Laboratorio 4-Bomba Centrifuga-Turbina Pelton

0

Reconocimiento de Bomba centrfuga y Turbina Pelton

LABORATORIO DE MA QUINAS ME5301-3

INFORME N4

Profesor Ricardo Daz Auxiliar Marion Daz Alumno Edison Manrquez Fecha 15 de octubre

1

Contenido 1 Introduccin .................................................................................................................................... 2

2 Objetivos .......................................................................................................................................... 3

3 Antecedentes .................................................................................................................................. 4

3.1 Bomba Centrfuga ................................................................................................................... 4

3.2 Turbina Pelton ......................................................................................................................... 6

4 Procedimiento Experimental .......................................................................................................... 9

4.1 Montaje Bomba Centrfuga .................................................................................................... 9

4.2 Turbina Pelton ....................................................................................................................... 11

5 Clculos .......................................................................................................................................... 13

5.1 Bomba Centrfuga ................................................................................................................. 13

5.2 Turbina Pelton ....................................................................................................................... 16

6 Anlisis de resultados ................................................................................................................... 20

6.1 Bomba Centrfuga ................................................................................................................. 20

6.2 Turbina Pelton ....................................................................................................................... 20

7 Conclusiones .................................................................................................................................. 22

2

En el presente informe de laboratorio se abordarn dos experiencias con distintas mquinas, una

Bomba Centrfuga y una Turbina Pelton.

Una Bomba centrfuga es una mquina que recibe trabajo de un motor elctrico con el fin de aspirar

algn tipo de fluido lquido y entregarlo a una mayor presin. Estas mquinas son ampliamente

usadas casi en cualquier industria, es por ello la importancia de este estudio. Las caractersticas de

operacin de una bomba corresponden a la presin que se aplica al fluido, la potencia hidrulica de

_este y el rendimiento en el proceso de conversin de energa elctrica proveniente del motor en

energa hidrulica. Tal como cualquier mquina, es de gran importancia encontrar las condiciones

de operacin deseadas como optimizar el rendimiento.

Por otro lado, las turbinas hidrulicas Pelton corresponden al tipo de mquinas ms ampliamente

utilizada para la generacin de energa elctrica a partir de la energa potencial gravitacional de un

fluido. Sus condiciones de operacin definen la potencia entregada al eje y rendimiento. Estudiar el

rendimiento de esta mquina es de especial importancia ya que las magnitudes de potencias

generadas van desde los 3 KW hasta los 600 MW.

En el presente se pretende obtener las curvas caractersticas tanto de bomba centrfuga como de

turbina Pelton.

1 Introduccin

3

Conocer bsicamente el funcionamiento de la Bomba centrfuga

Conocer bsicamente el funcionamiento de la Turbina Pelton

Familiarizarse con las mquinas usadas en la experiencia

Obtener datos como presiones de admisin, descarga, dinmica, voltajes, corrientes para

diferentes RPM

Obtener curvas caractersticas tanto para Bomba Centrfuga y Turbina Pelton y comparar

con las esperadas

Determinar fuentes de error en las mediciones

2 Objetivos

4

3.1 Bomba Centrfuga Las bombas centrfugas tienen variadas configuraciones dependiendo de los requerimientos de

presin que stas deben elevar. Las etapas consisten de un difusor por el cual el fluido es impulsado

a travs del eje hacia la periferia mediante labes. Luego posee un difusor estacionario que recibe

el fluido en movimiento y transforma su energa cintica en energa de presin (energa hidrulica).

Figura 3.1 Bomba centrfuga

Figura 3.2 Rodete Bomba centrfuga

Una de las curvas caractersticas es la presin neta que puede elevar la bomba. Esta presin

generalmente se expresa en trminos de altura de una columna de agua. (Nota: todas las frmulas

en este informe estn en unidades SI). Su frmula est dada por:

= +

22

2 (3.1)

Donde es la altura total, es la altura de descarga, la altura de admisin, el peso especfico

del agua ( = 9780 /3), la velocidad del fluido a la descarga, la velocidad del fluido en la

admisin y la aceleracin gravitacional. Las alturas de admisin y descarga se pueden expresar,

adems, como presiones (medibles en el circuito) de la forma:

=

(3.2)

Por lo tanto nos queda la expresin:

=

+

2

2

2 (3.3)

3 Antecedentes

5

Figura 3.3 Esquema de las alturas involucradas en las frmulas

Las velocidades y se pueden obtener utilizando la expresin siguiente:

= = (3.4)

Donde y son las reas de seccin transversal del ducto de admisin y descarga,

respectivamente y es el caudal.

Otra curva caracterstica es la potencia hidrulica del fluido y est dada por la expresin:

= (3.5)

La potencia elctrica que consume el motor est dada por:

= cos() (3.6)

Donde es el voltaje trifsico (380 [V]), es el nmero de fases (3), cos () es una constante del

motor que vale 0.85, es el rendimiento del motor (0.95) e es la intensidad de corriente medida

en Amperes.

Con esto podemos definir la ltima curva caracterstica que corresponde al rendimiento de la bomba

como sigue:

=

100 (3.7)

Las curvas caractersticas de la bomba tienen tpicamente las siguientes formas en funcin del

caudal y las rpm:

6

Figura 3.4 Curvas caractersticas Bomba Centrfuga

3.2 Turbina Pelton Las turbinas Pelton son turbomquinas que reciben energa cintica de un chorro de agua y lo

convierten en torque mediante el choque entre ste y una cuchara. Este choque, al desviar el chorro,

produce un cambio de momentum y por lo tanto se genera una fuerza. El torque multiplicado por

la velocidad de giro de la turbina es la potencia mecnica que entrega el eje.

7

La estructura tpica es de un rodete con cucharas que desvan el fluido en dos direcciones. El chorro

es entregado por un difusor de aguja que puede tener o no un deflector. En la figura siguiente se

muestra el esquema de una turbina Pelton tpica:

Las cucharas estn cuidadosamente diseadas para desviar el chorro en la medida justa para

obtener un trabajo perifrico considerable sin que haya interferencias con las dems cucharas.

La potencia al eje se mide mediante una caja de resistencias y la expresin que modela esto est

determinada empricamente como sigue:

= + (0.68 0.015)2 + (0.03 3.83) 745.7 102 (3.8)

Donde e son el voltaje e intensidad de corriente producidos por el generador elctrico,

respectivamente, y es la velocidad de giro en RPM.

La potencia hidrulica que recibe la turbina est dada por la frmula:

= (3.9)

Con esto podemos definir el rendimiento obtenido por la mquina:

=

(3.10)

La velocidad especfica proporciona una base de comparacin entre turbinas de distinto tamao.

Est dada por la frmula:

=

54

(3.11)

Las curvas caractersticas tpicas para turbinas Pelton se muestran en las figuras siguientes:

Figura 3.5 Esquema de los elementos de una turbina Pelton

Figura 3.6 Cucharas de una turbina Pelton

8

Figura 3.7 Curva de caracterstica de potencia

Figura 3.8 Curvas caracterstica de rendimiento

Figura 3.9 Curvas caractersticas de velocidad especfica de turbinas Pelton

Para calcular el caudal en ambas experiencias se har uso de la ecuacin 5.1 , la cual se

deduce de la calibracin del tubo pitot

= 11073 9105

2 + 0.0353 + 1,39593

Donde es la presin dinmica en mmHg.

9

4.1 Montaje Bomba Centrfuga El montaje para la bomba centrfuga se muestra en el esquema siguiente:

Figura 4.1 Esquema del montaje utilizado para realizar las pruebas en la bomba centrfuga

Las medidas tomadas fueron presin de admisin, presin de descarga, presin dinmica e

intensidad de corriente de alimentacin del motor. Debido a que fueron medidas de presin las

tomadas, la altura de los medidores rige los valores medidos. Es por esto que los medidores estaban

situados a una misma altura.

Figura 4.2 Esquema de los elementos constituyentes de la bomba en el montaje experimental

4 Procedimiento Experimental

Componente del montaje:

1- Motor elctrico

2- Bomba centrfuga

3- Alimentacin de agua

desde el pozo

4- Ducto de descarga

5- Sonda de medicin de

presin de admisin

6- Sonda de medicin de

presin de descarga

7- Barmetro de admisin

8- Barmetro de descarga

10

El proceso de toma de datos consisti en variar el caudal mediante una vlvula en el ducto de

descarga desde una presin dinmica de 200 mmHg hasta 10 mmHg (magnitud que define el caudal

como ms adelante se ver). Se realizaron 14 medidas en este rango. El objetivo de esta medicin

es obtener los datos de altura neta, potencia hidrulica y rendimiento para distintos caudales.

Figura 4.3 Bomba centrfuga utilizada

Figura 4.4 Manmetro de mercurio y agua

Figura 4.5 Motor Elctrico

Figura 4.6 Panel de medidores elctricos

11

4.2 Turbina Pelton El montaje para las pruebas en la turbina se muestra en la figura siguiente:

Figura 4.7 Esquema del montaje utilizado para las pruebas en la turbina Pelton

La bomba utilizada es la misma anterior y simula las caractersticas de una altura neta a la entrada

de la turbina. El circuito comienza en el pozo donde la bomba levanta la presin. Luego se realiza

una medida de presin dinmica antes de la turbina para registrar el caudal. La medicin se realiz

para 6 caudales distintos y una altura neta constante de 750 mmHg. Para cada caudal se vari la

carga impuesta por la caja de resistencias para obtener 6 regmenes de funcionamiento. Los datos

registrados fueron: caudal, velocidad de giro de la turbina y voltaje e intensidad de corriente

generada por el generador elctrico.

Figura 4.8 Bomba centrfuga utilizada para generar la

altura neta aprovechada por la turbina

Figura 4.9 Turbina con generador elctrico

12

Figura 4.10 Generador elctrico con indicador de rpm

Figura 4.11Turbina Pelton quieta

Figura 4.12 Turbina Pelton en

funcionamiento

13

5.1 Bomba Centrfuga Los datos medidos se muestran en la tabla 5-1

[] [] [] []

200 0,68 1,5 9

180 0,64 2,1 8,6 170 0,62 2,2 9,2

150 0,58 2,5 8,4 130 0,52 2,6 8,2

110 0,48 2,85 7,9 90 0,43 3,1 7,7

70 0,37 3,4 7,4 50 0,3 3,8 6,9

30 0,15 4,3 5,4 Tabla 5-1 Datos medidos para la bomba centrfuga

A partir de estos datos podemos deducir el caudal mediante la calibracin de la sonda Pitot. La

calibracin se muestra en la tabla 5-2.

[] [

]

270 6,58 220 5,95

180 5,48 130 4,66

100 4,05 70 3,45

48 2,92 30 2,46

19 1,95 Tabla 5-2 Datos calibracin de la sonda Pitot

Con esto podemos deducir una expresin para el caudal a partir de una aproximacin lineal de los

datos:

() = 0.0181 + 2.0264 [

] (5.1)

Podemos ahora calcular la altura neta, potencia hidrulica y rendimiento utilizando las ecuaciones

(3.3), (3.5) y (3.6). La potencia del motor se calcula utilizando la ecuacin (3.7). Las velocidades

medias del fluido se calculan utilizando la ecuacin (5.1) y la ecuacin (3.4).

5 Clculos

y = 0,0181x + 2,0264

0

2

4

6

8

0 100 200 300

Cau

dal

[L/

s]

Presin dinmica [mmHg]

Calibracin Pitot

Calibracionpitot

Lineal(Calibracionpitot)

Figura 5.1 Aproximacin lineal

14

[

]

[] [] [] [%]

0,0022074 39,7 857,9 2870,0 29,9 0,0024789 38,4 931,6 3667,2 25,4 0,0027504 37,0 995,6 3933,0 25,3 0,0030219 34,0 1003,9 4092,4 24,5 0,0032934 31,5 1015,8 4198,7 24,2 0,0035649 29,6 1032,6 4358,1 23,7 0,0038364 27,2 1020,2 4464,4 22,9 0,0041079 25,8 1036,1 4570,7 22,7 0,0043794 22,1 948,2 4783,3 19,8 0,0046509 19,8 901,5 4889,6 18,4

Tabla 5-3 Datos Calculados a partir de los medidos para la bomba centrfuga

Finalmente graficamos estos datos en funcin del caudal expresndolo en L/s:

Figura 5.2 Curva caracterstica de altura neta para la bomba centrfuga para distintos caudales

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Altura neta

Altura neta

15

Figura 5.3Curva caracterstica de potencia hidrulica para la bomba centrfuga para distintos caudales

Figura 5.4 Curva caracterstica de rendimiento para la bomba centrfuga para distintos caudales

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Potencia Hidrulica

Potencia Hidrulica

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

Rendimiento

Rendimiento

16

5.2 Turbina Pelton Los datos medidos se muestran en la tabla

Caudal 1 RPM Voltaje [] [] Caudal 2 RPM Voltaje [] []

= 70 380 15 18 = 7560 320 13 17 = 460 16 15,5 = 160 380 15 15,8

500 19 14 460 18 13,7 560 22 11 530 20 11,2 640 26 8 620 25 8 750 34 3 740 33 3

= 0.0056464 [3

]

= 0.0051939 [

3

]


= 70 300 12 16 = 760 260 11 15,1 = 1 350 15 15 = 120 380 15 13

450 17 13 460 19 11,8 510 20 11 500 20 10,8 610 25 7,7 590 25 7,5

= 0.0047414 [3

]

730 31 2,9 = 0.0042889 [

3

]

720 30 2,5


= 70 220 10,5 14,1 = 760 180 10 13 = 350 15 12,3 = 80 330 15 11

440 17 11 470 20 9 500 20 9,5 540 23 7 620 25 6 600 25 5,7

= 0.0038364 [3

]

710 30 2,8 = 0.0033839 [

3

]

700 30 2,8 Tabla 5-4 Datos medidos para la Turbina Pelton

Con estos datos podemos calcular la potencia al eje y rendimiento utilizando las ecuaciones (3.8),

(3.9) y (3.10). El caudal se obtiene utilizando la ecuacin (5.1). La conversin de mmHg a Pa es:

1 = 133.3 . (5.2)

17

Caudal 1 RPM Potencia [W]

Rendimiento [%]

Velocidad especfica [rpm]

= 70 380 15 18 44,8 = 190 460 16 15,5 52,5

500 19 14 57,8 560 22 11 61,7 640 26 8 66,6 750 34 3 64,8

= 0.0056464 [3

]


Rendimiento [%]


= 760 320 13 17 34,6 = 160 380 15 15,8 42,0

460 18 13,7 51,2 530 20 11,2 56,7 620 25 8 63,4

= 0.0051939 [3

]

740 33 3 63,3


Rendimiento [%]


= 760 300 12 16 30,6 = 140 350 15 15 37,4

450 17 13 47,9 510 20 11 53,8 610 25 7,7 61,3

= 0.0047414 [3

]

730 31 2,9 60,9


Rendimiento [%]


= 260 11 15,1 24,7 = 380 15 13 38,2

460 19 11,8 48,6 500 20 10,8 52,2 590 25 7,5 58,3

= . [

]

720 30 2,5 57,6

18


Rendimiento [%]


= 760 220 10,5 14,1 19,6 = 95 350 15 12,3 33,8

440 17 11 43,2 500 20 9,5 49,3 620 25 6 57,2

= 0.0038364 [3

]

710 30 2,8 57,8


Rendimiento [%]


= 180 10 13 14,8 = 330 15 11 30,0

470 20 9 44,8 540 23 7 49,8 600 25 5,7 54,0

= . [

]

700 30 2,8 56,7 Tabla 5-5 Datos calculados a partir de los datos medidos en las pruebas de la turbina Pelton

Figura 5.5 Curva caracterstica de potencia al eje para distintas rpm y caudales

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

500,00

200 300 400 500 600 700 800

Potencia al eje [W]Caudal 1, Q=5.64 L/s

Caudal 2, Q=5.19 L/s





19

Figu

Figura 5.6 Curva caracterstica de rendimiento para distintas rpm y caudales

Figura 5.7Curva caracterstica de velocidad especfica para distintas rpm y caudales

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

200 300 400 500 600 700 800

Rendimiento







0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

0 200 400 600 800

Velocidad especfica para distintas rpm y caudales







20

6.1 Bomba Centrfuga A partir de los grficos de los resultados calculados, observamos que las magnitudes varan

fuertemente con el caudal circulante en la bomba. Esto es obvio ya que los balances de energa

consideran un compromiso entre velocidad y presin. Es por esto que observamos en el (ver fig. 5.3)

que la altura neta (entendindolo como presin que levanta la bomba) decrece al aumentar el

caudal. Esto se debe a la energa del fluido se expresa como energa hidrulica o energa cintica. La

altura neta mxima medida que eleva la bomba es de aproximadamente 40 m para un caudal de 2.2

L/s. Sin embargo, podra ser mayor a caudales menores.

Se observa adems que la potencia hidrulica (ver fig. 5.4) tiene un mximo para un caudal de

aproximadamente 4 L/s y decrece rpidamente para caudales diferentes. Este resultado se debe a

que la conversin entre energa cintica e hidrulica est regida por el flujo msico que transporta

la bomba. A caudales bajos el flujo msico es menor y, por lo tanto, la energa que el fluido

transporta debe ser menor. En cambio, para caudales mayores, la potencia hidrulica disminuye por

cuanto las prdidas de energa se hacen mayores.

Con respecto al rendimiento (ver fig. 5.5), se observa que la curva tiene forma cncava y para un

caudal de aproximadamente 2.7 L/s se alcanza el punto mximo de la razn entre la energa

hidrulica que produce la bomba en comparacin a la energa elctrica que consume para ser

impulsada. El rendimiento decrece a medida que aumenta el caudal dado que las irreversibilidades

y prdidas de energa aumentan. El rendimiento mximo es de 27.5% y relativamente bajo con

respecto a otras mquinas.

En general, observamos que los efectos de prdidas de energa son muy importantes en la operacin

de una bomba centrfuga. Los errores en esta experiencia se deben a la imprecisin caracterstica

de todas las mediciones realizadas. Los instrumentos estaban viejos y los componentes de la bomba

tambin. Adems, las calibraciones utilizadas de la sonda Pitot no son recientes y puede haber

cambiado. Sin embargo, la forma de las curvas caractersticas se ve claramente.

6.2 Turbina Pelton Observamos que la potencia al eje (ver fig. 5.6) tiene una forma cncava con un mximo de potencia

cercano a la mitad del rango de rpm medidas. A medida que se aumenta el caudal, esta curva se va

desplazando hacia la derecha (velocidades de giro mayores) y hacia arriba (mayor potencia). La

correlacin es clara al ver que la potencia entregada por la turbina aumenta para mayores caudales

y velocidades de giro. Esto es fcil de explicar debido a que la energa disponible aumenta

directamente con el flujo msico. Adems, la potencia entregada al generador es el producto entre

el torque producido por la fuerza del chorro y la velocidad de giro. Por lo tanto, la potencia ser

mxima cuando el producto sea mximo. Tambin es importante agregar que los efectos de

prdidas de energa (al igual que en la bomba centrfuga) aumentan a mayores velocidades. Un

detalle importante que hay que mencionar es que las potencias para caudales mayores no

6 Anlisis de resultados

21

alcanzaron un punto mximo comparable. Esto se puede deber al hecho que el rgimen de carga

impuesto al sistema (por la caja de resistencias) no es una medida continua y que no alcanza a

modelar cargas a bajas RPM de manera satisfactoria. Una forma de mejorar esto es realizar la

medida de la potencia al eje de otra forma, por ejemplo con un freno Froude.

Las curvas de velocidad especfica (ver fig. 5.6) se desplazan hacia arriba al aumentar el caudal.

Adems, se observa que aumenta rpidamente al aumentar las rpm, alcanzando un mximo cerca

de 700 rpm. Observamos que la velocidad especfica aumenta al aumentar la potencia y tienen un

mximo cercano a 55 rpm (velocidad especfica).

Observamos que las curvas de rendimiento (ver fig. 5.7) tienen una forma cncava con un mximo

de aproximadamente 75% para los seis caudales. Este rendimiento mximo se obtiene para una

velocidad de giro de aproximadamente 450 rpm y es igual para todos los caudales. Las diferencias

entre las curvas de distintos caudales son pequeas y se puede inferir que el flujo msico no tiene

una gran influencia en el punto de rendimiento ptimo. El punto de mximo rendimiento, sin

embargo, no calza con el de mxima potencia. Esto es razonable ya que el punto de mxima potencia

considera slo los efectos de torque y giro en el rodete y no la energa disponible.

Al igual que para la bomba centrfuga, los resultados estn influenciados por las imprecisiones de

los instrumentos y el estado de los equipos. En general se observa que las curvas tienen las formas

esperadas pero no se puede analizar mucho por cuanto las medidas tomadas no abarcan el rgimen

completo de funcionamiento del eje.

22

Se concluye que:

Las bombas centrfugas y turbinas Pelton son mquinas muy complejas que convierten la

energa hidrulica en energa mecnica (y viceversa).

Las ecuaciones planteadas modelan satisfactoriamente el funcionamiento de las mquinas.

La informacin de potencia, presin y rendimiento es de vital importancia para la buena

operacin de las mquinas.

Los datos tiles corresponden a potencia, rendimiento y presin.

Las curvas caractersticas de la bomba centrfuga y la turbina Pelton fueron fcilmente

calculadas a partir de los datos medidos.

La altura neta de la bomba centrfuga vara directamente con el caudal como consecuencia

de la conservacin de energa (una es expresin de la otra).

El rendimiento mximo de la bomba centrfuga se obtiene para caudales bajos dado que las

irreversibilidades se magnifican para altos caudales.

La potencia al eje que entrega la turbina Pelton depende fuertemente del caudal y tiene un

mximo a velocidades de giro medias.

El punto de rendimiento mximo de la turbina Pelton no corresponde al de potencia mxima

y no depende del caudal.

Los datos tomados para distintos regmenes de carga para la turbina Pelton no fueron

suficientes para encontrar valores crticos en todos los casos.

Se recomienda usar un mtodo distinto de aplicacin de carga (como el freno Froude).

El estado de los instrumentos y los equipos influye fuertemente en la precisin de los datos.

Las curvas caractersticas se acercaron a los valores esperados en todos los casos.

7 Conclusiones

Laboratorio 4-Bomba Centrifuga-Turbina Pelton

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