selección de bombas y turbinas

8/12/2019 Seleccin de Bombas y Turbinas

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SELECCIN DE TURBOMQUINAS

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ndice- INTRODUCCIN- JUSTIFICACIN- OBJETIVOS- CONTENIDO TEMTICO- ANTES QUE NADA

ECUACIN DE EULER Y SU DEDUCCIN. CLASIFICACIN DE TURBOMQUINAS CLASIFICACIN DE FLUIDOS. MOTORES PARA TURBOMQUINAS.

DEFINICIONES: NPSH. Velocidad Especfica. Eficiencia

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TURBINAS Turbinas Hidrulicas

Turbinas Pelton

Turbinas FrancisTurbinas Kaplan Turbinas de Vapor

Por direccin de flujoPor mecanismo de funcionamiento

Turbinas de GasGrandes turbinas Aero-DerivadasTipi industrialPequeasMicroturbinasCiclo abiertoCiclo cerrado

Seleccin de TurbinasNmero de revoluciones del generador.Nmero especfico de revoluciones.Salto en metrosEficienciaFactores econmicos

Curvas Caractersticas Turbinas en Serie y Paralelo Prdida de Energa

CONCLUSIONES


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IntroduccinLa seleccin es la primera etapa para conectar unsistema de turbomquinas. Con esta etapaconcretaremos lmites, ya sean econmicos o deespacio, conectaremos con un proovedores,observaremos y analizaremos las diferentesopciones, a fin de que el Ingeniero tenga el mejorcriterio para elegir la ms adecuada y eficiente conlos parmetros que nos otorguen. Al final, el Ingeniero deber tomar la eleccin msadecuada para su sistema.

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Justificacin Descripcin del tema a investigar.Investigar las etapas que realiza un ingeniero para seleccionar unaturbomaquina en diferentes sistemas y condiciones previamente dadas.

Objetivo General Por qu se hace?Para estar informados acerca de las diferentes turbomaquinas del mercado ysus aplicaciones, ya que como ingenieros, debemos estar preparados paracualquier adversidad. Objetivo Especfico Para qu se hace?Informar a nuestros compaeros acerca de las diferentes opciones que nosofrecen las empresas y escoger el ms adecuado. Metas cuantitativas concepto Cmo, en qu tiempo, lugar y cantidad serealiza el objetivo en especfico?Se realizar la investigacin en diferentes libros aceptados por la sociedad deingeniera, en un lapso de 2 meses para recoger la informacin adecuada y sepresentar en el Saln 32 en clase de Turbomaquinas con el Fsico Velarde.Frente a dems exposiciones que deben incluir los requerimientos que nosrecomend el Fsico.

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Objetivos Que el prximo ingeniero contribuya a una buena base de sistemas de turbomaquinas, quepretenda realizar una solucin rpida, factible yeconmica con los lmites que ponga unacompaa o a s mismo.

Aprender a distinguir diferentes sistemas deBombas y Turbinas. Para que al final delsemestre estemos preparados para algunaadversidad del futuro.

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Contenido TemticoTema 1.- Seleccin de BombasObjetivo:Utilizar las herramientas adecuadas para seleccionar la bombams conveniente en diferentes casos. Introduccin a las Bombas Seleccin para Lquidos Voltiles NPSH Seleccin para Lquidos Viscosos Elecciones en diferentes mbitosTema 2.- Seleccin de TurbinasObjetivo: Aprender a seleccionar una turbina concorde a lasespecificaciones ms cercanas en un sistema turbomaquinario. Introduccin a las Turbinas Numero de Revoluciones Nmero Especfico de Revoluciones Factor econmico Recomendaciones

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Antes que nada Deduccin de Ecuacin de Euler

Notacin: b1, b2 = anchos de entrada y salida del labe. D1, D2 = dimetros de entrada y salida del labe. de = dimetro del eje del rotor C1, C2 = velocidad absoluta de una partcula de fluido a la entrada y

salida del labe. n = velocidad angular del rotor en rpm u1, u2 = velocidades perifricas (absolutas) de los labes en la

entrada y salida de los labes. W 1,W 2 = velocidades relativas del fluido en la entrada y salida de

los labes.

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Clasificacin de Turbomquinas

De acuerdo con el sentido del flujo de energa Motoras : la energa es entregada por el fluido a la mquina, y estaentrega trabajo mecnicoGeneradoras : la energa es entregada por la mquina al fluido, y eltrabajo se obtiene de este. En este gnero entran las bombas,sopladores, turbocompresores, ventiladores, y otros. De acuerdo con la forma que presenta el fluido

proyectado a travs del rotor Radial : Si la trayectoria que sigue el fluido es principalmente normalal eje de rotacin (centrfugas o centrpetas segn la direccin demovimiento).

Axial : Cuando la trayectoria del fluido es fundamentalmente paraleloal eje de rotacin.Diagonal : Flujo diagonal al eje de rotacin.

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Clasificacin de Turbomquinas (2)

De acuerdo con el tipo de fluido que manejanTrmicas : Cuando el cambio en la densidad del fluido es significativodentro de la mquina, como en compresores.Hidrulicas : Cuando el cambio en la densidad del fluido no essignificativo dentro de la mquina, como en bombas o ventiladores. De acuerdo con el cambio de presin en el

rotor Accin : no existe un cambio de presin en el paso del fluido por elrotor.Reaccin : existe un cambio de presin en el paso del fluido por elrotor. De acuerdo con el tipo de admisinTotal : todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo.Parcial : no todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo.

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Clasificacin de FluidosLos fluidos se pueden clasificar de acuerdo a diferentes

caractersticas, de acuerdo con su comportamiento viscosos quepresentan en: Fluidos perfectos o superfluidos : es un estado de lamateria caracterizado por la ausencia total de viscosidad. De

manera que, en un circuito cerrado, fluira interminablementesin friccin.

Fluidos Newtonianos: fluido cuya viscosidad puedeconsiderarse constante en el tiempo. Los fluidos newtonianosson uno de los fluidos ms sencillos de describir. El mejorejemplo de este tipo de fluidos es el agua.

Fluidos No Newtonianos: fluido cuya viscosidad vara conla temperatura y la tensin cortante que se le aplica. Comoresultado, un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido_newtonianohttp://es.wikipedia.org/wiki/Fluido_newtoniano


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Clasificacin de Fluidos (2)Respecto a su densidad y tipo de movimiento de las

molculas y el estado fsico un fluido puede serclasificado en: Lquido: fluido altamente incomprensible lo que

significa que su volumen es, bastante aproximado,en un rango grande de presin. Es el nico estadocon un volumen definido, pero no forma fija

Vapor: fase gaseosa de una sustancia cuando sta seencuentra por debajo de su temperatura crtica Gas: fluidos altamente comprensibles, que

experimentan grandes cambios de densidad con lapresin y la temperatura

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DEFINICIONESNPSH

La cabeza de succin neta positiva (Net PositiveSuction Head, por sus siglas en ingls) es unparmetro de suma importancia en elfuncionamiento de una bomba. Se relaciona con lapresin del fluido a la entrada de la bomba y por lotanto influye en el fenmeno de la cavitacin.

Presin de vapor:

Es la presin (en escala absoluta) a la cual un fluidoempieza a ebullir a una temperatura dada. A cadatemperatura le corresponde una presin de vapor(tambin llamada presin de saturacin, Psat) y viceversa.

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Al aumentar la temperatura de un lquido la presin desaturacin tambin aumenta. De lo anterior se deduceque un lquido caliente ebulle a una presin ms alta queel lquido fro (del mismo modo que se ocupa mayortemperatura para vaporizar un fluido a mayor presin,principio utilizado en las ollas de presin) Desde otropunto de vista, si se comenzara a reducir la presin queacta sobre un fluido caliente se encontrara que

empieza a ebullir antes que el mismo lquido a menortemperatura. En la entrada a una bomba la presin del fluido debe

disminuir (succin) para poder mantener el flujo delfluido pero se debe tener cuidado de que en todomomento se mantenga por encima de la presin de vapor del mismo. Si se permite que la presin del lquidodescienda por debajo de Psat se forman burbujas en lacorriente del fluido que posteriormente colapsan alalcanzar las zonas de mayor presin de la bombacausando vibracin y picaduras (pitting) en el rodete oimpulsor. Este es el fenmeno de la cavitacin.

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En la prctica la cavitacin se evita garantizandoque el NPSHrequerido por la bomba sea MENOR elNPSHdisponible en el sistema. El NPSHrequerido es un parmetro de la bomba ylo debe dar el fabricante. Se puede interpretarcomo la succin que produce la bomba para

poder manejar el caudal y la cabeza para lascuales fue seleccionada. El NPSHdisponible es un parmetro del sistema y

debe calcularse. Nos dice que tanta succin se

puede tolerar antes que la presin alcance Psat.De ah el requerimiento NPSHrequerido 0(frecuentemente en torno a 0,5) Turbina Centrpetas:

Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolucin: En el estator se produce una expansin aumentando la velocidad, disminuyendo la entalpa. En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativadebida a la expansin donde adems se produce una cada depresin. R>0 (frecuentemente prximo a 0,5)

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Adems, las turbinas de vapor se pueden clasificaren dos.- A contrapresin : El vapor se enva

directamente al proceso, sin necesidad de pasar

por un condensador o torre de enfriamiento.- De extraccin y condensacin : El vapor seexpande y luego debe pasar por un condensador,para luego ser bombeado a la caldera. En estasturbinas es posible extraer vapor a diferentescondiciones para ser utilizado en el proceso parala hacer la regeneracin de ciclo.

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Turbinas de Gas Es una turbomquina motora, cuyo fluido de

trabajo es un gas. Como la compresibilidad de

los gases no puede ser despreciada, las turbinasa gas son turbomquinas trmicas. Comnmentese habla de las turbinas a gas por separado de lasturbinas ya que, aunque funcionan con

sustancias en estado gaseoso, sus caractersticasde diseo son diferentes, y, cuando en estostrminos se habla de gases, no se espera unposible cambio de fase, en cambio cuando sehabla de vapores s.

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Partes de una Turbina de Gas Una turbina de gas consta bsicamente de un

compresor de aire, una cmara de combustin ocombustor, la turbina y, para mejorar elrendimiento, un regenerador.

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El compresor : Esta ubicadoen la seccin frontal de laturbina y es el elemento por elcual se introduce en formaforzada el aire desde el exterior.Esta pieza, por la disposicin desus aletas, permite que el flujosea "aspirado" hacia el interiorde la turbina. Es de flujo axial

para grandes turbinas por suelevado rendimiento y capacidad. Para pequeas turbinas se hanusado con xito compresorescentrfugos.

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La cmara decombustin : Sefabrican de tipo cilndrico(can type) o en forma deanillo ( annular type).Debe llevar el gas atemperatura uniformecon mnimas diferenciasde presin.Generalmente se fabricanmetlicos y se enfrancon el aire entrante, perotambin se estnconstruyendo decermica, para lograr unamayor eficiencia trmica.

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Los regeneradores :Transmiten el calor de losgases de escape del aire de loscompresores. Aumentanrendimiento pero tambinvolumen, peso y costo.Debido a su gran tamao, no

son aconsejables para laindustria aeronutica Las turbinas : Son casisiempre de flujo axial(axial flow) , exceptoalgunas de pequeasdimensiones que son deflujo radial (radial flow)dirigido hacia el centro.

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La tobera delescape : Para favorecerel constante flujo delaire en el interior de la

turbina y poder dirigirefectivamente el aireproveniente de su rueda,se utiliza un aditamentocnico. Esta tobera de

escape aumentaconsiderablemente elempuje del motor.

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Tipos de Turbinas de Gas-Turbina de gas aeroderivadas :Provienen del diseo de turbinas de para finesaeronuticos, pero adaptadas a la produccinde energa elctrica en plantas industriales ocomo microturbinas. Sus principalescaractersticas son su gran fiabilidad y su altarelacin potencia/peso, adems cuentan conuna gran versatilidad de operacin y suarranque no es una operacin tan crtica comoen otros tipos de turbinas de gas.Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW,moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseo facilita lasoperaciones de sustitucin y mantenimiento,lo que hace viable que se lleven acaborevisiones completas en menores intervalosde tiempo.

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Turbina de gas industriales : Laevolucin de su diseo se ha orientadosiempre a la produccin de electricidad, buscndose grandes potencias y largosperiodos de operacin a mxima carga sinparadas ni arranques continuos.

Su potencia de diseo puede llegar a los500 MW, moviendo grandes cantidades deaire a bajas velocidades, que puedenaprovecharse en posteriores aplicacionesde cogeneracin. Su mantenimiento deberealizarse in si-tu debido a su gran tamao y peso, buscndose alargar lo mas posibleen el tiempo las revisiones completas delequipo.

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Turbina de cmara decombustin tipo silo: Enestos diseos la cmaraaparece dispuesta sobre laparte superior de la turbina.

Los inyectores se instalanatravesando el techo superiorde la cmara, y los gases deescape llegan a la turbina deexpansin por una aberturainferior conectada a sta.

Su diseo no esta muyexpandido, y se restringe aturbinas de H2 y otroscombustibles experimentales.

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Turbina de cmara decombustin anular: En este casola cmara consiste en un cilindroorientado axialmente instalado alrededor del eje. Tiene un nico tubode llama y entre 15 y 20 inyectores.Consiguen una buena refrigeracinde los gases de combustin y bajasperdidas de carga, aunque sudistribucin de temperaturas ymezcla combustible/comburente esmenos uniforme que en cmarastuboanulares.

Este diseo se utiliza por losfabricantes Alstom y Siemens, y engeneral en turbinas aeroderivadas.

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Turbina de cmara de combustin

tuboanular: Una serie de tubosdistribuidos al rededor del eje de formauniforme conforman este diseo decmara de combustin. Cada una poseeun nico inyector y buja. Tienen mejorresistencia estructural que las anulares,pero menor rendimiento y mayor peso. Adems si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirsegrandes diferencias de temperaturas en laestructura. La pieza de transicin, que esla que recoge todos los gases decombustin para dirigirlos a la turbina de

expansin, es una parte delicada de lainstalacin. Esta tecnologa es utilizada en sus diseos

por Mitshubishi y General Electric.

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Turbina monoeje: Elcompresor, turbina deexpansin y generadorgiran de forma solidariacon un nico eje derotacin. La velocidad degiro es en la inmensamayora de los casos de3000 rpm, forzado por lafrecuencia que debe tenerel rotor del generadorelctrico al verter a la redgeneral (50 Hz). Es eldiseo usual en las grandesturbinas comerciales degeneracin elctrica.

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Turbina multieje: La

turbina de expansin seencuentra dividida en 2secciones, la primera o turbinade alta presin, se encuentraunida al compresor axial alque proporciona la potencianecesaria para sufuncionamiento. La segundaseccin comparte eje con elgenerador, aprovechndose laenerga transmitida en lageneracin de electricidad.Esta tecnologa es utilizada en

aeroderivadas y turbinas depequea potencia, y ofrece unmejor comportamiento frentea variaciones de carga.

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Seleccin de TurbinasPara seleccionar una turbina se tienen enconsideracin los siguientes criterios: - El nmero de revoluciones del generador. - El nmero especfico de revoluciones. - Saltos en Metros

- Eficiencia - Velocidad Especfica - Factores econmicos.

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El nmero de revoluciones delgenerador (n) *El Generador. Es una maquina elctrica queproduce corriente alterna monofsica o trifsica.

Convierte la energa mecnica entregada por laturbina en energa elctrica. Tambin se le conocecon el nombre de alternador. Si se monta en el mismo eje de la turbina, el

nmero de revoluciones de la turbina es igual aldel generador. Los generadores pueden ser: sncronos

(alternador) o asncronos.

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= 60

a) El generador sncrono.- El generador sncrono

transforma la energa mecnica producida por las

turbinas en energa elctrica, debido al principio deinduccin electromagntica de Faraday .El valor de rotacin del eje (n en rpm) se halla en

relacin inversa con el nmero de polos. f - frecuencia en Hz P pares de polos

El nmero de pares de polos define el tamao delgenerador.

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= 60

b) El generador asncrono .- Aquellos que no cumplen lacondicin anterior; esdecir, n60 f / P; lo cual implica desfasaje

entre la velocidad del rotor y la velocidad del campo magntico.Se los usa casi exclusivamente como motores.Este principio consiste en que el rotor (inductor) gira dentro delestator (inducido). El rotor aloja los polos magnticos deexcitacin con corriente proveniente de la excitatriz.Dicha corriente est destinada a crear flujo magntico inductorentre el rotor y el estator a travs del entrehierro (espacio dealgunos milmetros).Segn el principio de Faraday, este flujo magntico inductorinduce una tensin trifsica en los bornes de salida del generadorsncrono.

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La potencia del generador est dadapor: = donde:PG - Potencia del generadorPa - Potencia til de la turbina - Eficiencia del generador, = 1 -0,06( ) 0,2

- Eficiencia de transmisin, igual a 1 si elacoplamiento es directo (eje comn entregenerador y turbina), y 0,95 para acoplamientosindirectos a travs de poleas o engranajes.

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Tambin: PG = S cos donde: S - potencia aparente (KVA) PG - potencia activa que realiza trabajo til en la

mquina. Q - potencia reactiva, es la que produce el campo

magntico necesario

para el funcionamiento de la mquina. Noproduce trabajo til. Cos - factor de potencia = 0,8

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RECOMENDACIN. Los generadores usados en la centrales

hidroelctricas son sncronos con pares de polosque varan entre 2 y 48 y con n que vara entre60 y 600 rpm.

En centrales con potencias menores de 500 KWse recomienda usar generadores con 2 a 4 paresde polos.

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El nmero especfico de revoluciones( nS ) Para H pequea y Q grande: nS debe ser grande

(pero preferible no mayor de 950 m CV para evitarcavitacin) a fin de que n no sea muy pequeo (debeser lo ms grande posible).

Para H grande y Q pequeo: nS debe ser pequeopara que n no sea muy grande (debe ser lo mspequea posible).

Para escoger el ns apropiado para una turbina sedeben tener en consideracin algunas reglasprcticas (empricas) que tienen relacin a esteparmetro con la altura neta de la instalacin.

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Velocidad especfica

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Salto en metros(m) de turbinas

Tipo de turbina Altura de salto en m

Kaplan y hlice 2 < Hn < 40

Francis 25 < Hn < 350

Pelton 50 < Hn < 1.300

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Eficiencia Caudal/revoluciones

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Razones econmicas Debe determinarse cuidadosamente la velocidad

de rotacin de la turbina, n, ya que para valores

muy pequeos el dimetro deber ser muygrande y por otra parte el nmero de pares depolos aumentar encareciendo el generador.

En general, el valor de n debe ser lo ms grande

posible para disminuir costos. Nota.- En promedio la vida til de una turbina esde 40 000 horas de trabajo con reparacionesentre 3 a 4 veces.

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EjemploCuando se conoce la velocidad angular delgenerador. La central hidroelctrica de Huinco tiene lassiguientes caractersticas: H = 1 200 m; Q = 24 m3/s; n = 514 rpm;=0,86. Determine el nmero y tipo de turbinas que

utiliza.

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SolucinSolucin: Se calcula la potencia en el eje:Pa = Q H = 9 806 x 24 x 1 200 x 0,86 =242 875008 WPa = 242 875 008 W 330 115,71 CV

El nmero especfico de revoluciones resulta: = / / = 514 330 115,71 / 1 200 / = 41, 81 m CV

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Verificacin. Al tener el resultado, se verifica la tabla para ver

qu turbina muestra las especificaciones

correctas. Si alguna no muestra ni cerca del resultado, se

necesitan ms turbinas para bajar valor a

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Curvas Caractersticas de las Turbinas

FRANCIS

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KAPLAN

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PELTON

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