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Ao de la Promocin de la Industria Responsable y del Compromiso ClimticoUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

LABORATORIO N3: MEDICION DE POTENCIA Y VELOCIDAD

CURSO: Lab. De Ingenieria Mecanica I

PROFESOR: Ing. SECCIN: A2015-IINTRODUCCIONLa importancia de un equipo o maquina se da por la capacidad de trabajo que pueda entregar en un cierto tiempo, a esto se denomina potencia.En el presente informe realizaremos el laboratorio de medicin de potencia y la influencia de la velocidad angular en el frenado, nuestra primera experiencia ser la de calcular la potencia elctrica, la potencia al eje y la potencia indicada en el compresor de aire de baja presin, para lo cual tomaremos los datos convenientes, y con stos la eficiencia mecnica. En la segunda experiencia ser la de calcular la potencia al eje que entrega la Turbina Francis para diferentes cargas mediante un freno de cinta (faja) para lo cual tomaremos datos de RPM haciendo uso de un tacmetro digital, as como datos de carga de las pesas y las ledas por medio de lo que nos marcar la lectura del dinammetro, de acuerdo a stos datos hallaremos la eficiencia total.Los captulos subsiguientes se detallaran los objetivos, importancia, procedimiento, Asimismo proporcionaremos grficos que nos indiquen el comportamiento de la potencia con respecto a algunos parmetros fsicos. As como clculos efectuados, conclusiones y recomendaciones para cada experiencia.El Grupo.

OBJETIVOSLos principales objetivos del presente laboratorio son:

1. Conocer los diferentes equipos de medicin de potencia mediante los diferentes mtodos que emplean ellos. Para dicho calculo, as como su eficiencia. 2. Determinar la potencia indicada, potencia al eje y la potencia elctrica del compresor de baja presin, as como su eficiencia mecnica. 3. Encontrar la potencia al eje (Potencia mecnica) que entrega la Turbina Francis a partir de los datos que nos da el freno de cinta (Prony).4. Analizar los diferentes valores de la velocidad angular del eje de la turbina al ser sometido a un frenado al agregar peso a la cinta.

1.FUNDAMENTO TEORICO1.1Potencia La potencia se define como la cantidad de trabajo realizada por unidad de tiempo.Esto es equivalente a la velocidad de cambio de energa en un sistema o al tiempo empleado en realizar un trabajo, segn queda definido por:Dnde: P es la potencia E es la energa o trabajo y t es el tiempo

1.1.1 Potencia al freno y potencia al ejeLa potencia de salida de las mquinas de vapor se determinaba antes por medio de un freno. Por lo tanto, la potencia entregada por las mquinas de vapor se llamaba potencia al freno. El trmino ha persistido y se lo usa tambin en relacin con los motores de combustin interna. La potencia entregada por las turbinas y los motores se llama potencia en el eje. Tambin se usa este trmino para indicar la potencia de entrada en el eje de compresores, ventiladores y bombas. Debe observarse que tanto la potencia al freno como la potencia en el eje denotan la potencia entregada por la mquina al exterior en el caso de un motor o la potencia tomada del exterior por la mquina cuando sta consume potencia. La potencia entregada al eje de una turbina por el vapor o el gas, por intermedio de las ruedas o paletas, se conoce como potencia interna. A causa de las prdidas por friccin, parte de la potencia interna se pierde. Por lo tanto, la potencia entregada por la turbina (potencia en el eje) es menor que la potencia interna. Hay dos mtodos bsicos para medir la potencia de salida de los motores, segn se basen en los instrumentos denominados dinammetros de absorcin, o en los llamados dinammetros de transmisin. El tipo de absorcin absorbe toda la potencia producida y, por lo tanto, su uso debe restringirse a la prediccin de los que una mquina, turbina o motor har en circunstancias dadas. El tipo de transmisin, en cambio, es de valor para determinar la potencia realmente entregada en funcionamiento.Los dinammetros de absorcin pueden ser clasificados de la manera siguiente:a) Dinammetros mecnicos a friccin.b) Dinammetros hidrulicos.c) Dinammetros de aire.d) Dinammetros elctricos

a)Dinammetros mecnicos a friccin.-La potencia entregada por la turbina es absorbida por la friccin existente entre la faja y el volante. El efecto de friccin la controlamos por medio del cargado de pesas aumentando sta, conforme se aumenta el cargado. Si deseamos medir potencias relativamente altas debemos de agregar agua en la volante con la finalidad de producir el enfriamiento de sta, con la consiguiente evaporacin del lquido. El freno de faja presenta grandes dificultades para la disipacin del calor y para mantener constante el par resistente, por ello su uso se limita para la medicin de bajas potencias.

Figura 1.1. Uso de un freno prony.

b)Dinammetros hidrulicos.-En el dinammetro hidrulico la friccin de un fluido se sustituye por la friccin entre slidos. Se compone de un elemento rotativo en el interior de una caja parcialmente llena de agua. Dado que puede haber una circulacin continua de fluido por el dinammetro, el dinammetro hidrulico puede ser construido para potencias mucho mayores que el anterior.

Figura 1.2. Dinammetro hidralico. c) Dinammetros de aire.-Hay muchas variantes del dinammetro de aire. Se los llama frenos de aire o frenos de ventilador. La mayor parte de ellos se basan en la friccin entre el elemento rotativo y la atmsfera libre para absorber la potencia, aunque en algunos casos el elemento rotativo est parcialmente cerrado para aumentar su capacidad de absorcin de potencia. La potencia absorbida a una velocidad dada no puede variarse sin hacer cambios mecnicos; adems, la capacidad para absorber potencia es escasa, an a grandes velocidades. d) Dinammetros elctricos.-El dinammetro de campo basculante consiste esencialmente en una mquina de c.c. en derivacin que puede funcionar indiferentemente como motor o como generador.El dinammetro de campo basculante en rigor no es dinammetro de absorcin. La parte principal de la potencia de entrada es convertida en energa elctrica la que puede disiparse en un banco de resistencias.

Para hallar la potencia en nuestro experimento deducimos que la potencia es: F Wr

RPM

Como el torque en este casoSera el de friccin entonces:F friccin= Ff = W FT= Ff.r = (W-F).r

Figura 1.3. Diagrama de determinacin de la potencia al freno.

1.2.Potencia indicadaEn las mquinas de vapor y los motores de combustin interna , la sustancia activa ejerce una fuerza neta sobre los pistones a medida que estos se mueven , y por lo tanto , se desarrolla potencia a costa de la energa de la sustancia activa. Despreciando la friccin , esta potencia es transmitida a travs de la maquina hasta el eje de salida. En cambio en los compresores y en las bombas reciprocas, se suministra potencia a la maquina por intermedio de su eje y se la transmite hasta los pistones. El pistn a su vez entrega este trabajo a la sustancia activa. El trabajo realizado sobre el piston , o por l , es una medida de la eficacia del proceso experimentado por la sustancia activa.La presin ejercida sobre el piston por la sustancia activa varia con el tiempo. Por lo tanto, resulta necesario medir esta variacin para determinar la potencia entregada al piston o por l. Para esta determinacin se utiliza un aparato llamado indicador. Por la tanto, la potencia determinada mediante el uso de un indicador, se llama potencia indicada . En otras palabras la potencia indicada es la potencia entregada a la cara del piston o por ella.

Esta potencia es determinada mediante los llamados indicadores de diagrama, estos son Indicadores del tipo pistn.a) Indicadores de diafragma de equilibrio.b) Indicadores pticos.c) Indicadores electrnicos.

Los indicadores del tipo pistn se utilizan en mquinas alternativas de baja velocidad, tales como mquinas a vapor, bombas, compresores y motores de combustin interna.

Figura 1.4. Indicador del tipo de pistn

Los indicadores de diafragma se usan para mquinas alternativas de alta velocidad.Los indicadores pticos han sido diseados para 2000 rpm o ms, de tal manera que los efectos de inercia puedan ser considerados despreciables. Los indicadores electrnicos son tiles para un rango ms amplio de velocidades estando libre de los efectos de inercia.La potencia desarrollada por la mquina no es la misma que se le da debido a las prdidas que se suscitan durante su funcionamiento. En la transmisin de la potencia una parte de ella se pierde inevitablemente a causa de la friccin. La presin media indicada (Pmi) se obtiene con el indicador de diagrama que es un instrumento provedo de un soporte que nos registra el ciclo termodinmico que se suscita en escala reducida.

PmiPVl

Figura 1.5. Diagrama ledo por un planmetro.

S = rea del ciclo termodinmicoK = constante del resorteL = longitud del diagrama

Pmi = . K

Y la potencia indicada (IHP):

Donde:N= nmero de cilindros = 1 2 dependiendo de los tiempos del motor.

Figura 1.6. Diagrama real del indicador; compresor de aire.

1.3. CompresorUncompresores unamquina de fluidoque est construida para aumentar lapresiny desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son losgasesy losvapores. Esto se realiza a travs de un intercambio deenergaentre la mquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por l convirtindose enenerga de flujo, aumentando su presin yenerga cinticaimpulsndola a fluir.Al igual que las bombas, los compresores tambin desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son mquinas hidrulicas, stos son mquinas trmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable dedensidady, generalmente, tambin de temperatura; a diferencia de losventiladoresy los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presin, densidad o temperatura de manera considerable.

Figura 1.7. Compresor.1.4. Turbinas hidrulicasUnaturbina hidrulicaes unaturbomquinamotora hidrulica, que aprovecha la energa de un fluido que pasa a travs de ella para producir un movimiento de rotacin que, transferido mediante un eje, mueve directamente una mquina o bien ungeneradorque transforma laenerga mecnicaen elctrica, as son el rgano fundamental de unacentral hidroelctrica.En este caso, veremos un tipo de turbina, la turbina Francis.1.4.1 Turbina FrancisSon conocidas como turbinas de sobrepresin por ser variable la presin en las zonas del rodete, o deadmisintotal ya que ste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. Tambin se conocen como turbinas radiales-axiales y turbinas de reaccin, conceptos que se ampliarn en su momento.El campo de aplicacin es muy extenso, dado elavancetecnolgico conseguido en la construccin de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente).

Consideraremos la siguiente clasificacin, en funcin de la velocidad especfica del rodete, cuyo nmero de revoluciones por minuto depende de las caractersticas del salto.

- Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o ms).- Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m)- Turbinas Francis rpidas y extra rpidas. Apropiadas a saltos de pequea altura (inferiores a 20 m).

Las turbinas Francis, son de rendimiento ptimo, pero solamente entre unos determinados mrgenes (para 60 % y 100 % del caudal mximo), siendo una de las razones por la que se disponen varias unidades en cada central, al objeto de que ninguna trabaje, individualmente, por debajo de valores del 60 % de la carga total.Las grandes turbinas Francis se disean de forma individual para cada emplazamiento, a efectos de lograr la mxima eficiencia posible, habitualmente ms del 90%. Son muy costosas de disear, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante dcadas.Adems de para la produccin de electricidad, pueden usarse para el bombeo y almacenamiento hidroelctrico, donde un embalse superior se llena mediante la turbina (en este caso funcionando comobomba) durante los perodos de baja demanda elctrica, y luego se usa como turbina para generar energa durante los perodos de alta demanda elctrica.Se fabrican microturbinas Francis baratas para la produccin individual de energa para saltos mnimos de 52 metros.

Figura 1.8. Turbina Francis.1.4.1.1Partes de la turbina Francis1.4.1.1.1Caja espiralTiene como funcin distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete de una turbina1.4.1.1.2 Pre distribuidor

Tienen una funcin netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral, tienen una forma hidrodinmica para minimizar las prdidas hidrulicas.

1.4.1.1.3Distribuidor

Es el nombre con que se conocen los labes directores de la turbomquina, su funcin es regular el caudal que entra en la turbina, a la vez de direccionar al fluido para mejorar el rendimiento de la mquina. 1.4.1.1.4. Rotor

Es el corazn de la turbina, ya que aqu tiene lugar el intercambio de energa entre la mquina y el fluido, pueden tener diversas formas dependiendo del nmero de giros especfico para el cual est diseada la mquina.1.4.1.1.5. Tubo de aspiracin

Es la salida de la turbina. Su funcin es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que estn por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma dedifusor, para generar un efecto de aspiracin, el cual recupera parte de la energa que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

2.1. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS UTILIZADOS

A continuacin se presentaran los instrumentos y equipos utilizados en la presente experiencia.

2.1.1. MEDICIN DE POTENCIA DEL COMPRESOR DE BAJA PRESIN

Motores elctricos con sus respectivos tableros de control

Figura 2.1. Motores elctricos.

Sistema de compresin de aire en dos etapas

Figura 2.2. Compresor de aire. Planmetro

Figura 2.3. Planmetro.

5. Indicador de diagramaFigura 2.4. Indicador de diagrama6. Dinammetro

Figura25..Dinammetro

7. Tacmetro DigitalRango:0 2500 rpmAprox:50 rpm

Figura 2.6: Tacmetro Digital

8. Barmetro

Figura 2.7: Barmetro.

2.1.3. MEDICIN MEDIR LA POTENCIA EN LA TURBINA FRANCIS TURBINA FRANCISMarcaARMFIELD HYDRAULIC ENGINEERING Co. Ltd. RINGWOOD HARTS, ENGLAND.

TipoNs 36 MK2

Potencia2,5 BHP

Velocidad1000 RPM

Tamao nominal del rodete6

Velocidad especifica36 RPM

Altura neta20 pies

Velocidad de embalamiento mximo1800 RPM

Dimetro de la volante12

Dimetro de entrada6

Figura 2.12: Turbina Francis

ReservorioEscala:0-30 cm.

Forma:Triangular =90

Coeficiente de descarga:0,6

Error Mx.:0,1 mm

Figura 2.13: Llenado del reservorio

Bomba y la vlvula

Figura 2.14: Bomba y la vlvula

Conjunt de pesas de : 0.25 kg, 0.5 kg ,1 kg , 2kg, 10 kg,

Figura 2.15: Pesas

Tacmetro y dinammetro

Figura 2.16: Tacmetro Digital Figura 2.17: Dinammetro

3.1. PROCEDIMIENTO3.1.1 Medicin de potencias en el compresor de baja presin

1. Iniciamos el encendido del compresor, controlando los valores de corriente y voltaje en el tablero de control.

Figura 3.1. Tablero de controlAntes de iniciar nuestra toma de datos dejamos que el compresor adopte una cierta estabilidad, la cual se manifiesta en su incremento de temperatura. De esta manera nos aseguramos que las propiedades de ingreso y salida del aire con respecto al compresor sean relativamente constantes. Esperamos hasta que la presin del manmetro del tanque nos marque aproximadamente 8 Kg/cm2.2. Luego, procedemos a colocar el indicador de diagrama en el compresor.En este momento los integrantes deben estar sincronizados para medir las rpm de la volante del compresor, as como el lector analgico de las rpm del dinammetro elctrico, la carga que indica el dinammetro en Kg, y realizamos la grfica del ciclo de trabajo en el compresor con ayuda del planmetro.Cabe resaltar que este dinammetro elctrico puede funcionar como motor, se lo utiliza para determinar la potencia absorbida por compresores

Figura 3.2. Indicador de diagrama instalado. Figura 3.3. Lectura del dinammetro.

Figura 3.4. Grficas obtenidas del compresor.

3. Posteriormente procedemos a tratar de mantener la presin en 8 Kg/cm2.

4. Volvemos a repetir el segundo paso por segunda vez, pero con diferentes valores de corriente y voltaje.

5. Finalmente medimos las reas de los diagramas de trabajo de cada compresor.

Figura 3.5. Medicin de las reas.

3.1.3. Medicin de potencia en la turbina Francis. Para la el clculo de la potencia al eje de una turbina Francis debemos realizar los siguientes pasos:

Figura 3.15: Instalacin del freno de faja a una Turbina Francis

1. Llenar el reservorio de suficiente agua para alimentar al impulsor y abastecer a la turbina Francis.

Figura 3.16: Llenado del reservorio

2. Colocar un poco de agua dentro de la volante de color amarrillo, para evitar el calentamiento provocado por la friccin de la faja (Prony).

Figura3.17: Volante

3. Encender la bomba y abrir las vlvulas

Figura 3.18: Bomba y la vlvula

4. Variar la fuerza de friccin colocando pesas en el extremo de la faja

Figura 3.19: Pesas

5. Para cada carga de pesas tomar las medidas del dinammetro (en Kg) y del tacmetro digital (RPM)

Figura 3.20: Tacmetro Digital Figura 3.21: Dinammetro

6. Una vez terminado todas las mediciones cerrar la vlvula lentamente mientras retiramos las pesas y luego apagar la bomba.