MEDICIN DE POTENCIA Y VELOCIDAD

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AULA VIRTUAL

USANDO: PLATAFORMA EDUCATIVA MOODLE Y/OPLATAFORMA EDUCATIVA DOKEOS(An no instalados en el servidor de la UNI)CURSO: LABORATORIO DE ING. MECNICA I

EXPERIENCIA 6: MEDICIN DE POTENCIA Y VELOCIDAD

ING. OSWALDO MORALES TAQUIRI

2008

INTRODUCCION

En el presente informe realizaremos el laboratorio de medicin de potencia y velocidad, mediremos la potencia al eje en la turbina Francis as como tambin la potencia indicada en el sistema de compresin de 2 etapas.

En 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 sustancia activa, esta potencia es transmitida a travs de la mquina hasta el eje de salida, la potencia indicada es la potencia entregada a la cara del pistn o por ella. El trabajo realizado sobre el pistn es una medida de la eficacia del proceso experimentado por la sustancia activa. La presin ejercida sobre el pistn por la sustancia activa vara con el tiempo, por lo tanto hay que medir esta variacin, para determinar la potencia entregada al pistn, para esto se usa un aparato llamado indicador, hay diversos tipos de indicadores: como por ejemplo indicadores del tipo pistn, indicador de diagrama. La 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 llama potencia al freno. La potencia entregada por las turbinas se llama potencia al eje, tambin se usa este trmino para indicar la potencia entregada en el eje de compresores, ventiladores y bombas.

Tanto la potencia en el eje como la potencia al freno denotan la potencia entregada por la mquina al exterior.

MEDICIN DE POTENCIA DE LA TURBINA FRANCIS

OBJETIVOS Mediante un freno de cinta (Prony) averiguar la potencia al eje que entrega la Turbina Francis. Analizar la variacin de la velocidad angular del eje con respecto a las diferentes cargas, a las que se le somete a la turbina.

FUNDAMENTO TEORICO

TURBINA FRANCISLa turbina Francis fue inventada por James B. Francis a finales del siglo XX.Es una turbina de reaccin, radial, de admisin total y descarga axial con tubo de aspiracin.La turbina Francis ha evolucionado mucho en el curso de este siglo, encontrando buena aplicacin en aprovechamientos hidrulicos de caractersticas muy variadas de carga y caudal, tal es as, que existen dichas turbinas con saltos de agua de 30 metros, como tambin en saltos de 550 metros y a caudales que a veces alcanzan 200m3/s y otras de slo 10m3/s.Esta versatilidad ha hecho que esta turbina sea la ms generalizada en el mundo hasta estos momentos.Los rganos o componentes principales de la turbina son: Carcaza o caja espiral. Distribuidor alabes directrices. Rodete mvil o rotor. Tubo de aspiracin.

El rodete o parte mvil de la turbina, constituido por un cierto nmero de paletas o alabes que, en este tipo de turbinas, tienen sus extremidades externas inferiores unidas por una corona que les envuelve; el nmero de alabes oscila, por lo general entre 16 y 21 y depende del tipo de construccin. Este rodete se construye de chapa de acero para las turbinas de pequea potencia y de fundicin para las de potencia mediana y de acero colado para las de gran potencia.

Para regular el caudal que entra en el rodete, se utilizan las paletas directrices situadas en forma circular, y cuyo conjunto se denomina distribuidor. Cada una de las paletas directrices se mueve sobre un pivote, de tal forma que llegan a tocarse en la posicin de cerrado, en cuyo caso el caudal recibido por el rodete es mximo. El conjunto de paletas directrices del distribuidor se acciona por medio de un anillo mvil al que estn unidas todas las paletas directrices, y este anillo mvil, a su vez esta accionada por el regulador de velocidad de la turbina. El agua despus de pasar por el rodete, impulsando este y hacindolo girar, sale por un tubo que se denomina tubo de aspiracin el cual cumple un doble propsito.

a) Utilizar la diferencia de niveles que existen entre el punto de salida de la turbina y el nivel agua a bajo, denominada altura esttica de succin.b) Recuperar por su forma divergente parte de la energa cintica que lleva el agua al salir de la turbina. La altura recuperada es denominada como altura dinmica de succin.

INSTRUMENTOS Y EQUIPOS Freno de friccin de tipo Prony. Dinammetro. Tacmetro. Pesas.

ESQUEMA DE INSTALACIN

63421

517

Donde: 1TURBINA FRANCIS

2DINAMOMETRO

3RODETE

4MANOMETRO

5FAJA PRONY

6SOPORTE PARA LAS CARGAS

7TACOMETRO

TURBINA FRANCIS

Marca:ARMFIELD HYDRAULIC ENGINEERING Co. Ltd. RINGWOOD HARTS, ENGLAND.

Tipo:Ns 36 MK2

Potencia:2,5 BHP

Velocidad:1000 RPM

Tamao nominal del rodete:6

Velocidad especifica:36 RPM

Altura neta:20 pies

Velocidad de embalamiento mximo:1800 RPM

Dimetro de la volante:12

Dimetro de entrada:6

ACCESORIOS

TaqumetroMarca: SMITH

Rango:0-2000 RPM

Error Max.:20 RPM

ManmetroMarca: CHALINCO

Rango:0-10 m H2O

Error Max.:1 m

DinammetroMarca: SALTIN

Rango:0-20 Kg

Error Max.:100 g

VertederoEscala: 0-30 cm

Forma:Triangular =90

Coeficiente de descarga:0,6

Error Max.:0,1 mm

MOTOBOMBA (simula cada de agua)

MOTORMarca:NEWMAN MOTORS INC.

Potencia:10 HP

Casco:2560 / DD 2182 BB

RPM:3600

Ciclo:60

Fase:3

Factor de Servicio:1,15

Voltaje:220 V

Amperaje:26 A

BOMBAMarca:SIGMUND PUMP LTD.

Tipo:NN63

N de serie:147305

PROCEDIMIENTO PARA MEDIR LA POTENCIA AL FRENO (FRENO PRONY)1Verificando que la vlvula de acceso a la turbina Francis este inicialmente cerrada; ponemos en funcionamiento la bomba de alimentacin.2Se abre la llave del segundo depsito para expulsar el agua, hasta que el nivel este por debajo del vrtice del vertedero.3Abrimos la vlvula que permite el flujo del caudal de agua a la turbina. (a . 5 PSI consideremos es dato para el laboratorio)4Colocamos la correa sobre la volante y echamos agua al interior de sta.5Procedemos a medir las RPM6Aadimos una carga inicial de 0.5Kg-f y medimos las RPM, luego tomamos la lectura del dinammetro.7Repetimos el paso 6, variando la carga en forma ascendente; procurando que no frene.

DATOS TOMADOS EN EL LABORATORIO

TURBINA FRANCIS

PRESION(PSI)ALTURA(CM)RPM(OPTICO)RPM(TACOMETRO)DINAMMETRO(KG)CARGA(KG)

515.7105000

516.4126911500.60.5

516.4116910001.61

516.8116011402.51.5

517.210589003.42

CLCULOS

Potencia al Freno:

(1)Donde:T = TorqueN = velocidad angularf = fuerza de friccinFD = fuerza indicada en el dinammetroP = CargaR = radio de la volante R=15.24cmEn base a la frmula anterior nos salio la siguiente tabla:

DINAMMETRO(KG)CARGA(KG)FRICCION(KG)POTENCIA AL EJE(W)

0000

0.60.50.119.84

1.610.6109.69

2.51.51181.42

3.421.4231.66

GRAFICOS

CONCLUSIONES Se concluye que la potencia mecnica puede ser determinada de una manera indirecta usando el freno Prony, pero esto es slo aplicable a turbinas de pequeas potencias. A medida que aumentamos la carga las RPM aumentan hasta un valor para luego disminuir. A menor nmero de revoluciones aumenta la potencia al freno.

OBSERVACIONES La volante no solo gira alrededor de su eje, sino que tambin vibra, esto se debe evitar para efecto de la toma de datos.

Debido a la observacin anterior se prefiri tomar los datos de rpm ptico a las del tacmetro. Todas las mediciones se realizaron, teniendo en cuenta que el flujo que se diriga a la turbina era constante, y que solo variaban las cargas y con esto tambin las revoluciones de la volante. La potencia al freno a medida que aumenta genera un calentamiento en la cinta de freno; para evitar el calentamiento y desgaste de sta ser necesario suministrarle agua a la faja. Debemos ir aadiendo en forma ascendente, pero gradual las pesas al dinammetro, para evitar incremento brusco de la fuerza de friccin

BIBLIOGRAFA

El Laboratorio del Ingeniero Mecnico.Jesse Seymour Doolittle.

Manual de Laboratorio de Ingeniera Mecnica IProfesores de Dpto. de Energa - FIM.

MEDICION DE POTENCIA EN EL COMPRESOR

OBJETIVOS

1. Determinar la potencia indicada, al eje y potencia elctrica del compresor de alta presin.

2. Conocer el funcionamiento de los diferentes equipos de medicin de potencia.

3. Conocer los diferentes tipos de potencia que se pueden medir en una mquina y las relaciones se pueden definir entre ellas.

4. Calcular la eficiencia mecnica del compresor de alta presin.

FUNDAMENTO TERICO

La energa es una magnitud almacenada, en forma similar a un volumen; su cualidad de producir trabajo o su propiedad de incrementarse, es lo nico que nos interesa.La potencia es un flujo de energa, toda la energa almacenada no puede transportarse instantneamente a otro lugar, tiene que hacerlo en forma de un flujo.Ocurre que en algunas fuentes de energa, esta no est almacenada en ste, sino que debe producirse constantemente en forma de un flujo. Por ello se habla de potencia (flujo de energa) de un motor (fuente de energa).La energa mecnica se presenta como el producto de dos factores:El producto de una fuerza por una velocidad longitudinal o el producto de un momento torsor por una Velocidad angular si el movimiento es rotacional.

Potencia = Movimiento longitudinal Potencia = Movimiento rotacional

La potencia se desarrolla, transmite y absorbe en mquinas rotativas y otros dispositivos. Algunas mquinas (por ejemplo, turbinas, mquinas de vapor y motores de combustin interna) desarrollan potencia. Otras la utilizan para producir efectos tiles. En todas las mquinas rotativas y alternativas hay siempre alguna forma de transmisin de potencia. En la transmisin de esta potencia, una parte de ella se pierde inevitablemente a causa de la friccin. Al ingeniero le interesa la potencia que puede desarrollarse, la que puede transmitirse y la que se utiliza para producir efectos dados.La importancia de un equipo se da por la capacidad de trabajo en la unidad de tiempo que pueda entregar.La potencia desarrollada por la maquina no es la misma que se le da debida a las prdidas que se suscitan durante su funcionamiento. Sin embargo existe, una potencia entregada al pistn por la sustancia de trabajo que es determinado mediante los llamados indicadores, conocindose esta potencia como la potencia indicada; para cuya determinacin se pueden usar:

Indicadores de tipo pistn Indicadores de diafragma equilibrado Indicadores pticos Indicadores electrnicos

Para el presente laboratorio usaremos el indicador tipo pistn. Estos se utilizan en mquinas alternativas de baja velocidad, tales como mquina a vapor, bombas, compresores y motores de combustin interna. Para el caso de compresores, que es la mquina que utilizaremos en la experiencia, el motor es el que entrega potencia, en este caso al aire para comprimir el mismo.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS

Tablero de Control.

Controla tanto el voltaje como la intensidad de corriente a cada uno de los dos motores elctricos utilizados para los compresores de alta y baja.

Dos motores elctricos.

Compresores de alta y baja presin.

PRIMERA ETAPA (BAJA PRESION)

Numero de cilindros2

Carrera101,6 mm

Dimetro interior101,6 mm

Volumen de desplazamiento1,647 litros

Volumen muerto29.5 cm3

Presin mxima10,3 bar

Relacin de velocidades, motor-compresor3:1

Eficiencia de la transmisin0,98

Rango de velocidades300-500 RPM

SEGUNDA ETAPA (ALTA PRESION)

Numero de cilindros1

Carrera101,6 mm

Dimetro interior76,2 mm

Volumen de desplazamiento0,463 litros

Volumen muerto28.2 cm3

Presin mxima13,8 bar

Relacin de velocidades, motor-compresor3:1

Eficiencia de la transmisin0,98

Rango de velocidades300-500 RPM

Planmetro (FILOTECNICA MILANO ITALIANA)Permite calcular el rea interior del diagrama de Presin vs. Volumen obtenido por el medidor de diagrama de pistn.

Dinammetro Permite hallar la fuerza que genera un torque equivalente al del eje del compresor.

Manmetros de tipo BourdonMide las presiones tanto de salida como de la entrada.

Taqumetro Utilizado para medir la velocidad de rotacin de la volante del motor, en RPM.

Contador de revoluciones tipo contador El nmero de revoluciones obtenidas por un periodo de tiempo determinado (en minutos), nos permite calcular la velocidad angular en RPM.

Cronometro digital (COLE PARMER)Mide periodos de tiempo determinados.

Tanque que almacena aire comprimido.

Indicador de diagrama tipo pistn.( MAIHAK)Permite hacer una representacin a escala del ciclo termodinmico realizado en el compresor en parmetros de Presin y Volumen.

PROCEDIMIENTO DE ENSAYO Encendemos la fuente de energa (motor elctrico). Regulamos las vlvulas hasta alcanzar presiones especificadas tanto a la entrada como a la salida del compresor de baja. Instalamos el indicador de tipo pistn sobre el compresor, previamente hemos colocado un pedazo de papel el cual debe estar bien sujeto al indicador para obtener un diagrama correcto; procedimiento que se realizara con la ayuda del profesor.

En el tablero de control vamos a hacer regulaciones de amperaje y voltaje para los 2 motores elctricos que alimentan a los compresores (de alta y de baja), en este laboratorio slo hicimos uso del compresor de baja presin, con la finalidad de tener una presin de salida constante para usar el tanque de almacenamiento. Hacemos la conexin entre el cilindro y el indicador; el cual dispone de un resorte calibrado K = 72 psi/pulg; simultneamente se hacen las lecturas de las RPM de la volante, las RPM del motor, el voltaje, la intensidad de corriente y el par motor. Obtenemos entonces el diagrama indicado. Usando el planmetro de brazo trazador medimos el rea del diagrama indicado obtenido (el rea lo obtenemos en cm2).

TABLA DE DATOS

RPMFuerza(kg)Voltaje(v)Corriente(A)#vueltas por minuto

17503.601099.25722

2787.53.401138.5782

314003.85202101398

CLCULOSEmpleando slo los datos del compresor de alta presin

K = 72psi/pulg = 19544.2x 103 N/m3A= Area L=Longitud del diagramaK = constante del resorte R=radio=0.254mPotencia elctrica del motor ( Pelect )

Pelect=V.I

Potencia al eje (Peje) entregado por el motor

Peje= F*R*N*/30

Potencia entregada (Pe) al compresor

Siendo la eficiencia mecnica de la transmisin 0.98 tenemos que:

Pe=0.98 Peje

Potencia Indicada

Donde pmi : es la presin media indicadaVd :es el volumen desplazado por unidad de tiempo

La presin media se calcula por medio de la siguiente expresin:

pmi = Adiag x Kresorte/Ldiag

Debido a que la relacin de velocidades motor /compresor es de 3:1

Vd=1.647 ( N / 3 )

Eficiencia Mecnica()mecanica=Pi/PejeArea(cm2)potencia electrica(kw)potencia al eje (kw)potencia del compresor(kw)potencia indicada(kw)Eficiencia mecanica (%)

12.510.6770.6630.50774.8

22.90.960.6930.6790.63791.9

32.82.021.4021.3741.09978.3

A partir de estas formulas completamos la siguiente tabla:

CONCLUSIONES La potencia elctrica es mayor a la potencia al eje, debido a que siempre existen perdidas mecnicas en el motor, de esto se concluye que la eficiencia del motor nunca es del 100%. La potencia indicada es menor que la potencia al eje. Por tal motivo la energa mecnica que se tiene que entregar al eje del compresor es mayor que la necesaria para la compresin, en el valor de las prdidas mecnicas. La potencia elctrica indicada y al eje guardan una relacin directamente proporcional con las RPM. La presin media indicada depende del rea del ciclo termodinmico as como la longitud del diagrama y de la constante del resorte.

OBSERVACIONES Se debe fijar bien el papel en el indicador de tipo pistn para obtener diagramas indicados correctos. Para presiones bajas usamos resortes de menor constante K. Realizamos regulaciones de voltaje y de corriente. Realizamos la toma de nuestros datos del laboratorio, cuando la presin del tanque de almacenamiento de aire era constante.

BIBLIOGRAFIA

El Laboratorio del Ingeniero Mecnico. Jesse Seymour Doolittle. Instrumentacin Industrial.Harold Esoisson Manual de Laboratorio de Ingeniera Mecnica IProfesores de Dpto. de Energa - FIM.