bombas y turbinas

FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA Y URBANISMO

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

MECÁNICA DE FLUIDOS I

BOMBAS Y TURBINAS

DOCENTE:Ing. Loayza Rivas Carlos Adolfo

INTEGRANTES:

Gonzales Medrano Rocío Liz Navarro Tello Rojer Job Peralta Peralta Franklin Jhoel Rabanal Gonzáles Diana Saguma Puelles Betsabe Vásquez Rabanal Fredy

Pimentel, 04 de marzo del 2013

GRUPO Nº 5

INDICE

DEDICATORIAINTRODUCCIÓNESQUEMA TEMÁTICOBOMBAS Y TURBINAS

I. BOMBAS.......................................................................................................................4

1.1. Definición................................................................................................................4

1.2. Función principal....................................................................................................4

1.3. Carga de bombeo..................................................................................................5

1.4. Tipos.......................................................................................................................6

II. TURBINAS....................................................................................................................7

2.1. Definición................................................................................................................7

2.2. Conceptos de cabezas...........................................................................................7

2.3. Tipos.......................................................................................................................8

III. APLICACIONES DE LA ECUACIÓN DE LA ENERGÍA.............................................9

3.1. Tubería que conecta dos depósitos o descarga entre dos depósitos....................9

3.2. Tubería que conecta dos depósitos mediante una instalación de bombeo.........10

3.3. Potencia Neta o Potencia Útil de la Bomba.........................................................11

3.4. Potencia Bruta o Potencia Entregada..................................................................11

3.5. Tubería que conecta dos depósitos mediante una Turbina.................................12

3.6. Potencia Neta o Potencia Útil de la Turbina........................................................13

IV. EJERCICIOS.............................................................................................................14

ESCUELA PROFESIONAL DE ING. CIVIL MEC. DE FLUIDOS I

1

DEDICATORIA


2

El presente trabajo lo dedicamos a Dios, ya

que gracias a él tenemos esos padres

maravillosos, los cuales nos apoyan en nuestras

derrotas y celebran nuestros triunfos

A nuestros padres; a quienes les debemos

todo lo que tenemos en esta vida.

A nuestros profesores quienes son nuestros

guías en el aprendizaje, dándonos los últimos

conocimientos para nuestro buen

desenvolvimiento en la sociedad.

INTRODUCCIÓN

En el presente trabajo del área curricular Mecánica de Fluidos I, se desarrolla una temática ingenieril basado en el tema de bombas y turbinas: Potencia neta y bruta, aplicación del principio de energía con bombas y turbinas y todo lo que concierne a dicho tema. Donde bombas es un

instrumento que provee energía a un sistema o fluido, y turbinas son

máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua, y éste le entrega su energía a través de un rodete con paletas.

Para la elaboración del trabajo hemos extraído información de grupos anteriores que también desarrollaron esta temática y también de un libro llamado Mecánica de fluidos de Irving Shames, además de la carpeta del Ing. Loayza Rivas Carlos Adolfo.

Este trabajo está estructurado en cuatro ítems que presentan muy detalladamente el tema tratado.

Esperamos que este trabajo sirva como fuente de información para próximos grupos de trabajo que tenga el mismo tema que nosotros.


3

BOMBAS Y TURBINAS

I. BOMBAS

1.1. Definición

Una bomba, en pocas palabras, es un equipo que provee de Energía a un sistema o fluido. La bomba generalmente eleva la presión de un fluido en movimiento, es decir por un lado entra el fluido a cualquier presión y por el otro lado sale a una presión superior y constante.

1.2. Función principal

Toda máquina que realiza trabajo con la finalidad de mantener un fluido en movimiento o provocar el desplazamiento o el flujo del mismo se podría ajustar al nombre de bomba o compresor, los que suelen evaluarse por cuatro características:

Cantidad de fluido descargado por unidad de tiempo Aumento de la presión Potencia Rendimiento

El efecto conseguido por la mayoría de los dispositivos de bombeo es el de aumentar la presión del fluido, si bien algunos de ellos comunican al fluido un aumento de su energía cinética o una elevación de su nivel geodésico.

Las bombas en general son utilizadas para líquidos. Estas trabajan simultáneamente con la presión atmosférica de forma que esta impulse el líquido hacia el interior de la bomba por la depresión que tiene lugar en el centro de la misma.


4

Bomba Centrífuga para grandes caudales

http://www.monografias.com/trabajos13/depre/depre.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/bombas/bombas.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/kinesiologia-biomecanica/kinesiologia-biomecanica.shtml

El funcionamiento en sí de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica solo en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido.

1.3. Carga de bombeo

Carga de bombeo o carga dinámica total es la carga total contra la cual debe operar una bomba, o sea, la energía por unidad de peso de líquido que debe suministrarle la bomba al mismo para que pueda realizar el trabajo que se pretende.

Como sabemos, el movimiento del líquido a través de la tubería da origen a fricción, que resulta en una pérdida de energía, por consiguiente dicha fricción tiene que ser vencida por la bomba, además de la carga estática representada por la diferencia de nivel. Por consiguiente, la carga dinámica total se obtiene sumando los cuatro factores siguientes:

La diferencia de nivel, que se conoce como carga estática o carga a elevación Las pérdidas de carga debidas a la fricción en las tuberías y accesorios La carga a velocidad La carga a presión

La carga estática ¿), está representada por la diferencia de nivel entre la superficie del líquido donde tiene que tomarlo la bomba y la superficie del líquido en el lugar de descarga véase la figura.

Perdidas por fricción (h f ), las pérdidas de carga representan las pérdidas de

energía como consecuencia de la resistencia que presentan las tuberías y accesorios a la circulación del líquido.

La carga de velocidad , está representada por el término v2

2g , generalmente,

en la mayoría de los casos no se la toma en cuenta, porque su valor es muy pequeño: a no ser en casos especiales en que la velocidad es muy alta (y por consiguiente la fricción es alta también), o la carga total es muy pequeña y el volumen de agua bombeado es muy grande.


5

http://www.monografias.com/trabajos13/cinemat/cinemat2.shtml#TEORICO

http://www.monografias.com/trabajos12/moviunid/moviunid.shtml

La carga a presión Pγ

, está representada por la presión existente en la

superficie del líquido y se expresa por la longitud de la columna de líquido, equivalente a la presión existente.

Si la presión dentro del tanque se eleva hasta un punto fijo máximo, dicha presión será la que se usará para encontrar la carga a presión máxima contra la cual deberá operar la bomba. Esta carga a presión en pies o metros, deberá añadirse a la carga estática, la carga debida a la fricción y la carga a velocidad, para determinar la carga dinámica total o carga total contra la que trabajará la bomba.

1.4. Tipos

Estas se pueden clasificar en dos grandes tipos:

a) Bombas de desplazamiento positivo, poseen un contorno móvil, al

cambiar el volumen de éste, el fluido es obligado a pasar por la máquina hidráulica.

Existen dos tipos: Recíprocas y Rotatorias.

b) Bombas dinámicas o de intercambio de cantidad de movimiento, que

añaden al fluido cantidad de movimiento por medio de álabes móviles que giran, y están

en contacto directo con el fluido. Se pueden clasificar en: Giratorias (centrífugas) y de

Diseño especial.


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Bomba recíproca de diafragma Bomba rotatoria

Bomba Giratoria (Centrífuga)

II. TURBINAS

2.1. Definición Las turbinas son dispositivos que convierten energía hidráulica en energía mecánica. Cuando un fluido en movimiento atraviesa una turbina, la presión en dicho flujo decrece o disminuye.

2.2. Conceptos de cabezas

Cabeza bruta (H ¿¿b)¿. Es la diferencia de nivel existente entre la superficie

del agua en el embalse y la cota de descarga en la turbina.

Cabeza máxima (H ¿¿max)¿. Es la cabeza bruta que se obtiene al operar la

planta con una turbina al 5% de su capacidad nominal (Q ≈0.05Qn) y con la cota del

embalse a nivel del vertedero. Bajo esta condición, las pérdidas hidráulicas son despreciables y pueden no tenerse en cuenta.

Cabeza mínima (H ¿¿min)¿. Es la cabeza neta que se obtiene al operar la

planta con todas las turbinas a plena carga y con la cota del embalse a un nivel mínimo de operación. Bajo esta condición, las pérdidas hidráulicas son máximas.

Cabeza neta (H ¿¿n)¿. También llamada cabeza efectiva, se define como la

diferencia entre la cabeza bruta y las pérdidas totales por fricción y pérdidas en accesorios en el sistema de conducción. En el cálculo de ésta no se incluyen las pérdidas propias de la turbina. La cabeza neta es la cabeza disponible para realizar el trabajo sobre la turbina.

Cabeza nominal (H ¿¿ r )¿. Es la cabeza neta a plena apertura de la turbina

que entrega la capacidad nominal del generador. Generalmente se encuentra en la placa de la turbina.


7

Turbina Pelton de la central hidroeléctrica de Walchensee en Alemania

2.3. Tipos

Se pueden agrupar en dos tipos:

a) Turbinas de impulso, un chorro libre choca con un elemento giratorio de

la máquina, la que está bajo la acción de la presión atmosférica.

b) Turbinas de reacción, el escurrimiento se efectúa bajo presión.

Independiente del tipo de turbina, el funcionamiento de ellas depende de un cambio de velocidad en el agua, para que ejerza una fuerza dinámica sobre el elemento rotatorio impulsor o rodete móvil.


8

Turbina Pelton

Turbina Francis

III. APLICACIONES DE LA ECUACIÓN DE LA ENERGÍA

3.1. Tubería que conecta dos depósitos o descarga entre dos depósitos

EA=EB+∑B

A

hP

H A=HB+∑B

A

hP

ZA +PA

γ+αA

V A2

2g=ZB+

PB

γ+αB

V B2

2g+hP A→ B

α A=αB=1

V A=V B=0

PA=PB=0

(PA=PB=¿ Presión atmosférica, igual a cero, trabajando con presiones relativas)

ZA=ZB+hP A→ B

ZA−ZB=hP A→ B

H=hP A→ B…… …(a)

Dónde:


9

hP A→B=∑

A

B

hLocalizadas+¿∑A

B

h f ………(b)¿

Es decir la pérdida de carga desde A hasta B, será la suma de las pérdidas de carga debida a la fricción, más las pérdidas de cargas localizadas e igual al desnivel de las superficies libres de agua de los estanques o carga estática “H”, es decir:

De (a) y (b):

H=∑A

B

hL+∑A

B

h f ………(c)

3.2. Tubería que conecta dos depósitos mediante una instalación de bombeo.

EA +HB=EB+∑ hP A→ B

ZA +HB=Z B+∑A

B

hL+∑A

B

h f

HB=H+∑A

B

hL+∑A

B

hf

Dónde:

HB=¿ Altura dinámica total o carga neta que el agua recibe de la bomba.


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H=¿ Altura Estática a carga estática.

∑A

B

hL=¿ Pérdidas de cargas localizadas desde A hasta B es decir de la tubería de

succión y de la tubería de impulsión.

∑A

B

hf =¿Perdidas de cargas por fricción desde A hasta B es decir las producidas en la

tubería de succión y en la de impulsión.

3.3. Potencia Neta o Potencia Útil de la Bomba

PotÚTIL=γQ HB( kg−f ×mseg )

PotÚTIL=γQ H B

76(H .P)PotÚTIL=

γQ H B

75(C .V )

3.4. Potencia Bruta o Potencia Entregada

PotBRUTA=γQ HB

76×e(H .P)

PotBRUTA=γQ HB

76×e(C .V )

PBRUTA=PUTIL+PPERDIDA

e=PUTIL

PBRUTA


11

3.5. Tubería que conecta dos depósitos mediante una Turbina

EA=EB+HT+∑A

B

hL+∑A

B

h f

ZA=ZB+HT+∑A

B

hL+∑A

B

h f

ZA−ZB=H T+∑A

B

hL+∑A

B

hf

H=H T+∑A

B

hL+∑A

B

hf

HT=H−(∑A

B

hL+∑A

B

hf ) Dónde:

HT=¿ Altura o carga neta que la turbina recibe del agua.

H=¿ Altura o carga estática.

∑A

B

hL=¿Pérdidas de cargas localizadas desde A hasta B.

∑A

B

hf =¿¿ Perdidas de cargas por fricción desde A hasta B.


12

3.6. Potencia Bruta o Potencia Entregada de la Turbina

PotBRUTA=γ Q HT( kg−f ×mseg )

PotBRUTA=γQ HT

76(H .P)

3.7. Potencia Neta o Potencia Útil de la Turbina

PotÚTIL=γQ HT

76× e(H . P)

PotÚTIL=γQ H B

76× e(C .V )


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IV. EJERCICIOS

4.1. A través del motor de fluido de la figura circula agua a 10°C a razón de 115 L/min. La presión en A es de 700 kPa y en B es de 125 kPa. Se estima que debido a la fricción en la tubería existe una pérdida de energía de 4.0 m en el agua que fluye. Calcular:

(a) La potencia que el agua trasmite al motor.

(b) Si la eficiencia mecánica del motor es de 85%, calcule la potencia de salida.

Solución:

Comenzamos la solución con la escritura de la ecuación de la energía.

z A+p A

γ+

v A2

2 g=zB+

pB

γ+

vB2

2g+HT+hA→ B

Se necesita el valor de HT para determinar la potencia de salida. Despejando

este término tenemos:

HT=(z¿¿ A−zB)+pA−pB

γ+

v A2−vB

2

2g−hA →B ¿

Los resultados obtenidos son:

z A− zB=1.8m

p A−pB

γ=

(700−125 ) (103 )(N /m2)9.81 x103(N /m3)

=58.6m

Al resolver para (v¿¿ A2−vB2 )/2g¿, se obtiene:


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Q=115 Lmin

x1m3

1000 Lx1min60 s

=1.92 x10−3m3/s

vA=QA A

=1.92 x10−3(m3 /s)4.909x 10−4m2 =3.91m /s

vB=QAB

=1.92 x10−3(m3/s)4.418 x10−3m2 =0.43m / s

v A2−v B

2

2 g=

(3.91 )2−(0.43 )2(m2/s2)(2 ) (9.81 )(m /s2)

=0.77m

hA → B=4.0m(dato)

Con los valores obtenidos calculamos HT , que es la energía que el agua

transmite a la turbina:

HT=(1.8+58.6+0.77−4 ) m=57.2m

Calculamos la potencia que el agua transmite al motor de fluido, es decir la PBRUTA :

PBRUTA=HT γQ

PBRUTA=57.2m x 9.81 x103( Nm3 ) x (1.92x 10−3)(m3

s )=1080(N .m /s)=1.08kW

Cálculo de la potencia de salida, es decir la (PÚTIL ¿

e=PÚTIL

PBRUTA

e∗PBRUTA=PÚTIL

(0.85)(1.08kW )=PÚTIL

PÚTIL=0.92kW

4.2 Se construye una cabaña en una colina y se propone el sistema hidráulico mostrado en la figura. El tanque de distribución de la cabaña mantiene una presión de 30.0 psig sobre el agua. En la tubería hay una pérdida de 15.5 pie. Calcule los caballos de fuerza que la bomba transmite al agua cuando impulsa 40 gal/min.


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Solución:

z1+p1γ

+v12

2 g+ HB=z2+

p2γ

+v22

2g+h1→2

Como:

p1=0 , v1=0 , p2=30 psig , v2=0

Despejando HB:

HB=(z2−z1)+p2γ

+h1→2

HB=(3+212+5) ft+30 ( lb

i n2 )( 144 i n2

f t 2)

62.4 ( lbft3 )

+15.5 ft

HB=304.7 ft

Cálculo de la potencia que la bomba transmite al agua (PÚTIL):

PÚTIL=H B γQ

PÚTIL=304.7 ft x 62.4 ( lbf t3 ) x 40( gal

min)( 1min60 seg

)( 1 f t 3

7.48 gal)

PÚTIL=1693.83 lb . ft /s


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Convirtiendo a HP:

PÚTIL=1693.83( lb . fts )( 1hp

550 lb .fts )

PÚTIL=3.08HP

4.3 Calcule la potencia que transmite el aceite al motor de fluido de la figura, si el flujo volumétrico es de 0.25 m3/s. En el sistema hay una pérdida de energía de 1.4 m. Si el motor tiene una eficiencia de 75%, calcule la potencia de salida.

Solución:

z1+p1γo

+v12

2 g=HT+z2+

p2γ o

+v22

2g+h1→2

Como: p1=0 , v1=0 , p2=¿0

v2=QA2

= 0.25m3/sπ (0.3m )2/ 4

=3.54m /s

HT=( z1−z2 )−v22

2g−h1→2

HT=10m− 3.542m2/s2

2(9.81)m / s2−1.4m

HT=7.96m

Cálculo de la potencia bruta:

PBRUTA=HT γ oQ

PBRUTA=(7.96m)(0.86)(9.81kN /m3)(0.25m3/s)=16.79kN .m /s=16.79kW


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Cálculo de la potencia de salida (PÚTIL):

PÚTIL=PBRUTA∗e

PÚTIL=16.79kW x 0.75

PÚTIL=12.60kW

4.4 Una bomba sumergible de pozo profundo envía 745 gal/h de agua cuando opera en el sistema de la figura, si existe una pérdida de energía de 10.5 pie, calcular:

(a) La potencia que la bomba transmite al agua.(b) Si la bomba consume 1 hp, calcule su eficiencia.

Solución:

z1+p1❑+

v12

2 g+ HB=z2+

p2γ

+v22

2g+h1→2

Como: p1=0 , v1=0 , v2=¿0

HB=(z2−z1)+p2γ

+h1→2

HB=120 ft+40(lb / in2)62.4 (lb / f t3) (144 in2

f t2 )+10.5 ft

HB=222.8 ft


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Q=745 galh

x1h3600 s

x1 f t3

7.48 gal=0.0277 f t3 /s

Hallando la potencia que transmite la bomba al agua:

PÚTIL=H BQ

PÚTIL=222.8 ft x 62.4( lbf t3 ) x0.0277

f t 3

s

PÚTIL=385( lb . fts )( 1hp

550 lb .fts )

PÚTIL=0.700HP

Calculando eficiencia:

e=PÚTIL

PBRUTA

e=0.7hp1hp

=0.7=70%

4.5 En una prueba de bombeo, la presión de succión en la entrada de la bomba es de 30 kPa por debajo de la presión atmosférica. La presión de descarga en un punto que está 750 mm por arriba de la entrada es de 520 kPa. Ambas tuberías tienen 75 mm de diámetro. Si el flujo volumétrico del agua es de 75 L/min, calcule la potencia que la bomba transmite al agua. Ignore las pérdidas de energía.

Solución:

z1+p1❑+

v12

2 g+ HB=z2+

p2γ

+v22

2g+h1→2

Las velocidades v1 y v2 son iguales debido a que tienen el

mismo caudal y el mismo diámetro; por lo tanto se anulan.

HB=(z2−z1)+p2−p1

γ

HB=0.75m+(520−(−30 ) ) kN /m2

9.81kN /m3

HB=56.82m

Calculando el gasto Q:


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Q=75 Lmin

x1m3

1000 Lx1min60 s

=1.25x 10−3m3/s

PÚTIL=H BQ

PÚTIL=(56.82m)(9.81kN /m3)(1.25 x10−3m3/ s)

PÚTIL=0.697 kN .m /s=0.697kW


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bombas y turbinas

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