INFORME DE LABORATORIO Nº 2 Bombas y Turbinas

INFORME DE LABORATORIO Nº 2

Bombas y Turbinas

Índice

1.- Introducción        3

2.- Objetivos        4

3.- Metodología        4

4.- Resultados        5

4.1.- Curvas de funcionamiento de bomba y turbina        5

4.2.- Descripción Hidráulica de bombas y turbinas.        11

4.3.- Funcionamiento de una central hidroeléctrica        13

5.- Análisis y Conclusiones        15

1.- Introducción

Las bombas y turbinas, representan una entrega y pérdida de energía al fluido, respectivamente. Por un lado las bombas entregan la energía necesaria para elevar un cierto caudal cuando no es posible hacerlo solo por fuerzas gravitacionales. Existen varios tipos de bombas, pero en esta ocasión se pondrá el enfoque en las bombas centrífugas, las cuales entregan energía al fluido mediante una hélice. La altura de elevación que entrega una bomba a un fluido queda determinada por la siguiente ecuación:

[pic 3]

Donde  es el rendimiento de la bomba, P es la potencia, Q el caudal que pasa por ella y  el peso específico ().[pic 4][pic 5][pic 6]

Por otro lado, las turbinas utilizan el torque generado por el paso de un caudal para transformarlo en energía eléctrica. Al igual que con las bombas, existen varios tipos de turbinas pero en este caso se utilizará una de tipo Pelton. La expresión que relaciona la energía que entrega el flujo versus la potencia producida es la siguiente:

[pic 7]

Donde las variables representan lo mismo que para el caso de una bomba.

Tanto la bomba como la turbina que se estudiarán (y en general) tienen una combinación de parámetros tal que su rendimiento es el óptimo. Por lo tanto, en la experiencia de laboratorio se estudiará, en el caso de la bomba, su curva característica; y para el caso de la turbina, sus curvas de funcionamiento.

2.- Objetivos

Se desea encontrar el rendimiento óptimo tanto para la bomba como para la turbina. Para ello se estudiarán las curvas que relacionan rendimiento y altura de elevación (potencia) en función del caudal, en el caso de la bomba. Para la turbina se estudiarán las curvas que relacionan rendimiento y torque con el caudal.

3.- Metodología

La instalación experimental de la bomba centrífuga, que se puede apreciar en la figura I, cuenta con un estanque de carga constante que alimenta una tubería que conecta a la bomba, donde existen válvulas antes y después de la misma. Además, se cuenta con una perilla que permite ajustar la potencia de la bomba. Se cuenta con unos sensores que miden en tiempo real el caudal, la potencia de la bomba, el rendimiento y algunos parámetros más.

[pic 8]
Figura I – Instalación experimental de la bomba

Para la turbina se cuenta con una instalación experimental similar, a diferencia que además de una bomba, se cuenta con una turbina, la cual recibirá el Bernoulli entregado por la bomba. Además, se cuenta con un dispositivo que sirve para variar el torque, que al ser apretado o soltado permitirá que la hélice gire con una menor o mayor velocidad. La instalación se puede apreciar en la figura II.

[pic 9]

Figura II – Instalación experimental de la turbina

4.- Resultados

4.1.- Curvas de funcionamiento de bomba y turbina

En primer lugar se procede a relacionar los parámetros de funcionamiento de la bomba con su rendimiento, cambiando ciertas propiedades y elementos de la tubería.

        Se comienza por describir el comportamiento del sistema al cerrar las válvulas que se encuentran aguas arriba y debajo de la bomba, a fin de variar el caudal, manteniendo constante la potencia de esta en cerca de 270 W. Se selecciona un conjunto de puntos por medición que permita encontrar un comportamiento y donde no haya repetición.

[pic 10]

Figura III – Gráfico de eficiencia vs caudal cerrando válvula de aguas arriba.

[pic 11]

Figura IV – Gráfico de eficiencia vs caudal cerrando válvula de aguas abajo.

        Pese a que se debiera notar un par óptimo eficiencia-caudal, se ve en el primer gráfico, que el comportamiento en ese rango de caudales es creciente, mientras que en el segundo gráfico se ve que el nivel mayor de eficiencia se da cerca del caudal de 13 lt/min, con un valor de 27%. Lo problemático es que tal valor no se condice con el gráfico anterior, donde tal caudal tiene un valor más bien bajo de eficiencia.

        Luego, determinando la altura de elevación que genera la bomba por cada caudal y graficando estos valores, en el caso de cerrar la válvula aguas abajo, que pareció tener un comportamiento más ordenado, se obtiene la curva característica de la bomba, y aproximando con una polinómica de grado 2, se obtiene una ecuación aproximada para la curva.

[pic 12]

Figura V – Curva de operación de la bomba, más aproximación cuadrática.

        Se puede notar que en efecto las mediciones sí se pueden aproximar de una forma cuadrática, dado que el factor  es cercano a 1, sin embargo la ecuación no cumple con la forma común . Y si bien las unidades de caudal no calzan con las de altura de elevación, estas medidas sí fueron tomadas al momento de calcular la altura, por lo tanto el factor de corrección de unidades se encuentra inmerso en los coeficientes de la aproximación.[pic 13][pic 14]

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