PE Ecuación 7, eficiencia eléctrica

Generalmente la transformación de la energía eléctrica en energía mecánica es muy eficiente y por consecuencia el valor de la eficiencia eléctrica es muy cercano a la unidad. Tipos de Bombas Para la clasificación de las bombas se debe tener en cuenta el embolo o rodete que posee esta, ya que a partir de este elemento es que se realiza el cambio de energía dentro de la bomba, de energía mecánica a energía hidráulica inyectada a el fluido. Las bombas pueden dividirse en tres tipos: 1. Las bombas de alabes o centrifugas, que se consideran rotativas y como máquinas de corriente ya que la dirección y la velocidad de estas son muy importantes dentro de su funcionamiento.

Página | 7

2. Las bombas volumétricas o de desplazamiento positivo, son aquellas que funcionan por medio de un pistón el cual inyecta energía al fluido a través de presión que es creada por una variación de volumen. Con este tipo de bombas en cada ciclo el pistón genera de manera positiva un volumen dado que se obtienen el nombre de bombas volumétricas. En este caso el valor de la velocidad y la dirección no son de importancia. 3. Este es un grupo adicional en el cual hay un intercambio de energía potencia, las cuales se denominan maquinas gravimétricas, como ejemplo tomando el tornillo de Arquímedes Dentro de esta clasificación de bombas también podemos hacer una subdivisión en la cual encontramos las siguientes bombas. 

Bombas centrifugas: estas bombas funcionan a partir de alabes o rodetes que transforman la energía mecánica en energía cinética y potencial necesaria. El funcionamiento de esta bomba consta de la entrada del fluido por el centro del rodete que consta de unos alabes los cuales impulsan el fluido por medio de la fuerza centrífuga hacia el exterior donde entra en el cuerpo de la bomba que lo conduce hacia la tubería.



Bombas rotativas: son bombas volumétricas las cuales el fluido sufre una presión en uno o varios compartimentos, algunos ejemplos de este tipo de bombas son las bombas de paletas, bombas de engranaje, bomba de tornillo o bomba de peristáltica. Bombas de embolo: son bombas volumétricas de desplazamiento positivo en la cual se bombean altos contenidos de sólidos.



El rendimiento de las bombas depende fundamentalmente de tres tipos de pérdidas de carga que se desarrollan dentro de ella; las cuales son las pérdidas hidráulicas, que son las perdidas de carga debidas a la fricción o formación de torbellinos; las perdidas volumétricas que son causadas por la pérdida de fluido a través de los elementos de la bomba; y las perdidas mecánicas, ocasionadas en aquellos sitios donde existe fricción mecánica, como las chumaceras. Debido a que las bombas centrifugas son de gran aplicación hay una gran clasificación de estas, dependiendo de sus principales características 

Aspiración del líquido Página | 8

    

Dirección del flujo Numero de rodetes (impulsores o etapas) Tipo de rodete Posición del eje Presión en la descarga

ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE UNA BOMBA CENTRIFUGA El funcionamiento de la bomba consiste en que a partir del el rodete o impulsor de la bomba que gira a gran velocidad se genera en el líquido una diferencia de presiones y una resultante de velocidades superior a la inicial obligando a que el fluido siga un movimiento en forma de espiral. Entre los alabes del rodete y la corriente del líquido se presenta una interacción como resultado del intercambio de energía mecánica a hidráulica. El rotor de una bomba se compone de dos discos que se encuentran paralelos y entre los cuales se ubican los alabes de la bomba, uno de los rodetes se encuentra unido al eje y es junto con este que se genera el movimiento; justo en medio ahí un orificio que es el que permite que entre el fluido en el sistema de manera que este es conducido por los alabes hasta la periferia del sistema. La ecuación general de las bombas tiene dos suposiciones para su obtención que son las siguientes. 1. Se supone que la bomba posee un número infinito de alabes con un espesor cada uno nulo, esta suposición con la intención de que la línea de corriente sean todas idénticas a la forma de los alabe, y la velocidad sea una variable únicamente dependiente del radio, de manera que sea igual en cualquier punto a un mismo radio del centro del disco. 2. No se presentan perdidas dentro de la bomba, por lo cual su rendimiento es igual a uno, lo que implica que la energía generada por el rodete es implantada al fluido en un cien por ciento. Una vez se han determinado estas suposiciones es más sencillo obtener la ecuación de la bomba a partir de dos ecuaciones, la primera en la cual la velocidad que tiene el rodete va a ser igual a la velocidad del eje es igual a la energía recibida en un segundo por la corriente liquida; y la segunda ecuación se plantea que el momento del eje es igual al aumento por unidad de tiempo de momento de la cantidad de movimiento del líquido dentro del rodete.

Tω=γQ H t Ecuación 8, ecuación de la bomba

Donde: T: torque (N-m) ω= velocidad angular (radianes /seg) ϒ= peso específico (N/m3) Q=caudal (m^3/s) Ht = altura teórica de bombeo (m)

T=

γQ ∗(c 2 r 2 cos ⁡α 2 −c 1 r 1 cos α 1) g Ecuación 9, ecuación de la bomba

Si despejamos de ambas ecuaciones la altura de bombeo obtenemos Página | 9

Ht=

ω (c r cos α 2−c 1 r 1 cos α 1 ) g 2 2 Ecuación 10, Altura teórica de bombeo

Cuando el fluido llega a la bomba este no posee ninguna rotación preliminar generalmente por lo cual la velocidad sigue el radio y su ángulo de entrada al rodete seria de 90° y la ecuación 10 podría expresarse de la siguiente manera

Ht=

u c ω ( c2 r 2 cos α 2) = 2 2 t g g Ecuación 11

Donde u2= velocidad periférica del rodete c2 = proyección de la velocidad absoluta a la salida del rodete en la dirección de la velocidad periférica Para obtener grandes alturas de bombeo en una bomba centrifuga es necesario crear una velocidad periférica elevada del rodete, la cual se puede conseguir si el diámetro como la velocidad del rodete son elevados, o la otra opción es la implementación de un gran número de alabes. La fórmula de altura de la bomba puede ser expresada igualmente en términos del caudal y el ángulo que forma el alabe tangencialmente con el rodete.

Ht=

u2 Qctg β 2 (u2 − ) g 2 π r 2 b2 Ecuación 12

Curva característica La curva característica real es un curva en la cual se ven graficados Ht(altura teórica de la bomba ) vs Q (caudal) y la cual es útil ya que a partir de esta podemos determinar los efectos de las su pociones que no se tuvieron en cuento para determinar la ecuación de la bomba como lo son la fricción el número infinito de alabes con espesor nulo. Esta grafica se obtiene a partir de las pruebas de laboratorio en las cuales la curva característica es de segundo grado o mayor y se encuentra por debajo de la curva característica teórica.

3 METODOLOGÍA

4 ANÁLISIS  ¿Qué es y cómo funcionan las turbinas Francis y Pelton? Una turbina hidráulica es una turbomáquina que convierte la energía de flujo del agua en energía mecánica por medio de un sistema de cuchillas giratorias; dichas maquinas son muy utilizadas en las centrales hidroeléctricas ya que esta energía mecánica se puede utilizar para alimentar otra máquina o un generador eléctrico . Página | 10

Las turbinas hidráulicas, se pueden clasificar según funcionamiento en: 1. Turbinas hidráulicas de acción: son aquellas que sólo aprovechan la velocidad del flujo de agua para girar y entre las cuales podemos encontrar: 1.1 Turbinas Pelton: son turbinas de acción de flujo transversal (turbina en disposición vertical) y admisión parcial, están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con pequeños caudales. En este tipo de turbinas, el agua cae desde una altura determinada por una galería hasta llegar al distribuidor, este está formado por una o varias entradas de agua al rodete. El rodete consiste en un anillo formado por álabes llamados en este caso cangilones (estos cangilones son como dos cucharas unidas por un vértice).

Ilustración 1: Turbina Pelton con los cangilones a la vista.

En este tipo de turbinas, coincide el sentido de proyección del chorro del agua con el sentido de giro del rodete. La velocidad del agua a la entrada y salida del rodete es prácticamente la misma siendo por tanto poco apreciables las pérdidas de carga. Estas turbinas tienen una alta disponibilidad y bajo costo de mantenimiento, además su rendimiento es bastante alto, tanto en condiciones nominales como en caudales hasta un 80% inferior al nominal. La versatilidad de este tipo de máquinas hace que sea muy apropiada en condiciones parciales de trabajo, además de permitir una amplia variación de caudales en su funcionamiento. Se puede instalar con eje horizontal o vertical, y con uno o varios inyectores. 2. Turbinas hidráulicas de reacción: son aquellas que aprovechan tanto la velocidad como la pérdida de presión del agua en el interior de la turbina. Entre las cuales podemos encontrar: 2.1 turbina Francis : Son turbinas hidráulicas de reacción y de flujo mixto; diseñadas para saltos de agua y caudales medios. En este tipo de turbinas, el distribuidor está compuesto por álabes directrices móviles que regulan el caudal de agua que se dirige al rodete. Aquí el agua procedente de la tubería forzada entra perpendicularmente al eje de la turbina y sale paralela a él.

Página | 11

Ilustración 2: Esquema de funcionamiento de una Turbina Francis.

Como se observa en la imagen anterior, en estas turbinas la dirección de entrada y salida del agua no coincide con el sentido de giro del rodete, ya que el agua, al pasar por el rodete cambia de dirección, velocidad y presión. De esta forma, la potencia producida irá en función de la carga perdida por el agua en su desplazamiento. Las turbinas Francis se pueden aplicar en un amplio rango de saltos y caudales, siendo capaces de operar en rangos de desnivel que van de los 10 m hasta varios cientos de metros.  ¿Cómo se determina la eficiencia en conjunto de las bombas (2 bombas) ya sea en serie o paralelo? La eficiencia paralela es la eficiencia obtenida por un grupo de bombas operando en paralelo. Puede calcularse dividiendo la suma de la potencia hidráulica de cada bomba por la suma de la potencia del eje requerida a la tasa de flujo de descarga y al cabezal de presión dados. Dado que la eficiencia es igual a la potencia hidráulica normalizada por la potencia del eje, se espera que cualquier diferencia en el rendimiento de la bomba pueda observarse aún más claramente en los datos de eficiencia paralela que en los datos combinados de generación de potencia hidráulica.

Página | 12

Gráfica 1. Eficiencia en paralelo.

Cada una de las representaciones gráficas secundarias corresponde ahora a una de las cuatro posibilidades de seguir sacando de operación posteriormente más bombas de las cinco que operan en paralelo. Sólo a nivel individual, sin embargo, se vuelve evidente que la bomba E tiene un problema grave. En el caso de las cuatro bombas en operación, como se muestra en el recuadro izquierdo superior, la combinación de bombas con mejor desempeño puede ser identificada, pero no se puede reconocer la bomba individual que produce el funcionamiento deficiente de la estación como un todo. La representación gráfica de todos los datos de eficiencia disponibles en una escala común de eficiencia muestra cuán grandes son las diferencias en las eficiencias individuales de las bombas comparadas con la eficiencia paralela de cada bomba. Normalizando a una potencia de eje común, las curvas en abanico ya no se apilan y comprimen como era el caso de las curvas de potencia hidráulica. En su lugar, las curvas se superponen parcialmente y se atraviesan unas a otras. Mientras que, en el caso de las bombas individuales, la diferencia en la eficiencia entre la mejor y la peor bomba es de alrededor de un 8% absoluto, la diferencia en la eficiencia entre la combinación de cuatro bombas que opera mejor y la que opera de peor forma, sólo es de un 2% absoluto. La diferencia entre los mejores y peores aumenta en la medida que disminuye el número de bombas en operación, pero también lo hace el número de posibles combinaciones y, por lo tanto, el tiempo de pruebas y, por supuesto, también se acrecienta la complejidad del análisis.

Página | 13

Gráfica 2. Eficiencia en paralelo.

Es necesario hacer notar que la mejor eficiencia obtenida por las bombas individuales corresponde a la bomba que tiene un rendimiento levemente superior al de los datos de rendimiento publicados. Sin embargo, el mejor rendimiento combinado de cinco bombas se basa en cinco bombas que cumplan exactamente con los datos de rendimiento publicados.

5 CONCLUSIONES 



Con los desastres naturales que estamos viviendo en la actualidad por culpa de la mala administración de los recursos por parte del hombre; las turbinas son uno de los elementos más importantes en las energías renovables, ya que tienen un impacto ambiental muy escaso, pues además de utilizar recursos naturales como el viento y el agua en lugar recursos finitos, no generan contaminantes. Las centrales hidroeléctricas convierten en energía eléctrica la diferencia potencial que tiene una determinada masa de agua al trasladarla entre dos puntos situados a distinta altura; ya que al actuar el agua sobre las paletas de la turbina convierte la energía cinética en energía rotatoria, que a su vez se convierte en energía eléctrica, ya que el eje de la turbina está unido al de un generador eléctrico.

6 REFERENCIAS -

Díaz, H. A. (2000). Hidráulica Experimental. Bogotá: Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

-

https://aprendecienciaytecnologia.com/2019/04/10/tipos-y-caracteristicas-de-turbinasturbina-pelton-francis-y-kaplan/ Página | 14

-

https://www.ceupe.com/blog/turbinas-hidraulicas.html https://solar-energia.net/energias-renovables/energia-hidraulica/turbinas-hidraulicas

-

Ávila, G. S. (1994). Hidráulica General VOL.I Fundamentos. México D.F.: Noriega Editores.

-

http://bdigital.unal.edu.co/11934/51/3353962.2007.Parte11.pdf https://www.slideshare.net/verytomaca/sistema-de-bombas-en-serie-y-paralelo-1 https://www.cidra.com/sites/default/files/document_library/BI0528-sp_WIM_2014_ArticleFINAL.pdf

Página | 15