pico hidraulica

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR

Ingeniera Tcnica Industrial: Electricidad PROYECTO FIN DE CARRERA

ENSAYO DE MICROTURBINAS HIDRULICAS PARA LA GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA EN ZONAS DESABASTECIDAS (II)DEPARTAMENTO DE INGENIERA TRMICA Y DE FLUIDOS

Autor: Juan Manuel Mascas de la Rica Tutor: Ulpiano Ruiz-Rivas Hernando

Julio 2012

Ensayo de microturbinas hidrulicas para la generacin de energa elctrica en zonas desabastecidas (II)

2012

DEDICATORIA

Agradezco la ayuda prestada para llevar a cabo este proyecto a mi tutor Ulpiano Ruiz-Rivas Hernando, primero por ofrecernos la oportunidad de trabajar en este proyecto de final de carrera, y segundo por estar dispuesto a resolver las dudas que nos han ido surgiendo y explicarnos las cosas las veces que hicieran falta, que han sido muchas. Mencionar tambin la ayuda prestada por Jaime Martnez Alonso, tutor del proyecto de Alberto Gregoris con quien he tenido trato debido a la naturaleza de este proyecto y que tambin ha estado dispuesto siempre que ha sido posible a ayudarnos. Agradezco la ayuda y consejos prestados por los tcnicos del taller de fluidos de la Universidad Carlos III, en especial a Manolo y Carlos que tanto nos ayudaron en la construccin del banco de pruebas del proyecto. Quiero agradecer especialmente el apoyo de mi familia, que ha estado encima ma en los momentos difciles al inicio de la carrera y cuyos consejos y sermones me han ayudado y me ayudarn siempre. Quiero agradecer tambin a mis amigos de siempre el apoyo durante todos estos aos de amistad y junto a los cuales, espero no hacerme nunca mayor. Quiero agradecer a mis compaeros de clase lvaro Maldonado, Sergio Cano, Ral Blazquez, Eliseo Virseda, Sebastin Fernndez, Sergio Martnez y Raul Rodriguez la ayuda prestada en el paso por la universidad y sin los que sinceramente, no estaras leyendo este documento. Claro est, y para lo ltimo siempre queda lo mejor, quiero agradecer a Alberto Gregoris, amigo desde los inicios de la universidad con el que tenido la suerte de compartir este proyecto, el empeo y ganas que ha puesto en sacar adelante el proyecto, soportndome y arrimando el hombro en los momentos difciles del proyecto; que para que nos vamos a engaar, tambin ha tenido muchos buenos.

Juan Manuel Mascas de la Rica

Universidad Carlos III de Madrid

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NDICE

11.1 1.2 1.3

INTRODUCCINObjetivos del proyecto Organizacin del documento Organizacin del proyecto

1414 14 15

2 3

ENERGA PICO-HIDRULICA BASE TERICA

16 1717 17 17 18 21 21 24 27 36 36 36 37 39 40 40 41 41 42 43 45 48 48 48 49 51 51 51 53

3.1 CIRCUITO HIDRALICO 3.1.1 PROPIEDADES Y CONCEPTOS BSICOS DE FLUIDOS 3.1.1.1 PROPIEDADES 3.1.1.2 TEOREMAS 3.1.2 TEORA DE PERDIDAS EN TUBERAS 3.1.2.1 CIRCULACIN DE AGUA EN CONDUCTOS 3.1.2.2 PRDIDA DE CARGA POR FRICCIN 3.1.2.3 TEORA DE PRDIDA DE CARGA LOCALIZADA 3.2 Bombas, funcionamiento y sistemas 3.2.1 PARMETROS DE BOMBAS CENTRFUGAS E INSTALACIONES 3.2.1.1 CAUDAL 3.2.1.2 Altura de la bomba 3.2.1.3 VELOCIDAD DEL FLUIDO 3.2.1.4 PRESIN 3.2.1.5 NPSH en bombas centrfugas 3.2.2 Caractersticas de funcionamiento de las bombas centrfugas 3.2.2.1 Curvas caractersticas de las bombas 3.2.2.2 Curva caracterstica del sistema 3.2.2.3 Relacin entre la curva de la bomba y la del sistema 3.2.3 Ajuste para diferentes condiciones de funcionamiento 3.3 Vlvulas 3.3.1 Tipos De Vlvulas 3.3.1.1 Vlvulas tipo compuerta 3.3.1.2 Vlvulas de bola 3.4 Turbinas hidrulicas 3.4.1 Tipos de turbinas hidrulicas 3.4.1.1 TURBINAS DE REACCIN 3.4.1.2 TURBINAS DE ACCIN

4

INSTALACIN

6869 69 71 74 77 82

4.1 DISEO DE LA INSTALACIN Y DE SUS COMPONENTES 4.1.1 BOMBA CENTRFUGA 4.1.2 DEPSITO DE AGUA 4.1.3 ESTRUCTURA 4.1.4 CPULA Y ESTRUCTURA DEL ALTERNADOR 4.1.5 EJE TURBINA - ALTERNADOR



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4.1.6 TUBERAS Y VLVULAS SISTEMA DE TUBERAS 4.1.7 TURBINAS

55.1

NALISIS PREVIO DE LA INSTALACINClculo de prdidas de presin por friccin en la instalacin

105105 110 110 120

5.2 Clculo de prdidas de presin localizadas conocidas de la instalacin 5.2.1 Calculo de factores K 5.3 Caracterizacin previa de la instalacin

6

EXPERIMENTOS Y RESULTADOS

124124 126 126 131 133 136 138 138 139 141 141 146 148 159 159 163 164 168 172 176 176 187

6.1 Organizacin de los experimentos 6.1.1 EXPLICACIN DEL PROCEDIMIENTO DE LOS DIFERENTES EXPERIMENTOS 6.1.1.1 VARIACIN DE CAUDAL Y PRESIN 6.1.1.2 VARIACIN DE APERTURA DE LA TOBERA 6.1.1.3 VARIACIN DE EXCITACIN Y TIPOLOGA DE EXCITACIN DEL ALTERNADOR 6.1.1.4 Variacin de carga en el alternador 6.2 Caracterizacin de la instalacin 6.2.1 Curvas P-Q del sistema 6.2.2 Curvas de Potencia hidralica 6.2.3 Calculo factor K de la tobera 6.2.3.1 Calculo de factor K segn Crane 6.2.3.2 CALCULO DEL FACTOR K SEGN IDDLECHICK 6.2.3.3 CALCULOS FACTOR K USANDO DATOS PRCTICOS 6.3 Caracterizacin de la turbina pelton 6.3.1 PRUEBAS EN VACIO 6.3.2 PRUEBAS CON REGULADOR 6.3.2.1 PRUEBAS PARA 4,5 MM DE DIAMETRO 6.3.2.2 PRUEBAS PARA 5,5 MM DE DIAMETRO 6.3.2.3 PRUEBAS PARA 6,5 MM DE DIAMETRO 6.3.3 PRUEBAS CON EXCITACIN INDEPENDIENTE 6.3.3.1 PRUEBAS PARA 5,5 MM DE DIAMETRO 6.3.3.2 PRUEBAS PARA 6,5 MM DE DIAMETRO

7 8

CONCLUSIONES Y PROYECTOS FUTUROS BIBLIOGRAFA

188 191



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INDICE DE FIGURAS

FIGURA 1. FIGURA 2. FIGURA 3. FIGURA 4. FIGURA 5.

DISTRIBUCIN DE VELOCIDADES EN UNA TUBERA (SACADO DE ESHA)

21 21

DIAGRAMA DE MOODY

26

REPRESENTACIN TPICA DE LA PRDIDA DE CARGA DE UNA CONDUCCIN 28 GRFICO DE FACTORES K PARA EXPANSIN Y CONTRACCIN SBITAS 29

FIGURA 6. COEFICIENTES K PARA LOS DISTINTOS TIPOS DE ENTRADAS O SALIDAS A ESCAPE LIBRE O DEPSITOS FIGURA 7. DISTRIBUCIN DE PRESIONES EN UN TRAMO CURVO DE TUBERA

33 34

FIGURA 8. DISTRIBUCIN DE PRESIONES EN SECCIN TRANSVERSAL DE TRAMO CURVO DE TUBERA 34 FIGURA 9. FIGURA 10. FIGURA 11. COEFICIENTES K DE CODOS EN FUNCION DEL PARMETRO COEFICIENTES K PARA DIFERENTES TIPOS DE VLVULA CURVAS TPICAS H(Q) PARA BOMBAS CENTRFUGAS 35 35 41 REAL 43

FIGURA 12. VARIACIN DEL CAUDAL DEBIDO A LA VARIACIN DE LA CURVA SOBRE LA CURVA PREVIAMENTE CALCULADA FIGURA 13. RELACIN ENTRE CURVAS HA(Q) INESTABLES Y ALTURAS VARIABLES DE INSTALACIN 44 FIGURA 14. VARIACIN DEL CAUDAL POR ESTRANGULACIN

45

FIGURA 15. PRDIDAS POR REGULACIN EN CURVAS H(Q) PLANAS Y DE PENDIENTE PRONUNCIADA FIGURA 16. FIGURA 17. FIGURA 18. CONTROL DEL CAUDAL MEDIANTE BYPASS DETALLE DE VLVULAS DE COMPUERTA DETALLE DE VLVULA DE BOLA 5

46 47 48 49




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FIGURA 19. FIGURA 20. FIGURA 21. FIGURA 22. FIGURA 23. FIGURA 24. FIGURA 25. FIGURA 26. FIGURA 27. FIGURA 28. FIGURA 29. FIGURA 30. FIGURA 31. FIGURA 32. FIGURA 33. FIGURA 34. FIGURA 35. FIGURA 36. FIGURA 37. FIGURA 38. FIGURA 39.

TURBINA FRANCIS TURBINA KAPLAN TURBINA TURGO ESQUEMA DE TURBINA DE FLUJO CRUZADO RODETE Y CUCHARAS DE UNA TURBINA PELTON EJEMPLO DE PELTON CON 6 INYECTORES ESQUEMA DEL INYECTOR DE UNA TURBINA PELTON EJEMPLO DE INCIDENCIA EN UN LABE DE PELTON CAZOLETAS DE PELTON VALOR DE EN FUNCIN DEL GRADO DE APERTURA DEL INYECTOR

52 52 53 54 55 56 56 56 57 59 59 61 63 64 66 68 69 73 73 74 75

TRIANGULO DE VELOCIDADES CURVAS CARACTERSTICAS TERICAS DE LA TURBINA PELTON PROPORCIONES DE LAS CAZOLETAS TRAYECTORIA DE UNA CAZOLETA DESDE EL PRIMER IMPACTO GRFICO OPERACIONAL CAUDAL/SALTO PARA LOS TIPOS DE TURBINAS INSTALACIN HIDRALICA DIMENSIONES DE LA BOMBA ENTRADA LATERAL AL DEPSITO ENTRADA INFERIOR AL DEPSITO ESTRUCTURA DE APOYO DEL DEPSITO DETALLE DE ESTRUCTURA DE SOPORTE DE CPULA



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FIGURA 40. LAMINA DE APOYO DE LA CPULA VISTA DESDE ARRIBA (IZQUIERDA) Y DESDE ABAJO (DERECHA) DONDE SE APRECIA LA UNIN AL DEPSITO Y A LA ESTRUCTURA MEDIANTE SILICONA 75 FIGURA 41. FIGURA 42. FIGURA 43. FIGURA 44. FIGURA 45. FIGURA 46. FIGURA 47. FIGURA 48. FIGURA 49. FIGURA 50. DIBUJO DE LMINA DE APOYO DE LA CPULA BOCETOS DE LA CPULA LMINA DE LA CARA DE APOYO DE LA TURBINA PELTON LMINA DE LA CARA DE APOYO DE LA TURBINA TURGO LMINA SUPERIOR DE CIERRE DE LA CPULA IMAGEN DE LA CPULA FOTOGRAFA DE SUJECIONES DEL ALTERNADOR PIEZAS SOBRE EL EJE DEL ALTERNADOR FOTOGRAFA DEL RODETE TURGO DIBUJO DEL EJE DE UNIN ENTRE TURBINA Y ALTERNADOR 76 77 79 79 80 80 81 82 83 84 ERROR!

FIGURA 51. IMAGEN DE PIEZA DE UNIN ENTRE EJE Y RODETE DE LA TURBINA MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 52. FIGURA 53. FIGURA 54. IMAGEN DEL CONJUNTO DETALLE DE LA VLVULA DE TRES VAS VLVULA DE COMPUERTA

ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. 85 86

FIGURA 55. DIFERENTES POSICIONES DE LA VLVULA DE COMPUERTA DONDE SE APRECIA EL ESTRECHAMIENTO DEL REA DE PASO. FIGURA 56. FIGURA 57. VLVULAS MONTADAS EN LAS INSTALACIN DISEO INICIAL DEL SISTEMA DE TUBERAS

87 88 89

FIGURA 58. SISTEMA DE PURGA DEL DEPSITO Y TOMA DE PRESIN EN LA BOCA DE ASPIRACIN DE LA BOMBA

90



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FIGURA 59. FIGURA 60. FIGURA 61. FIGURA 62. FIGURA 63. FIGURA 64. FIGURA 65. FIGURA 66. FIGURA 67. FIGURA 68. FIGURA 69. FIGURA 70. FIGURA 71. FIGURA 72.

IMAGEN DE LA CONEXIN EN T

91

FOTOGRAFA DE LA CONEXIN PARA EL MONTAJE DE LA TURBINA TURGO 92 FOTOGRAFA DE LA CONEXIN PARA EL MONTAJE DE LA TURBINA PELTON 92 IMAGEN DE TURBINA TURGO DETALLE DE LA TOBERA SECCIONADA PRIMERA PASO EN LA CONSTRUCCIN DE LAS CAZOLETAS PIEZA INICIAL DE LAS CAZOLETAS CORTES EN LA PIEZA PRINCIPAL DESPIECE DE LA CAZOLETA DE LA TURBINA PEGADO DE PIEZAS DE LA CAZOLETA CAZOLETA PEGADA UNIN DE PIEZA DE REFUERZO DETALLE DE LA MELLA DE LAS CAZOLETAS AGUJEROS DE UNIN CON EL RODETE 93 94 98 98 99 99 100 100 101 101 102

FIGURA 73. PIEZA CENTRAL DE LA CAZOLETA DONDE SE PUEDE OBSERVAR LA OPERACIN DE FRESADO SOBRE LA TUBERA.

102

FIGURA 74. FOTOGRAFA DE LA CAZOLETA COMPLETAMENTE MONTADA DONDE PODEMOS OBSERVAR LA MELLA EN SU EXTREMO Y EL CORTE EN SU PARTE INFERIOR QUE SIRVE DE ACOPLE ENTRE PALAS 103 FIGURA 75. EN ESTA FOTOGRAFA VEMOS LA PALA ANTES DE PRACTICARLE EL AGUJERO DE LA MELLA Y DONDE VEMOS TAMBIN EL REFUERZO EN SU PARTE TRASERA 103 FIGURA 76. FIGURA 77. FIGURA 78. TURBINA PELTON MONTADA CURVAS H-Q DE LAS BOMBAS FACILITADAS POR EL FABRICANTE DIAGRAMA DE MOODY MARCADO PARA NUESTRO CASO CONCRETOUniversidad Carlos III de Madrid

104 105 109


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FIGURA 79. FIGURA 80. BOMBA FIGURA 81.

PRDIDAS DE PRESIN TOTALES CONOCIDAS FRENTE A LA CURVA H(Q) REPRESENTACIN GRFICA DE LA CURVA DE CARACTERIZACIN DE LA 123

119

GRAFICA DE PRESIONES CON VLVULA DE PRESIN DE K VARIABLE FICTICIA 127 EXPLICACIN DE CURVAS DE PUNTO DE TRABAJO EXPLICACIN DE MEDIDAS DE PRESIN FOTOGRAFA DE LA TOBERA SIN APERTURA 128 129 131

FIGURA 82. FIGURA 83. FIGURA 84.

FIGURA 85. FOTOGRAFA DE LA TOBERA TRAS REALIZAR LA PRIMERA OPERACIN DE APERTURA DE 4,5 MM DE DIMETRO DE SALIDA 132 FIGURA 86. ESQUEMA ELCTRICO DE LA INSTALACIN (OBTENIDO DEL PFC DE ALBERTO GREGORIS BRAA) 133 FIGURA 87. FIGURA X. MONTAJE USADO EN LOS EXPERIMENTOS CON REGULADOR(OBTENIDO DEL PFC DE ALBERTO GREGORIS BRAA)

134

FIGURA 88. MONTAJE USADO EN LOS EXPERIMENTOS CON EXCITACIN INDEPENDIENTE (OBTENIDO DEL PFC DE ALBERTO GREGORIS BRAA) 135 FIGURA 89. RESISTENCIAS VARIABLES UTILIZADAS EN LA INSTALACIN 136

FIGURA 90. CURVAS DE PRESIN EN LA ENTRADA DE LA TOBERA PARA LOS DISTINTOS DIMETROS DE APERTURA 138 FIGURA 91. CURVAS DE POTENCIA EN LA SALIDA DE LA TOBERA PARA LOS DISTINTOS DIMETROS DE APERTURA 140 FIGURA 92. APROXIMACIN TERICA DEL FACTOR K PARA UN ESTRECHAMIENTO BRUSCO Y GRADUAL FIGURA 93. GRADUAL FIGURA 94. FIGURA 95. EXPRESIONES PARA EL CLCULO DEL FACTOR K DE UN ESTRECHAMIENTO 141 DIBUJO DEL INYECTOR PROPORCIONADO POR EL FABRICANTE DIBUJO CON MEDIDAS DEL INYECTOR 142 142

141



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FIGURA 96. FIGURA 97.

DIVISIN DEL CONO EN TRINGULOS IMAGEN DEL LIBRO IDDLECHICK

142 146

FIGURA 98. VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOS CONJUNTOS DE EXPERIMENTOS DE 4,5 MM (PELTON) 150 FIGURA 99. VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOS CONJUNTOS DE EXPERIMENTOS DE 5,5 MM (TURGO) 151 FIGURA 100. VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOS CONJUNTOS DE EXPERIMENTOS DE 5,5 MM (PELTON) FIGURA 101. VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOS CONJUNTOS DE EXPERIMENTOS DE 6,5 MM (TURGO) FIGURA 102. VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS USANDO LOS DATOS DE LOS CONJUNTOS DE EXPERIMENTOS DE 6,5 MM (PELTON)

152

152

153

FIGURA 103. VALORES DE FACTOR K OBTENIDOS MEDIANTE EXPRESIONES TERICAS Y DATOS PRCTICOS 154 FIGURA 104. ESTRECHAMIENTO DE LA VENA LQUIDA 156

FIGURA 105. GRFICA DONDE SE MUESTRAN LOS FACTORES K OBTENIDOS A PARTIR DE LA VARIACIN DEL DIMETRO DE APERTURA 158 FIGURA 106. REVOLUCIONES ADQUIRIDAS POR LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS DIMETROS DE APERTURA FIGURA 107. RELACIN DE VELOCIDADES EN LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS DIMETROS DE APERTURA FIGURA 108. DETALLE DE TURBINA PELTON

159

161 162

FIGURA 109. POTENCIA GENERADA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE GIRO (4,5 MM CON REGULADOR) 164 FIGURA 110. POTENCIAS GENERADAS POR EL ALTERNADOR ACOMPAADAS DE LA POTENCIA HIDRULICA (4,5 MM CON REGULADOR)

165

FIGURA 111. RENDIMIENTO DEL CONJUNTOS EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDA (4,5 MM CON REGULADOR) 166



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FIGURA 112. VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL FLUIDO (4,5 MM CON REGULADOR) 167 FIGURA 113. COMPARATIVA DE VELOCIDADES DE GIRO ENTRE EXPERIMENTOS DE VACO Y REGULADOR 167 FIGURA 114. POTENCIA GENERADA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL FLUIDO (5,5 MM CON REGULADOR)

168

FIGURA 115. POTENCIA GENERADA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE GIRO (5,5 MM CON REGULADOR) 169 FIGURA 116. POTENCIAS GENERADAS POR EL ALTERNADOR ACOMPAADAS DE LA POTENCIA HIDRULICA (5,5 MM CON REGULADOR)

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FIGURA 117. RENDIMIENTO DEL CONJUNTOS EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDA (5,5 MM CON REGULADOR) 170 FIGURA 118. VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL FLUIDO (5,5 MM CON REGULADOR) 170 FIGURA 119. COMPARATIVA DE VELOCIDADES DE GIRO ENTRE EXPERIMENTOS DE VACO Y REGULADOR 171 FIGURA 120. POTENCIA GENERADA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE GIRO (6,5 MM CON REGULADOR) 172 FIGURA 121. MM) FIGURA 122. (6,5 MM) FIGURA 123. POTENCIA GENERADA ACOMPAADA DE LA POTENCIA HIDRULICA (6,5 172 RENDIMIENTO DEL CONJUNTO EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DEL FLUIDO 173 VELOCIDAD DE GIRO EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DEL FLUIDO (6,5 MM) 173

FIGURA 124. VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA EN FUNCIN DE LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL FLUIDO (6,5 MM) 174 FIGURA 125. TENSIN DE SALIDA EN BORNES DEL ALTERNADOR PARA CADA DIMETRO DE APERTURA 175



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FIGURA 126. VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA FRENTE A LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL FLUIDO PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 6 OHMNIOS. 176 FIGURA 127. POTENCIA GENERADA EN EL ALTERNADOR FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 6 OHMNIOS. 177 FIGURA 128. RENDIMIENTO FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 6 OHMNIOS (5,5 MM) 178 FIGURA 129. VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA FRENTE A LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL FLUIDO PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 10 OHMNIOS. 179 FIGURA 130. POTENCIA GENERADA EN EL ALTERNADOR FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 10 OHMNIOS. 180 FIGURA 131. RENDIMIENTO FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 10 OHMNIOS. 181 FIGURA 132. VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA FRENTE A LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL FLUIDO PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 20 OHMNIOS 182 FIGURA 133. POTENCIA GENERADA EN EL ALTERNADOR FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 20 OHMNIOS. 182 FIGURA 134. RENDIMIENTO FRENTE A LA VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN Y RESISTENCIA DE 20 OHMNIOS. 183 FIGURA 135. VELOCIDAD DE GIRO DE LA TURBINA FRENTE A LA VELOCIDAD DE SALIDA DEL FLUIDO PARA LOS DISTINTOS VALORES DE EXCITACIN SIN RESISTENCIA EN LA SALIDA DEL ALTERNADOR. 184 FIGURA 136. TENSIN EN BORNES DEL ALTERNADOR OBTENIDA EN LOS EXPERIMENTOS DE EXCITACIN INDEPENDIENTE PARA TURBINA PELTON. 185 FIGURA 137. GRFICA DE EXPERIMENTOS CON UN MAYOR RENDIMIENTO 185

FIGURA 138. POTENCIAS MXIMAS OBTENIDAS CON EXCITACIN INDEPENDIENTE PARA TURBINA PELTON 186



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FIGURA 139.

MUESCAS CAUSADAS POR EL USO EN LA TURBINA PELTON

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INDICE DE TABLAS

TABLA 1. RANGO DE ALTURAS DE TURBINAS TABLA 2. DATOS DE LA CURVA H(Q) DE NUESTRA BOMBA TABLA 3. DATOS TCNICOS DE LAS TUBERAS DE LA INSTALACIN TABLA 4. PUNTOS DE ESTUDIO DE LA BOMBA TABLA 5. PERDIDAS TOTALES CONOCIDAS DE AMBOS CIRCUITO TABLA 6. CURVA H(Q) DE LA BOMBA FRENTE A PRDIDAS TOTALES

65 106 107 116 117 118

TABLA 7. EXPERIMENTO DE DISMINUCIN DE CAUDAL PARA CARACTERIZACIN DE LA BOMBA 122 TABLA 8. CONJUNTO DE PRUEBAS REALIZADA TABLA 9. CONJUNTO DE VARIABLES A MEDIR EN LAS DISTINTAS PRUEBA TABLA 10. FACTORES TERICOS SEGN CRANE TABLA 11. FACTORES TERICOS SEGN IDDLECHICK 125 125 145 148

TABLA 12. VALORES PROMEDIO, VARIANZA Y DESVIACIN DE VALORES DE K PRCTICOS 153 TABLA 13. EFECTO DE LA VARIACIN DEL DIMETRO DE SALIDA SOBRE EL FACTOR K TABLA 14. LISTADO DE GRFICAS DE EXPERIMENTO CON REGULADOR Y 4.5 MM DE DIMETRO 157

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Introduccin

1.1 Objetivos del proyectoEste proyecto se engloba dentro del campo de las Tecnologas Apropiadas, que pretenden ofrecer una solucin econmica y tcnicamente viable para abastecer de energa elctrica a zonas desabastecidas de pases en vas de desarrollo mediante la explotacin de recursos energticos renovables. Uno de los objetivos de este proyecto es el diseo y construccin de un banco de pruebas que simule condiciones de caudal y presin a modo de ser una simulacin de las condiciones de un aprovechamiento hdrico como un pequeo ro; y que permita identificar la viabilidad de parejas de turbina y alternador a fin de encontrar una solucin econmica y tcnicamente viable para ser aplicada en el campo de las tecnologas apropiadas. Otro objetivo marcado en este proyecto es el diseo, construccin y caracterizacin de una turbina tipo Pelton fabricada con materiales de bajo costo y accesibles en pases no industrializados.

1.2 Organizacin del documentoEl proyecto est organizado segn el ndice presentado al inicio del documento. Se adjunta con el documento un anexo con los archivos Excel donde estn todos los datos obtenidos en los ensayos realizados en el proyecto, as como fotografas y videos de la instalacin y sus componentes. A continuacin se realiza una breve descripcin del contenido de cada apartado. Apartado 1. Introduccin: Se citan los objetivos del proyecto y su organizacin Apartado 2. Energa pico-hidrulica: Muy breve introduccin acerca de la energa pico-hidrulica Apartado 3. Base terica: En este apartado se cita la teora consultada para llevar a cabo este proyecto y que sirve como base de para comprender los clculos realizados en el proyecto. Apartado 4. Instalacin: En este apartado se describe el proceso de diseo de un banco de pruebas para simulacin de condiciones de altura y caudal. Se describe adems el proceso seguido para el diseo y construccin de una turbina tipo Pelton a partir de materiales de coste reducido pensado para ser utilizado en la instalacin de Tecnologas Apropiadas. Apartado 5. Anlisis previo: En este apartado se realizan los clculos de prdidas de presin en la instalacin as como una caracterizacin previa de la curva de funcionamiento de la bomba Apartado 6. Experimentos y resultados: A lo largo de este apartado se describen los experimentos llevados a cabo en este proyecto, as como los resultados obtenidos en stos. Apartado 7. Conclusiones y proyectos futuros: En este apartado se reflexiona acerca de los resultados obtenidos y sobre posibles proyectos futuros del banco de pruebas.



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1.3 Organizacin del proyectoEste proyecto forma parte de un conjunto de dos proyectos denominados Ensayo de microturbinas hidrulicas para la generacin de energa en zonas desabastecidas (I y II) formados por los proyectos llevados a cabo simultneamente por Alberto Gregoris Braa y Juan Manuel Mascas de la Rica. En el proyecto de Alberto Gregoris Braa (se trata con mayor profundidad el apartado elctrico de la instalacin, as como los datos obtenidos en el banco de pruebas con la turbina Turgo. Cabe destacar que todo el proceso de diseo y montaje del banco de pruebas, as como la toma de datos de todos y cada uno de los experimentos llevados a cabo en el proyecto se ha realizado de manera conjunta en todo momento, quedando como trabajo individual en mi caso el diseo y construccin de una turbina Pelton fabricada en taller (aunque Alberto me ayuda en su construccin). Por motivos de extensin y carga de trabajo de ambos proyectos se decide dividir la redaccin de la siguiente manera: Alberto Gregoris Braa: Energa hidrulica Instalacin elctrica Sensorizacin Turbina Turgo

Juan Manuel Mascas de la Rica: Instalacin hidrulica, diseo Instalacin hidrulica, caracterizacin Caracterizacin factor K de la tobera Turbina Pelton

Si se desea obtener informacin concerniente a los temas que no se tratan en este documento puede acudirse al proyecto de Alberto Gregoris.



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ENERGA PICO-HIDRULICA

En la actualidad una gran parte de la energa elctrica que se genera es de origen hidroelctrico, lo que ayuda sobremanera a la conservacin del medioambiente evitando el uso de otras energas contaminantes. Aun as la energa hidrulica tiene un lado oscuro a causa de la importancia de la obra civil que conlleva la construccin de estas stas centrales y que en ocasiones provoca la inundacin de grandes reas para realizar el embalse de agua, lo que provoca grandes impactos en el entorno. Claro est esto ocurre siempre y cuando hablamos de grandes aprovechamientos energticos con enormes embalses que generan GW de energa para alimentar nuestra industria y sociedad en general. Es entonces cuando, los pequeos aprovechamientos de energa, con potencias instaladas no superiores a los 10 MW, se integran fcilmente en el ecosistema y se evita ese gran impacto sobre el medioambiente. Estos pequeos aprovechamientos no necesitan necesariamente para funcionar de grandes presas o embalses, siendo la gran mayora de estas pequeas centrales hidrulicas del tipo de agua fluyente. La Pico-Hidroenerga (Pico-Hidro) es la energa elctrica generada mediante el uso de turbinas hidrulicas con una potencia no mayor a los 5 KW. Esta tecnologa permite el aprovechamiento de pequeas fuentes de agua, as, hasta un riachuelo puede suministrar energa elctrica a varias viviendas rurales. Adems, tpicamente constituye la tecnologa de ms bajo costo para electrificacin en zonas alejadas de la red de energa. La pico-hidrulica posee varia ventajas; a diferencia de las hidroelctricas de gran tamao como hemos dicho no requiere represas o embalses, de forma que el impacto ambiental es mnimo. La turbina utilizada en la pequea central puede ser fabricada en un taller (como veremos en este proyecto) y como generador pueden usarse alternadores de coche relativamente baratos, de construccin robusta y de fcil acceso. Siendo as que, como punto a favor, basta con un pequeo arroyo que suministre el caudal, lo que conlleva sumado a un buen diseo de la instalacin un coste por la generacin de energa considerablemente menor que otros sistemas. Como desventaja pueden citarse las dificultades debido a variaciones estacionales que modifican el transcurso o caudal del ro. Sin embargo, estudindolo de manera global, parece ser una tecnologa econmicamente viable, con futuro prometedor y que puede brindar autosuficiencia energtica a zonas desabastecidas de pases en vas de desarrollo que posean recursos hdricos. Una tpica instalacin de pico-hidrulica consta bsicamente de los siguientes componentes:

Bocatoma y Reservorio: toma el agua del riachuelo y mantiene una reserva de agua. Tubera descendente: lleva el agua colina abajo hasta la turbina Turbina y Generador: el agua sale por un inyector como un chorro a alta presin que hace girar la turbina del generador haciendo que la potencia mecnica debida al giro de la turbina se convierta en potencia elctrica. Controlador electrnico de potencia que conectado al generador hace que la potencia elctrica generada pueda ser conectada con las cargas elctricas de consumo. Sistema de distribucin elctrica que distribuya la energa elctrica hasta las casas.



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3

BASE TERICA

3.1 CIRCUITO HIDRALICO3.1.1 3.1.1.1 PROPIEDADES Y CONCEPTOS BSICOS DE FLUIDOS PROPIEDADES

DEFINICION DE FLUIDO Los fluidos son sustancias capaces de fluir y que se adaptan a la forma de los recipientes que los contienen. Cuando se encuentran en equilibrio, los fluidos no pueden soportar fuerzas tangenciales o cortantes. Todos los fluidos son compresibles en cierto grado y ofrecen poca resistencia a los cambios de forma. Los fluidos pueden dividirse en lquidos y gases. Las diferencias esenciales entre lquidos y gases son; en primer lugar, que los lquidos son prcticamente incompresibles a diferencia de los gases que son compresibles; y en segundo lugar, los lquidos ocupan un volumen definido y tienen superficies libres mientras que un gas se expande hasta ocupar todas las partes del recipiente que lo contiene. PROPIEDADES Densidad .

La densidad de un cuerpo es la masa por unidad de volumen, y se denomina como

La densidad relativa de un cuerpo es un nmero adimensional que viene dado por la relacin del peso del cuerpo y el peso de un volumen igual de una sustancia que se toma como referencia; los slidos y lquidos se refieren al agua ( a ), mientras que los gases se refieren al aire libre de e Ha y 1 atm de presin, como condiciones normales. Viscosidad

La viscosidad de un fluido es aquella propiedad que determina la cantidad de resistencia opuesta a las fuerzas cortantes. La viscosidad se debe primordialmente a las interacciones entre las molculas del fluido. Cabe distinguir entre viscosidad absoluta o dinmica y viscosidad cinemtica, cuyas unidades son: Viscosidad absoluta o dinmica, Viscosidad cinemtica,



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Presin de un fluido

Un fluido sometido a presin produce una fuerza sobre las paredes del recipiente que lo contiene equivalente a dicha presin por la superficie de la pared donde acta. La presin de un fluido se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y acta normalmente a cualquier superficie plana. En el mismo plano horizontal, el valor de la presin en un lquido es igual en cualquier punto. Las medidas de presin se realizan mediante el uso de manmetros; la presin puede medirse tomando como referencia el vaco absoluto; denominndose entonces presin absoluta, o tambin puede medirse tomando como referencia la presin ambiente en el punto de medida, en cuyo caso recibe el nombre de presin manomtrica o relativa. El ambiente que rodea al punto de medida suele ser en la mayora de los casos la atmsfera local, cuya presin absoluta es la presin baromtrica. La presin viene expresada por una fuerza dividida por una superficie, o lo que es lo mismo, es la fuerza por unidad de superficie. En general;

3.1.1.2

TEOREMAS

TEOREMA DE CONTINUIDAD Este teorema es la expresin de la conservacin de la masa de fluido en su movimiento, y su expresin general es la siguiente:

Donde: - es la densidad - A la seccin transversal - V la velocidad del flujo.

Para fluidos incompresibles (densidad constante) la expresin se reduce a:

donde

es el caudal o masa por unidad de tiempo de fluido que atraviesa dicha seccin transversal, .

cuyas unidades son generalmente



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ECUACIN DE BERNOULLI La ecuacin de Bernoulli expresa la conservacin de la energa de un fluido en su movimiento. La ecuacin de Bernoulli se puede expresar de tres formas diferentes: , esta expresin representa la energa por unidad de peso.

, esta expresin representa la energa por unidad de masa.

, esta expresin representa la energa por unidad de volumen.

donde: , es el peso especfico de fluido , es la densidad del fluido p, es la presin V, es la velocidad del fluido z, es la cota o altura de referencia

Al calcular el Bernoulli en un punto de un conducto se adoptan los valores medios de cada seccin; y al considerar dos secciones distintas del conducto se escribir, por ejemplo:

En la mayora de los casos no puede suponerse que la energa de un fluido se conserva, pues en su desplazamiento hay prdidas de energa, llamadas prdidas de carga, y aportes o extracciones de energa por parte de bombas o de turbinas; dichas prdidas de energa se explicarn con ms detalladamente en apartados posteriores (apartado 3.1.2). En este caso es preciso recurrir a la ecuacin de Bernoulli generalizada, que expresa el balance de energa del fluido en su movimiento entre dos puntos.



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donde expresa la prdida de energa entre los dos puntos considerados y que se transforman en calor; la energa aportada al fluido por las bombas y la energa absorbida por la turbina, si las hubiese. En esta expresin todo esta expresado en unidades de longitud (metros de columna del lquido circulante), es decir, en energa por unidad de peso. De igual manera se podra haber expresado en las otras dos formas, es decir por unidad de volumen o por unidad de masa. En todo caso si se quisiera hallar la energa total habra que multiplicar la energa por unidad de peso, masa o volumen por el peso, masa o volumen circulante respectivamente.



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3.1.2 3.1.2.1

TEORA DE PERDIDAS EN TUBERAS CIRCULACIN DE AGUA EN CONDUCTOS

La energa contenida en un fluido incompresible que circula por el interior de un tubo, viene dada por la ecuacin de Bernoulli:

Donde: , es la energa total , es la elevacin de la lnea de corriente sobre un plano de referencia , es la presin , es el peso especfico del fluido , es la aceleracin de la gravedad

La energa total en el punto i, presin y la energa cintica

, es entonces la suma de la energa potencial .

, la energa de

Osborne Reynolds observ que, si se hace circular agua con un hilo de tinta en un tubo de cristal, con una velocidad suficientemente baja, el flujo muestra un comportamiento tpicamente laminar. El agua fluye en forma de tubos mltiples concntricos, de pared muy delgada. El tubo virtual exterior se adhiere a la pared del tubo real, mientras que cada uno de los siguientes se desplaza a una velocidad ligeramente mayor que el anterior, hasta alcanzar un mximo en el centro del tubo. La distribucin de la velocidad toma la forma de un paraboloide de revolucin cuya velocidad media (Figura 1) es el 50% del valor mximo en el eje del tubo.

Figura 1. Distribucin de velocidades en una tuberaJuan Manuel Mascas de la Rica


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Si la velocidad aumente llega un momento en el que el hilo de tinta se rompe bruscamente y las partculas cercanas a la pared, frenan a las que circulan a mayor velocidad por el interior; es en ese momento cuando el flujo pasa a ser turbulento, y se tiene una distribucin de velocidad ms plana como puede apreciarse en la figura anterior (Figura 1). Un flujo viscoso por tanto puede ser clasificado como flujo laminar o turbulento; donde un flujo laminar es aquel en el cual el fluido fluye sin mezclado significativo de sus partculas prximas entre s, y un flujo turbulento es aquel en el que los movimientos del fluido varan irregularmente de manera que velocidad y presin muestran una variacin aleatoria con el tiempo y coordenadas espaciales. Reynolds encontr que el punto de transicin de flujo laminar a flujo turbulento vena determinado por un nmero adimensional, (nmero de Reynolds) que, en el caso de un tubo de seccin circular, viene dado por la siguiente ecuacin:

Donde:

-

, es la densidad del fluido (

)

, es el dimetro del tubo (m) , es la velocidad media en el tubo ( ) , es el coeficiente de viscosidad del liquido ( , es la viscosidad cinemtica del fluido ( ) )

En un fluido que circula por un tubo de seccin circular y paredes lisas, la transicin de flujo laminar a flujo turbulento ocurre aproximadamente cuando , a este valor se le denomina nmero de Reynolds crtico, . Esta transicin no siempre ocurre de manera exacta para , sino que vara dependiendo de las condiciones en que se realiza el experimento, de forma que ms que un punto de transicin lo que realmente existe es una llamada zona de transicin. Si la pared es extremadamente lisa y libre de vibraciones, el nmero de Reynolds crtico se incrementa a medida que disminuye el nivel de fluctuacin en el flujo; llegando a tomar valores de hasta . El flujo puede variar entre turbulento y laminar; en ese caso se le denomina como flujo intermitente, fenmeno que puede ocurrir cuando el nmero de Reynolds se aproxima a



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Respecto a las tuberas, pueden comportarse como lisa, semilisa o rugosa. Se dice que se comporta y no que es, porque en ello no interviene nicamente la rugosidad de la tubera, sino tambin las caractersticas del flujo, por lo que una misma tubera puede comportarse como lisa, semilisa y rugosa, segn el caudal que transporte en su interior. Una tubera se comporta como lisa cuando cuando , y se comportar como rugosa

, siendo semilisa semirrugosa en los valores intermedios.

La viscosidad hace que el agua, circulando por el interior de un tubo, experimente una prdida de energa que es debida a: La friccin contra las paredes del tubo La disipacin viscosa como consecuencia de la friccin interna del flujo

La friccin del fluido contra las paredes de la tubera est condicionada por la rugosidad de stas y por el gradiente de velocidad ( ) en sus proximidades. En la Figura 1 se observa que el gradiente

de velocidad en las cercanas de la pared, es mayor en el flujo turbulento que en el laminar y por tanto al aumentar el nmero de Reynolds cabe esperar un aumento de la friccin. De la misma manera, al aumentar la turbulencia tambin aumenta la mezcla entre partculas, y por tanto la disipacin viscosa en el flujo. Todo esto provoca que la perdida de carga en rgimen turbulento sea siempre mayor que en un rgimen laminar. Aplicando la ecuacin de Bernoulli a un fluido en dos posiciones de su recorrido se tiene que:

En el segundo trmino de la igualdad tenemos una cantidad que representa la energa perdida entre los puntos 1 y 2 del tramo estudiado, estas prdidas son como consecuencia fundamentalmente de la friccin del fluido contra las paredes del tubo y en menor medida de la friccin interna en el fluido debida a la turbulencia. En el apartado siguiente vamos e estudiar en mayor profundidad las prdidas de presin por circulacin de agua en conductos.



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3.1.2.2

PRDIDA DE CARGA POR FRICCIN

En un cierto volumen de fluido en el interior del tubo, ubicado entre dos secciones perpendiculares a su eje, al que se aplica el principio de conservacin de masa, Darcy y Weisbach obtuvieron la siguiente ecuacin, vlida tanto para flujos laminares como turbulentos circulando en conductos de seccin transversal arbitraria: ( ) Donde: , es el factor de friccin , es la longitud de la tubera , es el dimetro del tubo , es la velocidad media del fluido en las tuberas , es la constante gravitacional

Si el flujo es laminar, el factor de friccin f puede calcularse matemticamente mediante la ecuacin:

Como se observa, el factor de friccin , en rgimen laminar, es independiente de la rugosidad de las paredes, e inversamente proporcional a . El hecho de que disminuya al aumentar , no implica que la friccin disminuye con la velocidad. La prdida de carga se obtiene sustituyendo del apartado. en la ecuacin de Darcy y Weisbach mostrada al inicio

En flujo laminar, la prdida de carga unitaria es proporcional a cuadrado del dimetro del tubo por el que circula el fluido.

e inversamente proporcional al

En valores de con rgimen totalmente turbulento, en las paredes de la conduccin se encontramos una capa de fluido muy delgada que se conoce como subcapa laminar y cuyo espesor es inversamente proporcional al nmero de Reynolds. Se dice entonces, que un tubo es hidrulicamente liso cuando su rugosidad es inferior al espesor de la subcapa laminar.



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En este tipo de tuberas hidrulicamente lisas el factor de friccin no esta afectado por la rugosidad del tubo. Von Karman dedujo la siguiente expresin que permite calcular el factor de friccin en caso de encontrarse en este tipo de rgimen.

(

)

En valores muy altos de Reynolds, el espesor de esta subcapa disminuye significativamente, dndose que cuando este espesor es muy bajo el factor de friccin es independiente de , y depende exclusivamente de la rugosidad relativa . En este caso el tubo es hidrulicamente rugoso y Von Karman dedujo entonces que en este caso, el factor se poda expresar por la siguiente ecuacin:

(

)

Entre estas dos situaciones, el tubo no es ni completamente liso ni completamente rugoso, siendo semilisa o semirugosa. Para cubrir esta zona de transicin, Colebrook combin la ecuacin para tubos lisos con la del flujo dominado por la rugosidad, obteniendo como resultado la siguiente expresin:

(

)

Estas frmulas son muy poco prcticas para clculos de ingeniera, por lo que Moody las represent grficamente en el diagrama de Moody de perdida de carga (Figura 2).



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Figura 2. Diagrama de Moody El diagrama de Moody est representado en un papel doblemente logartmico, donde se representa el nmero de Reynolds en el eje de abscisas, el coeficiente de rozamiento en el eje de ordenadas, y como parmetro fundamental figura la rugosidad relativa . En el diagrama se observan cinco zonas: 1. Una zona laminar en la que es una funcin lineal del nmero de Reynolds 2. Una zona crtica (sombreada) con definicin algo confusa, en la que el rgimen no es ni turbulento ni laminar y en la que no se encuentran valores de . 3. Una zona de transicin en la que depende del nmero de Reynolds y de la rugosidad 4. Una zona correspondiente al tubo hidrulicamente liso 5. Una zona plenamente turbulenta en la que depende solamente del valor de la rugosidad El diagrama de Moody est representado en un papel doblemente logartmico, disponiendo el nmero de Reynolds en abscisas, el coeficiente de rozamiento en ordenadas, y como parmetro fundamental figura la rugosidad relativa .



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3.1.2.3

TEORA DE PRDIDA DE CARGA LOCALIZADA Prdida de carga por turbulencia

Un flujo circulando en rgimen turbulento por un sistema de tuberas, con sus entradas, codos, vlvulas y dems accesorios, experimenta, adems de las prdidas por friccin, unas prdidas por disipacin de la viscosidad que es necesario analizar. Debido a la complejidad de la configuracin del flujo, en general, el clculo de las prdidas de carga en estos puntos se puede realizar mediante dos procedimientos: Mtodo de longitud equivalente Mediante coeficientes o factores de paso,

adimensionales, obtenidos de manera y la altura cintica .

experimental como cocientes de la prdida de carga LONGUITUD EQUIVALENTE

Se denomina longitud equivalente de una pieza especial a la longitud de tubera que produce la misma prdida de carga que la pieza especial, considerando los dimetros iguales. Conocida dicha longitud se calcula la prdida de carga de la pieza especial empleando la expresin de prdida de carga por friccin en tuberas, la longitud equivalente correspondiente, quedando: ( )

donde es la longitud equivalente de cada pieza especial, la cual se obtiene experimentalmente y pueden ser facilitadas por el fabricante. El principal inconveniente de usar este procedimiento es que la longitud equivalente no depende del tipo de tubera a la que est unida la pieza especial, con lo que la prdida de carga obtenida para una pieza concreta es funcin de la rugosidad de aquella, lo cual evidentemente es incorrecto. La ventaja del procedimiento es su facilidad de uso, pues basta con aadir a la longitud de la tubera la suma de las longitudes equivalentes de las piezas especiales para hallar la prdida de carga del total de la conduccin.



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COEFICIENTE O FACTOR DE PASO El segundo procedimiento citado anteriormente para calcular las prdidas de carga en una pieza especial es el denominado de factor de paso, en el cual dicha prdida es igual a un coeficiente adimensional, comnmente denominado , multiplicado por la energa cintica del fluido, es decir: ( )

donde

es el coeficiente o factor de paso de la pieza especial correspondiente.

Estos coeficientes han de ser obtenidos experimentalmente para cada pieza especial, y bien han de ser facilitados por el fabricante u obtenidos de los textos o manuales de hidrulica. Existen excepciones; como por ejemplo la prdida de carga en una contraccin o expansin brusco o curvatura de la vena, en los que el coeficiente puede ser deducido a travs de consideraciones analticas y ecuaciones. Retomando el procedimiento de clculo de prdidas mediante el uso del factor K; ste tiene la ventaja de que la prdida de carga de la pieza especial no depende del material de la tubera a la que va unida y, por tanto, proporciona resultados ms correctos y coherentes. Se observa adems que la prdida de carga en una tubera no es normalmente proporcional al cuadrado de la velocidad, mientras que s lo es en el caso de las piezas especiales, lo que da una idea de la importancia que suponen en el cmputo de prdidas totales del sistema. De la expresin anterior se deduce que el coeficiente de paso es adimensional. Normalmente la prdida de carga de una conduccin se representa en funcin del caudal circulante partiendo de la expresin analtica, disponiendo el caudal en abscisas y la prdida de carga en ordenadas, como se muestra en la siguiente figura (Figura 3).

Figura 3. Representacin tpica de la prdida de carga de una conduccin



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Como comentamos anteriormente, existen excepciones para las cuales el clculo del factor puede hallarse de manera analtica y no solo mediante datos ofrecidos por el fabricante. Para la realizacin de este documento se han utilizado solo algunas de estas expresiones analticas excepcionales, por lo que solo nombraremos las utilizadas para llevar a cabo los clculos necesarios en este proyecto y que se explican a continuacin: Prdida por contraccin o expansin de la vena

Contraccin brusca Una contraccin brusca de la vena lquida genera una prdida de carga debida al aumento de velocidad y a la prdida de energa a causa de la turbulencia. El modelo de flujo es tan complejo que es imposible elaborar un anlisis matemtico del fenmeno. La prdida de carga adicional se calcula, en funcin de la velocidad en el tramo con menor dimetro , mediante la ecuacin. ( )

Ecuacin en la que el coeficiente

es funcin de

, es experimental y, hasta un valor

viene dado, aproximadamente, por la expresin: ( ) , correspondiente al

A partir de dicha relacin, se comprueba que toma los mismos valores que caso de la expansin sbita, como aparece en el siguiente apartado.

Figura 4. Grfico de factores K para expansin y contraccin sbitasJuan Manuel Mascas de la Rica


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Expansin brusca En el caso de una expansin brusca, el esfuerzo cortante en la zona de aguas muertas es despreciable, as que un anlisis del volumen de control entre la seccin de inicio del ensanchamiento y el final de ste da una prdida,

(

)

(

)

(

)

en donde es la velocidad de la corriente en el dimetro menor y el coeficiente que multiplica la energa cintica del agua en el tubo de menor dimetro.

es el trmino

(

)

La Figura 4 es una representacin grfica del valor de los coeficientes bien a los datos obtenidos experimentalmente.

y

, que se ajustan muy

Contraccin o ensanchamiento gradual Si la contraccin o ensanchamiento son graduales el clculo de su factor K ha de ser modificado sustancialmente. Unos de los objetivos del presente proyecto es determinar el coeficiente de prdidas de la tobera utilizada para impulsar la turbina y comprobar si se ajustan a modelos tericos. La tobera del sistema puede ser considerada como una contraccin gradual, para las cuales se han consultado distintos modelos tericos que se detallan a continuacin. Modelo terico de contraccin o ensanchamiento gradual segn CRANE

Las prdidas debidas a ensanchamientos graduales fueron estudiadas por A.H. Gibson, y se expresan mediante un coeficiente corrector, , aplicado a la ecuacin de . Los valores medios aproximados de los coeficientes de Gibson para los diferentes ngulos del cono de divergencia, se definen mediante las siguientes expresiones:



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Las prdidas por estrechamientos graduales en tuberas se establecieron a partir del anlisis de los datos de las pruebas realizadas por Crane, usando la misma base que Gibson para ensanchamientos graduales, es decir, proporcionar un coeficiente de estrechamiento para aplicarlo en la ecuacin de . Los valores medios aproximados de estos coeficientes de los diferentes ngulos del cono, , se definen con las siguientes expresiones:

Uniendo entonces las expresiones de los coeficientes correctores y las de los factores correspondientes a cada fenmeno, obtenemos las siguientes expresiones: Ensanchamiento gradual,

(

)

(

)

Estrechamiento gradual, ( ) ( )

(

)

Respecto a estas expresiones mencionadas para estrechamiento y ensanchamientos ya sean graduales o bruscos, y para el resto de ecuaciones y expresiones que las contengan en este documento nos referiremos al dimetro de menor tamao como , y al dimetro de mayor tamao como .



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Hemos de aclarar adems, que las ecuaciones anteriormente mencionadas estn referidas al dimetro de menor tamao; , y que en caso de requerir los factores de friccin referidos al dimetro de mayor tamao hemos de aplicar la siguiente conversin:

donde:

Modelo terico de contraccin o ensanchamiento gradual segn IDDLECHICK

donde: -

Ambos modelos tericos vuelven a ser nombrados con posterioridad en el clculo del factor K de la tobera incluida en la instalacin.



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Entrada o salida desde depsito La prdida de carga a la entrada de un tubo desde una cmara de carga es un caso especial de prdida de carga por contraccin. Dado que la seccin transversal del depsito es suficientemente grande comparada con la de la tubera, podemos considerar que la contraccin es inexistente. Por ejemplo, en la Figura 5 b), que muestra una entrada a escuadra, tomando la relacin de dimetros como cero, aplicando la ecuacin para contraccin brusca, la expresin toma el valor de la figura (el cul ha sido aproximado a 0,5). An si hacemos esta consideracin, la entrada desde un depsito puede darse de diferentes maneras geomtricamente hablando, como se muestra en la siguiente figura (Figura 5) y para las cuales se estiman unos valores aproximados dependiendo de las diferentes configuraciones de conexin del tubo al depsito. (Figura 5 a) c) y d) )

Figura 5. Coeficientes K para los distintos tipos de entradas o salidas a escape libre o depsitos

Prdida por curvatura de vena Cuando un fluido recorre un codo como el de la Figura 6, se produce un aumento de presin en la pared externa y una disminucin de presin en la interna. Una vez el fluido atraviesa el tramo curvo, y a una cierta distancia del mismo, la situacin vuelve a la normalidad, para lo que es necesario que se estabilicen de nuevo las presiones y la velocidad vuelva a su valor original. Como consecuencia de esta situacin, el chorro de agua se separar de la pared interior (Figura 6).



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Figura 6. Distribucin de presiones en un tramo curvo de tubera

A su vez, la diferencia de presiones en una misma seccin del tubo, provocar una circulacin del tipo de la sealada en la Figura 7. La combinacin de esta circulacin y de la axial del flujo, dar lugar a un movimiento espiral que persiste, hasta disiparse por friccin viscosa, aproximadamente a una longitud equivalente a 100 dimetros aguas abajo del final de la curvatura.

Figura 7. Distribucin de presiones en seccin transversal de tramo curvo de tubera

En un codo de 90 grados, la prdida de carga adicional a la prdida por friccin en el tramo de tubo equivalente, viene dado por la ecuacin de contraccin brusca en la que el coeficiente es substituido por el obtenido de la Figura 8.



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Figura 8. Coeficientes K de codos en funcion del parmetro

Como la perturbacin debida a una curvatura en las tuberas se extiende ms all del final del codo, la prdida de carga debida a la presencia de una serie de codos muy cercanos entre s no debera calcularse mediante una simple suma aritmtica y sera necesario un anlisis con mayor detalle.

Prdida a travs de las vlvulas Las vlvulas se emplean, en general, para aislar determinados tramos a fin de poder intervenir en operaciones de mantenimiento o reparaciones importantes, aunque en algunos casos, como es nuestro caso en particular, existen vlvulas cuya misin fundamental es disipar energa. Normalmente, salvo en los casos citados, las vlvulas estarn siempre completamente abiertas o completamente cerradas, dejando la regulacin del caudal a las toberas o a los alabes distribuidores del sistema de regulacin de la turbina. La prdida de carga generada por el paso del agua a travs de una vlvula completamente abierta, depende del modelo de vlvula y se calcula aplicando la misma ecuacin que para la contraccin brusca, en la que el coeficiente se sustituye por el correspondiente y que se muestran en la Figura 9.

Figura 9. Coeficientes K para diferentes tipos de vlvulaJuan Manuel Mascas de la Rica Universidad Carlos III de Madrid

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3.2 Bombas, funcionamiento y sistemas3.2.1 3.2.1.1 PARMETROS DE BOMBAS CENTRFUGAS E INSTALACIONES CAUDAL

El caudal, denominado Q, es el caudal til (volumen de lquido por unidad de tiempo) que sale de la bomba a travs de su boca de impulsin. Las unidades de medida ms empleadas son , y .

El flujo extrado para otros propsitos (tomas de circulacin, lavado, etc.) antes de la boca de impulsin de la bomba debe ser tenido en cuenta al determinar el caudal de la misma. Podemos establecer los siguientes tipos de caudales: Abreviatura Trmino Caudal ptimo Caudal requerido Caudal mximo Caudal mnimo Caudal de aspiracin Definicin Caudal en el punto de mximo rendimiento Caudal para el que se ha sido pedida la bomba teniendo en cuenta las tolerancias oportunas Caudal mximo esperado Caudal mnimo esperado Caudal que desde la planta entra por la boca de aspiracin de la bomba Caudal entregado a la planta desde la boca de impulsin de la bomba. Caudal extrado del flujo principal a travs de una derivacin

Caudal de impulsin

Caudal intermedio



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3.2.1.2

Altura de la bomba

Cuando hablamos de alturas en una instalacin hidrulica debemos matizar las siguientes diferencias: ALTURA TOTAL DE UNA BOMBA, Es el trabajo mecnico til transferido por la bomba al lquido bombeado y expresado en unidades de energa potencial del lquido bombeado en las condiciones locales de gravedad. Las alturas en referencia a la bomba se definen como sigue: Abreviatura Trmino Altura optima Altura requerida Altura a vlvula cerrada Altura mxima Definicin Altura total en el punto de mximo rendimiento Altura total para la cual ha sido seleccionada la bomba Altura total a caudal cero Altura mxima en la curva caracterstica

La altura total se mide como el incremento de la energa mecnica til de peso entre la entrada y la salida de la bomba. Empleando como unidad de energa la altura total est expresada en metros.

del caudal por unidad

y de fuerza , la energa por unidad de peso y por lo tanto

ALTURA TOTAL DEL SISTEMA, La altura total del sistema, , es la altura requerida en la bomba para mantener el caudal Q en la instalacin. En condiciones de flujo continuo (estable) . Durante la puesta en marcha ; la diferencia proporciona la aceleracin del lquido en la tubera. ALTURA En este apartado nos referimos a la altura como la diferencia de altitud entre el punto considerado cualquiera y el nivel de referencia de nuestra instalacin. El nivel de referencia de la instalacin es cualquier plano horizontal que servir como referencia para el establecimiento de las alturas. Por motivos prcticos, se aconseja especificar con exactitud un nivel de referencia en la instalacin y evitar niveles de referencia relacionados con las dimensiones de la bomba, por ejemplo, la lnea central del eje o la brida de aspiracin.



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La altura es medida en metros (m). Las alturas se definen como sigue: Abreviatura Trmino Altura Altura de la aspiracin de la bomba Altura de la impulsin de la bomba Altura del punto de medicin en el lado de aspiracin Altura del punto de medicin en el lado de impulsin Altura de entrada en la instalacin Altura de salida en la instalacin Altura de referencia del (NPSH) Definicin Diferencia de altitud entre el punto considerado y el nivel de referencia de la instalacin Altura del punto central de la boca de aspiracin de la bomba Altura del punto central de la boca de impulsin de la bomba Altura del punto de conexin del manmetro en la tubera de aspiracin Altura del punto de conexin del manmetro en la tubera de impulsin Altura del nivel de lquido a la entrada de la instalacin Altura del nivel de lquido de la descarga de la instalacin Diferencia de altitud entre el nivel de referencia de la instalacin y el nivel de referencia (NPSH)

Cuando quiere expresarse la diferencia de altura entre dos niveles los puntos quedan identificados y separados por un guin ( ) SECCIN TRANSVERSAL La seccin transversal se refiere al rea de las secciones de las tuberas. La unidad de medida ms empleada es el . Se establecen los siguientes tipos de reas: Abreviatura Trmino Seccin de entrada a la bomba Altura de la aspiracin de la bomba Definicin Seccin de paso libre del orifico de entrada de la tubera de entrada a la bomba Seccin de paso libre del orifico de salida de la tubera de salida a la bomba



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3.2.1.3

VELOCIDAD DEL FLUIDO

La velocidad media axial del fluido es la relacin entre el caudal en un punto definido y la seccin transversal en ese punto: donde:

Si la seccin transversal es la de una tubera con un dimetro nominal DN, la velocidad U se relaciona con el caudal Q en m/h y con el dimetro nominal DN mediante la siguiente ecuacin: ( donde: )

En esta ecuacin el dimetro nominal en mm es generalmente tan prximo al dimetro real que el resultado del clculo es suficientemente exacto. La velocidad de fluido para varias secciones transversales seleccionadas se indican mediante los siguientes ndices:

Abreviatura

Definicin Velocidad de fluido en la boca de aspiracin de la bomba Velocidad de fluido en la boca de impulsin de la bomba



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3.2.1.4

PRESIN

Las presiones para varias secciones transversales seleccionadas se indican mediante los siguientes ndices: Abreviatura Trmino Presin a la entrada de la bomba Presin a la salida de la bomba Presin de entrada de la instalacin Presin de salida de la instalacin Definicin Presin en la seccin de entrada de la bomba al nivel z1 Presin en la seccin de salida de la bomba al nivel z2 Presin de entrada en la seccin A1. Si existe un nivel de lquido esa es la presin a tomar Presin de salida en la seccin A2. Si existe un nivel de lquido, esa es la presin a tomar

La unidad de presin es el Pascal (Pa) siendo el bar, la ms empleada en bombas e instalaciones.

3.2.1.5

NPSH en bombas centrfugas

El trmino (NPSH) empleado en bombas centrfugas e instalaciones significa Altura Neta Positiva de Aspiracin, y se define como la energa neta en la boca de aspiracin de la bomba.

El trmino cavitacin est estrechamente relacionado con (NPSH). La cavitacin es la formacin de burbujas de vapor al descender la presin esttica por debajo de la tensin de vapor del lquido y su posterior desaparicin (implosin) al subir la presin por encima de la tensin de vapor, lo que produce golpes puntuales de alta presin. Si las burbujas estn junto o prximas a una superficie, como la pared o labes del impulsor, los resultados de la implosin golpean la superficie de la pared labe del impulsor a alta velocidad causando un fuerte desgaste, lo que explica la estructura porosa tan caracterstica de los materiales sometidos a cavitacin. La principal causa de cavitacin en bombas centrfugas es la bajada local de la presin en la entrada de los pasos formados por los labes del impulsor debido al aumento de la velocidad del lquido en la entrada del impulsor y a la transmisin de energa del impulsor al lquido, adems de aparecer tambin en otros puntos de la bomba donde ocurran cadas locales de presin. Normalmente se produce debido a una elevada temperatura del fluido bombeado, a la reduccin de presin en la aspiracin de la bomba, al incremento de la altura esttica de elevacin en la aspiracin o a la reduccin en la altura esttica de carga en la aspiracin.



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Algunos efectos de la cavitacin son: Formacin de burbujas aisladas o reas de burbujas de vapor Cada e incluso desplome de la altura total Cada del rendimiento Mayor ruido, vibraciones y en general un funcionamiento brusco e irregular comparado al funcionamiento habitual

3.2.2 3.2.2.1

Caractersticas de funcionamiento de las bombas centrfugas Curvas caractersticas de las bombas

Para una bomba centrfuga a una velocidad de giro constante, la altura H, la potencia absorbida P y el rendimiento , son funcin del caudal Q. La relacin entre estos diferentes valores se representa mediante las curvas caractersticas. CURVA DE ALTURA EN FUNCION DEL CAUDAL La curva de altura en funcin del caudal H(Q) ,tambin conocida como curva de regulacin, representa la relacin entre la altura de una bomba centrfuga y su caudal. En general para este tipo de bombas la altura disminuye al aumentar el caudal. La medida de esta cada en la altura viene dada en la prctica por la relacin llamada pendiente, determinada por el tipo de bomba y la forma de su impulsor. Las curvas H(Q), en las que la altura disminuye al aumentar el caudal se denominan estables; adems, en una curva H(Q) estable, para cualquier valor de altura le corresponde un valor del caudal nico. Por el contrario, las curvas H(Q) inestables son aquellas en las que se dan caudales para los cuales la altura aumenta cuando aumenta el caudal. En una curva H(Q) inestable se pueden asociar dos o ms valores del caudal con un solo valor de altura. Los valores pico en una curva inestable son conocidos como y .

Figura 10.Juan Manuel Mascas de la Rica

Curvas tpicas H(Q) para bombas centrfugasUniversidad Carlos III de Madrid

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CURVA DE POTENCIA ABSORBIDA EN FUNCIN DEL CAUDAL La forma de la curva de potencia absorbida P(Q) de una bomba centrfuga es funcin de la velocidad especfica. En el caso de bombas de canal lateral, la mxima potencia absorbida se da para Q = 0. En las bombas de flujo radial, la potencia absorbida aumenta al aumentar el caudal. La mxima potencia absorbida por las bombas de flujo mixto se produce aproximadamente para volviendo a caer a caudales mayores. En el caso de bombas de flujo axial, la mxima potencia absorbida se produce cuando Q = 0, cayendo al ir aumentando el caudal. Debido a estas diferencias, las bombas de flujo radial se arrancan generalmente con la vlvula de impulsin cerrada, mientras que las de canal lateral y flujo axial son arrancadas con la vlvula de impulsin abierta para evitar la sobrecarga del motor de accionamiento de la bomba durante el arranque.

CURVA DE RENDIMIENTO EN FUNCIN DEL CAUDAL La curva de rendimiento aumenta inicialmente desde cero al aumentar el caudal hasta llegar al punto mximo ( ) para caer despus al seguir aumentando el caudal. A menos que haya que tener en cuenta otras consideraciones, ha de elegirse la bomba de tal manera que el rendimiento ptimo se acerque lo ms posible al caudal requerido , es decir .

3.2.2.2

Curva caracterstica del sistema

La curva de caractersticas del sistema , tambin conocida como la curva de altura de la instalacin o de la tubera, representa la altura total requerida de un sistema en funcin del caudal. La altura total del sistema es generalmente la suma de un componente, altura esttica, independiente del caudal,

y un componente que aumenta con el cuadrado del caudal, la altura dinmica.

En algunos casos la altura esttica puede ser cero. La curva caracterstica del sistema quedar determinado entonces por la siguiente expresin:



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3.2.2.3

Relacin entre la curva de la bomba y la del sistema

El punto de trabajo de la bomba es aquel en el cual la altura total generada por la bomba es igual a la altura necesaria de la instalacin; dicho de otra manera, el lugar donde se cruzan la curva H(Q) de la bomba y la del sistema Esto determina el caudal Q que puede ser suministrado por la bomba a travs del sistema as como los valores de potencia absorbida P, de rendimiento y de NPSH requerido (NPSHR) de la bomba. El caudal requerido es normalmente el parmetro principal a la hora de seleccionar una bomba para un sistema determinado; la altura total del sistema (altura de la bomba) se calcula despus, sobre la base de unas condiciones de funcionamiento previamente dadas.

Figura 11.

Variacin del caudal debido a la variacin de la curva previamente calculada

real sobre la curva

Si este clculo se basa en algunas suposiciones (p.e. sobre la rugosidad de la superficie al calcular las prdidas de carga en las tuberas) o bien si se toman factores de seguridad amplios, el punto de trabajo real puede diferir del valor calculado. En las curvas de gran pendiente, la variacin entre caudales es menor que en las curvas planas. Por el contrario, las curvas planas tienen ciertas ventajas sobre las de pendiente pronunciada si el punto de trabajo es modificado por estrangulacin en impulsin. Las bombas centrfugas con curvas inestables pueden funcionar satisfactoriamente en sistemas de caractersticas fijas a velocidad de giro constante, con tal que la altura a caudal cero ( ) sea mayor que el componente esttico de la altura del sistema . En estos casos, como en el caso de bombas con curvas estables, solo hay un punto de interseccin entre la curva de altura de la bomba y la curva de altura del sistema.



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La forma de las curvas HA(Q) inestables se tienen en cuenta si existe un componente elstico en el sistema, p.e. un recipiente a presin y vara el componente esttico de la altura del sistema. Si por ejemplo la altura esttica se incrementa, entonces la curva caracterstica del sistema variar como muestra la Figura 12 desde HAI a HAII, HAIII etc. El caudal disminuye hasta que en QIV el flujo se interrumpe repentinamente. A vlvula cerrada (Q = 0) la bomba continua funcionando con la vlvula de retencin en impulsin cerrada y a una altura H0. Si la altura esttica vuelve a ser inferior a H0, el funcionamiento se inicia de nuevo con un caudal correspondiente a la interseccin de H(Q) y HA(Q). Este proceso contina con mayor o menor frecuencia segn las variaciones de condiciones pueden producirse variaciones de caudal y golpes de ariete no deseables y en ciertas

Figura 12.

Relacin entre curvas HA(Q) inestables y alturas variables de instalacin

Cuando las bombas con curvas de altura inestable hayan de bombear en paralelo o con motores de velocidad variable, debe hacerse un cuidadoso estudio de las condiciones de funcionamiento.



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3.2.3

Ajuste para diferentes condiciones de funcionamiento

Si la instalacin requiere distintos caudales, existen diferentes maneras posibles de adaptar una bomba para cubrir las necesidades del sistema correspondiente. Estas posibilidades se basan en la variacin de la curva del sistema , p.e.: por estrangulamiento (mediante vlvula de control) por un bypass (mediante vlvula bypass)

AJUSTES DE LAS CARACTERSTICAS DEL SISTEMA Regulando el sistema por una vlvula de control de impulsin aumenta la resistencia del flujo y por lo tanto la prdida de carga del sistema y la prdida de altura dinmica . La pendiente de la curva caracterstica del sistema aumenta producindose la interseccin con la curva caracterstica de la bomba a caudales ms bajos.

Figura 13.

Variacin del caudal por estrangulacin

La vlvula de regulacin causa prdidas de energa, por lo tanto, es ineficaz el funcionamiento continuo con una vlvula de control. Las prdidas mnimas por regulacin se producen cuando la curva caracterstica H(Q) de la bomba es plana. Por esta razn, el control por regulacin se aplica fundamentalmente a las bombas de flujo radial, ya que en ellas la potencia absorbida disminuye al disminuir el caudal. Incluso donde parezca que el control por regulacin es el ms atractivo en cuanto al costo inicial del sistema de control, debe examinarse la rentabilidad del mtodo ya que los costes de funcionamiento, especialmente con potencias absorbidas elevadas, pueden ser muy altos.



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Figura 14.

Prdidas por regulacin en curvas H(Q) planas y de pendiente pronunciada

Para bombas de canal lateral, de flujo mixto desde y de flujo axial, debe tenerse en cuenta que la potencia absorbida aumenta al disminuir el caudal. Adems, debido al proceso de regulacin, las bombas de flujo axial pueden funcionar en inestabilidad. Esto supondra un funcionamiento brusco con alto nivel de ruidos, siendo ambas circunstancias inherentes a las bombas de alta velocidad especfica. Esta forma de trabajo ha de ser evitada en lo que respecta a un funcionamiento continuo. Por principio, la regulacin debe efectuarse en el lado de impulsin de la bomba. Hacer la regulacin en el lado de aspiracin significara una reduccin del (NPSH) disponible del sistema (NPSHD), por lo que podra producirse cavitacin. En el control con bypass se monta, en paralelo con la bomba, una lnea de recirculacin a travs de la cual parte del caudal de impulsin pasa al de aspiracin. Dependiendo de la curva caracterstica del bypass, la curva caracterstica del sistema se desplaza hacia caudales mayores.

Como consecuencia de ello, el caudal de la bomba aumenta desde del sistema decrece de a .

a

, y el caudal til a travs

En los casos de grandes caudales en bypass y para prevenir un excesivo calentamiento del lquido bombeado, el lquido debe ser recirculado y vertido al depsito de aspiracin y no al conducto de aspiracin.



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Figura 15.

Control del caudal mediante bypass

El control del caudal mediante bypass es especialmente recomendado para bombas de canal lateral y de flujo axial ya que la potencia absorbida por la bomba disminuye al aumentar el caudal.



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3.3 VlvulasUna vlvula es un dispositivo instalado en una tubera para controlar la magnitud y/o la direccin del flujo y consiste esencialmente en un cuerpo y un disco o tapn ajustado a dicho cuerpo. La seleccin de una vlvula para usarse en un sistema de tuberas depende de su aplicacin. El espaciamiento de las vlvulas y su tamao depender de razones econmicas. Regularmente, las vlvulas se dimensionan ligeramente ms pequeas que el dimetro de la tubera y se instalan con un reductor a ambos lados. Al escoger el tamao, el costo de la vlvula deber sopesarse contra el costo de la prdida de carga a travs de ella, aunque en ciertas circunstancias, sera deseable mantener libre todo el dimetro de la tubera para evitar la erosin o bloqueo 3.3.1 Tipos De Vlvulas

Existe una gran variedad de vlvulas pero en este documento tan solo hablaremos sobre los tipos utilizados en el proyecto: 3.3.1.1 Vlvulas tipo compuerta

Es utilizada para el flujo de fluidos limpios y sin interrupcin, este tipo de vlvula no la ms recomendable para estrangulamiento debido a que posee un disco que se alterna en el cuerpo lo que causara una erosin arruinando su funcionamiento. En las vlvulas de compuerta el rea mxima del flujo es el rea del circulo formado por el dimetro nominal de la vlvula, debido a esto es que se recomienda el uso en posiciones extremas, o sea, completamente abierta o completamente cerrada, ya que de ser as ofrecen la mnima resistencia al paso del fluido y as su cada de presin es muy pequea.


Detalle de vlvulas de compuertaUniversidad Carlos III de Madrid

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Existen diferentes tipos de vlvulas de compuerta, que se diferencian bsicamente por el tipo de disco usando para el cierre, stas son: Vlvula de compuerta tipo cua slida Vlvula de compuerta tipo flexible Vlvula de compuerta tipo abierta Vlvulas de guillotina Vlvulas de cierre rpido

Normalmente este tipo de vlvulas son construidas en su cuerpo de latn, bronce, hierro, acero fundido. En su interior normalmente son de bronce, acero inoxidable, acero aleado, cromo, estelita o molibdeno. Dependiendo del uso al que se vea sometido la vlvula y el tipo de fluido, cambia el material de construccin. Otro cambio que surge es el tipo de unin, a veces es con hilo, otras para soldadura, otras es con bridas, etc.

3.3.1.2

Vlvulas de bola

Como su nombre lo dice este tipo de vlvulas posee un macho esfrico que controla la circulacin del lquido. Estas vlvulas son vlvulas de macho modificadas, y su uso estaba limitado debido al asentamiento de metal con metal, el que no permita el debido cierre. Ahora producto de los avances en la fabricacin de plsticos se han sustituido los asientos metlicos por plastmeros modernos. Consisten en un cuerpo con orificio de venturi y anillos de asientos, una bola para producir el cierre y una jaula con vstago para desplazar la bola en relacin con el orificio. Son rpidas para operarlas, de mantenimiento fcil y su cada de presin es funcin del tamao del orificio. La vlvula de bola est limitada a las temperaturas y presiones que permite el material del asiento. Se puede emplear para vapor, agua, aceite, gas, aire, fluidos corrosivos, pastas aguadas y materiales pulverizados secos. Los principales componentes de estas vlvulas son el cuerpo, el asiento y la bola.


Detalle de vlvula de bola


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Hay dos tipos principales de cuerpos para vlvulas de bola: Cuerpo dividido: la bola y asientos se instalan desde los extremos. Entrada superior: aqu la bola y los asientos se instalan por la parte superior.

Las vlvulas de bola no requieren lubricacin y funcionan con un mnimo de torsin. Casi siempre la bola es flotante y el sellamiento se logra con la presin de corriente hacia arriba que empuja la bola contra el anillo de asiento.



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3.4 Turbinas hidrulicas3.4.1 Tipos de turbinas hidrulicas

Durante este apartado nombraremos y describiremos brevemente las caractersticas de las principales turbinas (excepto en turbina Pelton que explicaremos ms detalladamente) usadas en centrales hidrulicas. La turbina hidrulica uno de los componentes principales de una central hidroelctrica y tiene como misin transformar la energa potencial y cintica del agua en energa mecnica de rotacin, que puede ser a su vez transformada en energa elctrica mediante un grupo generador. Existen diferentes tipos de turbina con caracterstica constructivas y de funcionamiento muy diferentes, la eleccin del tipo apropiado para cada central depende de factores como las condiciones topogrficas e hidrulicas del aprovechamiento de agua, siendo el caudal y la cada de ste lo ms restrictivo. La energa potencial del agua se convierte en energa motriz en la turbina con arreglo a dos tipos de mecanismo de turbina, turbinas de accin y turbinas de reaccin.

3.4.1.1

TURBINAS DE REACCIN

Las turbinas de reaccin son aquellas en las que el elemento de rotacin est totalmente sumergido en el agua y encerrado en una carcasa a presin, la presin del agua acta directamente sobre los labes del rodete disminuyendo de valor a medida que avanza en su recorrido. Al estar el rodete completamente sumergido y sometido a la presin del agua, la carcasa en la que est envuelta ha der ser robusta para resistirlo. Turbina Francis

La turbina Francis es un tipo de turbina de reaccin de flujo radial muy utilizadas en saltos de altura media, equipadas con un distribuidor de labes regulables y un rodete de labes fijos y que se caracteriza por recibir el flujo de agua en direccin radial, orientndolo en la salida con direccin axial. En este tipo de turbina el agua encauzada por una conduccin forzada, pasa por el distribuidor hasta el rodete, donde cede toda su energa sin entrar en contacto en ningn momento con la atmsfera. Las turbinas pueden ser de cmara abierta; en caso de salto con poca altura, o de cmara en espiral. En las turbinas con cmara en espiral la carcasa suele construirse en hormign armado, acero soldado o hierro fundido. En la siguiente imagen podemos apreciar una turbina Francis de eje horizontal donde se aprecia especialmente la carcasa en forma de caracol tpica de este tipo de turbinas.



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Figura 18.

Turbina Francis

Turbina Kaplan

La turbina Kaplan es una turbina de reaccin de flujo axial, cuyos labes son siempre regulables y con distribuidores de ejes regulables o fijos, de manera que si solo son regulables los labes del rodete se la denomina como turbina Semi-Kaplan. Para su regulacin, los labes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por manivelas unidas a bielas articuladas y que son accionadas por un servomotor hidrulico.

Figura 19.

Turbina Kaplan



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3.4.1.2

TURBINAS DE ACCIN

Las turbinas de accin son aquellas en la que la energa potencial se transforma en energa cintica mediante el impacto de un chorro de agua a gran velocidad proyectado sobre unas cazoletas o palas fijas en la periferia de un disco o rodete. El agua, tras impactar en las palas cae al canal o depsito de descarga con muy poca energa, por lo que la carcasa que envuelve a este tipo de turbinas suele ser ms bien para evitar accidentes e impedir salpicaduras del agua. Dentro de este tipo de turbinas encontramos tambin distintos tipos constructivos, principalmente los siguientes:

Turbinas Turgo

Al igual que la Pelton, la Turgo es una turbina de accin con la particularidad de que sus labes tienen distinta forma y posicin en la periferia. En este caso el chorro incide con un ngulo de 20 grados respecto al plano diametral del rodete, impactando por un lado del disco, generalmente el superior, y saliendo reflectado por el lado contrario. A diferencia de la turbina Pelton en la turbina Turgo el chorro incide sobre varios labes a la vez y su, por lo general, menor dimetro conlleva para una misma velocidad perifrica una mayor velocidad angular. El hecho de que se alcancen velocidades mayores se debe tener en cuenta a la hora de emparejarlo con el generador ya que estos pueden requerir altas velocidades de giro y de esta manera evitamos tener que usar una caja multiplicadora entre los ejes de ambos elementos.

Figura 20.

Turbina Turgo



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Turbinas de flujo cruzado

Este tipo de turbina tambin es conocida por el nombre de Michael-Banki y/o Ossberger (inventor y fabricante respectivamente) y ms comnmente como de doble impulsin. El agua entra a la turbina a travs de un distribuidor y pasa a travs de una primera etapa de labes, esta etapa funciona casi totalmente sumergida y con cierto grado de reaccin. Tras esta primera etapa el flujo cambia de sentido en el centro del rodete y pasa a la segunda etapa, ahora totalmente de accin. Este cambio de direccin del flujo entre etapas da lugar a una serie de prdidas que hacen que su rendimiento sea ms bajo que en el resto de turbinas, aun as, posee un rendimiento cercano al 80%. Cabe destacar que como punto positivo este rendimiento se mantiene prcticamente inalterado aun cuando el caudal desciende hasta el 16% del nominal, teniendo adems un caudal mnimo tcnico inferior al 10% del caudal de diseo. El rango de caudales de estas turbinas es bastante amplio, desde los 20 hasta los 10 entre 1 y 200 metros de cada. con un rango de alturas de

Figura 21.

Esquema de turbina de flujo cruzado



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TURBINA PELTON

En este apartado vamos a describir con mayor profundidad la turbina Pelton, tanto las partes que la componen como los parmetros necesarios para su correcto dimensionado. La turbina tipo Pelton es el tipo de turbina de accin ms comnmente utilizado, consta de un disco circular, tambin llamado rodete, que lleva montados en su periferia unas paletas o cazoletas en forma de doble cuchara con una arista interior lo ms afilada posible y situada centralmente en direccin perpendicular con el eje, de forma que divide al alabe en dos partes simtricas de gran concavidad cada una, siendo sobre dicha arista donde incide el chorro de agua, como vemos en la siguientes imgenes.

Figura 22.

Rodete y cucharas de una Turbina Pelton

Las turbinas Pelton se componen principalmente de un inyector, rodete y el conjunto de carcasa y protecciones.

CARACTERSTICAS DEL INYECTOR El distribuidor de una turbina Pelton es una tobera o inyector, como el esquematizado en la figura X y que tiene como objeto aumentar la energa cintica del fluido, disminuyendo la seccin de paso para maximizar la energa de fluido aprovechada en la turbina, ya que en el rodete de este tipo de turbinas, de accin, slo se intercambia energa cintica. Estas turbinas pueden tener entre 1 y un mximo de hasta 6 inyectores. Cuando se tiene un solo inyector normalmente el eje del rodete es horizontal, mientras que si el nmero de inyectores es superior el eje del rodete se coloca en vertical. En caso de tener ms de un inyector, la tubera forzada se bifurca tantas veces como nmero de inyectores se tengan de manera que cada inyector tiene su propia tubera independiente, como se muestra a continuacin.



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Figura 23.

Ejemplo de Pelton con 6 inyectores

El inyector dispone de una vlvula de aguja para regular el caudal y ajustarlo a la demanda de energa elctrica. Esta vlvula de aguja, cuyo movimiento disminuye o aumenta la apertura de la boquilla y con esto el caudal, est diseada para que el mdulo de la velocidad (c1), se mantenga prcticamente constante aunque vare el caudal, ya que la seccin de salida cambia en la misma proporcin que el caudal. Se puede construir de acero inoxidable al nquel, esmerilada y pulida para reducir el rozamiento y suele ir acompaada a su vez de un deflector que desve el chorro sin tener que cerrar de manera brusca la vlvula de aguja y evitar de esta manera un indeseado golpe de ariete. El deflector es muy til en caso de que ocurra una fallo en el generador que produzca una violenta aceleracin de la turbina, pudiendo sta entrar en resonancia y destruirse, en ese caso el deflector desviara el chorro, ayudando as a disminuir la velocidad del rodete y adems impedir el posible golpe de ariete al poder cerrar la vlvula de aguja lentamente y no de manera brusca. Para evitar cambios bruscos de caudal, que podran ocasionar golpes de ariete en la tubera forzada, cada inyector dispone de un deflector que cubre parcialmente el chorro durante los cambios de caudal y permite realizarlos ms lentamente.

Figura 25. Figura 24. Esquema del inyector de una turbina Pelton

Ejemplo de incidencia en un labe de Pelton


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