4. MAQUINARIA HIDRÁULICA

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1 4. MAQUINARIA HIDRÁULICA Objetivos El alumno conocerá los principios del funcionamiento de las bombas hidráulicas, los diferentes tipos de Máquinas Hidráulicas existentes y aprenderá a identificar los componentes principales de un sistema de bombeo, aprenderá a seleccionar los equipos de bombeo y turbinas de acuerdo al funcionamiento hidráulico esperado y visualizará el óptimo funcionamiento de un equipo hidráulico, trabajando como sistema en serie y en paralelo Aplicación En el aprovechamiento del agua es cada vez más común que se requiera el uso de máquinas hidráulicas que nos permitan transformar energía eléctrica en energía mecánica, que permitan con esta transferencia de energía elevar el nivel donde se encuentra un cierto fluido al nivel o lugar donde se le requiere en un punto más alto, también desde tiempos remotos se han usado máquinas hidráulicas para transformar energía hidráulica en energía eléctrica; las primeras reciben el nombre de bombas hidráulicas y las segundas el nombre de turbinas, que en el caso de éstas últimas, son la evolución natural de la sencilla rueda hidráulica que aunada a un generador constituye un medio extraordinariamente eficaz de convertir energía hidráulica en eléctrica. Por lo anterior es evidente que el estudiante de Ingeniería Civil, aplicará los conocimientos adquiridos para poder identificar los tipos de máquinas hidráulicas que se utilizan tanto en sistemas de bombeo como en centrales hidroeléctricas y ser capaces de proyectarlos, esto con base a las gráficas de eficiencia o curvas características de cada equipo, mismas que elaboran los fabricantes de éstas máquinas ex profeso para cada una de ellas. 1

2 Bomba Hidráulica Turbina Banki Definiciones, fórmulas y unidades a utilizar Potencia.- Es una magnitud que mide la capacidad para realizar un trabajo en un tiempo determinado. Matemáticamente, es el resultado de dividir trabajo por tiempo y se expresa según el Sistema Internacional de Unidades en vatio (W). En el caso de los motores, debido a que la unidad es demasiado pequeña para la capacidad que pueden tener, se suele utilizar un múltiplo, el Kilovatio (kw), equivalente a 1000 vatios, o también, aunque tendiente a extinguir, el Caballo de Vapor (CV), equivalente a 735,45 W, o también de uso bastante común el Caballo de Vapor americano, Horse Power (HP) que equivale a 745 W. Para calcular la potencia requerida por una bomba hidráulica para elevar un cierto caudal a una determinada altura se utiliza la siguiente fórmula: En la fórmula anterior se tiene que: Q Ht HP Q = Es el gasto o caudal que se desea o requiere bombear (m3/s) H = Es la carga dinámica total a vencer por el equipo de bombeo, la cual se calcula como la diferencia total del desnivel existente entre la superficie libre del fluido en el punto donde se toma éste y el punto de entrega en donde se requiere que llegue, más las pérdidas de carga generadas en el conducto desde la bomba hasta el punto de descarga (m.c.a.) = Peso específico o peso de la unidad de volumen del líquido a bombear (kg/m3) = Eficiencia de la bomba Impulsor.- El impulsor o rodete está formado por una serie de alabes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el 2

3 centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleración y absorbiendo un trabajo. Los alabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación; en la voluta se transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en energía de presión, siendo lanzados los filetes líquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubería de impulsión. Impulsor Cerrado Impulsor Abierto Cavitación.- Es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible, que en el caso de bombas hidráulicas es la entrada de aire desde la superficie libre del aire en forma de vórtices, al no tener la suficiente sumergencia o tirante de agua sobre el primer impulsor. Sistema en serie.- En electricidad un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, interruptores, entre otros.) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente. 3

4 Analógicamente en hidráulica, dos depósitos de agua se conectarán en serie si la salida del primero se conecta a la entrada del segundo. Para el caso particular de la maquinaria hidráulica un sistema en serie funciona conectando varias bombas una después de otra para aumentar la carga de servicio. Sistema en Paralelo.- En electricidad el circuito paralelo es una conexión donde, los bornes o terminales de entrada de todos los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, etc.) conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida. Analógicamente en hidráulica, dos depósitos de agua conectados en paralelo tendrán una entrada común que alimentará simultáneamente a ambos, así como una salida común que drenará a ambos a la vez. En el caso particular de la maquinaria hidráulica un sistema en paralelo funciona conectando varias bombas independientes alimentando todas a una misma tubería de conducción (por ejemplo una tubería principal), aumentando el gasto de servicio. Procedimiento (primera parte) 1. Por medio de la presentación en Power Point que se encuentra en el sitio web del laboratorio de Hidráulica se verá la clasificación de las máquinas hidráulicas, identificando las diferencias entre bombas hidráulicas y turbinas, así como las partes principales de cada una de ellas, de igual manera se analizará una curva característica, donde el alumno deberá leer el número de identificación de la bomba, según el fabricante, así como definir las revoluciones por minuto del motor (r.p.m.), el gasto (Q) para la eficiencia ( ) más alta, el número de identificación del impulsor, la altura que puede levantar cada impulsor (h) y la Carga Neta de Succión Positiva (C.N.S.P.). Procedimiento (segunda parte) 1. En el modelo de bombas, se conecta el equipo a la energía eléctrica y se abren todas las llaves de paso, para expulsar cualquier burbuja de aire. 2. Se revisa que el tanque tenga el suficiente volumen de agua y se cierran todas las llaves de paso; se encienden las 2 bombas y se abre el seguro de la parte de arriba de cada una para expulsar cualquier residuo de aire en la tubería, y se vuelven a cerrar los seguros. 3. Se abren las llaves de paso para tener un funcionamiento en serie del dispositivo; se aforan mínimo cinco gastos conducidos, de manera volumétrica, para distintas presiones de trabajo iniciando con la presión máxima y concluyendo en la mínima; se consignan los valores en la tabla Realizadas las mediciones en serie se procede cambiar la combinación de llaves de paso para que el sistema trabaje en paralelo, para cada lectura se aforará el gasto 4

5 volumétrico ajustando los manómetros, verificando que midan la misma presión para cada lectura, consignando como mínimo 5 lecturas en la tabla Se cierran todas las llaves de paso y se comparan la presión antes de iniciar la práctica y la actual para verificar el correcto funcionamiento del modelo. 6. Se apagan y desconectan las bombas de la corriente eléctrica. Actividades: 1. Realizar las curvas características del modelo, trabajando en serie, paralelo y para una sola bomba y compararla con la proporcionada por el fabricante. 2. Explique y grafique, en base a lo que se vio en la práctica, que pasaría si se añadiera una bomba más en paralelo, y una bomba más en serie respectivamente. 3. Graficar el coeficiente de eficiencia de la bomba, contra las presiones obtenidas (h en m.c.a.) y explica el comportamiento observado. 4. Dibujar y marcar las partes que integran una bomba hidráulica. TABLA 4.1 SISTEMA EN SERIE DATOS: POTENCIA NOMINAL: HP CARGA MÁXIMA: m Q MÁXIMO: (1) (2) (3) (4) (5) H (m.c.a.) Vol. (m 3 ) Tiempo (s) Gasto Q (l/s) Eficiencia (%) Q MÁXIMO OBTENIDO: CARGA MÁXIMA OBTENIDA: m.c.a. 5

6 TABLA 4.2 SISTEMA EN PARALELO DATOS: POTENCIA NOMINAL: HP CARGA MÁXIMA: m Q MÁXIMO: (1) (2) (3) (4) (5) H (m.c.a.) Vol. (m 3 ) Tiempo (s) Gasto Q (l/s) Eficiencia (%) Q MÁXIMO OBTENIDO: CARGA MÁXIMA OBTENIDA m.c.a. Nombre del alumno: Matrícula:. Semestre: Sección: N de equipo: Laboratorista:. 6

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