Práctica 7 - Laboratorio de mecánica de fluidos - Equilibrio Relativo PDF

Preview

Summary

Universidad AutónomadeNuevo LeónFacultad de Ingeniería Mecánica y EléctricaInstructor: Raúl Gutiérrez HerreraPractica No. 7“Equilibrio Relativo”Periodo: Febrero – Julio 2021 Brigada: 407 Salón: 5000 Hora clase: Jueves NNombre No. Lista MatriculaFecha de entrega: 29 /04 /2021_Lab. Mecánica de Fluidos...

Description

Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Lab. Mecánica de Fluidos Instructor: Raúl Gutiérrez Herrera

Practica No. 7 “Equilibrio Relativo” Periodo: Febrero – Julio 2021 Brigada: 407 Salón: 5000 Hora clase: Jueves N1

Nombre

No. Lista

Matricula

Fecha de entrega: ___29___ /_____04_____ /___2021____

Introducción En esta práctica se presentará primeramente una investigación acerca de las diferentes bombas hidráulicas, mencionando así su funcionamiento, como están compuestas y los diferentes tipos que hay y cuál es su aplicación en el mundo laboral. Se abordará principalmente el tema de las bombas centrifugas, explicando más a detalle lo que es, su principio de funcionamiento y como esta compuesta este tipo de bombas centrifugas, ya que son las que más se utilizan en el ámbito industrial y laboral, por lo que es necesario recalcar esta parte. Para entrar en tema acerca de lo principal de la practica se menciona el equilibrio relativo el cual es Cuando el líquido se acelera de tal forma que ninguna capa se mueve relativamente hacia una capa adyacente, es decir, cuando el fluido se mueve como si fuera un solidó, no ocurren esfuerzos cortantes y se puede determinar la variación de la presión planteando la ecuación de movimiento para un cuerpo libre apropiado. Existen dos casos de interés, una aceleración lineal uniforme y una rotación uniforme alrededor de un eje vertical. Cuando se mueve de esta manera, se dice que el fluido se encuentra en equilibrio relativo. Por ultimo se presentaran los cálculos necesarios para la obtención de la altura máxima real para compararla con la altura máxima teorica.

2

Marco Teórico

Bombas Hidráulicas La bomba hidráulica es un dispositivo que transforma energía mecánica (torque y velocidad del motor) en hidráulica (caudal). Cuando una bomba opera, cumple dos funciones: primero, su acción mecánica crea un vacío en la succión lo cual permite que la presión atmosférica fuerce líquido del tanque o reservorio hacia la entrada de la misma. Segundo, la misma acción entrega este líquido a la salida de la bomba y lo empuja hacia el circuito hidráulico. Es importante destacar que una bomba produce movimiento del líquido (caudal), las bombas no generan presión. Se genera el caudal necesario para el desarrollo de la presión en el sistema, la cual es realmente resultado de la resistencia al flujo. Por ejemplo: la presión de un fluido a la salida de la bomba es nula si ésta no está conectada a un sistema o carga. De igual manera, si una bomba está entregando caudal a un sistema, la presión sólo llegará al nivel necesario para vencer la resistencia de la carga aplicada al mismo.

Clasificación de las bombas Todas las bombas pueden ser clasificadas como: de desplazamiento positivo y de desplazamiento negativo o roto-dinámicas. Las últimas producen un flujo continuo, sin embargo, como no cuentan con un sistema de sellado positivo interno que evite el deslizamiento, su caudal de salida varía considerablemente con cambios en la presión en el sistema. Las bombas centrífugas y de hélice son ejemplos de bombas de desplazamiento negativo.

3

Si la salida de una bomba de desplazamiento negativo fuese bloqueada, la presión se incrementaría, pero el caudal bajaría a cero. Aunque el elemento de bombeo continuaría en movimiento, el caudal se anularía debido al deslizamiento o fuga interna. Por otra parte, en una bomba de desplazamiento positivo, la fuga interna es despreciable en comparación con el caudal de salida. Si el puerto de salida fuese bloqueado, la presión se incrementaría instantáneamente hasta el punto que el elemento de bombeo, la carcasa u otro elemento interno falle (probablemente explotaría, a menos que el eje falle primero), o el accionamiento principal se apagaría por sobrecarga.

•

Principio de Desplazamiento Positivo Una bomba de desplazamiento positivo es aquella que desplaza (entrega) la misma cantidad de fluido por cada ciclo de rotación del elemento de bombeo. La entrega constante durante cada ciclo es posible gracias a las tolerancias que existen entre el elemento de bombeo y su contenedor (estator, bloque de pistones, carcasa, etc.). La cantidad de líquido (fuga interna) que pasa a través del elemento de bombeo en una bomba de desplazamiento positivo es mínima y despreciable en comparación con el caudal máximo teórico de la bomba y el volumen por ciclo permanece relativamente constante a pesar de los cambios de presión en el sistema. Vale destacar que si la fuga interna es sustancial, es un indicativo que la bomba no está operando correctamente y posiblemente deba ser reparada o reemplazada. Las bombas de desplazamiento positivo pueden ser fijas o variables. El caudal de una bomba de desplazamiento fijo se mantiene constante a lo largo del ciclo de bombeo y a una velocidad específica, mientras que aquél en una bomba de desplazamiento variable puede ser modificado alterando la geometría de la cavidad de desplazamiento.

4

Otros nombres utilizados para describir este tipo de bombas son hidrostáticas para aquéllas de desplazamiento positivo e hidrodinámica para las de desplazamiento negativo. Hidrostático significa que la bomba convierte energía mecánica a hidráulica con una cantidad relativamente menor de fluido y velocidad. En una bomba hidrodinámica, la velocidad del líquido y movimiento son mayores; la presión de salida es dependiente de la velocidad a la cual el líquido opera.

•

Bombas Reciprocantes El principio de desplazamiento positivo se ilustra de manera clara en la bomba reciprocante, la más elemental de este tipo mostrada en la Figura 1. A medida que el pistón se extiende, el vacío parcial creado en la cámara de bombeo sustrae líquido del reservorio a través de la válvula antirretorno en la entrada hacia la misma. Éste vacío parcial ayuda a que la válvula

antirretorno de salida se asiente firmemente. El volumen de líquido succionado hacia la cámara es conocido debido a la geometría de la carcasa, en este caso, un cilindro. A medida que el pistón se retrae, la antirretorno de entrada se asienta nuevamente, cerrando la válvula, y la fuerza del pistón levanta la antirretorno de salida, forzando el líquido fuera de la bomba hacia el sistema. La misma cantidad de líquido se fuerza fuera de la bomba en cada ciclo reciprocante. Todas las bombas de desplazamiento positivo entregan la misma cantidad de líquido por cada ciclo (independientemente de si son reciprocantes o rotativas). Es una característica física de la bomba y no depende de la velocidad de accionamiento. Sin embargo, mientras más alta sea, mayor será el volumen total de líquido que entregará.

5

•

Bombas Rotativas En una bomba rotativa, la rotación lleva al líquido desde la succión hasta la salida. Las bombas rotativas son generalmente clasificadas de acuerdo al tipo de elemento que transmite al líquido, por lo que hablamos de una bomba de engranajes, émbolo giratorio, paletas o bombas rotativas de pistones.

Las bombas de engranajes externos se pueden dividir en externos e internos. Una bomba de engranajes externos típica la podemos ver en la figura. Estas bombas pueden ser de engranajes rectos, helicoidales, o helicoidales. Los engranajes rectos son los más fáciles de maquinar y son los más comúnmente utilizados. Los helicoidales y helicoidales son más silenciosos durante operación, pero son más costosos. La bomba de engranajes produce flujo llevando al fluido entre los dientes de dos engranes acoplados. Un engrane es accionado por el eje y a su vez acciona al engrane intermedio o idler. Las cámaras que se forman entre dientes adyacentes son cubiertos por la carcasa y los platos laterales (también llamados platos de desgaste o de presión). Un vacío parcial se crea en la entrada de la bomba a medida que los dientes se desacoplan. El líquido entra para llenar el espacio y es transportado por la parte externa de los engranes. A medida que los dientes se acoplan nuevamente a la salida de la bomba, el fluido es forzado hacia afuera. La eficiencia volumétrica en éste tipo de bombas puede llegar hasta niveles de

6

93% en condiciones óptimas. El juego entre las caras de los engranajes, dientes, crestas, y la carcasa generan pérdidas casi constantes sobre cualquier volumen bombeado a presión constante. Esto significa que la eficiencia volumétrica a bajas velocidades y flujos es pobre, por lo que las bombas de engranajes deben ser utilizadas cerca de sus velocidades máximas de diseño.

•

Bomba lobular La bomba de pistones rotativos o lobular es una bomba rotativa de engranajes externo. Difiere de la bomba convencional de engranajes en la manera como los mismos son accionados. Como vimos anteriormente, en la bomba de engranajes externos uno acciona al otro, mientras que, en la lobular, ambos son accionados a través de engranajes ubicados fuera de la cámara de bombeo.

•

Bomba de tornillos La bomba de tornillos es de flujo axial, con una operación similar a la de un compresor rotativo. Los tres tipos son: de un tornillo, dos y tres. En la de un solo tornillo, un rotor en espiral se mueve excéntricamente en un estator interno. La de dos tornillos consiste en dos rotores paralelos interconectados que rotan en una carcasa maquinada con tolerancias exigentes. Por otro lado, la de tres tornillos consiste en un rotor de accionamiento central con dos rotores intermedios acoplados, e igualmente los mismos rotan en una carcasa maquinada con tolerancias exigentes.

7

•

Bomba de pistones La bomba de pistones es una unidad rotativa que utiliza el principio de la bomba reciprocante para generar caudal. En lugar de utilizar un solo pistón, estas bombas tienen pistones

configuraciones en

un

de

cilindro.

múltiples Parte

del

mecanismo rota alrededor de un eje para generar los movimientos reciprocantes, los cuales extraen fluido hacia cada cilindro y luego lo entregan, produciendo el flujo. Existen dos tipos principales, axiales y radiales; ambos están disponibles de desplazamiento fijo o variable. La segunda tiene por lo general, capacidad de desplazamiento variable reversible (sobre centro). Las bombas de desplazamiento variable tienden a ser más grandes y pesadas que las fijas. Esto se debe a que se requieren controles adicionales, como, por ejemplo: mecánicos, motores eléctricos, cilindros hidráulicos, servos, entre otros.

8

Bomba Centrifuga La bomba centrífuga, es también denominada bomba rotodinámica, actualmente es la máquina más utilizada para bombear fluidos incompresibles (líquidos). Las bombas centrífugas son siempre rotativas y son un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor en energía cinética o de presión de un fluido incompresible. El fluido entra por el centro del rodete o impulsor, que dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa (voluta) o cuerpo de la bomba. Debido a la geometría del cuerpo, el fluido es conducido hacia las tuberías de salida o hacia el siguiente impulsor. Son máquinas basadas en la Ecuación de Euler.

Las Bombas Centrífugas se pueden clasificar de diferentes maneras: •

Por la dirección del flujo en: radial, axial y mixto.

•

Por la posición del eje de rotación o flecha en: horizontales, verticales e inclinados.

•

Por el diseño de la coraza (forma) en: voluta y las de turbina.

•

Por el diseño de la mecánico coraza en: axialmente bipartidas y las radialmente bipartidas.

•

Por la forma de succión en: sencilla y doble.

Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de 9

líquido, la energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pascales, Pa, metros de columna de agua m.c.a. o pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su densidad. Tradicionalmente la presión proporcionada por la bomba en metros de columna de agua o pie-lb/lb se expresa en metros o en pies y por ello que se denomina genéricamente como "altura", y aún más, porque las primeras bombas se dedicaban a subir agua de los pozos desde una cierta profundidad (o altura). Principio de funcionamiento Las bombas centrífugas son máquinas denominadas "receptoras" o "generadoras" que se emplean para hacer circular un fluido en contra de un gradiente de presión. Para que un fluido fluya desde donde hay mayor presión hasta donde hay menos presión no se necesita ningún gasto de energía (Por ejemplo: un globo desinflándose, o un líquido desplazándose desde donde la energía potencial es mayor hasta donde es menor) pero, para realizar el movimiento inverso, es necesaria una bomba, la cual le comunica al fluido energía, sea de presión, potencial o ambas. Para esto, necesariamente se tiene que absorber energía de alguna máquina motriz, ya sea un motor eléctrico, uno de combustión interna, o una turbina de vapor o gas, etc. Como anteriormente se ha mencionado, las bombas centrífugas están dotadas principalmente de un elemento móvil: el rotor, rodete, o impulsor. Es el elemento que transfiere la energía que proporciona el motor de accionamiento al fluido. Esto sólo se puede lograr por un intercambio de energía mecánica y, en consecuencia, el fluido aumenta su energía cinética y por ende su velocidad. Además, por el hecho de ser

10

un elemento centrífugo, aparece un aumento de presión por el centrifugado que se lleva a cabo al circular el fluido desde el centro hasta la periferia. Una partícula que ingresa y toma contacto con las paletas en 1 comenzará a desplazarse, idealmente, contorneando la paleta (En realidad, esto sería estrictamente cierto si hubiera un número muy alto de paletas, más adelante se detalla que sucede cuando hay pocas) Como al mismo tiempo que se va separando del eje el impulsor rota, la partícula a cada instante aumenta su radio y se mueve en el sentido de la rotación (Anti horario en el ejemplo), por lo que su trayectoria, vista desde el exterior, resultará una espiral como la ilustrada en punteado, y saldrá luego por 2. El exceso de energía cinética a la salida del impulsor (algo de energía cinética se requiere para que el fluido salga de la máquina y circule) conviene convertirlo en energía de presión. Para esto se utiliza la zona fija que sigue a la móvil. En el estátor, carcasa o cuerpo (de la bomba o del compresor) hay una parte diseñada para trabajar como difusor, es decir, convertir energía cinética en presión. Esto se logra diseñando un sector divergente. Por la presencia de esta porción de área creciente, la velocidad necesariamente debe disminuir para que se cumpla la ecuación de continuidad o de conservación del caudal. Y si se analiza con la ecuación de Bernoulli, como las variaciones de energía potencial son nulas o casi nulas, las disminuciones de energía cinética se transforman necesariamente en un aumento de presión.

11

Desarrollo 1.- Se enciende el control de velocidad y se ajusta la velocidad para hacer girar el recipiente a cierta velocidad angular. 2.- Se mide la velocidad angular con el tacómetro, en revoluciones por minuto (rpm). 3.- Una vez que se desarrolla totalmente la parábola invertida, con la superficie del fluido, se mide la altura máxima real (hmax real) que se forma, con la ayuda de una escala de 30 cm. 4.- Se ajusta otra velocidad en rpm, que se mide con el tacómetro. 5.- Una vez desarrollada totalmente la parábola, se mide la hmax real con la escala nuevamente. Y así sucesivamente hasta obtener varias lecturas de velocidad angular y hmax real relacionadas.

12

Datos y resultados Para llenar la tabla de datos y resultados, se calculan la velocidad angular ω en rad/seg y la hmax teórica. Estos son los datos tomados y anotados en la tabla de datos y resultados que tenemos a continuación: Rmax = 7.5 cm ω

(cm)

(cm)

(R.P.M)

(rad/seg)

(Teórica)

(Real)

262

27.4365

21.5814

18.5

215

22.5147

14.5330

14.0

197

20.6297

12.2013

12.0

175

18.3259

9.6284

9.0

153

16.0221

7.3597

7.0

137

14.3466

5.9009

5.0

𝑟𝑎𝑑 2𝜋𝑁 2𝜋(215) = 22.5147 = 𝜔2 = 60 60 𝑠

𝜔4 =

hmax

N

2𝜋𝑁 2𝜋(262) 𝑟𝑎𝑑 = 𝜔1 = = 27.4365 60 𝑠 60

𝜔3 =

hmax

2𝜋𝑁

𝑟𝑎𝑑 2𝜋(197) = 20.6297 = 60 60 𝑠

2𝜋𝑁 2𝜋(175) 𝑟𝑎𝑑 = = 18.3259 60 𝑠 60

𝑟𝑎𝑑 2𝜋𝑁 2𝜋(153) = 16.0221 = 𝜔5 = 60 60 𝑠 2𝜋𝑁

𝑟𝑎𝑑 2𝜋(137) 𝜔6 = = 14.3466 = 60 60 𝑠

ℎ𝑚𝑎𝑥

ℎ𝑚𝑎𝑥

ℎ𝑚𝑎𝑥

𝑟𝑎𝑑 2 2 𝜔2 𝑟𝑚𝑎𝑥 2 (27.4365 𝑠 ) (7.5𝑐𝑚) = 21.5814 𝑐𝑚 = = 2(981 𝑐𝑚 /𝑠2 ) 2𝑔 𝑟𝑎𝑑 2 2 𝜔2 𝑟𝑚𝑎𝑥 2 (22.5147 𝑠 ) (7.5𝑐𝑚) = 14.5330 𝑐𝑚 = = 2(981 𝑐𝑚 /𝑠2 ) 2𝑔 𝑟𝑎𝑑 2 2 𝜔2 𝑟𝑚𝑎𝑥 2 (20.6297 𝑠 ) (7.5𝑐𝑚) = 12.2013 𝑐𝑚 = = 2(981 𝑐𝑚 /𝑠2 ) 2𝑔

ℎ𝑚𝑎𝑥 =

ℎ𝑚𝑎𝑥

ℎ𝑚𝑎𝑥

𝜔2 𝑟𝑚𝑎𝑥 2 2𝑔

𝑟𝑎𝑑 2 ) (7.5𝑐𝑚)2 𝑠 = 9.6284 𝑐𝑚 2(981 𝑐𝑚 /𝑠2 )

(18.3259 =

𝑟𝑎𝑑 2 2 𝜔2 𝑟𝑚𝑎𝑥 2 (16.0221 𝑠 ) (7.5𝑐𝑚) = 7.3597 𝑐𝑚 = = 2(981 𝑐𝑚 /𝑠2 ) 2𝑔 𝑟𝑎𝑑 2 2 𝜔2 𝑟𝑚𝑎𝑥 2 (14.3466 𝑠 ) (7.5𝑐𝑚) = 5.9009 𝑐𝑚 = = 2(981 𝑐𝑚 /𝑠2 ) 2𝑔

13

Bibliografías GUÍA DE LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS´ DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA. ING. JUAN ANTONIO FRANCO QUINTANILLA ING. RAÚL GUTIÉRREZ HERRERA ING. FRANCISCO JAVIER GUEVARA CASTILLO.

Bomba centrífuga. (2021, 8 marzo). En Wikipedia, la enciclopedia libre. https://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_centr%C3%ADfuga StackPath. (s. f.). Hydraulics & Pneumatics. Recuperado 24 de abril de 2021, de https://www.hydraulicspneumatics.com/hp-enespanol/article/21886594/principios-ingenieriles-bsicos-bombas-hidrulicas

14...