Sistemas Fluidomecánicos

Transcripción

1 Departamento de Ingeniería Mecánica y Energía Área de Máquinas y Motores Térmicos Sistemas Fluidomecánicos 3 o Grado en Ingeniería Mecánica Guiones y contenido del informe de prácticas de la asignatura Sistemas Fluidomecánicos Profesores responsables: Javier Ruiz Ramírez Damián Crespí Llorens Técnico laboratorio: Eugenio Sánchez Gonzálvez

2 2 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica

3 Índice general 1 Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas Introducción teórica Relaciones adimensionales Cavitación en bombas centrífugas Objetivos de la práctica Descripción del equipo Realización de la práctica Contenido del informe Material de consulta Tablas de referencia Acoplamientos y regulación de bombas centrífugas Introducción teórica Regulación del punto de funcionamiento Objetivos de la práctica Descripción del equipo Realización de la práctica Contenido del informe Material de consulta Tablas de referencia Curvas características y semejanza en ventiladores centrífugos Introducción teórica Relaciones adimensionales Objetivos de la práctica Descripción del equipo Realización de la práctica Contenido del informe Material de consulta Tablas de referencia

4 4 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica 4 Desmontaje de bombas centrífugas y predicción de sus características Introducción teórica Estudio particular de una bomba centrífuga Objetivos de la práctica Realización de la práctica Contenido del informe Material de consulta Dimensionado de instalaciones de suministro de agua Introducción teórica Descripción de la instalación Objetivos de la práctica Criterios de diseño y realización de la práctica Contenido del informe Material de consulta Dimensionado de redes de evacuación de aguas Introducción teórica Descripción de la instalación Objetivos de la práctica Criterios de diseño y realización de la práctica Contenido del informe Material de consulta

5 Índice de figuras 1.1 Vista esquemática de una bomba centrífuga típica Curvas características de una bomba centrífuga típica a velocidad de giro constante (izquierda) e ilustración de los puntos de funcionamiento de una bomba para tres tipos de curvas resistentes de la red (derecha) Disminución brusca de las curvas características por el efecto de la cavitación en una bomba centrífuga Esquema de instalación de una bomba para el análisis de la cavitación Variación con el caudal de los NPSH necesario y disponible. Caudal de cavitación por intersección de las curvas Banco de ensayo de bombas centrífugas e instrumentación Representación esquemática del acoplamiento de dos bombas diferentes conectadas en serie (izquierda) y conectadas en paralelo (derecha) Curvas características y puntos de funcionamiento de dos bombas A y B por separado y conectadas en serie (izquierda) y conectadas en paralelo (derecha) Regulación del punto de funcionamiento de una bomba centrífuga por estrangulamiento (válvula serie) Regulación del punto de funcionamiento de una bomba centrífuga por variador de frecuencia Banco de ensayo de acoplamientos de bombas centrífugas e instrumentación Curva característica en forma de silla de un ventilador centrífugo de alta presión Esquema de una instalación de ensayo de ventiladores Distribución de presiones estática y dinámica en función del caudal Banco de ensayo de ventiladores centrífugos e instrumentación Curva característica de la bomba empleada en la práctica

6 6 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica 5.1 Esquema de principio de la instalación de suministro de agua Curvas motrices grupos bombeo disponibles Esquema de principio de la instalación de evacuación de agua Vertido en una bajante, relación entre la sección anular y transversal de la bajante Ejemplo de figura Ejemplo de organización de hoja de cálculo

7 Introducción En este documento se presentan los guiones de prácticas de laboratorio y de informática de la asignatura Sistemas Fluidomecánicos de 3 o curso del Grado en Ingeniería Mecánica. Cada guión está compuesto por una introducción teórica, una presentación de objetivos, una descripción de la instalación y un listado de los pasos a seguir para desarrollar la práctica. Al final del guión hay una tabla de datos para completar que será incluida en el informe que se entregará al profesor para su evaluación. Con la finalidad de poder desarrollar correctamente los contenidos de cada sesión de laboratorio, deberán observarse los siguientes aspectos. Debido a que las sesiones prácticas se desarrollan en paralelo con las sesiones teóricas, en algunos casos se deberá desarrollar la práctica antes de haber abordado el tema correspondiente en clase. Por este motivo, en cada práctica se indican los capítulos correspondientes del libro de texto y de la bibliografía complementaria a los que referirse. La estancia del laboratorio está destinada a tomar los datos y medidas necesarias para completar las hojas de informes que aparecen en los guiones correspondientes para su posterior inclusión en el informe final. Por otra parte, las prácticas de informática se realizarán en el aula de informática, en ambos casos con la supervisión y apoyo del profesor. Será necesario que el alumno venga provisto de bolígrafo o lápiz, papel, calculadora y cualquier otro material o bibliografía que le resulte útil para realizar los cálculos. En las prácticas de laboratorio es preciso que por cada grupo de alumn@s exista al menos un ordenador portátil para el cálculo y representación de los resultados experimentales. Es necesario leer previamente y con detenimiento el guión de la práctica y repasar los conceptos teóricos que el alumno estime necesarios para el correcto desarrollo de las sesiones. A efectos prácticos, el aula de informática y el laboratorio son aulas docentes, por lo que está prohibido comer, usar el teléfono móvil y en definitiva cualquier comportamiento impropio en el ámbito en el que se trabaja. La información relativa al contenido, formato y plazo de entrega de los informes se detalla al final de este documento, justo después de los guiones de prácticas. 7

8 8 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Programa de prácticas El contenido práctico de la asignatura se compone de un total de 6 sesiones prácticas (4 de laboratorio y 2 de informática) con una duración de 3 horas cada una, sumando un total de 18 horas. Las prácticas de la asignatura son las siguientes (entre paréntesis se indica la estancia, laboratorio o informática) 1 : P1 Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas (laboratorio) P2 Acoplamientos y regulación de bombas centrífugas (laboratorio) P3 Curvas características y semejanza en ventiladores centrífugos (laboratorio) P4 Desmontaje de bombas centrífugas y predicción de sus características (laboratorio) P5 Dimensionado de instalaciones de suministro de agua (informática) P6 Dimensionado de redes de evacuación de aguas (informática) 1 Téngase en cuenta que el orden mostrado puede no coincidir cronológicamente con la realización de las prácticas.

9 Práctica 1 Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas 1.1 Introducción teórica Una bomba centrífuga se define como una máquina hidráulica generadora donde la conversión de energía mecánica a energía asociada al fluido (energía de presión, cinética y potencial) se produce a través de un elemento giratorio llamado rotor o rodete. Este tipo de bombas se incluye dentro del grupo de las denominadas turbomáquinas o máquinas rotodinámicas, según la siguiente clasificación general de las máquinas hidráulicas: Máquinas rotodinámicas o turbomáquinas Máquinas radiales (bomba centrífuga) Máquinas axiales (bomba axial) Máquinas mixtas o helicocentrífugas (bomba mixta o helicocentrífuga) Máquinas de desplazamiento positivo o volumétricas (bombas de pistones, de engranajes, de tornillo) La bomba centrífuga está constituida por un rotor o rodete dentro de una carcasa, como se esquematiza en la Figura 1.1. El fluido entra axialmente a través de la carcasa hacia el rotor, donde se aumenta su velocidad y presión. Los álabes del rotor lo fuerzan a tomar un movimiento tangencial y radial hacia el exterior del rotor para ser recogido por la carcasa que hace de difusor. La parte de la carcasa de forma toroidal, llamada voluta o caracol, decelera el fujo y aumenta más la presión de salida. Básicamente la bomba aumenta la energía del fluido entre la entrada y la salida. Considerando el flujo estacionario de la ecuación de la energía mecánica, 9

10 10 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Figura 1.1: Vista esquemática de una bomba centrífuga típica. despreciando los efectos viscosos y de conducción de calor, este cambio se representa por la altura manométrica H m : [ ] s p g H m = ρ + v2 2 + gz H m = p S p E + v2 S v2 E + z S z e ρg 2g e donde los subíndices S y E representan las condiciones del flujo en la impulsión y aspiración de la bomba, respectivamente. Normalmente las velocidades v S y v E son iguales (los conductos de aspiración e impulsión tienen el mismo diámetro y se asume que no existen fugas externas de caudal) y la diferencia de cotas z S z E no suele ser mayor de un metro, de modo que la altura manométrica es esencialmente proporcional al incremento de presión estática H m p S p E ρg = p ρg La potencia real o manométrica que recibe el fluido es igual al producto del peso específico por el caudal y por la altura manométrica Ẇ = ρgqh m y el rendimiento de la bomba se define a partir de la relación entre la potencia manométrica y la potencia eléctrica Ẇeje consumida por el motor de arrastre del rodete η = ρgqh m Ẇ eje Dado que la teoría desarrollada para bombas es un tanto aproximada, la única forma de obtener las curvas características, que representan el comportamiento de la bomba en una instalación, se apoya en los ensayos. Las curvas se trazan normalmente para velocidad de giro n del eje de la bomba constante, tomando el caudal Q como variable independiente y H m, Ẇ eje y η como variables de salida o dependientes. La Figura 1.2 muestra las curvas características típicas de una bomba centrífuga; las partes representadas a trazos indican los puntos

11 Práctica 1. Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas 11 de funcionamiento inestables que pueden dar lugar a oscilaciones de bombeo o sobrecargas. Figura 1.2: Curvas características de una bomba centrífuga típica a velocidad de giro constante (izquierda) e ilustración de los puntos de funcionamiento de una bomba para tres tipos de curvas resistentes de la red (derecha). 1.2 Relaciones adimensionales El análisis dimensional proporciona los siguientes parámetros o coeficientes adimensionales correspondientes al intercambio energético en una bomba: gh m coeficiente de altura o manométrico Ω 2 D 2 Q coeficiente de caudal ΩD 3 Ẇ coeficiente de potencia ρω 3 D 5 η coeficiente de rendimiento donde Q es el caudal, Ω es la velocidad de giro del rodete y D es el diámetro del rodete. Respecto al coeficiente de potencia, debe notarse que la fórmula expresada vale tanto para la potencia manométrica como para la potencia eléctrica consumida por el motor de la bomba. 1.3 Cavitación en bombas centrífugas Las bombas centrífugas funcionan con normalidad si la presión absoluta a la entrada del rodete no está por debajo de un determinado valor. Cuando el líquido a bombear se mueve en una región donde la presión es menor que su presión de vapor, se vaporiza parcialmente en forma de pequeñas burbujas que aparecen en su seno, las cuales son arrastradas junto con el líquido hasta una región donde se

12 12 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica alcanza una presión más elevada y desaparecen bruscamente. A este fenómeno se le conoce como cavitación y sus consecuencias se describen a continuación. En una bomba centrífuga, la región de entrada al rodete es donde aparecen las presiones más bajas de la máquina y por lo tanto la zona donde puede originarse la cavitación. Si a la entrada del rodete la presión es inferior a la presión parcial del vapor p v, se forman burbujas de vapor que disminuyen el espacio utilizable para el paso del líquido y perturban la continuidad del flujo debido al desprendimiento de gases y vapores disueltos. Esto da como resultado la disminución del caudal, de la altura manométrica y del rendimiento de la bomba y, en definitiva, la disminución global de las prestaciones de la bomba, como se observa en la Figura 1.3. En su Figura 1.3: Disminución brusca de las curvas características por el efecto de la cavitación en una bomba centrífuga. recorrido a través de la bomba, las burbujas de vapor llegan a la zona exterior del rodete, de presión superior a la presión de vapor, donde instantáneamente toda la fase de vapor pasa a líquido, de forma que el volumen de las burbujas pasa a ser ocupado por el líquido, de forma violenta mediante un mecanismo conocido como implosión, lo cual se traduce en un golpeteo sobre los álabes acompañado de ruidos y vibraciones que se transmiten al eje, cojinetes, cierres mecánicos, etc. De forma resumida, los efectos perjudiciales de la cavitación son: Aparición de fuertes impactos repetitivos por implosión de la burbujas en la salida del rodete Se producen fenómenos de fatiga de materiales Rápida erosión y picado característico del rodete Presencia de un sonido característico Aparición de fuertes vibraciones Disminución de las prestaciones de la MH Q, H m, η

13 Práctica 1. Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas 13 Completa destrucción del rodete si el uso de la TM bajo cavitación es continuo y prolongado La aparición de cavitación no sólo depende de la máquina, sino también de la instalación, por lo que su análisis se realiza de forma conjunta a partir de un esquema de instalación como el de la Figura 1.4. Figura 1.4: Esquema de instalación de una bomba para el análisis de la cavitación. La presión absoluta en la sección de entrada (e) de la bomba viene dada por la ecuación: p amb ρ g + z o h Toe = p e ρ g + v2 e 2 g + z e donde h Toe representa las pérdidas en el tramo de aspiración. La presión mínima, sin embargo, no se produce justo en la entrada de la bomba, sino en algún punto (x) de su interior. La diferencia de presión entre la entrada y este punto puede considerarse proporcional a la energía cinética de la velocidad relativa en la entrada del rotor, de forma que p e p x ρ g = ɛ w2 1 2 g p x ρ g = p amb ρ g z e z o h Toe v2 e 2 g ɛw2 1 2 g La condición para que no exista cavitación es que la presión se mantenga siempre por encima de la presión de vapor, esto es, p x > p v. Planteándolo de otro modo, la energía mecánica específica que se necesita (NPSH r o altura neta de aspiración necesaria o requerida) en la entrada de la bomba para que no se produzca cavitación, expresada como altura relativa sobre la presión de vapor, puede ponerse como NPSH r = ( pe p v ρ g ) + v2 e = v2 e 2 g r 2 g + ɛw2 1 2 g mientras que la disponible (o altura neta de aspiración disponible) en una instalación dada es la definida por

14 14 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica NPSH d = ( pe p v ρ g ) + v2 e = p amb p v 2 g d ρ g z h Toe La condición para evitar la cavitación es que NPSH d > NPSH r, lo que es otra forma de expresar la desigualdad que se ha planteado más arriba. Tanto la altura neta de aspiración necesaria como la disponible no son valores fijos, sino que dependen de la condición de funcionamiento de la bomba (en particular del caudal, véase Figura 1.5) y de las características de la instalación. La NPSH r es función de la bomba y normalmente es un dato que nos proporciona el fabricante a través de sus curvas características (NPSH Q). Por otra parte la NPSH d es función de la instalación y puede calcularse siempre que conozcamos todas las características del tramo de aspiración (longitud, diámetro, material, cota de la bomba,... ). Figura 1.5: Variación con el caudal de los NPSH necesario y disponible. Caudal de cavitación por intersección de las curvas. La determinación experimental de la NPSH r de una bomba se puede llevar a cabo en un banco de ensayos con una instalación de agua en circuito cerrado. La presencia de cavitación en una bomba, además del ruido y las vibraciones que produce (que en ocasiones son los primeros síntomas), se traducirá antes o después en una modificación de las prestaciones de la misma (véase Figura 1.3). El ensayo de cavitación puede realizarse modificando la NPSH d de la instalación, estrangulando por ejemplo la válvula de aspiración, hasta el punto en el que la altura manométrica o el rendimiento de la bomba caiga un 3% por debajo de su valor característico. En ese instante se considera que aparece la cavitación y, por lo tanto, que NPSH d = NPSH r. Repitiendo el ensayo con otros puntos de funcionamiento se obtienen una serie de puntos (NPSH r Q) de la curva característica, que primero es decreciente y después creciente (véase Figura 1.5), variando mucho estas circunstancias de unas bombas a otras.

15 Práctica 1. Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas Objetivos de la práctica A través de esta práctica el alumno tendrá la oportunidad de conocer cómo se ensaya en el laboratorio una bomba centrífuga para obtener su curvas características de funcionamiento. El proceso de obtención de las curvas servirá para repasar y afianzar los contenidos teóricos relativos a turbomáquinas vistos en clase y para contrastar las medidas experimentales con los cálculos teóricos. La primera parte de la práctica consiste en determinar el comportamiento de la bomba del banco de ensayos cuando se hace variar el régimen de giro del rodete. Para ello se obtendrá en primer lugar las curvas características de la bomba cuando funciona a 50 Hz. En segundo lugar se determinará el comportamiento de la bomba a 45 Hz y 40 Hz de dos formas diferentes, experimentalmente como en el caso anterior y aplicando las relaciones de semejanza a los puntos de funcionamiento obtenidos a 50 Hz. La segunda parte de la práctica consiste en obtener la curva característica de NPSH r en función del caudal, aprovechando las medidas tomadas y los resultados de la primera parte. Los objetivos específicos de la práctica son los siguientes: Obtener experimentalmente las curvas características H m Q, Ẇ eje Q y η Q de una bomba funcionando a 50 Hz. Obtener experimentalmente las curvas características de la misma bomba funcionando a 45 Hz y 40 Hz. Calcular teóricamente, a partir de las relaciones de semejanza y de los puntos de funcionamiento de la bomba a 50 Hz, las curvas características de la bomba a 45 Hz y 40 Hz. Obtener experimentalmente la curva característica NPSH r funcionando a 50 Hz. de la bomba 1.5 Descripción del equipo El banco de ensayo de bombas (véase Figura 1.6) consta de una bomba centrífuga (modelo ESPA Prisma 15 5) conectada a una red de tuberías de PVC con su correspondiente depósito de agua formando un circuito cerrado. Las válvulas de equilibrado y de regulación permiten modificar el punto de trabajo de la bomba en la instalación, siendo también posible modificar el régimen de giro de la bomba a través de un variador de frecuencia eléctrica. La instrumentación montada sobre el propio banco hace posible la toma de medidas de altura manométrica, caudal circulante y potencia eléctrica consumida por la bomba. A continuación se detalla el listado de componentes e instrumentos de medida empleados:

16 16 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica D H F G B E C A Figura 1.6: Banco de ensayo de bombas centrífugas e instrumentación. Depósito de agua (A) Bomba centrífuga (B modelo ESPA Prisma 15 5). Válvula reguladora de esfera (C) instalada en el conducto de aspiración para provocar fenómenos de cavitación. Válvula de equilibrado (D) instalada en la impulsión para regular diferentes caudales. Dos manómetros (E) instalados en las bridas de aspiración e impulsión de la bomba. Caudalímetro de sección variable (rotámetro) (F) para la medida (en l/h) del caudal circulado. Variador de frecuencia (G) para regular distintas velocidades de giro. Vatímetro (H) para medir el consumo eléctrico de la bomba.

17 Práctica 1. Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas Realización de la práctica A continuación se detallan los pasos a seguir para completar la primera parte de la práctica con los ensayos correspondientes a la bomba (50, 45 y 40 Hz): 1. Comprobar que las válvulas estén completamente abiertas. 2. Comprobar que la frecuencia es de 50 Hz (si es necesario, modificar el valor con la ruleta) y poner en marcha la bomba pulsando el botón verde RUN del variador. 3. Tomar lectura de la presión en los manómetros de aspiración e impulsión, del caudal circulante Q y de la potencia eléctrica consumida Ẇeje. 4. Actuar sobre la válvula de impulsión, aguas abajo de la bomba, cerrándola un poco para reducir el caudal y conseguir un nuevo punto de funcionamiento. Tomar de nuevo lectura de las medidas anteriores. 5. Repetir el paso anterior hasta conseguir un total de 6 puntos de funcionamiento. Se recomienda tomar, además de las posiciones extremas (válvula abierta y cerrada), los puntos correspondientes a los valores enteros de presión en impulsión. 6. Repetir todos los pasos anteriores a partir del paso 2 con las frecuencias de 45 Hz y 40 Hz. 7. Completar el resto de las tablas del informe a partir de la teoría expuesta en la introducción; completar los valores de Q, H m, Ẇ eje y Ẇ de la cuarta y quinta tabla (40 y 45 Hz) utilizando las relaciones de semejanza con los puntos de funcionamiento de la primera tabla (50 Hz). Para ello ha de medirse la velocidad de giro de la bomba a las diferentes frecuencias. 8. Trazar en una hoja de cálculo las curvas H m Q, Ẇ eje Q y η Q de cada una de las tablas (en total 9 curvas). Comparar las curvas experimentales a 50 Hz con las curvas teóricas (6 curvas) y extraer conclusiones en cuanto a la validez del análisis dimensional. Se recomienda trazar curvas de ajuste para todas las series para verificar las tendencias observadas.

18 18 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Los pasos a seguir para completar la segunda parte de la práctica con los ensayos de cavitación correspondientes a la bomba (50 Hz) son: 1. Comprobar que la frecuencia es de 50 Hz (si es necesario, modificar el valor con la ruleta) y poner en marcha la bomba pulsando el botón verde RUN del variador. 2. Establecer un punto de funcionamiento cerrando la válvula de impulsión hasta conseguir una presión de impulsión de 1,5 bar. 3. Tomar lectura de la presión en los manómetros de aspiración e impulsión y del caudal circulante Q. 4. Cerrar la válvula de aspiración hasta conseguir una presión en la aspiración de -30 cm Hg. Anotar las lecturas de los manómetros y del caudalímetro 5. Repetir el punto anterior con presiones de aspiración de -40, -50 y -60 cm Hg. 6. Abrir completamente la válvula de aspiración y repetir todos los pasos anteriores desde el punto 2, con nuevas presiones de impulsión de 2, 3 y 4 bar. 7. Completar el resto de la tabla del informe, calculando la altura manométrica H m, la velocidad en la entrada de la bomba v e y el NPSH d de la instalación en cada ensayo. Para ello usar la definición de NPSH d con p v = 2337 Pa. 8. Trazar en una hoja de cálculo los puntos H m Q obtenidos en la primera parte de la práctica y añadir la curva del 97% de H m con objeto de identificar los puntos en los que aparece cavitación como aquellos en los que la H m cae más de un 3% por debajo de la H m. 9. Representar en el mismo gráfico la curva NPSH r Q, a partir de los cuatro puntos de inicio de la cavitación identificados en el apartado anterior. Comparar la curva obtenida con la representada en la Figura 1.5.

19 Práctica 1. Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas Contenido del informe Deberá incluirse en el informe final la siguiente información: Curva de altura manométrica frente a caudal (H m vs Q). La gráfica incluirá cinco series para los valores experimentales de 40, 45 y 50 Hz y para los teóricos de 40 y 45 Hz calculados a partir de los datos experimentales tomados a 50 Hz. Curva de potencia consumida frente a caudal (Ẇeje vs Q). La gráfica incluirá las cinco series mencionadas anteriormente. Curva de rendimiento frente a caudal (η vs Q). La gráfica incluirá las cinco series mencionadas anteriormente. Curva de altura manométrica frente a caudal (H m vs Q) para condiciones de cavitación. Esta gráfica incluirá al menos tres series: curva manométrica de la bomba a 50 Hz (representada anteriormente), 97% de esta curva y altura manométrica proporcionada en condiciones de ensayo con diferentes aperturas de la válvula en aspiración. Se recomienda dividir la última serie de puntos en tantas series como niveles de apertura de la válvula de impulsión (4 de acuerdo al guión). Curva de altura neta de aspiración requerida frente a caudal (NPSH r vs Q) para los puntos donde la máquina entre en cavitación. Estos puntos se obtendrán cuando se visualice que las prestaciones de la máquina disminuyen más de un 3% con respecto a las nominales (gráfica anterior) o bien, si no observa de esta manera para el mayor nivel de cierre de la válvula en aspiración. Por tratarse de las mismas unidades, esta última curva podrá representarse junto con la anterior en un eje secundario. Se considera de interés la discusión de las distintas prestaciones de la máquina a diferentes velocidades, al comportamiento de las diferentes variables en función del caudal (tipos de ajustes) y de la correspondencia de los valores teóricos y experimentales en la parte de análisis dimensional y la curva de NPSH r en la parte de cavitación. 1.8 Material de consulta Viedma, A. y Zamora, B. Teoría y problemas de máquinas Hidráulicas. Véase Bloque I, Capítulos 2 y 3 (págs ) y Bloque III, Capítulo 10 (págs ). Colección de apuntes de la asignatura. Véase Lección 4 (págs ).

20 20 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica 1.9 Tablas de referencia Puntos experimentales de funcionamiento (f = 50 Hz) Q (l/h) Presión man. (bar) aspiración impulsión W eje (kw) H m (m) W (kw)! (-) Puntos experimentales de funcionamiento (f = 45 Hz) Q (l/h) Presión man. (bar) aspiración impulsión W eje (kw) H m (m) W (kw)! (-) Puntos experimentales de funcionamiento (f = 40 Hz) Q (l/h) Presión man. (bar) aspiración impulsión W eje (kw) H m (m) W (kw)! (-)

21 Práctica 1. Curvas características, semejanza y cavitación en bombas centrífugas 21 Puntos teóricos de funcionamiento (f = 45 Hz) Q (l/h) W eje (kw) H m (m) W (kw)! (-) Puntos teóricos de funcionamiento (f = 40 Hz) Q (l/h) W eje (kw) H m (m) W (kw)! (-) Cuestiones " Tomar medidas (celdas sombreadas), calcular los valores del resto de celdas y dibujar las curvas características de la bomba (hoja de cálculo). " Comparar las curvas experimentales con las teóricas (f = 40 y 45 Hz) y extraer conclusiones en cuanto a la validez del análisis dimensional y las relaciones de semejanza.

22 22 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Puntos experimentales de funcionamiento (f = 50 Hz) Q (l/h) Presión manométrica Aspiración (cm Hg) Impulsión (bar) 0,00 1, ,00 2, ,00 3, ,00 4, H m (m) v e (m/s) NPSH d (m) cavita? (sí/no) Cuestiones Tomar medidas (celdas sombreadas), calcular los valores del resto de celdas y dibujar las curvas características H m Q y NPSH r Q de la bomba (hoja de cálculo). Comparar la curva NPSH r Q con la que aparece en la introducción teórica y decidir si presenta la misma forma.

23 Práctica 2 Acoplamientos y regulación de bombas centrífugas 2.1 Introducción teórica Un acoplamiento de bombas en serie (parte izquierda de la Figura 2.1) se define como aquel en el que la brida de impulsión de una máquina se encuentra conectada a la brida de aspiración de la máquina que se encuentra inmediatamente a continuación. El principio físico para la combinación en serie de las bombas es que se sumen las alturas manométricas de cada bomba para el mismo caudal, Q = Q 1 = Q 2 H mt = H m1 + H m2 donde Q y H mt son el caudal y altura manométrica del acoplamiento, respectivamente, y las variables con subíndices 1 y 2 denotan las condiciones de funcionamiento de las bombas acopladas. Por su parte, un acoplamiento en paralelo se define como aquel en el que las bridas de aspiración e impulsión están unidas entre sí, respectivamente (parte derecha de la Figura 2.1). Para las bombas en paralelo, físicamente sus caudales deben sumarse para la misma altura manométrica. Q = Q 1 + Q 2 H m = H m1 = H m2 23

24 24 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Figura 2.1: Representación esquemática del acoplamiento de dos bombas diferentes conectadas en serie (izquierda) y conectadas en paralelo (derecha). Tal y como se muestra en la Figura 2.2, existen condiciones de funcionamiento inestables en ambos acoplamientos. En el caso del acoplamiento serie, éste no puede funcionar con caudales mayores a Q 0, siendo Q 0 el máximo caudal proporcionado por la bomba de menores prestaciones. En el caso de acoplamientos en paralelo, el acoplamiento funciona para altura manométricas menores a H m0, siendo H m0 la máxima altura proporcionada por la bomba de menores prestaciones. Figura 2.2: Curvas características y puntos de funcionamiento de dos bombas A y B por separado y conectadas en serie (izquierda) y conectadas en paralelo (derecha).

25 Práctica 2. Acoplamientos y regulación de bombas centrífugas Regulación del punto de funcionamiento Los métodos más habituales para la regulación del punto de funcionamiento de una bomba centrífuga son el método por estrangulamiento (o válvula serie) y el método por variador de frecuencia. En el método de regulación por estrangulamiento se modifica la pérdida secundaria de la instalación a través de la variación de la apertura de una válvula ubicada en el tramo de impulsión. De esta manera se actúa sobre la curva resistente de la instalación modificando la intersección de ésta con la curva manométrica de la bomba y por tanto el punto de trabajo, Figura 2.3. El principal inconveniente de este método de regulación consiste en la inclusión de una pérdida de carga adicional (introducida conscientemente) para trabajar en el punto deseado. Por el contrario, la facilidad de implantación y el bajo coste son las pricipales ventajas. Figura 2.3: Regulación del punto de funcionamiento de una bomba centrífuga por estrangulamiento (válvula serie). En el método de regulación por variador de frecuencia, se conecta un regulador que permite modificar la velocidad de giro del motor eléctrico conectado a la bomba. De esta manera se modifica la curva motriz de ésta y se adapta el punto de funcionamiento al punto deseado en la instalación. Este punto se obtiene de nuevo intersectando las curvas motriz y resistente, Figura 2.4. La eficiencia energética de este método de regulación (adaptándose al punto de trabajo deseado con sólo la modificación de la velocidad de giro) es la principal ventaja del mismo, siendo el coste de implantación y el mantenimiento del equipo los principales inconvenientes.

26 26 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Figura 2.4: Regulación del punto de funcionamiento de una bomba centrífuga por variador de frecuencia. 2.3 Objetivos de la práctica A través de esta práctica el alumno conocerá cómo determinar experimentalmente el funcionamiento del acoplamiento en serie y en paralelo de dos bombas centrífugas. Para ello será necesario tomar medidas de las variables más importantes (caudal y salto de presiones), realizar conversiones de unidades y efectuar cálculos aplicando la teoría ideal de las turbomáquinas hidráulicas, lo que permitirá repasar y consolidar los contenidos correspondientes de las clases teóricas. Una vez obtenidas las curvas características de las distintas combinaciones de acoplamientos y la discusión de los puntos conflictivos, la práctica se complementa con la regulación del punto de funcionamiento de una bomba centrífuga mediante los métodos de válvula serie y variador de frecuencia. Los objetivos específicos de la práctica son los siguientes: Determinar experimentalmente las curvas características (altura caudal, H m Q) de un acoplamiento en serie y en paralelo de dos bombas centrífugas. Comparar las curvas experimentales y teóricas para extraer conclusiones acerca de los puntos de trabajo conflictivos. Determinar experimentalmente las condiciones de trabajo de una bomba centrífuga cuando se regula el punto de funcionamiento mediante los métodos de estrangulamiento y variador de frecuencia y realizar un análisis de viabilidad económico de cada uno de ellos. Comparar los resultados experimentales con los analíticos obtenidos de calcular las condiciones de trabajo con las ecuaciones planteadas en las sesiones teóricas.

27 Práctica 2. Acoplamientos y regulación de bombas centrífugas Descripción del equipo El banco de ensayo de bombas (véase Figura 2.5) consta de dos bombas centrífugas (modelo ESPA Prisma 15 5) conectadas a una red de tuberías de PVC con sus correspondientes depósitos de agua. Un conjunto de válvulas de regulación permiten configurar el banco para trabajar con las bombas de forma aislada o acopladas en serie o paralelo, siendo también posible modificar el régimen de giro de las bombas a través de sendos variadores de frecuencia eléctrica. La instrumentación montada sobre el propio banco hace posible la toma de medidas de altura manométrica, caudal circulante y potencia eléctrica consumida por las bombas. Figura 2.5: Banco de ensayo de acoplamientos de bombas centrífugas e instrumentación. A continuación se detalla el listado de componentes e instrumentos de medida empleados: Dos depósitos de agua (A) tratados con un inhibidor de crecimiento de algas. Dos bombas centrífugas idénticas (B1 y B2, modelo ESPA Prisma 15 5). Válvulas reguladoras de esfera instaladas en los conductos de aspiración (C) e impulsión (D) para regular diferentes caudales y permitir los acoplamientos en serie y en paralelo de las bombas.

28 28 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Dos manómetros (E) instalados en la aspiración de las bombas. Dos manómetros (F) instalados en la impulsión de las bombas. Caudalímetro magnético (G) para la medida (en l min 1 ) del caudal de impulsión. Cuadro eléctrico (H) compuesto por variador de frecuencia y vatímetro para regular distintas velocidades de giro y medir consumos eléctricos en cada bomba. 2.5 Realización de la práctica A continuación se detallan los pasos a seguir para completar la primera parte de la práctica con los ensayos correspondientes a los acoplamientos de las bombas en serie y en paralelo 1 : 1. Comprobar que la válvula de aspiración esté completamente abierta y configurar el resto de válvulas hasta conseguir un circuito cerrado en serie de manera que el fluido circule por la bomba B1, la B2 y con retorno a través del conducto con el caudalímetro (en ese orden). 2. Comprobar que la frecuencia de la bomba B1 es de 50 Hz, la de la bomba B2 de 45 Hz (si es necesario, modificar el valor con las flechas) y poner en marcha la bomba pulsando el botón verde RUN del variador. 3. Tomar lectura de la presión en los manómetros de aspiración e impulsión del acoplamiento (entrada primera bomba y salida de la segunda, respectivamente) y del caudal circulante Q. 4. Actuar sobre la válvula de impulsión, aguas abajo de la segunda bomba, cerrándola un poco para reducir el caudal y conseguir un nuevo punto de funcionamiento. Tomar de nuevo lectura de las medidas anteriores. 5. Repetir el paso anterior hasta conseguir un total de 6 10 puntos de funcionamiento. Se recomienda tomar, además de las posiciones extremas (válvula abierta y cerrada), los puntos correspondientes a los valores enteros de presión en impulsión. 6. Repetir todos los pasos anteriores a partir del paso 2 para las combinaciones de frecuencias mostradas en la Tabla Nótese que al ser las bombas idénticas a las ensayadas en la Práctica 1, se presupone el conocimiento de las curvas de trabajo a las frecuencias de 50, 45 y 40 Hz. En caso contrario deberán obtenerse de forma experimental en este dispositivo siguiendo las intrucciones que se indican al final de esta sección.

29 Práctica 2. Acoplamientos y regulación de bombas centrífugas Comprobar que la válvula de aspiración esté completamente abierta y configurar el resto de válvulas hasta conseguir un circuito cerrado en paralelo de manera que el fluido circule por la bomba B1, la B2 y con retorno a través del conducto con el caudalímetro (en ese orden). 8. Repetir los pasos desde el 2 hasta el Completar el resto de las tablas del informe a partir de la teoría expuesta en la introducción. 10. Trazar en una hoja de cálculo las curvas H m Q de cada una de los acoplamientos conjuntamente con las curvas de trabajo individual de cada frecuencia y extraer conclusiones en cuanto a los puntos de trabajo conflictivos. Pasos a seguir para la obtención de las curvas motrices de la bomba funcionando a diferentes frecuencias de funcionamiento (realizar únicamente si no se dispone de los datos de la Práctica 1): 1. Comprobar que la válvula de aspiración esté completamente abierta y configurar el resto de válvulas hasta conseguir un circuito cerrado para la bomba B1, con retorno a través del conducto con el caudalímetro. 2. Identificar el variador de frecuencia de la bomba B1 (derecha del cuadro eléctrico), comprobar que la frecuencia es de 50 Hz (si es necesario, modificar el valor con las flechas arriba y abajo) y poner en marcha la bomba pulsando el botón RUN del variador. 3. Tomar lectura de la presión en los manómetros de aspiración e impulsión y del caudal circulante Q. 4. Actuar sobre la válvula de impulsión, aguas abajo de la bomba, cerrándola un poco para reducir el caudal y conseguir un nuevo punto de funcionamiento. Tomar de nuevo lectura de las medidas anteriores. 5. Repetir el paso anterior hasta conseguir un total de 6 puntos de funcionamiento. Se recomienda tomar, además de las posiciones extremas (válvula abierta y cerrada), los puntos correspondientes a los valores enteros de presión en impulsión. 6. Repetir todos los pasos anteriores a partir del paso 2 con las frecuencias de 45 Hz y 40 Hz.

30 30 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Los pasos a seguir para completar la segunda parte de la práctica con los ensayos de regulación correspondientes a la bomba (50 Hz) son: 1. Comprobar que la válvula de aspiración esté completamente abierta y configurar el resto de válvulas hasta conseguir un circuito cerrado para la bomba B1, con retorno a través del conducto con el caudalímetro. 2. Identificar el variador de frecuencia de la bomba B1 (derecha del cuadro eléctrico), comprobar que la frecuencia es de 50 Hz (si es necesario, modificar el valor con las flechas arriba y abajo) y poner en marcha la bomba pulsando el botón RUN del variador. 3. Fijar una de las dos válvulas ubicadas en la impulsión de manera que la lectura de caudal se situe en 45 l min 1. Esta situación se considerará la situación de partida en la regulación. 4. Actuar sobre la otra válvula de impulsión, aguas abajo de la bomba, cerrándola un poco para reducir el caudal hasta el punto de trabajo deseado, que se tomará igual a 25 l min Tomar lectura de la presión en los manómetros de aspiración e impulsión, del caudal circulante Q y de la potencia eléctrica consumida Ẇeje. 6. Abrir de nuevo la segunda válvula para volver a la situación descrita en el punto Actuar sobre el variador de frecuencia para reducir el caudal hasta el punto de trabajo deseado (25 l min 1 ). 8. Tomar lectura de la presión en los manómetros de aspiración e impulsión, del caudal circulante Q y de la potencia eléctrica consumida Ẇeje. 2.6 Contenido del informe Deberá incluirse en el informe final la siguiente información: En la primera parte de la práctica (acoplamientos) se requiere la representación tabular y gráfica de datos experimentales (altura manométrica frente a caudal) de las combinaciones de acoplamientos descritas en la Tabla 2.1. Junto con las curvas de los acoplamientos se representarán las curvas de las bombas girando a velocidades asociadas a las frecuencias de 45 y 50 Hz, si bien las tablas relativas a estos datos se representarán en la Práctica 1. Si durante la realización de la práctica se han tomado unas combinaciones distintas a las mostradas, deberán añadirse al informe. En este caso las gráficas a presentar son:

31 Práctica 2. Acoplamientos y regulación de bombas centrífugas 31 Acoplamiento Bomba 1 Bomba 2 Serie 50 Hz 45 Hz Serie 50 Hz 40 Hz Serie 45 Hz 45 Hz Paralelo 50 Hz 50 Hz Paralelo 50 Hz 45 Hz Paralelo 50 Hz 40 Hz Tabla 2.1: Acoplamientos ensayados. Altura manométrica frente a caudal (H m vs Q) 2 (una para el acoplamiento serie y otra para el paralelo). Cada gráfica incluirá seis series para los valores experimentales de 40, 45 y 50 Hz y para las tres combinaciones en cada tipo de acoplamiento. Para la parte de regulación se considerará que la bomba en condiciones de giro de 50 Hz trabaja en una instalación cuya curva resistente hace que el punto de trabajo sea el correspondiente a 45 l min 1. Si se desea que el punto de funcionamiento sea de 25 l min 1 se determinará experimental y analíticamente el nuevo punto de funcionamiento y la potencia consumida por el eje de accionamiento de la bomba con los métodos de válvula serie y variador de frecuencia. Se realizará también un análisis de viabilidad para ambos métodos. Para ello se considerarán las siguientes condiciones de funcionamiento: Bomba funcionando durante 8 horas cada día los días laborables (lunes a viernes) todo el año. El precio de la energía eléctrica (tendremos en cuenta el precio medio de la energía en 2015 para la compañía Iberdrola) se tomará como 0,1218 e cada kilovatio hora consumido. El precio de mercado para un variador de frecuencia de 1 kw de potencia es de 250 e. Se considera de interés la discusión de los puntos obtenidos que no se corresponden con la teoría así como la discusión del retorno de inversión en la parte de regulación. 2.7 Material de consulta Viedma, A. y Zamora, B. Teoría y problemas de máquinas Hidráulicas. Véase Bloque IV, Capítulo 11 (págs ). Colección de apuntes de la asignatura. Véase Lección 4 (págs ).

32 32 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica 2.8 Tablas de referencia Acoplamiento en serie de dos bombas Q (l/min) Presión man. (bar) aspiración impulsión W eje (kw) H m (m) W (kw)! (-) Acoplamiento en paralelo de dos bombas Q (l/min) Presión man. (bar) aspiración impulsión W eje (kw) H m (m) W (kw)! (-) Cuestiones " Tomar medidas (celdas sombreadas), calcular los valores del resto de celdas y dibujar las curvas características de los acoplamientos en serie y paralelo

33 Práctica 3 Curvas características y semejanza en ventiladores centrífugos 3.1 Introducción teórica Un ventilador puede definirse como una máquina hidráulica impulsora para gases. Si el cambio en la densidad del gas al atravesar la máquina es pequeño, lo que ocurre cuando el salto de presión ( p) es también pequeño, la teoría desarrollada para máquinas hidráulicas será perfectamente válida para el estudio de los ventiladores. En general para saltos de presión inferiores a 300 mmca (milímetros de columna de agua), es decir unos 3000 Pa, se habla de ventiladores y para saltos de presión superiores a 1000 mmca (10 4 Pa) se habla de turbocompresores. A su vez, pueden distinguirse ventiladores de: Baja presión, p 100 mmca Media presión, p entre 100 mmca y 300 mmca Alta presión, p entre 300 mmca y 1000 mmca Atendiendo a la geometría y evolución del flujo dentro de la máquina se pueden distinguir: Ventiladores centrífugos, de flujo radial, que suelen proporcionar saltos de presión medios o altos y caudales bajos Ventiladores axiales, para caudales más elevados y saltos de presión bajos Ventiladores tangenciales, que comparten características de las máquinas de desplazamiento positivo y de los ventiladores centrífugos 33

34 34 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Cuando se trabaja con ventiladores es usual describir su funcionamiento en términos de salto de presión total p o de altura manométrica de impulsión H m, como función del caudal Q. La relación entre el salto de presión total y la altura de impulsión es obviamente: p = ρ g H m siendo ρ la densidad del gas impulsado (ρ = 1,2 kg m 3 para aire en condiciones estándar de 1 atmósfera y 20 C). Las curvas características de un ventilador son similares a las de una bomba y se suelen expresar como p en función de Q. Su forma depende, al igual que en las bombas, fundamentalmente del tipo de máquina y del diseño del actuador o rodete. Es bastante frecuente que los ventiladores centrífugos de alta presión presenten una curva característica con forma de silla con un mínimo relativo (véase la Figura 3.1) más típico de diseños axiales, debido al empleo de álabes curvados hacia adelante. Una parte considerable de la presión suministrada por Figura 3.1: Curva característica en forma de silla de un ventilador centrífugo de alta presión el ventilador es en forma de presión dinámica, p d, ya que la velocidad de salida del fluido suele ser más alta que en el caso de bombas. De forma que el salto de presión total proporcionado por el ventilador es la suma del salto de presión dinámica p d más el salto de presión estática p e : p = p d + p e En el caso de una instalación sencilla en la que el ventilador aspira de la atmósfera e impulsa aire a través de un conducto como indica la Figura 3.2 se pueden calcular fácilmente los saltos de presión estática y dinámica. Aplicando la ecuación de la energía entre la entrada y la salida se tiene para el incremento de energía o presión total a través del ventilador ( p = p + 1 ) ( 2 ρv2 + ρgz p + 1 ) S 2 ρv2 + ρgz E

35 Práctica 3. Curvas características y semejanza en ventiladores centrífugos 35 Figura 3.2: Esquema de una instalación de ensayo de ventiladores o bien expresando todos los términos en unidades de metros H m = ( ) ( ) p ρg + v2 p 2g + z S ρg + v2 2g + z E donde el subíndice S corresponde a la salida y E a la entrada. Se debe tener en cuenta que, cuando trabajamos con gases, la diferencia de cotas entre la entrada y la salida es despreciable (z E z S ). Además, la velocidad del aire aguas arriba de la aspiración, donde se tiene la presión atmosférica, es prácticamente nula. Por lo tanto la ecuación queda como p = p S p atm ρv2 = p e + p d En una configuración de la instalación como la indicada, el salto en la presión estática se corresponde con el valor de la presión manométrica en salida del ventilador y el salto en la presión dinámica con la energía cinética del flujo a la salida (supondremos un perfil de velocidades uniforme): p e = p S p atm p d = 1 2 ρ Sv 2 S La dependencia de las presiones dinámica y estática en función del caudal tiene una forma como la indicada en la Figura 3.3.

36 36 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Figura 3.3: Distribución de presiones estática y dinámica en función del caudal 3.2 Relaciones adimensionales El análisis dimensional proporciona los siguientes parámetros o coeficientes adimensionales correspondientes al intercambio energético en una bomba: gh m coeficiente de altura o manométrico Ω 2 D 2 Q coeficiente de caudal ΩD 3 Ẇ coeficiente de potencia ρω 3 D 5 η coeficiente de rendimiento donde Q es el caudal, Ω es la velocidad de giro del rodete y D es el diámetro del rodete. Respecto al coeficiente de presión, debe notarse que la fórmula expresada vale tanto para la presión estática, la dinámica y la total proporcionada por el ventilador. El coeficiente manométrico o de altura se puede expresar en función del salto de presiones, p ρω 2 D 2 coeficiente de presión

37 Práctica 3. Curvas características y semejanza en ventiladores centrífugos Objetivos de la práctica A través de esta práctica el alumno conocerá cómo se ensaya ventilador centrífugo en el laboratorio para obtener sus curvas características de funcionamiento. Para ello será necesario tomar medidas de las variables más importantes (caudal, salto de presiones, régimen de revoluciones y potencia eléctrica consumida), realizar conversiones de unidades y efectuar cálculos aplicando la teoría ideal de las turbomáquinas hidráulicas, lo que permitirá repasar y consolidar los contenidos correspondientes de las clases teóricas. Una vez obtenidas las curvas características a la velocidad nominal de giro, la práctica se complementa con la aplicación de las leyes de escala para predecir el comportamiento del ventilador a una velocidad de giro diferente. La contrastación de los cálculos teóricos con las medidas experimentales nos permitirá determinar el grado de validez de las técnicas de análisis dimensional y semejanza física. Los objetivos específicos de la práctica son los siguientes: Determinar experimentalmente las curvas características de un ventilador centrífugo a un régimen de giro de 2600 rpm: altura caudal (H m Q), potencia consumida caudal (Ẇeje Q) y rendimiento caudal (η Q). Determinar experimentalmente las mismas curvas características para un nuevo régimen de giro de 2300 y 2000 rpm. Aplicar las relaciones de semejanza en turbomáquinas para calcular de forma teórica las curvas características a 2300 y 2000 rpm. Comparar las curvas experimentales y teóricas a 2300 y 2000 rpm para extraer conclusiones acerca del grado de validez del análisis dimensional. 3.4 Descripción del equipo La instalación completa de ensayo (véase Figura 3.4) consta de un ventilador centrífugo de baja presión con velocidad de accionamiento variable mediante un convertidor de frecuencia. El ventilador está conectado a una tobera de aspiración y a un conducto recto de impulsión, ambos de sección circular y fabricados en metacrilato transparente, sobre los que se han fijado sendas tomas de presión en anillo. El conducto de impulsión lleva incorporada una válvula de mariposa para la regulación del caudal de aire. En la tobera de aspiración hay colocado un sensor de molinete para medir la velocidad del flujo entrante en el centro de la sección. A continuación se detalla el listado de componentes e instrumentos de medida empleados: Ventilador centrífugo de baja presión y motor eléctrico de arrastre (A).

38 38 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Válvula de regulación de mariposa para establecer distintos caudales de impulsión (B). Tomas de presión en anillo colocadas en la aspiración (C) y en la impulsión (D) del ventilador. Transductor de presión diferencial (E) para medir el salto de presiones entre las tomas anteriores. Sensor de molinete (F) para medir la velocidad del flujo en el centro de la sección de la tobera de aspiración. Variador de frecuencia (G) con vatímetro (H) para regular distintas velocidades de giro del rodete del ventilador y para medir la potencia eléctrica consumida por el motor del ventilador. Tacómetro óptico y de contacto (I) para medir la velocidad angular de giro (en rpm) del ventilador. B G H D I E F C A Figura 3.4: Banco de ensayo de ventiladores centrífugos e instrumentación.

39 Práctica 3. Curvas características y semejanza en ventiladores centrífugos Realización de la práctica A continuación se detallan los pasos a seguir para completar las tablas del informe final y para dibujar las curvas características de funcionamiento del ventilador a partir de las medidas experimentales: 1. Comprobar que la válvula de mariposa esté completamente abierta, que el sensor de presión diferencial se encuentra a cero (en caso contrario ajustar con la ruleta de la parte superior) y poner en marcha el ventilador pulsando el botón RUN del variador de frecuencia, ajustando con el botón del potenciómetro una velocidad baja de flujo de aire. 2. Ajustar con el botón del potenciómetro un régimen de giro de 2600 rpm, utilizando el tacómetro óptico para medir la velocidad de giro del eje del motor eléctrico. Esta medida la tomaremos presionando el botón lateral del aparato y enfocando la luz que emite sobre una pegatina reflectante que se encuentra en el cuerpo del ventilador del motor (apoyar firmemente el tacómetro contra la carcasa del motor para obtener una lectura fiable). 3. Tomar lectura con el transductor de presión del salto de presiones p a través del ventilador (seleccionar el rango ±20 mbar) y medir la velocidad v máx del flujo en la tobera de aspiración con el sensor molinete. 4. Tomar lectura en el vatímetro de la potencia Ẇeje consumida por el motor eléctrico. 5. Cerrar un poco la válvula de mariposa para tomar un nuevo punto de funcionamiento y repetir todos los pasos anteriores desde el paso 3, ajustando en caso necesario el régimen de giro para que se mantenga en 2600 rpm. Tomar de esta forma un total de 6 puntos de funcionamiento para completar las medidas de la primera tabla del informe 6. Completar las medidas de la segunda y tercera tabla del informe procediendo de la misma forma, estableciendo ahora un régimen de giro constante de 2300 y 2000 rpm. 7. Realizar los cálculos de las dos primeras tablas. Para calcular el caudal Q de aire, supondremos que la velocidad media en la tobera de aspiración se calcula como v = 0,82v máx (perfil turbulento de velocidades). La potencia manométrica se define como Ẇ = ρgqh m y el rendimiento del ventilador η = Ẇ /Ẇeje. 8. Utilizando las relaciones de semejanza en turbomáquinas, completar los valores de Q, H m, Ẇ eje y Ẇ de la cuarta y quinta tabla (régimen 2300 y 2000 rpm) a partir de los puntos de funcionamiento de la primera tabla (régimen 2600 rpm). Calcular el rendimiento η con la ecuación del paso anterior.

40 40 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica 9. Trazar aproximadamente en los ejes correspondientes las curvas H m Q, Ẇ eje Q y η Q de cada una de las tablas (en total 3 gráficas y 15 curvas). Comparar las curvas experimentales a 2300 y 2000 rpm con las curvas teóricas obtenidas con las relaciones de semejanza y extraer conclusiones en cuanto a la validez del análisis dimensional. 3.6 Contenido del informe Deberá incluirse en el informe final la siguiente información: Curva de altura manométrica frente a caudal (H m vs Q). La gráfica incluirá cinco series para los valores experimentales de 2000, 2300 y 2600 rpm y para los teóricos de 2000 y 2300 rpm calculados a partir de los datos experimentales tomados a 2600 rpm. Curva de potencia consumida frente a caudal (Ẇeje vs Q). La gráfica incluirá las cinco series mencionadas anteriormente. Curva de rendimiento frente a caudal (η vs Q). La gráfica incluirá las cinco series mencionadas anteriormente. Se considera de interés, además de los puntos tratados en la primera parte de la práctica 3, las unidades de los sensores con los que se realizó la medida, la determinación del caudal y la necesidad de medida de velocidad de giro en cada punto de medida. 3.7 Material de consulta Viedma, A. y Zamora, B. Teoría y problemas de máquinas Hidráulicas. Véase Bloque I, Capítulos 2 y 3 (págs ) y Bloque IV, Capítulo 15 (págs ). Colección de apuntes de la asignatura. Véase Lección 4 (págs ).

41 Práctica 3. Curvas características y semejanza en ventiladores centrífugos Tablas de referencia Puntos experimentales de funcionamiento (2600 rpm) P (mbar) v máx (m/s) W eje (kw) Q (m 3 /h) W (kw)!" (-) Puntos experimentales de funcionamiento (2300 rpm) P (mbar) v máx (m/s) W eje (kw) Q (m 3 /h) W (kw)!" (-) Puntos experimentales de funcionamiento (2000 rpm) P (mbar) v máx (m/s) W eje (kw) Q (m 3 /h) W (kw)!" (-)

42 42 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Puntos teóricos de funcionamiento (2300 rpm) H m (m) W eje (kw) Q (m 3 /h) W (kw)! (-) Puntos teóricos de funcionamiento (2000 rpm) H m (m) W eje (kw) Q (m 3 /h) W (kw)! (-) Cuestiones " Tomar medidas (celdas sombreadas), calcular los valores del resto de celdas y dibujar las curvas características del ventilador (hoja de cálculo). " Comparar las curvas experimentales con las teóricas (2300 y 2000 rpm) y extraer conclusiones en cuanto a la validez del análisis dimensional y las relaciones de semejanza.

43 Práctica 4 Desmontaje de bombas centrífugas y predicción de sus características 4.1 Introducción teórica Una turbomáquina monocelular (o monoetapa) consta de un órgano fijo (estator) y un órgano móvil (rotor). La asociación de un estator y un rotor constituye una célula o etapa. El rotor consiste en una rueda provista de álabes (rodete) que gira con el eje de la máquina. El estator lo constituyen el distribuidor, el difusor y la voluta (o cámara espiral), si bien en algunas máquinas no existe alguno de estos tres elementos y, en ciertos casos (por ejemplo, en hélices marinas), ninguno de los tres. En una turbomáquina monocelular completa, el agua atraviesa sucesivamente el distribuidor, el rodete y el difusor. En bombas, la voluta se encuentra a la salida del difusor. En algunos casos es necesario disponer en una misma máquina varias células en serie, de forma que el fluido recorra sucesivamente cada una de ellas; este tipo de máquina se denomina turbomáquína multicelular. Distribuidor El distribuidor es un órgano fijo que tiene la función de conducir el fluido hasta la sección de entrada al rodete con una velocidad de magnitud y dirección adecuadas. En bombas monocelulares el distribuidor suele consistir en una tubería simple, que puede ser recta o acodada. Frecuentemente la tubería es de sección convergente con objeto de conseguir una distribución de velocidad más adecuada a la entrada del rodete. Aguas arriba del distribuidor se encuentra la tubería de aspiración. En bombas multicelulares el distribuidor, sólo existe en la primera célula o etapa. 43

44 44 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Rodete El rodete es el órgano esencial de una turbomáquina. Como ya se ha indicado, está provisto de unos álabes por medio de los cuales se produce el intercambio de energía con el fluido. Difusor En bombas, el difusor está a la salida del rodete y desempeña dos funciones: por una parte, debe guiar el flujo de agua que sale del rodete hacia la voluta de una forma hidráulicamente eficiente y sin que se produzca choque; además, sirve para transformar la energía cinética con que sale el agua del rodete en energía de presión. En muchos casos, puede no existir difusor en una bomba. Voluta En bombas, la voluta tiene como función recoger el agua que sale de la periferia del difusor, o del rodete, si aquél no existe, y conducirla hasta una sección de salida única, generalmente de forma circular, en la que se encuentra la brida que une la voluta a la tubería de impulsión. 4.2 Estudio particular de una bomba centrífuga La teoría unidimensional de bombas centrífugas asume que en la interacción entre el rodete y el fluido, el primero consigue guiar al flujo de manera perfecta (hipótesis unidimensional, rodete compuesto por infinitos álabes de espesor nulo) de manera que la velocidad relativa sigue en todo momento la dirección de los álabes. Esta teoría permite establecer una primera aproximación al comportamiento teórico de la turbomáquina hidráulica. Partiendo de la ecuación de Euler y utilizando relaciones trigonométricas en los triángulos de velocidades (se asume una bomba sin prerrotación a la entrada, v u1 ), se obtiene: gh u = u 2 v u2 = u 2 v 2 cos α 2 = u 2 (u 2 v m2 cot β 2 ) Expresando la velocidad meridiana en función del caudal que entra a la bomba y sabiendo que u 2 = ΩD 2 /2, la ecuación de Euler se puede escribir, v m2 = Q r S = Q η v π D 2 b 2 ψ 2 ( ) 2 ΩD2 Ω Q gh u = = A B Q 2 2 η v π b 2 ψ 2 tan β 2 Conocida como curva característica ideal de la bomba. Se puede comprobar que la relación existente entre la altura comunicada al fluido y el caudal es lineal. La

45 Práctica 4. Desmontaje de bombas centrífugas y predicción de sus características 45 pendiente de la recta puede ser positiva, nula o negativa en función del ángulo de salida de los álabes del rodete β 2, si bien normalmente suele adoptar un valor inferior a 90 o por motivos de estabilidad en la operación. La teoría unidimensional no permite explicar la transmisión de par entre rodete y fluido, por lo que la siguiente etapa consiste en cuantificar el efecto que tiene sobre el comportamiento de la bomba el hecho de que el flujo no se encuentre perfectamente guiado (desviación angular del flujo a la salida). gh un = u 2 v u 2 u 1 v u1 = u 2 (v u2 v u2 ) u 1 v u1 gh un = gh u u 2 v u2 donde v u2 = v u2 v u 2 que se puede calcular como un valor proporcional a u 2 : v u2 = χu 2 La desviación angular puede representarse por v u2 disminución de trabajo, o a partir del coeficiente de µ = gh u N gh u Existen diversas correcciones semiempíricas que pretenden resolver la desviación del flujo las más empleadas son las de Stodola y Pfleiderer. La corrección de Stodola, g H un = g H u u 2 2 ɛ π N sin β 2 donde ɛ es el factor de corrección de Stodola que se puede obtener en la Tabla 4.1 en función del número de álabes y el ángulo de salida de los álabes del rotor, β 2. A partir de las ecuaciones anteriores, se obtiene el valor del coeficiente de disminución de trabajo según Stodola: µ = 1 u 2 ɛ (π/n) sin β 2 u 2 v u2 = 1 ɛ π sin β 2 N v u2 Factor ɛ de la corrección de Stodola β 2 = 20 β 2 = 30 β 2 = 40 β 2 = 60 β 2 = 90 N= 4 a 8 1,10 0,90 0,75 0,60 0,55 N = 8 a 16 1,15 1,00 0,85 0,70 0,65 La corrección de Pfleiderer, Tabla 4.1: Factor ɛ para la corrección de Stodola.

46 46 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica donde Ψ gh un = gh u χu 2 2 = gh u 2Ψ 1 + = µ gh u [ ) ] r1 2 N 1 ( r2 Ψ = (0, 55 0, 65) + 0, 6 sin β 2 µ = 1 2Ψ 1 + [ N 1 ( r1 r2 ) 2 ] Las correcciones anteriores siguen prediciendo un comportamiento de la máquina en el que la altura varía de forma lineal con el caudal, paralela en el caso de la corrección de Stodola y con el mismo punto de corte con el eje de las x para la de Pfleiderer. La obtención de la curva real se obtiene considerando que los efectos de la viscosidad no son despreciables y que la máquina puede no trabajar en su punto nominal o de diseño. Las pérdidas por fricción entre el flujo y las paredes con las que entra en contacto, según la ecuación de Darcy, serán proporcionales al caudal circulante al cuadrado, H f = C 1 Q 2 Además, si la bomba funciona fuera de su punto de diseño, se producirán diversos tipos de pérdidas (estudiadas en teoría): Pérdidas por desprendimientos Pérdidas por choques y cambios bruscos del flujo Recuperación deficiente de energía cinética en voluta Pérdidas por flujos secundarios Estas pérdidas, conocidas como pérdidas por choque, serán proporcionales a la desviación de caudal respecto al de diseño (Q Q n ) al cuadrado. H ch = C 2 (Q Q n ) 2 siendo Q n el caudal de diseño o nominal (aquel para el cual las pérdidas por choque son nulas). Desde el punto de vista del diseño geométrico de la bomba, el punto de máximo rendimiento el flujo debe entrar sin choque en el rodete (dirección del flujo relativo a la entrada coincidente con el ángulo que forman los álabes en dicha sección, β 1 ) y debe salir con la misma dirección que forman los álabes en la entrada del difusor, es decir, la dirección que forma el flujo absoluto con los álabes en la entrada del difusor α 3 debe ser coincidente. Se puede comprobar que

47 Práctica 4. Desmontaje de bombas centrífugas y predicción de sus características 47 si el rodete cumple la relación geométrica mostrada en la siguiente ecuación, el flujo entra tangente (sin choque) al rodete y al difusor. tan β 1 = (b 2/b 1 )(D 2 2/D 2 1) cot α 3 cot β Objetivos de la práctica A través de esta práctica el alumno conocerá como se constituye mecánicamente una bomba centrífuga multietapa comercial. Para ello será necesario realizar el desmontaje de una bomba centrífuga para la identificación de los distintos elementos que la componen y la función que desempeña cada uno de ellos en el comportamiento global de la misma. Una vez identificados los componentes y funciones, la práctica se complementa con la aplicación de las ecuaciones de la sección teórica de este guión para llevar a cabo una tarea de análisis comparativo entre las prestaciones predichas por la teoría y el comportamiento real de la máquina. Los objetivos específicos de la práctica son los siguientes: Identificar cada uno de los elementos que componen una bomba centrífuga multietapa comercial y la función que desempeña cada uno de ellos en el comportamiento global de la misma. Realizar una análisis comparativo del comportamiento teórico predicho por las teorías unidimensional y bidimensional y el comportamiento real de la máquina. 4.4 Realización de la práctica A continuación se detallan los pasos a seguir para completar la práctica: 1. Realizar el desmontaje de una bomba centrífuga e identificar los distintos elementos que la componen. 2. Indicar la función que desempeña cada uno de ellos en el comportamiento global de la misma. 3. Tomar las medidas de las características geométricas de la máquina (rodete y difusor). 4. Obtener la curva característica ideal (unidimensional) de la bomba. Representar la curva en hoja de cálculo. 5. Obtener la curva característica ideal (bidimensional) de la bomba. Emplear para ello la corrección de Stodola. Representar la curva en hoja de cálculo.

48 48 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica 6. Obtener el punto de funcionamiento nominal de manera aproximada (usar para ello cualquiera de los ángulos geómetricos dispobibles, β 1 ó α 3 ). 7. Ajustar los coeficientes de las expresiones de las pérdidas por fricción y choque a partir de la curva motriz proporcionada por el fabricante, Figura Calcular la curva motriz de la bomba de manera teórica a través de las expresiones para las pérdidas por fricción y choque y los coeficientes calculados. 9. Calcular la curva de rendimiento hidráulico y de rendimiento global asumiendo unos rendimientos volumétrico y orgánico iguales a 0,98 y 1 respectivamente.

49 Práctica 4. Desmontaje de bombas centrífugas y predicción de sus características Contenido del informe Deberá incluirse en el informe final la siguiente información: Curvas teóricas unidimensional y bidimensional de altura frente a caudal (H u vs Q). Curvas de pérdidas por fricción y choque. Curvas de rendimiento hidráulico y total frente a caudal (η h y η vs Q). Curva de altura manométrica frente a caudal (H m vs Q) obtenida de forma teórica. Se considera de interés, la comparativa entre la curva proporcionada por el fabricante (Figura 4.1) y la calculada teóricamente. TYPE 1~ 3~ P2 P1 (kw) AMPERE 1~ 3~ 1x230 V 50 Hz 3x400 V 50 Hz Q (m 3 /h - l/min) JXM 125/5 JXM 105/4 Figura 4.1: Curva característica de la bomba empleada en la práctica. 0 0,6 1,2 2,4 3,6 4, H (m) (HP) (kw) 1~ 3~ JXM 105/4 JXM 105/4 T 1 0,74 1,07 1,1 5 1, , JXM 125/5 JXM 125/5 T 1,2 0,88 1,27 1,33 6,1 2, Material de consulta Viedma, A. y Zamora, B. Teoría y problemas de máquinas Hidráulicas. Véase Bloque II, Capítulos 4, 5 y 6 (págs ). Colección de apuntes de la asignatura. Véase Lección 6 (págs ). MULTIGIRANTI / MULTISTAGE / MULTICELLULARES / MULTICELLULAIRE Dimensioni imballo Package dimensions Dimensiones embalaje Dimensions d emballage DIMENSIONS (mm) TYPE A B C D E F H1 H2 DNA DNM I L M JXM 105/ G 1 G JXM 125/ G 1 G

50 50 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica

51 Práctica 5 Dimensionado de instalaciones de suministro de agua 5.1 Introducción teórica El Código Técnico de la Edificación (CTE) es el marco normativo que establece las exigencias que deben cumplir los edificios en relación con los requisitos básicos de seguridad y habitabilidad establecidos en la Ley 38/1999 de 5 de noviembre, de Ordenación de la Edificación (LOE). Las exigencias básicas de calidad que deben cumplir los edificios se refieren a materias de seguridad (seguridad estructural, seguridad contra incendios, seguridad de utilización) y habitabilidad (salubridad, protección frente al ruido y ahorro de energía). El CTE también se ocupa de la accesibilidad como consecuencia de la Ley 51/2003 de 2 de diciembre, de igualdad de oportunidades, no discriminación y accesibilidad universal de las personas con discapacidad, LIONDAU. El CTE pretende dar respuesta a la demanda de la sociedad en cuanto a la mejora de la calidad de la edificación a la vez que persigue mejorar la protección del usuario y fomentar el desarrollo sostenible. Se aplica a edificios de nueva construcción, así como a intervenciones en edificación existente, como pueden ser obras de ampliación, modificación, reforma o cambio de uso, teniendo siempre en cuenta la excepcionalidad de determinadas construcciones protegidas desde el punto de vista ambiental, histórico o artístico. Hasta la aprobación del CTE en 2006, la regulación de la edificación había sido de carácter prescriptivo, es decir, establecía los procedimientos aceptados o las guías técnicas que debían seguirse a la hora de construir un edificio. Este tipo de códigos suponen en la práctica una barrera técnica que obstaculiza la aplicación de innovaciones tecnológicas al proceso de edificación. El Código Técnico de la Edificación está dividido en dos partes. En la primera se detallan todas las exigencias en materia de seguridad y de habitabilidad que son preceptivas a la hora de construir un edificio, según la Ley de Ordenación de 51

52 52 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica la Edificación y la segunda se compone de los diferentes Documentos Básicos. La primera parte está subdividida a su vez en varias secciones referidas cada una de ellas a las distintas áreas que deben regularse. En el ámbito de la seguridad nos encontramos las disposiciones referidas a la seguridad estructural, la seguridad en caso de incendios y la seguridad de utilización. Mientras, en el área de habitabilidad están incluidos los requisitos relacionados con la salubridad, la protección frente al ruido y el ahorro de energía. La segunda parte se compone de los Documentos Básicos (DB), que son textos de carácter técnico que se encargan de trasladar al terreno práctico las exigencias detalladas en la primera parte del CTE. Cada uno de los documentos incluye los límites y la cuantificación de las exigencias básicas y una relación de procedimientos que permiten cumplir las exigencias. No obstante el proyectista o director de obra pueden, bajo su responsabilidad, optar por soluciones alternativas siempre que se justifique documentalmente que el edificio cumple las exigencias básicas del CTE porque sus prestaciones son al menos equivalentes a las que se obtendrían por la aplicación de los procedimientos especificados en los DB. Los Documentos Básicos son los siguientes: DB SE: Seguridad estructural. Constituye la base para cuya correcta aplicación son necesarios igualmente los siguientes cinco documentos: DB SE-AE: Acciones en la edificación DB SE-A: Estructuras de acero DB SE-F: Estructuras de fábrica DB SE-M: Estructuras de madera DB SE-C: Cimentaciones DB SI: Seguridad en caso de incendio DB SUA: Seguridad de utilización y accesibilidad DB HE: Ahorro de energía DB HR: Protección frente al ruido DB HS: Salubridad Este último Documento Básico (DB) tiene por objeto establecer reglas y procedimientos que permiten cumplir las exigencias básicas de salubridad. Su estructura se detalla a continuación:

53 Práctica 5. Dimensionado de instalaciones de suministro de agua 53 HS 1 Protección frente a la humedad HS 2 Recogida y evacuación de residuos HS 3 Calidad del aire interior HS 4 Suministro de agua HS 5 Evacuación de aguas El apartado HS 4 se aplica a la instalación de suministro de agua en los edificios incluidos en el ámbito de aplicación general del CTE. Las ampliaciones, modificaciones, reformas o rehabilitaciones de las instalaciones existentes se consideran incluidas cuando se amplía el número o la capacidad de los aparatos receptores existentes en la instalación. En sus apartados 2, 3, 4 y 5 se pueden encontrar la caracterización y cuantificación de las exigencias, procedimientos de diseño, procedimientos de dimensionado y procedimientos de ejecución de la instalación. 5.2 Descripción de la instalación La instalación tiene como objetivo cubrir las necesidades de abastecimiento de agua en una edificación que posee siete alturas y una planta baja. En la planta baja se encuentra la acometida a -2 m cuya presión vendrá dada por la red local de distribución de agua y oscilará entre 35 y 45 m.las características de cada una de las viviendas así como de los aparatos instalados en cada una de ellas y el esquema de la misma se muestran en la Figura 5.1 y las Tablas , respectivamente: Figura 5.1: Esquema de principio de la instalación de suministro de agua.

54 54 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Vivienda tipo A Lavabo Bañera (<1,4 m) Inodoro Bidé Tabla 5.1: Aparatos instalados en viviendas tipo A. Vivienda tipo B Lavabo Bañera (>1,4 m) Inodoro Bidé Lavavajillas Fregadero doméstico Tabla 5.2: Aparatos instalados en viviendas tipo B. Vivienda tipo C 2 Lavabo Bañera (>1,4 m) Inodoro Bidé Lavavajillas Fregadero doméstico Lavadora Ducha Tabla 5.3: Aparatos instalados en viviendas tipo C. Vivienda tipo C 2 Lavabo 2 Bañera (>1,4 m) Inodoro Bidé Lavavajillas Fregadero doméstico Lavadora Grifo Tabla 5.4: Aparatos instalados en viviendas tipo D.

55 Práctica 5. Dimensionado de instalaciones de suministro de agua Objetivos de la práctica A través de esta práctica el alumno conocerá los principales criterios así como el procedimiento de dimensionado de una instalación de abastecimiento de agua fría a un edificio de viviendas. Para ello deberá manejar la normativa vigente que rige este tipo de instalaciones. El principal objetivo de la práctica radica en realizar una propuesta de diseño de la red de abastecimiento de agua potable (fría) en un edificio de viviendas. La propuesta de diseño incluye la determinación de qué viviendas se alimentan directamente con presión de red y cuáles con grupo de presión, los diámetros de todas las conducciones (acometida, alimentación directa, grupo de presión, derivaciones individuales), selección del grupo de bombeo y cálculo de los depósitos auxiliar y de presión. 5.4 Criterios de diseño y realización de la práctica El diseño de la instalación se regirá básicamente por los criterios expuestos en los apartados 2, 3 y 4 del HS 4. La secuencia a seguir recomendada se detalla a continuación: Selección esquema Clasificación de viviendas alimentadas directamente o por grupo de presión Cálculo de caudales y coeficientes de simultaneidad Cálculo de presiones en la entrada a las viviendas Selección de grupo de presión Cálculo del depósito auxiliar (condensador hidráulico) y del depósito de presión La selección del esquema a adoptar se justificará a través del tipo de vivienda y del apartado 3 del DB HS 4. Para la determinación preliminar de qué viviendas se alimentan directamente y cuáles con grupo de presión puede usarse un prediseño con un criterio de pendiente hidráulica conocida (puede tomarse un valor de j = 0,03 m m 1 ) y asignando valores a los elementos que introduzcan una mayor pérdida localizada (batería de contadores y contadores). El cálculo de caudales se realizará de acuerdo a la tabla 2.1 del apartado 2 del DB HS 4 en función de las características de los aparatos instalados. La determinación de los coeficientes de simultaneidad entre aparatos k a se realizará mediante la siguiente expresión k a = 1 x 1 + 0, 035 a (1 + log(log(x)))

56 56 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica donde x es el número de aparatos y el coeficiente a puede tomarse igual a 2 para edificios de viviendas. El caudal punta asociado a cada vivienda se determinará como el producto del caudal instantáneo y el coeficiente de simultaneidad (Q P = k a Q INST ). Para la determinación del coeficiente de simultaneidad entre viviendas k v se empleará la siguiente expresión k v = 19 + N 10 (N + 1) donde N es el número de viviendas iguales. La selección de la vivienda de referencia se tomará como aquella que más se repita en el tramo considerado y la determinación del cálculo de viviendas equivalentes de cada tipo se hará a través de los caudales punta en cada una de ellas 1. La determinación del diámetro de cada tramo de conducción (acometida, tubo alimentación directa, grupo de presión y derivaciones individuales) se realizará a través del criterio de velocidad descrito en la sección 4.2 del apartado 4 del DB HS 4 y del criterio de pendiente hidráulica empleado en el prediseño inicial. Se considerará que el material empleado es cobre (ɛ = 0,15 mm) y que los diámetros nominales comerciales para tuberías de cobre a emplear en fontanería son los mostrados en la Tabla 5.5. DN ( ) DN (mm) D int (mm) 3/ ,6 1/ ,1 3/ , ,3 1 1/ / , ,1 2 1/ , , , , ,1 Tabla 5.5: Diámetros nominales de conducciones de cobre para uso en instalaciones de fontanería. Para el cálculo de las presiones en la entrada de cada una de las viviendas se empleará ecuación de conservación de la energía aplicada entre la acometida y el calentador de cada una de ellas. Se deberá verificar que la presión existente se encuentra en los límites descritos en la sección del apartado 2 del DB HS 4. 1 Por ejemplo, si el caudal punta de una vivienda tipo A es la mitad del caudal punta de una vivienda tipo B, esto quiere decir que dos viviendas tipo A equivaldrán a una vivienda tipo B y viceversa.

57 Práctica 5. Dimensionado de instalaciones de suministro de agua 57 El cálculo de pérdidas localizadas se podrá realizar con el criterio de la mayoración del 20 30% en tramo recto descrito en la sección del apartado 4 del DB HS 4 salvo por la batería de contadores y el contador de cada derivación individual (en caso de haber optado por este tipo de esquema). Para la batería de contadores puede tomarse como referencia una pérdida de carga localizada de 1 m mientras que para el contador deberá calcularse a partir de los datos proporcionados por fabricante (catálogo) que se muestran en la Tabla 5.6 y considerando una pérdida de carga de 1 bar (tómese 10 m) para caudal máximo. Téngase en cuenta que el modelo de pérdidas hidráulicas para un accesorio se puede escribir como una constante de proporcionalidad K que multiplica al caudal elevado al cuadrado. D nom D int Q nom (l h 1 ) Q máx (l h 1 ) 13/ Tabla 5.6: fontanería. Diámetros nominales de contadores para uso en instalaciones de La selección del grupo de presión se realizará a través de la Figura 5.2 para las condiciones calculadas de caudal y presión a suministrar. Figura 5.2: Curvas motrices grupos bombeo disponibles. Finalmente para el cálculo del condensador hidráulico y el calderín se emplearán los métodos de cálculo descritos en los apartados y del apartado 4 del DB HS 4.

58 58 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica 5.5 Contenido del informe Deberá incluirse en el informe final la siguiente información: Esquema seleccionado y determinación de viviendas alimentadas directamente y con grupo de presión. Cálculo caudales de diseño en cada conducción (incluyendo factor de simultaneidad). Cálculo de diámetros de cada conducción. Cálculo de presiones en la entrada de las viviendas y selección de contadores. Indicar en cuáles se deben adoptar medidas adicionales para protección contra sobrepresiones. Selección grupo de presión. Cálculo de depósito auxiliar y de presión 5.6 Material de consulta Documento Básico Salubridad HS 4 (Código Técnico de la Edificación). Véase apartados 2, 3 y 4 (págs ). Colección de apuntes de la asignatura. Véase Lección 2 (págs ).

59 Práctica 6 Dimensionado de redes de evacuación de aguas 6.1 Introducción teórica El Código Técnico de la Edificación (CTE) es el marco normativo que establece las exigencias que deben cumplir los edificios en relación con los requisitos básicos de seguridad y habitabilidad establecidos en la Ley 38/1999 de 5 de noviembre, de Ordenación de la Edificación (LOE). Las exigencias básicas de calidad que deben cumplir los edificios se refieren a materias de seguridad (seguridad estructural, seguridad contra incendios, seguridad de utilización) y habitabilidad (salubridad, protección frente al ruido y ahorro de energía). El CTE también se ocupa de la accesibilidad como consecuencia de la Ley 51/2003 de 2 de diciembre, de igualdad de oportunidades, no discriminación y accesibilidad universal de las personas con discapacidad, LIONDAU. El CTE pretende dar respuesta a la demanda de la sociedad en cuanto a la mejora de la calidad de la edificación a la vez que persigue mejorar la protección del usuario y fomentar el desarrollo sostenible. Se aplica a edificios de nueva construcción, así como a intervenciones en edificación existente, como pueden ser obras de ampliación, modificación, reforma o cambio de uso, teniendo siempre en cuenta la excepcionalidad de determinadas construcciones protegidas desde el punto de vista ambiental, histórico o artístico. Hasta la aprobación del CTE en 2006, la regulación de la edificación había sido de carácter prescriptivo, es decir, establecía los procedimientos aceptados o las guías técnicas que debían seguirse a la hora de construir un edificio. Este tipo de códigos suponen en la práctica una barrera técnica que obstaculiza la aplicación de innovaciones tecnológicas al proceso de edificación. El Código Técnico de la Edificación está dividido en dos partes. En la primera se detallan todas las exigencias en materia de seguridad y de habitabilidad que son preceptivas a la hora de construir un edificio, según la Ley de Ordenación de 59

60 60 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica la Edificación y la segunda se compone de los diferentes Documentos Básicos. La primera parte está subdividida a su vez en varias secciones referidas cada una de ellas a las distintas áreas que deben regularse. En el ámbito de la seguridad nos encontramos las disposiciones referidas a la seguridad estructural, la seguridad en caso de incendios y la seguridad de utilización. Mientras, en el área de habitabilidad están incluidos los requisitos relacionados con la salubridad, la protección frente al ruido y el ahorro de energía. La segunda parte se compone de los Documentos Básicos (DB), que son textos de carácter técnico que se encargan de trasladar al terreno práctico las exigencias detalladas en la primera parte del CTE. Cada uno de los documentos incluye los límites y la cuantificación de las exigencias básicas y una relación de procedimientos que permiten cumplir las exigencias. No obstante el proyectista o director de obra pueden, bajo su responsabilidad, optar por soluciones alternativas siempre que se justifique documentalmente que el edificio cumple las exigencias básicas del CTE porque sus prestaciones son al menos equivalentes a las que se obtendrían por la aplicación de los procedimientos especificados en los DB. Los Documentos Básicos son los siguientes: DB SE: Seguridad estructural. Constituye la base para cuya correcta aplicación son necesarios igualmente los siguientes cinco documentos: DB SE-AE: Acciones en la edificación DB SE-A: Estructuras de acero DB SE-F: Estructuras de fábrica DB SE-M: Estructuras de madera DB SE-C: Cimentaciones DB SI: Seguridad en caso de incendio DB SUA: Seguridad de utilización y accesibilidad DB HE: Ahorro de energía DB HR: Protección frente al ruido DB HS: Salubridad Este último Documento Básico (DB) tiene por objeto establecer reglas y procedimientos que permiten cumplir las exigencias básicas de salubridad. Su estructura se detalla a continuación:

61 Práctica 6. Dimensionado de redes de evacuación de aguas 61 HS 1 Protección frente a la humedad HS 2 Recogida y evacuación de residuos HS 3 Calidad del aire interior HS 4 Suministro de agua HS 5 Evacuación de aguas El apartado HS 5 se aplica a la instalación de evacuación de aguas residuales y pluviales en los edificios incluidos en el ámbito de aplicación general del CTE. Las ampliaciones, modificaciones, reformas o rehabilitaciones de las instalaciones existentes se consideran incluidas cuando se amplía el número o la capacidad de los aparatos receptores existentes en la instalación. En sus apartados 2, 3, 4 y 5 se pueden encontrar la caracterización y cuantificación de las exigencias, procedimientos de diseño, procedimientos de dimensionado y procedimientos de ejecución de la instalación. 6.2 Descripción de la instalación La instalación de evacuación de aguas considerada (pequeña evacuación, bajantes, colectores y arquetas), Figura 6.1, posee diez alturas y una planta baja. En la planta baja se dispone de una zona común con un cuarto de limpieza (vertedero) así como dos cuartos de aseo con inodoro, lavabo y ducha en un local comercial. En el resto de plantas se dispone de una única vivienda por planta con los siguientes cuartos húmedos: Cocina (2 fregadero, lavadora, lavavajillas) Cuarto de aseo (lavabo, inodoro y ducha) Cuarto de baño (lavabo, inodoro, bañera y bidé) La vivienda se encuentra situada en la localidad de Valencia, tiene una superficie en cubierta de 160 m 2 y su esquema simplificado se muestran en la Figura Objetivos de la práctica A través de esta práctica el alumno conocerá los principales criterios así como el procedimiento de dimensionado de una instalación de evacuación de aguas (pluviales y residuales) de un edificio de viviendas. Para ello deberá manejar la normativa vigente que rige este tipo de instalaciones. El principal objetivo de la práctica radica en realizar una propuesta de diseño de la red de evacuación de un

62 62 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica Figura 6.1: Esquema de principio de la instalación de evacuación de agua. edificio de viviendas empleando dos métodos distintos. El primer método tendrá en cuenta la normativa vigente y el segundo método se realizará a través de la aplicación de las ecuaciones características de las conducciones en lámina libre. La propuesta de diseño incluye la determinación de los diámetros de todas las conducciones que componen la instalación entre las que se encuentran las redes de pequeña evacuación, bajantes, colectores y tuberías de ventilación.

63 Práctica 6. Dimensionado de redes de evacuación de aguas Criterios de diseño y realización de la práctica El diseño de la instalación se regirá básicamente por los criterios expuestos en los apartados 2, 3 y 4 del HS 5. La secuencia a seguir recomendada 1 se detalla a continuación: Selección diámetros de las derivaciones individuales Selección de diámetros para las redes de pequeña evacuación Selección de diámetros para las bajantes Selección de diámetros para los colectores Selección de diámetros para las redes de ventilación La selección de los diámetros de las conducciones de la instalación atendiendo al primer método de diseño se realizará siguiendo el apartado 4 del DB HS 5. Se considerará una pendiente de cálculo del 3% en todas las conducciones horizontales. La tubería a utilizar en la instalación será de PVC. Los diámetros comerciales más habituales (UNE-EN :1999) se muestran a continuación: Código B: Para componentes utilizados por encima del suelo en el interior de los edificios o para componentes en el exterior de los edificios fijados a la pared. DN (mm) e mín (mm) ,2 3,2 3,2 3,9 D int (mm) ,6 118,6 153,6 192,2 Tabla 6.1: Diámetros comerciales de conducciones de PVC para uso en instalaciones de evacuación código B. Código BD: Para componentes utilizados en el interior de los edificios y también para componentes enterrados en el interior de la estructura de los edificios. DN (mm) e mín (mm) 3 3 3,2 3,2 4 4,9 6,2 7,7 D int (mm) ,6 118, ,2 237,6 299,6 Tabla 6.2: Diámetros comerciales de conducciones de PVC para uso en instalaciones de evacuación código BD. 1 La secuencia de cálculo será idéntica en los dos métodos de dimensionado seguidos.

64 64 Sistemas Fluidomecánicos 17th International Congress on Project 3 Management curso Grado and enengineering Ingeniería Mecánica Logroño, 17-19th July 2013 Los criterios de cálculo para el segundo método de diseño (aplicación de las ecuaciones características de régimen en lámina libre) se resumen a continuación: Los diámetros Se empleará propuestos la ecuación por de Manning la ecuación (coeficiente empírica para (2) el se PVC basan n = 0,01) en las para aportaciones las de Hunter conducciones (1924), Dawson horizontales y Kalinske y la de (1937) Dawson-Hunter y Babbitt (1935), para las correspondiente verticales. al flujo vertical, estableciendo que la corona del agua en la bajante, figura 1, debe ocupar entre un 25 y un 33% de su sección transversal, es decir Q = A r entre 0,25 y 0,33, limitación que J.A. Swaffield propone de forma más restrictiva en una cuantía n r(2/3) h menor s a 15/ Q = 3, r 1/3 4 D3 8/3 3 Q 3,15 10 r D (2) donde r es la sección en forma de corona circular que ocupa el agua en la bajante (Figura 6.2) y D es el diámetro en milímetros. Figura 1.- Vertido en una bajante, relación entre la sección anular y transversal de la bajante. P atmosférica tubo dy o dv Dm x d x aire 1 x Dm d x agua 2 D Teniendo en cuenta que el diámetro de la columna de aire d es la de la tubería D menos 2 veces Figura el espesor 6.2: Vertido x en de unala bajante, lámina relación de agua entre adherida la seccióna anular pared y transversal de la bajante. Las limitaciones de la bajante. de x pueden expresarse según distintos autores como: - Hunter Se considerará (1924), la Babbitt existencia (1935) dey simultaneidad Dawson y Kalinske entre aparatos (1937): y entre r viviendas 1/4 x D/14,92 de la misma manera que el la Práctica 5 (fontanería). En este caso los r 1/3 caudales x D/10,89 - J.A. instantáneos Swaffield de(1991): evacuación en cada aparato pueden tomarse de la Tabla r 15/ x D/16 En la Los figura tramos 2 se horizontales muestra la (redes correlación de pequeña entre evacuación el parámetro y colectores) r que representa diseñarán la relación entre de la sección acuerdo anular a lo quede indica fluido lacon sección respecto 4 del a DBla HS sección 5. Esto total es de quela sebajante dimensionan para resultantes funcionarde a media la aplicación de sección del (h/d CTE en = comparación 0,5), hasta uncon máximo las limitaciones. de tres y el diámetro de la misma cuartos de sección, bajo condiciones de flujo uniforme. El diámetro comercial se Figura seleccionará 2: Correlación como el entre inmediatamente diámetro de superior bajante y al r, diámetro para i=100 teórico mm/h obtenido y PVC-U en el UNE cálculo y se verificará que la velocidad en la conducción garantiza la condición de 0,44 autolimpieza (esto es mayor que 0,6 m s 1 ). Se recomienda emplear las curvas 0,42 CTE de llenado para secciones circulares disponibles en la Lección 3 (página 94). r 0,40 0,38 0,36 0,34 r (máximo) =1/3 Hunter (1924), Babbitt (1935), Dawson y Kalinske (1937) 0,32 0,30 r (recomendado) =0,29 Hunter (1924), Babbitt (1935), Dawsony Kalinske (1937) 0,28 0,26 r (mínimo) =1/4 Hunter (1924), Babbitt (1935), Dawson y Kalinske (1937) 0,24 r = 15/64 J.A. Swaffield (1991) 0,22 0,

65 Práctica 6. Dimensionado de redes de evacuación de aguas 65 Aparato Q INST (l s 1 ) Fregadero 0,75 Lavadora 1 Lavavajillas 0,75 Lavabo 0,75 Inodoro 1,5 Ducha 0,5 Bañera 1,5 Bidé 0,5 Vertedero 1,5 Tabla 6.3: sanitarios. Caudales instantáneos de evacuación para los distintos aparatos Los tramos verticales (bajantes) se diseñarán de acuerdo a lo que indica la sección 4 del DB HS 5. Esto es que se dimensionan para un caudal tal que la superficie ocupada por el agua (r) no sea mayor que 1/3 de la sección transversal de la tubería. En el caso de las bajantes de residuales el cálculo del caudal se realizará con los pertinentes coeficientes de simultaneidad. para el caso de las bajantes de pluviales se empleará el método racional Q = C I A donde Q es el caudal, C el coeficiente de escorrentías, I la intesidad pluviométrica y A el área en proyección horizontal. Toménse unos valores de C = 1 e I = 133,3 mm h 1. Finalmente las redes de ventilación secundaria se dimensionarán de acuerdo los siguientes criterios: Máxima pérdida de presión 250 Pa (21,237 m de columna de aire) Grado de llenado r = 1/3 Velocidad de bajada del agua igual a la de subida del aire 2 λ = 0,025 2 Conjuntamente con la condición anterior esto implica que el caudal de aire será el doble que el caudal de agua circulante.

66 66 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica 6.5 Contenido del informe Deberá incluirse en el informe final la siguiente información: Cálculo de los diámetros de las conducciones (derivaciones individuales, redes de pequeña evacuación, bajantes, colectores y subsistemas de ventilación) y arquetas a través del procedimiento descrito en DB HS 5. Cálculo de los diámetros de las conducciones (derivaciones individuales, redes de pequeña evacuación, bajantes, colectores y subsistemas de ventilación) a través del procedimiento de aplicación de las ecuaciones de la hidráulica. 6.6 Material de consulta Documento Básico Salubridad HS 5 (Código Técnico de la Edificación). Véase apartados 2, 3 y 4 (págs ). Colección de apuntes de la asignatura. Véase Lección 3 (págs ).

67 Informe de prácticas Antecedentes En este apartado se describen los contenidos mínimos, formato y plazo y forma de entrega del informe de prácticas requerido para superar la parte práctica de la asignatura en aquell@s alumn@s comprometidos con la opción de evaluación denominada OPCIÓN 1 en la guía docente de la asignatura. En esta opción, la calificación final de la asignatura se obtendrá promediando la nota del examen final y la nota del informe en unos porcentajes 80% 20%. Evaluación del informe La calificación de la parte práctica se realizará fundamentalmente de acuerdo al contenido del informe presentado. Por tanto será necesario ajustarse a los contenidos mínimos y formato establecidos en los apartados correspondientes. Se presentará un único informe por grupo de 3 alumn@s (incluidas las prácticas de informática) cuya valoración será la misma para todos los integrantes. En el caso de aquellos grupos con un tamaño mayor, deberán presentarse dos informes independientemente de que los datos de partida sean idénticos. Por otro lado, aquellos alumn@s que hayan realizado alguna sesión con un grupo distinto al habitual deberán presentar el informe con su grupo de origen. También se valorará el comportamiento y predisposición del alumn@ durante las sesiones de laboratorio. Plazo y forma de entrega El informe se entregará como máximo el día 27 de enero de 2016 a las 16 horas (fecha y hora de realización del examen escrito). La entrega se realizará en formato electrónico mediante la habilitación de una tarea en la web de la asignatura. Los grupos que no entreguen el informe en el plazo establecido perderán el derecho al 20% de prácticas evaluadas mediante el informe, siendo necesaria la realización de un examen de prácticas para cubrir este porcentaje. 67

68 68 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica El criterio de evaluación seleccionado se mantendrá vigente para todas las convocatorias del curso académico (febrero, septiembre y diciembre). Contenidos mínimos informe prácticas Será imprescindible entregar al menos un documento con la memoria de las prácticas en formato.pdf (informe) y una hoja de cálculo en formato Excel.xls o.xlsx. Todos los archivos de las prácticas irán comprimidos en un único archivo en formato.rar. El apartado de Contenido del informe presente en los guiones de cada una de las prácticas indica claramente cuál es la información que se debe incluir en la memoria de prácticas. No es necesario añadir cualquier tipo de información que se encuentre detallada en los guiones como antecedentes de cada práctica, descripción de equipos, objetivos o metodología a seguir. Simplemente se requieren los valores medidos experimentalmente, calculados y la discusión de resultados que se indique en cada práctica. Por su parte la hoja de cálculo incluirá los datos experimentales así como los cálculos realizados y gráficos obtenidos. Se entregará un único archivo Excel por lo que los resultados de cada práctica se registrarán en hojas (libros) separadas nombradas de acuerdo a la práctica. Las gráficas también se incluirán en hojas (libros) separadas y no se insertarán sobre la misma hoja de datos. Éstas irán rotuladas según el número de práctica y los resultados que representan así como con sus correspondientes leyendas y ajustes en caso necesario. Debido a que el archivo resultará en numerosas hojas (libros), éstas se ordenarán según la práctica. Se valorará muy positivamente la funcionalidad de la hoja Excel (programación automatizada). A continuación se muestran algunos ejemplos para el formato de presentación de resultados. La Figura 6.3 muestra la gráfica correspondiente a la práctica 2 y el acoplamiento serie. Se puede observar como los ejes tienen su correspondiente rótulo con la variable presentada así como las dimensiones de la misma. Las series presentadas se corresponden con las 4 indicadas con los ajustes adicionales para las curvas de las bombas. Finalmente el título hace clara referencia al conjunto de datos representados dentro de la práctica concreta. Por su parte la Figura 6.4 hace referencia a la organización de los diferentes libros u hojas dentro del archivo. En el ejemplo se presentan los datos relativos a la primera parte de la Práctica 1. La Figura 6.4 (a) muestra la hoja dedicada al almacenamiento de datos y las transformaciones necesarias hasta obtener las variables que se desean (en este caso la transformación de presiones a altura manométrica y cálculo de rendimiento a través de esta última, caudal y potencia consumida). Las mismas transformaciones se realizan para la frecuencia de 45 Hz y por último se atisba el cálculo de los valores teóricos. Por su parte, en la Figura 6.4 (b) se observa la organización de las gráficas pertinentes a la parte de

69 Práctica 6. Dimensionado de redes de evacuación de aguas Acoplamiento serie f = 45 Hz Ajuste f = 45 Hz f = 50 Hz Ajuste f = 50 Hz Acoplamiento 2x45 Hz Acoplamiento Hz H m (m) Q (l min 1 ) Figura 6.3: Ejemplo de figura. la práctica en diferentes hojas. Concretamente se aprecia como en el rótulo de las pestañas inferiores todas hacen referencia a la Práctica 1 y las gráficas además se añade las variables que representan.

70 70 Sistemas Fluidomecánicos 3 curso Grado en Ingeniería Mecánica (a) (b) Figura 6.4: Ejemplo de organización de hoja de cálculo.