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IMPORTANCIA Y CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES...

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA DIVISIÓN DE ESTUDIOS PROFESIONALES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MÉCANICA

MÁQUINAS DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES IMPORTANCIA Y CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES DOCENTE: HERRERA SANDOVAL NICOLÁS DAVID

PRESENTA: ALANIS PRADO SERGIO MIGUEL

MORELIA, MICHOACÁN

FEBRERO 2019

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Contenido INTRODUCCIÓN........................................................................................................................3 MÁQUINAS DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES..............................................................................4 Máquinas de fluido...................................................................................................................4 Clasificación..............................................................................................................................5 Clasificación de las bombas......................................................................................................8 Clasificación de turbinas hidráulicas.......................................................................................10 CONCLUCIÓN..........................................................................................................................13 BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................................14

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INTRODUCCIÓN Una de las principales aplicaciones de la mecánica de fluidos es el diseño de máquinas, unas de las más conocidas son las “bombas” y “turbinas”, las primeras suministran preferentemente energía de presión al fluido de trabajo y las segundas extraen energía de presión al fluido de trabajo. Ambos tipos de máquinas suelen estar unidos a un eje rotatorio, de donde proviene el nombre de turbomáquinas con etimología griega “turbo” que significa “giros o girar”. Se hablara más a detalle del funcionamiento de las turbomáquinas a lo largo del presente trabajo. Es clara la importancia que tienen estas máquinas hidráulicas en nuestra vida diaria, los usos que tienen son variados, las bombas por ejemplo se utilizan en diferentes lugares como gasolineras, embotelladoras, sistemas de distribución de agua potable, sistemas de fluidos en vehículos, fábricas y demás lugares. Por otro lado las turbinas son utilizadas generalmente en plantas para la generación de energía hidráulica, generada con energía de alta presión. Cabe mencionar que las bombas y turbinas son las máquinas más comunes, pero no las únicas, existen otras como los ventiladores, compresores y soplantes. Una turbina de viento (una especie de ventilador inverso), por ejemplo, utiliza el flujo externo circundante para convertir la energía contenida en el movimiento natural del aire atmosférico en energía eléctrica útil. Todas las turbomáquinas se consideran capaces de agregar o sustraer energía del fluido por medio de hélices o aspas rotatorias.

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MÁQUINAS DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES “Una maquina es un transformador de energía”

Máquinas de fluido Son aquellas en el que el fluido:  Proporciona la energía que absorbe maquina (por ejemplo una turbina en una presa, el agua es concentrada por grandes ductos y cae hacia la turbina haciendo que esta gire y produzca energía mecánica).  Recibe la energía mecánica de la maquina (un bomba en un edificio, por ejemplo nos sirve para lograr enviar algún fluido de una altura menor a una altura superior). Las máquinas de fluido pertenecen a alas máquinas hidráulicas, sin embargo este nombre no es muy apropiado ya que aunque etimológicamente “hidros” es referente al agua, existen máquinas que operan con distintos fluidos, existen bombas de gasolina, ácidos, etc. De igual forma los ventiladores trabajan con gases. Aunque el nombre de máquina hidráulica no es preciso su definición por el contrario lo es. “Maquina hidráulica es aquella en el que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente de densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la misma se hace la hipótesis de que ρ=cte” La compresibilidad e incompresibilidad del fluido que se traduce en la variación o invariancia de la densidad o volumen específico son fundamentales en el diseño de una máquina. Las máquinas hidráulicas que impulsan líquidos se denominan bombas, sin embargo, por lo que se refiere a los gases hay varios nombres para las máquinas que los mueven. Un ventilador es una bomba de gases que Fig 1 Impulsor de una bomba eleva ligeramente la presión y la razón de un flujo alta. Entre los ejemplos están los sopladores centrífugos y los ventiladores en jaula de ardilla del sistema de ventilación de los automóviles, hornos y ventiladores de álabes. Un compresor es una bomba de gas diseñada para entregar caudales, desde bajos hasta moderados, 4

a una presión muy alta. Como ejemplos están las compresoras de aire que activan herramienta neumática y que llenan de aire las llantas de los vehículos en las estaciones de servicio, además los compresores de gas refrigerante que se utilizan en las bombas de calor, refrigeradores y acondicionadores de aire. Entonces si el incremento de presión es pequeño (inferior a 100 mbar) su diseño se realiza con la hipótesis de un volumen específico constate y este resulta acertado.

Clasificación Para clasificar las maquinas hidráulicas se atiende al órgano principal de la máquina, o sea al órgano en que se intercambia la energía mecánica del fluido viceversa. Este órgano, se llama impulsor (o rodete), embolo. Entonces tenemos dos casos, el primero con un movimiento rotativo y el segundo con un movimiento alternativo, esta clasificación tiene una ventaja muy clara y es que se basa en el principio fundamental de funcionamiento, que es distinto en ambos grupos. Siendo asi: “Las máquinas hidráulicas se clasifican en máquinas de desplazamiento positivo y turbomáquinas” En las máquinas de desplazamiento positivo, el fluido se dirige hacia adentro de un volumen cerrado. La transferencia de energía al fluido se acompaña por un movimiento de las fronteras del volumen cerrado, lo cual causa la expansión o la contracción del volumen, debido a lo cual se succiona líquido o se fuerce a salir, respectivamente.

Fig 2 Mecanismo antiguo para bombeo de agua en un pozo MDP

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En las turbomáquinas no hay un volumen cerrado. En este caso, los álabes rotatorios suministran energía a un fluido o la extraen de él. Por lo que se refiere a las bombas, los álabes rotatorios se llaman álabes o aspas de rueda móvil o álabes de rotor (en América Latina) o rodete (en España) o de impulsor, y en las turbinas se llaman álabes o aspas del rodete o rotor. Ejemplos de bombas dinámicas son las bombas acorazadas y las bombas entubadas (aquellas que tienen una carcasa que cubre los álabes, como la bomba de agua de algunos automóviles) y las bombas descubiertas (como los ventiladores de techo que se usan en las casas, las hélices de un aeroplano o el rotor de un helicóptero). Ejemplos de turbinas dinámicas son las turbinas acorazadas, como la hidroturbina que extrae energía del agua en una planta hidroeléctrica, y las turbinas descubiertas como la turbina eólica que extrae energía del viento.

Fig 3 Turbina francis

Las turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo se subdividen en motoras y generadoras. Las primeras absorben energía del fluido y restituyen energía mecánica; mientras que las segundas absorben energía mecánica y restituyen energía al fluido. A continuación se presenta un panorama general de la clasificación de máquinas de fluido antes mencionada:

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MAQUINAS DE FLUIDO

M. HIDRAHULICAS (ρ=C)

M. DE DEZPLAZAMIENTO POSITIVO

TURBOMÁQUINAS

GENERADORAS

LIQUIDOS: BOMBAS GASES: VENTILADORES

M. TERMICAS (ρ≠C)

MOTORAS

TURBINAS HIDRAULICAS

GENERADORAS

MOTORAS

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Clasificación de las bombas Hay dos tipos básicos de bombas: de desplazamiento positivo y dinámicas o de intercambio de cantidad de movimiento. En el mundo existen hoy varios miles de millones de cada tipo en uso. Las bombas de desplazamiento positivo (BDP) tienen un contorno móvil que, por cambios de volumen, obligan al fluido a avanzar a través de la máquina. Se abre una cavidad en la que el fluido penetra a través de la toma. Después se cierra la cavidad y se expulsa el fluido por la abertura de salida. Un ejemplo clásico es el corazón de los mamíferos, existiendo una gran variedad de versiones mecánicas. Estas bombas se pueden clasificar como sigue: A. Alternativas: 1. Pistón o embolo 2. Diafragma B. Rotativas: 1. a) b) c) d)

Rotor simple Paleta deslizante Tubo flexible Tornillo Peristáltica

2. a) b) c) d)

Rotor múltiple Engranaje Lóbulo Tornillo Pistón circunferencial

Todas las BDP suministran un caudal pulsante o periódico como consecuencia de que la cavidad se abre, atrapa y expulsa al fluido. Su gran ventaja es que pueden bombear cualquier fluido, independientemente de su viscosidad. Dado que las BDP comprimen mecánicamente una cavidad llena de líquido, un problema potencial es que se pueden generar presiones gigantescas si por cualquier motivo se atasca la salida. Esto obliga a construirlas con un diseño muy robusto, aunque si las válvulas de alivio no funcionaran correctamente, un atasco completo podría dañar el ingenio.

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Fig 4 Fig 4 Dibujo esquemático de bombas de desplazamiento positivo: (a) pistón alternativo o émbolo, (b) bomba externa de engranajes, (c) bomba de tornillo doble, (d) paleta deslizante, (e) bomba de tres lóbulos, (f) doble pistón azimutal, (g) bomba peristáltica.

Las bombas dinámicas añaden simplemente cantidad de movimiento al fluido por medio de paletas, álabes giratorios o ciertos dispositivos especiales. No hay volúmenes cerrados: el fluido aumenta su cantidad de movimiento mientras se mueve a través de pasajes abiertos, para convertir después su alta velocidad en incremento de presión al salir a través de un difusor. Las bombas dinámicas pueden clasificarse como sigue: A. Rotativas 1. Centrífugas o de flujo de salida radial 2. Flujo axial 3. Flujo mixto (entre radial y axial) B. Diseños especiales 1. Bomba de chorro o eyector 2. Bombas electromagnéticas para metales líquidos 3. Actuadores: martinetes hidráulicos o neumáticos

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Las bombas dinámicas proporcionan generalmente mayor caudal que las BDP y una descarga más estacionaria, pero son poco efectivas para bombear líquidos muy viscosos. Las bombas dinámicas generalmente deben ser cebadas; esto es, si están llenas con gas no pueden succionar el líquido, situado por debajo, hasta su entrada.

Fig 5 Esquema general de una bomba dinámica

Clasificación de turbinas hidráulicas La turbina hidráulica es una maquina motora y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica que trabaja a la inversa. Las turbinas hidráulicas, según el grado de reacción, se clasifica en dos grupos: turbinas de acción y turbinas de reacción. Esta clasificación se funda en el concepto de grado de reacción si el grado de reacción es 0, la turbina se llama de acción. Si el grado de reacción es distinto de 0, la turbina se llama de reacción. En las turbinas de reacción, el fluido llena por completo los canales entre álabes, y el cambio de carga o caída de presión tiene lugar en el rotor. Los diseños de reacción pueden ser de flujo radial, heliocentrífugo y axial, y son esencialmente máquinas diseñadas para admitir un fluido con alta energía y extraer su cantidad de movimiento. Una turbina de acción convierte primero la carga en un chorro de alta velocidad por medio de una tobera. En su movimiento, el chorro golpea los álabes que van pasando. Los canales del rotor no están completamente llenos de fluido y el flujo en los álabes se produce, esencialmente, a presión constante. Las turbinas de reacción son de menor tamaño, ya que el fluido llena todos los álabes a la vez. 11

En la actualidad prácticamente las únicas turbinas que se construyen son las que figuran en el cuadro anterior.

TURBINAS

ACCIÓN

SOLO SE CONSTRUYEN PRACTICAMENTE DE FLUJO TANGENCIAL Y SON LAS TURBINAS PELTON.

REACCION

DE FLUJO DIAGONAL (EXCEPCIONALMENTE DE FLUJO RADIAL)

DE ÁLABES FIJOS: TURBINA FRANCIS DE ÁLABES ORIENTABLES: TURBINAS DÉRIAZ (FRANCIS DE ÁLABES ORIENTABLES)

DE FLUJO AXIAL

DE ÁLABES FIJOS: TURBINAS HÉLICE DE ÁLABES ORIENTABLES: TURBINAS KAPLAN

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Fig 6 Los diseños de las turbinas de gran tamaño dependen de la carga disponible, del caudal y de las condiciones de operación: (a) Francis (radial), (b) Kaplan (hélice), (c) montaje en cubeta con rotor de hélice; (d) turbina-bomba reversible con rotor radial

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CONCLUCIÓN Resulta ser interesante que aunque se asume que el fluido de trabajo en una turbomáquina es “incompresible” en realidad se permiten ciertos rangos en el cambio de presión en los fluidos, como ejemplo mencionado son los ventiladores y compresores. Dichos rangos son establecidos por el diseñador (por lo general 100 mbar), en los cuales los cálculos tienen una aproximación bastante buena aun con esta simplificación de incompresibilidad. Como se mencionó el funcionamiento de estas máquinas estriba en el intercambio y transformación de energía entre fluido y máquina, es importante señalar que cuando ocurren estos intercambios y transformaciones existen irreversibilidades (perdidas) como la fricción o calor residual que van a mermar la eficiencia de estos procesos, esto constituye un aspecto importante a tomar en cuenta en el diseño de las turbomáquinas. Por ultimo señalar que la importancia de las maquinas hidráulicas resultan ser evidentes y tangibles, están presentes en varios aspectos de la vida diaria que damos por hecho, ya sea el suministro de agua en una red hidráulica (de una casa por ejemplo) por medio de una bomba, la generación de energía eléctrica a través de una turbina en una central hidroeléctrica y el abastecimiento de electricidad que esta da a los hogares e industrias, hasta el simple hecho de inflar la llanta de una bicicleta con una “bomba” de aire o ir a cargar gasolina en nuestro automóvil mediante las “bombas despachadoras”.

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BIBLIOGRAFIA 1. Cengel, Y.A. & Cimbala J. M. (2006). Mecánica de fluidos, fundamentos y aplicaciones. Editorial Mc Graw Hill. 2. Mataix, C. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Editorial Harla. 3. Whithe Frank M. Mecánica de fluidos. Editorial Mc Graw Hill. 4. Potter, Merle C y Wiggert David C. Mecánica de fluidos. Editorial Thomson. 3ª edición. 5. Polo Encinas, M. Turbomáquinas Hidráulicas. Ed. LIMUSA.

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