Glosario de Prácticas Tecnología de la

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1 Universidad Politécnica de Valencia Universidad Politécnica de Cartagena Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica y del Escuela Técnica Superior Medio de Rural Ingeniería Agronómica Glosario de Prácticas Tecnología de la Producc Tecnología ción Hortofrutíc Hidráulica cola Valencia 2015 Cartagena 2015 Jorge Cerezo Martínez, Silvia Mañogil Gómez & Eloy Rodríguez Jiménez ecnica-de-valencia/ 1 Jorge Cerezo Martínez

2 Tabla 1. Medidas caracterización de la bomba... 4 Tabla 2. Medidas caracterización curva de rendimientos... 6 Tabla 3. Caudales de la BVV... 8 Tabla 4. Comprobación del parámetro α... 9 Tabla 5. Error experimental para el cálculo de α... 9 Tabla 6. Velocidades de giro de la BVV Tabla 7. Medidas y parámetros calculados del ensayo Tabla 8. Depósito volumétrico calibrado Tabla 9. Contador Tabla 10. Caudalímetro Tabla 11. Placa orificio Tabla 12. Vertedero Tabla 13. Molinete Tabla 14. Caudal Tabla 15. Error Gráfico 1. Curva motriz de la bomba (función polinómica)... 5 Gráfico 2. Curva motriz de la bomba (función lineal)... 5 Gráfico 3. Curva de rendimientos... 6 Gráfico 4. Curva de potencias de la bomba... 7 Gráfico 5. Diagrama hs - v Gráfico 6. Diagrama hs - Q Gráfico 7. Diagrama Q - hv Ilustración 1. Esquema del montaje de la válvula Ilustración 2. Montaje de la válvula en el laboratorio Jorge Cerezo Martínez

3 Práctica Jorge Cerezo Martínez

4 1. Objetivos de la práctica Se pretende caracterizar las bombas a ensayar. Para ello, es medido el caudal y la presión a la entrada y a la salida de la bomba. Así mismo, se medirán los valores de la intensidad, tensión y factor de potencia para obtener la ecuación del rendimiento. Obtenidas las ecuaciones características de las bomba, se procede a calcular los caudales de ambas bombas una vez reguladas como una asociación de bombas trabajando una a velocidad variable (BVV) y otra a velocidad fija (BVF) de forma que se garanticen los caudales demandados por el sistema manteniendo siempre la presión de consigna establecida. En la BVV se calculará su velocidad de giro para cada uno de los caudales demandados. 2. Curva motriz de la bomba Para la obtención de las curvas características de la bomba, se han realizado varias medidas a distintos caudales siempre manteniendo la velocidad de giro del motor constante al 100 % de su capacidad. El caudal se ha medido con un caudalímetro mientras que respecto a la altura manométrica de la bomba se ha calculado como la diferencia entre la presión a la salida y a la entrada de la bomba. Los datos medidos se muestran en la Tabla 1. Tabla 1. Medidas caracterización de la bomba Ql s P kpa P bar P mca P mca Hmmca Q Con estos dos datos, se puede calcular de forma aproximada la curva motriz como ecuación polinómica de segundo grado como la siguiente expresión: = 4 Jorge Cerezo Martínez

5 Es por ello, que para su cálculo se ha representado en la Gráfica 1 la altura manométrica respecto al caudal elevado al cuadrado obteniéndose a través de la línea de tendencia la curva motriz. Gráfico 1. Curva motriz de la bomba (función polinómica) y = -1,3051x + 53,232 R² = 0, Siendo x = Q 2 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 Los valores obtenidos de las constantes C y D se utilizarán posteriormente en el ensayo de la asociación de bombas para poder calcular el parámetro α. Aunque la curva motriz de una bomba suele expresarse de la forma anterior como función polinómica de segundo grado, también se puede expresar como una función lineal de la altura manométrica en función del caudal como se muestra en la Gráfica Gráfico 2. Curva motriz de la bomba (función lineal) H (mca) y = -0,5217x 2-3,1712x + 54,909 R² = 0, ,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 Q (l/s) Siendo x = Q 5 Jorge Cerezo Martínez

6 3. Curva de rendimientos De la misma forma que en el apartado anterior, al caracterizar la bomba es conveniente también sacar la curva de rendimientos a través de los datos anteriores y la incorporación de nuevos. Por ello, en la práctica se ha medido la intensidad, tensión y factor de potencia en cada punto. Las medidas realizadas en la práctica se muestran en la Tabla 2. Tabla 2. Medidas caracterización curva de rendimientos Ql s cos! " ú!$% Rendimiento El rendimiento se expresa como el cociente entre la potencia útil y la potencia eléctrica del motor quedando la expresión final de cálculo de la siguiente forma: &'()*+*'(,- %= 9, Ø 100 Para expresar correctamente la ecuación de rendimientos, la función resultante de las mediciones se debe aproximar a una ecuación de forma polinómica de segundo grado o como una ecuación lineal. En la Gráfica 3 se muestra la función resultante del rendimiento de la bomba al 100% Gráfico 3. Curva de rendimientos Rendimiento (%) Rendimiento (%) y = -3,5258x ,511x + 0, ,5 1 1,5 2 2,5 3 3, Jorge Cerezo Martínez

7 4. Curva de potencias de la bomba Por último, previo al siguiente ensayo, se muestra en la Gráfica 4 la curva de potencia del motor en función de la altura manométrica dada. Gráfico 4. Curva de potencias de la bomba P motor (W) Potencia del motor (W) Caudales de la asociación de bombas y = -1,2641x ,937x , Altura manométrica (mca) En la segunda parte de la práctica, conocidas las características de las bombas, se han conectado las dos bombas, una con variador de frecuencia de forma que actúe a velocidad variable y una segunda a velocidad fija. Con esta asociación de bombas se pretende suministrar el caudal demandado por el sistema según la apertura de las válvulas manteniendo en todo momento la presión de consigna establecida en 4,6 bares. En un principio, a poco caudal, se conectará solo la primera bomba adaptándose la velocidad de giro de la bomba para que no disminuya la presión de forma que al aumentar el caudal en el sistema, la velocidad de la bomba aumentará automáticamente hasta llegar al 100% de su capacidad. Al sobrepasar ese punto, se activará la segunda bomba a velocidad fija de forma que se pueda suministrar más caudal reduciéndose la velocidad de giro la primera para adaptarse a la presión de consigna. De esta forma se puede soportar hasta el doble de caudal que con una sola forma siempre manteniendo la misma presión. En el ensayo realizado en la práctica, se ha medido la presión a la entrada y salida de la bomba y el valor del parámetro α para distintos caudales (aumentando poco a poco el caudal demandado). Así mismo, en todo momento se ha apuntado el número de bombas que actúan para cada caudal así como el número de válvulas abiertas. 7 Jorge Cerezo Martínez

8 Una vez tomados estos valores se pretende calcular el caudal que está elevando la bomba a velocidad variable puesto que el dato obtenido en el ensayo es el total entre las dos bombas. En el momento en que sólo actúa una bomba (BVV), el caudal total coincidirá con el caudal de dicha bomba por lo que no habrá ningún problema en su cálculo. No obstante, cuando están las dos bombas abiertas, se podrá calcular dicho caudal como la diferencia entre el caudal total medido y el caudal de la bomba a velocidad fija. Este último caudal se ha podido calcular a través del punto 2 puesto que en ese momento sólo actuaba una única bomba al 100% de su capacidad, es decir, actuando como la bomba a velocidad fija por lo que ese dato se puede extrapolar con un error experimental bajo. Tras estas consideraciones de cálculo, los caudales de la bomba a velocidad variable obtenidos para los distintos puntos se pueden observar en la Tabla 3. Tabla 3. Caudales de la BVV Puntos de regulación Bombas funcionando Id. Válvulas abiertas Q demandado (l/s) BVV α (%) Q BVV (l/s) 1 Sola EV Sola EV 2 + EV Asociación BVV + BVF EV 2 + EV 3 + EV Asociación BVV + BVF EV 2 + EV 3 + EV 4 + EV Comprobación de α El parámetro α se define como el cociente entre la velocidad de giro variable y la velocidad nominal de la bomba expresada como porcentaje. Este parámetro se ha medido en la bomba que ha estado actuando a velocidad variable para cada uno de los puntos. No obstante, en este último apartado de la práctica se pretende comprobar que el error experimental cometido está dentro de lo aceptable. Esta comprobación se realizará a través de la ecuación de la curva motriz de la bomba que en el caso de actuar a velocidad variable se expresa de la siguiente forma: =; Despejando el valor de α para cada uno de los puntos, se podrá realizar la comprobación objetivo de la práctica. Los valores de Q y H son valores conocidos al ser medidos en el ensayo mientras que los valores de las constantes C y D se han calculado 8 Jorge Cerezo Martínez

9 en el primer apartado a la hora de caracterizar la bomba. En la Tabla 4 se muestran los distintos resultados obtenidos. Tabla 4. Comprobación del parámetro α Puntos de regulación Bombas funcionando Id. Válvulas abiertas Q demandado (l/s) Hm (mca) Q BVV (l/s) 1 Sola EV Sola EV 2 + EV Asociación BVV + BVF EV 2 + EV 3 + EV Asociación BVV + BVF EV 2 + EV 3 + EV 4 + EV Obtenidos los valores de α, se puede concluir que todos los resultados son óptimos siendo el error experimental cometido muy bajo al estar en todos los puntos su valor muy cercano al valor medido en el ensayo. En la Tabla 5 se muestran los valores de α (medidos y calculados) donde se pueden observar que las diferencias no son estadísticamente significativas (error menor al 5%). Tabla 5. Error experimental para el cálculo de α α BVV medido (%) α BVV calculado (%) Error (%) Cálculo de la velocidad de giro de las bombas Por último, para el cálculo de la velocidad de giro a la cual gira la bomba a velocidad variable, una vez conocido el valor del parámetro α, simplemente bastará con multiplicar dicho valor para cada punto con el valor de la velocidad de giro nominal de la bomba establecido en rpm. Este cálculo se puede realizar utilizando los α medidos o con los calculados no existiendo diferencias significativas entre los valores obtenidos. Los valores obtenidos se muestran en la Tabla 6, siendo, en todo caso, aproximados debido a los errores instrumentales y experimentales cometidos. 9 Jorge Cerezo Martínez

10 Tabla 6. Velocidades de giro de la BVV Punto de regulación Bombas funcionando Id. Válvulas abiertas Velocidad de giro BVV (rpm) 1 SOLA EV SOLA EV2+EV ASOCIACIÓN BVV+BVF EV2+EV3+EV ASOCIACIÓN BVV+BVF EV2+EV3+EV4+EV En cuanto a la segunda bomba, al estar programada como bomba a velocidad fija, en todo caso el parámetro α tendrá un valor del 100% por lo que su velocidad de giro será constante e igual a la velocidad de giro nominal, es decir, rpm Jorge Cerezo Martínez

11 Práctica 2 Práctica Jorge Cerezo Martínez

12 1. Objetivos y metodología Esta práctica tiene como objetivo la familiarización con los dos tipos de válvulas a través del aprendizaje tanto de su funcionamiento como de sus partes así como la caracterización a través de un ensayo en laboratorio de los distintos coeficientes que definen cualquier válvula. Para el cálculo de los distintos coeficientes es necesario tomar distintos valores de caudal y de pérdidas de carga. Concretamente, se han tomado diez puntos aumentando el caudal demandado de forma que con dos manómetros se ha calculo tanto la presión aguas arriba como aguas abajo pudiendo calcular las pérdidas de carga como la diferencia de ambos valores en cada punto. Como información, es necesario saber que se ha utilizado una tubería DN 100 de forma que conociendo este diámetro y el caudal, se puede calcular fácilmente el valor de la velocidad, parámetro necesario también en el cálculo de los coeficientes de la válvula. En la Tabla 7 se muestran los distintos valores citados para el presente ensayo. P aguas arriba Tabla 7. Medidas y parámetros calculados del ensayo P aguas abajo (mca) Q (m 2 /s) Pérdida de carga (m) v (m/s) Pérdidas de carga (bar) Cálculo del coeficiente k (ϴ) Para la apertura de la válvula establecida, se pueden expresar las pérdidas de carga singulares de la válvula en función de la velocidad del agua en movimiento por la misma expresándose como una función potencial de segundo orden como la que se muestra a continuación: 12 Jorge Cerezo Martínez

13 h = 2 B Al representar la curva hs v con los valores obtenidos en el presente ensayo aproximándola a una función potencial, se podrá obtener una expresión como la siguiente debiendo ser el valor de n muy cercano a dos. h = C De esta forma, hallado el valor de la constante A, se puede calcular el valor del coeficiente k (ϴ) como el producto de la constante anterior por dos veces el valor de la gravedad como se puede comprobar al igualar ambas expresiones. En la Gráfica 1 se muestra la curva calculada con la expresión obtenida. hs (mca) 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Gráfico 5. Diagrama hs - v y = 18,687x 2,2893 R² = 0,9988 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 v (m/s) Sabiendo que el valor de la constante A es de 21, el valor del coeficiente k (ϴ) será el siguiente: >?= 2B=373, Jorge Cerezo Martínez

14 Este valor es adimensional y se puede dar como válida la regresión al ser el orden de la expresión hallada muy cercana a dos como indica la bibliografía. 3. Cálculo del coeficiente de pérdidas en función del caudal, K (ϴ) Este coeficiente se puede calcular a través de la función potencial de segundo orden que relaciona las pérdidas de carga localizadas de la válvula en función de caudal. La expresión resulta de la siguiente forma: h = =F? En este caso, realizando una curva hs Q potencial con los puntos medidos en el ensayo de laboratorio, se podrá calcular directamente dicho coeficiente. En la Gráfica 6 se muestra dicho diagrama siendo las unidades del caudal en m 3 /s 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Gráfico 6. Diagrama hs - Q y = 39289x 2,2893 R² = 0,9988 0,013 0,015 0,017 0,019 0,021 0,023 0,025 0,027 Comprobando el orden obtenido, se puede dar por bueno el ensayo siendo, por lo tanto, el valor del coeficiente de pérdidas en función del caudal, K (ϴ) de mca/(m 3 /s) Jorge Cerezo Martínez

15 4. Cálculo del coeficiente de caudal, Kv Por último, también se puede expresar el caudal circulante en función de las pérdidas de carga singulares de la válvula. A través de dicha función, mostrada a continuación, se puede calcular este coeficiente. =F@ =F@ h@ =F@ h@ H,I En la Gráfica 7 se muestra el diagrama Q hv estando las pérdidas, en este caso, expresadas en bares. 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Gráfico 7. Diagrama Q - hv y = 96,864x 0,4363 R² = 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 Los resultados de la regresión se pueden tomar como válidos al ser el orden de la función muy cercano al valor teórico establecido en 0,5. Por lo tanto, se obtiene un valor del coeficiente de caudal, Kv, de 96,864 (m 3 /h)/(bar) 0,5 No obstante, el valor de este coeficiente viene dado en el catálogo de la bomba por el fabricante debiendo presentar, en este caso, un valor de 135, valor lejano al valor obtenido por lo que se desprende como conclusión que existe algún error experimental en el ensayo posiblemente por una incorrecta apertura total de la válvula al estar la curva de cada coeficiente directamente relacionada con este parámetro Jorge Cerezo Martínez

16 5. Montaje de la válvula Esta última parte de la práctica se basa en el aprendizaje del montaje de una válvula con todas sus partes siguiendo un esquema adjunto a la memoria de la práctica. Dicho esquema se muestra en la Ilustración 1. Ilustración 1. Esquema del montaje de la válvula Se ha procedido al montaje de modo que la válvula quede montada de forma que el extremo aguas abajo esté conectado con el extremo aguas abajo del piloto. Por otro lado, la cámara está conectada con el extremo 1 del piloto. El extremo 2 del piloto conduce el drenaje, mientras que el extremo aguas arriba del piloto se conecta con el extremo aguas arriba de la cámara y a la válvula. En la Fotografía 2 se muestra el resultado final del montaje en laboratorio. Ilustración 2. Montaje de la válvula en el laboratorio 16 Jorge Cerezo Martínez

17 17 Jorge Cerezo Martínez

18 Práctica Jorge Cerezo Martínez

19 Se realizó una toma de datos experimental en un banco de ensayos, consistente en una instalación compuesta por un depósito de aforo, bomba, tubería de impulsión y canal. El objetivo es el conocimiento de los elementos a través de la toma de datos en diferentes caudales y calculando el error en la medida en cada uno de los casos. Los elementos utilizados para la obtención del caudal circulante fueron: Contador de chorro múltiple, caudalímetro electromagnético, caudalímetro ultrasónico, diafragma/placa orificio, vertedero rectangular de pared delgada sin contracciones laterales, molinete y depósito calibrado. A continuación se muestran las tablas con los datos del ensayo para posteriormente proceder a realizar los cálculos necesarios. Tabla 8. Depósito volumétrico calibrado Deposito volumétrico calibrado Medida Altura agua (cm) Volumen (l) Tiempo (s) Caudal (l/s) Tabla 9. Contador Contador Medidas Vueltas (n-l) Tiempo(s) Cauldal (m 3 /s) Caudal (l/s) Tabla 10. Caudalímetro Caudalímetro Medida Ultrasónico caudal Electromagnético (l/s) caudal (l/s) Caudal (l/s) Jorge Cerezo Martínez

20 Tabla 11. Placa orificio Placa orificio Medida h 1 (cm) h 2 (cm) Dh (cm.c.a) Caudal (l/s) Tabla 12. Vertedero Vertedero Medida Calado (m) h (m.c.a) Caudal (m 3 /s) Caudal (l/s) Tabla 13. Molinete Molinete Medida Número de Velocidad Caudal vueltas N (m/s) (m 3 /s) Caudal (l/s) Sección m Jorge Cerezo Martínez

21 Cuestión 1: Rellena la siguiente tabla con el caudal obtenido con cada uno de los sistemas de aforo y haz una gráfica que permita compararlos. Una vez tomados los datos de partida y calculados los caudales se procede a rellenas la siguiente tabla: Tabla 14. Caudal Caudal (l/s) Medida Deposito Calibrado Caudalímetro ultrasónico Contador Caudalímetro electromagnético Placa orificio Vertedero Molinete Jorge Cerezo Martínez

24 Cuestión 2: Representa gráficamente el error cometido con cada dispositivo, usando el caudal volumétrico como valor de referencia o patrón. Para determinar el error de utilizaremos la siguiente fórmula: JKK-K%= L M M 100 Tabla 15. Error Error (%) Medida Depósito calibrado Caudalímetro ultrasónico Contador Caudalímetro electromagnético Placa orificio Vertedero Molinete Jorge Cerezo Martínez

28 3.2 HIDRANTES Y CONTADORES: En esta segunda parte de la práctica nos familizaremos con la estructura general de un hidrante y con la identificación de sus elementos principales. 1. Se identificarán sobre el hidrante tipo los distintos componentes que pueden encontrarse en este tipo de elementos Jorge Cerezo Martínez

30 2. A partir de estos resultados de la práctica 1 se procederá a la clasificación del contador ensayado en laboratorio según la norma UNE EN La norma de contadores (EN 14268) indica que para todo el rango de trabajo del instrumento el error no debe superar el +-5%. En el caso del contador de chorro múltiple ensayado en el banco se observa en la tabla de Error (%) que en ninguna de las medidas tomadas se cumple la normativa, ya que en todas se supera el error del 5%, obteniendo valores entre el 8% y 22% de error Jorge Cerezo Martínez