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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Escuela de Civil Laboratorio de Instructores: Ing. Carlos Salvador Gordillo Ing. Andy Williams No. 5: Curvas de Una de fluidos es un dispositivo que transfiere de forma continua a un fluido en o bien que la extrae de Se utiliza el general de bomba p...

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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil

Laboratorio de Hidráulica Instructores: Ing. Carlos Salvador Gordillo Ing. Andy Williams

Práctica No. 5: Curvas Características de Maquinaría Hidráulica Descripción Una máquina de fluidos es un dispositivo mecánico que transfiere energía de forma continua a un fluido en circulación, o bien que la extrae de él. Se utiliza el término general de bomba para las máquinas que añaden energía al fluido; las máquinas que extraen energía se denominan turbinas o motores. Las curvas características de una máquina hidráulica, representa la relación entre las características de funcionamiento hidráulico, tales como; la altura manométrica, la potencia y el rendimiento, en función del caudal que circula por ella. En esta práctica construiremos las curvas características para tres máquinas hidráulicas: Una bomba centrífuga, una turbina Pelton y un generador eléctrico, tal y como se indica a continuación:  Bomba Centrífuga: Carga hidráulica, potencia hidráulica, eficiencia.  Turbina Pelton: Carga hidráulica, potencia hidráulica, eficiencia y velocidad de giro.  Generador Eléctrico: Potencia eléctrica (desarrollada) y eficiencia. Las curvas características se trazan casi siempre para una velocidad de giro de la bomba, ω, constante. El caudal, Q, se toma como la variable independiente básica, y como variables dependientes suelen tomarse la altura manométrica H, la potencia consumida por la bomba PB, y el rendimiento η. La figura siguiente es un ejemplo de las curvas características típicas del funcionamiento hidráulico de una bomba:

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Propósito del ensayo  Obtener experimentalmente los puntos necesarios para poder dibujar las curvas características de funcionamiento hidráulico de una bomba, una turbina Pelton y un generador eléctrico, todas en función del caudal.  Obtener la expresión matemática que relaciona la altura manométrica de la bomba y turbina en función del caudal, H B = f(Q) y HT = f(Q). Ensayo 1: Bomba Centrífuga Objetivos de este ensayo: a) Construir las curvas características de una bomba centrífuga. b) Determinar la ecuación analítica de la carga desarrollada por la bomba en función del caudal. La bomba está colocada como muestra la figura 1.

Figura 1. Esquema del sistema para el ensayo de la bomba centrífuga

BOMBA 1

1. Realización del ensayo: 1.1 1.2 1.3 1.4 2

Una vez arrancada la bomba abrir parcialmente la válvula reguladora para obtener un caudal Q que provoque el inicio de la inflamación de las bombillas en el tablero eléctrico. Tomar las lecturas de los manómetros de succión P s, a la entrada de la bomba, la cual es negativa y la presión de descarga Pd en la salida de la misma. En el canal de retorno, determine la carga de agua sobre el vertedor triangular, mediante el pozo tranquilizador, luego calcule el caudal por medio de su ecuación. Con la válvula reguladora, varía el caudal por lo menos 8 veces y repita las mediciones indicadas anteriormente.

Cálculos de las características de funcionamiento hidráulico: 2.1 Carga de la bomba o altura manométrica, H B :

HB =

Pd - Ps ; γ

Ps = presión de succión de la bomba (N/m2), Pd = presión de descarga de la bomba en N/m2 y γ en N/m³ , según la temperatura del agua 2.1

Caudal

que

circula

por

el

sistema

con

2.2

cm, Potencia hidráulica desarrollada por la bomba: Phidráulica

la

fórmula

del

vertedor:

Q = 0.6 * [0.01* (H vertedero - 30.3)5 / 2 ] , el caudal está dado en L/s y la altura H en  QH B , en watts.

el Q en m³/s, H B en m y γ en N/m³ según la temperatura del agua. 2.3

Eficiencia de la bomba así:

B 

Phidráulica *100% , tomar la potencia eléctrica de Pelectrica

alimentación constante e igual a 2,400 watts.

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2.5

Plotee, en gráficas individuales el caudal en L/seg, (eje horizontal) contra la carga HB en m, la potencia hidráulica en watts, y la eficiencia en %; en el eje vertical, con escalas adecuadas, utilice como ejemplo la figura No. 7 para su construcción.

2.6

Determine la ecuación que relaciona la carga que desarrolla la bomba en función del caudal de acuerdo a la ecuación general HB = H0 – kQ², aplique el método de mínimos cuadrados para determinar los valores de H 0 y k, que son las constantes de la ecuación general, (ver figura 2), luego grafique dicha ecuación, sustituyendo los valores los valores de medidos de Q y calculando los correspondientes valores de HB. Compare la curva experimental y generada de HB versus caudal.

Figura 2. Presentación gráfica del ajuste para la curva caudal-carga.

H

H HB=Ho-KQ²

AJUSTE POR MIÍNIMOS CUADRADOS

Ho

m=K

Q²

Q Ensayo 2 Turbinas Pelton Objetivos de este ensayo: a) Construir las curvas características de una turbina Pelton. b) Determinar la ecuación analítica de la carga de la turbina en función del caudal.

En la figura 3 se muestra el diagrama de la instalación para el ensayo de la turbina Pelton

Figura 3. Esquema del sistema para el ensayo de la turbina Pelton.

TURBINA A VERTEDERO

EJE MANOMETRO TUBO DE ENTRADA

1

Realización del ensayo: 1.1 1.2

Una vez que la turbina esté en marcha tome la lectura del manómetro a la entrada de la turbina, el cual representa la presión entregada a la misma en psi. Con el tacómetro digital determine la velocidad de rotación del eje de la turbina, en rpm.

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2. Cálculos: 2.1

Carga de entrada a la turbina con la fórmula

HT 

PT



en metros, PT = presión de

entrada a la turbina (N/m2) y γ en N/m³ , según la temperatura del agua. 2.2

Potencia hidráulica desarrollada por la turbina, mediante la fórmula: Phid

= γQH T , en

2.3

watts, el Q en m³/s y  en N/m³. Potencia extraída de la turbina con la fórmula Peje = τω , donde el torque se obtiene multiplicando la fuerza en Newtons, leída en el dinamómetro y la distancia entre el eje de la turbina y el eje del dinamómetro, igual a 30 cm, el torque viene dado en N-m y la velocidad angular en rad/s.

Peje

2.4

Eficiencia de la turbina así:

2.5

Plotee, en gráficas individuales el caudal en L/seg, (eje horizontal) contra la carga HT en m, la potencia hidráulica en watts, la eficiencia en % y la velocidad de rotación del eje en rpm todas en el eje vertical, utilice escalas adecuadas. Tome como ejemplo la figura 7.

2.6

Determine la ecuación que relaciona la carga que desarrolla la turbina en función del caudal de acuerdo a la ecuación general HT = H0 – kQ², aplique el método de mínimos cuadrados para determinar los valores de H0 y k, los cuales son constantes (ver figura 2), luego grafique dicha ecuación con los caudales medidos y compare ambas curvas, la experimental y la generada con la ecuación.

T 

Phid

*100%

Ensayo 3 Generador eléctrico El ensayo del generador eléctrico está ligado al ensayo de la turbina, puesto que ésta produce la potencia que hace trabajar al generador. Objetivos de este ensayo: Construir las curvas características del generador. En la figura 4 se muestra el diagrama del montaje para el ensayo del generador. Figura 4. Diagrama del generador.

EJE GENERADOR DINAMOMETRO

A PANEL DE CONTROL

0.30

1

0.25

Realización del ensayo: 1.1

Tomar la velocidad de giro del eje con el tacómetro digital.

1.2

Leer en el dinamómetro la fuerza que provoca el torque en el eje del generador, la cual está dada en libras.

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1.3

2

Leer en el tablero eléctrico el valor de la intensidad de corriente (en amperios) y el potencial (en voltios) que desarrolla el generador para cada velocidad de giro.

Cálculos: 2.1

Al igual que en el ensayo de la turbina, la potencia en el eje se determina con la fórmula Peje = τω , dado que la turbina y el generador están unidos por el mismo eje, la potencia de salida es la turbina es la de entrada del generador.

2.2

Determine la potencia eléctrica que desarrolla el generador con la fórmula Pelec = I * V , en watts, donde I es la intensidad de corriente (en amperios) y V es el potencial en Voltios.

2.3

Determine la eficiencia del generador con la fórmula:

2.4

Plotee, en gráficas individuales siguientes:

G 

Pelec *100% Peje

2.4.1.Caudal, (eje horizontal) vrs. Potencia eléctrica, (eje vertical) 2.4.2.Caudal, (eje horizontal) vrs., eficiencia, (eje vertical)

Comparación de resultados Con los datos finales plotee las curvas para comparar las características desarrolladas por las tres máquinas en función del caudal, como muestran las figuras 5 y 6. Figura 5. Comparación de la carga entregada por la bomba con la carga extraída por la turbina al sistema en función del caudal.

CARGA H (m)

45.0 40.0 35.0 30.0 25.0

carga de la bomba

20.0 15.0

carga de la turbina

10.0 5.0 0.0 0

2

4

6

8

10

CAUDAL Q (l/s)

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Potencia (Watts)

Figura 6. Comparación de la potencia desarrollada por la bomba, la turbina y el generador en función del caudal. 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0.00

Potencia de la Bomba Potencia de laTurbina Potencia del Generador

2.00

4.00

6.00

8.00

CAUDAL Q (l/s)

TABLAS PARA LA TOMA DE DATOS Ensayo de la bomba centrífuga:

DATOS No.

Lectura de manómetros P entrada (inHg)

P salida (psi)

H vertedero (cm)

Q (L/s)

CALCULOS Potencia Carga de Eficiencia Hidráulica la bomba de la bomba Generada (m) % (Watt)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

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Ensayo de la turbina pelton:

No.

DATOS Presión a la Velocidad de rotación del eje entrada de la (rpm) Turbina (psi)

Q (l/s)

Carga de la Turbina (m)

CALCULOS Potencia desarrollada (Watt)

Potencia extraída (Watt)

Eficiencia de la turbina %

1

2 3 4 5 6 7 8 9

Ensayo del generador eléctrico:

DATOS No.

Velocidad de rotación del eje (rpm)

Fuerza del torque (lb)

Voltaje (Voltios)

Intensidad de Carga de la Corriente Turbina (m) (amperios)

CALCULOS Potencia Potencia de eléctrica entrada generada (Watt) (Watt)

Eficiencia %

1 2 3 4 5 6 7 8 9

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Figura 7

Curvas características de una bomba centrífuga en función del caudal

Carga - Caudal

Potencia - Caudal

Eficiencia - Caudal

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