Universidad Tecnolgica de PanamCentro Regional de
ChiriquFacultad de Ingeniera Industrial
TermodinmicaProyecto Final
Profesor:Javier Ros
IntegrantesAleyda Albarracn4-767-537Carolina
Barrera8-878-1638Brian Prez4-769-2055Geovanie Snchez4-778-2489
Fecha de entrega:19 de Junio de 2015
Descripcin del proyecto
En el proyecto a realizar en la materia de Termodinmica que
trata sobre la elaboracin de una turbina hidrulica, tomamos como
referencia la turbina tipo Pelton. La misma ser construida
fundamentalmente de tubos de PVC de diferentes dimetros y con estos
tambin sus respectivas reducciones, constar con un tren de polea
con el cual se halara la masa, y lo primordial las aletas tipo
cucharas de la turbina las cuales durante la elaboracin del
trabajo, especificaremos sus dimensiones ya que iremos probando
cual son de mayor eficacia. En cuanto al reservorio, su estructura
ser de PVC y tendremos en mente un sistema de retroalimentacin.
Estado del Arte Turbinas Hidrulicas Las turbinas hidrulicas son
turbo mquinas que permiten la transferencia de energa del agua a un
rotor provisto de alabes, mientras el flujo para a travs de estos.
Cuando el paso del agua por el rotor se efecta en direccin radial,
las maquinas se llaman radiales, de las cuales, el tipo ms
representativo es la turbina Francis. Cuando el paso por entre los
alabes se hace en la direccin del eje de la mquina, se dice que
esta es de tipo axial, de las que son ejemplo la turbina Kaplan y
la turbina Pelton, aunque a esta ltima se le clasifica tambin como
turbina tangencial, por la forma particular de ataque del agua al
rotor. Por otra parte, si la turbina aprovecha solamente la energa
cintica del agua, se denomina de impulso, de la que es ejemplo
caracterstico la Pelton. Cuando la turbina es capaz de utilizar la
energa esttica del agua se llama de reaccin, como son la Francis y
la Kaplan. El grado de reaccin en estas mquinas es siempre inferior
a la unidad, lo que quiere decir que tambin pueden aprovechar la
energa dinmica del agua. Las tres turbinas mencionadas
anteriormente, Francis, Kaplan y Pelton, son conocidas como las
tres grandes, por ser las principales turbinas hidrulicas empleadas
en la actualidad. Recientemente se estn introduciendo las turbinas
tubulares, de bulbo y de pozo para cargas muy reducidas (hasta poco
ms de un metro) y grandes caudales. El paso de una corriente fluida
a travs de una turbina provoca cambios en la magnitud y direccin de
la velocidad del fluido, lo cual da lugar a la aparicin de un par
en el eje (Teorema del momento cintico). Los elementos necesarios
para que esto suceda son anlogos a los de una bomba, pero
dispuestos en orden inverso: Canal de llegada o tubera forzada debe
tener una vlvula de cierre lento para evitar el golpe de ariete La
caja espiral de una turbina es como la voluta de una bomba
centrfuga; transforma presin en velocidad (al contrario que la
voluta) El distribuidor de una turbina es similar a la corona
directriz de una bomba. Acta transformando presin en velocidad
(tambin es un rgano de regulacin) El rodete de una turbina es
anlogo al rodete de una bomba. Absorbe energa del fluido y la
convierte en energa mecnica El tubo de aspiracin de una turbina es
como el tubo de aspiracin de una bomba. Es el rgano de desage y su
funcin es crear una succin a la salida de la turbina (depresin) No
en todos los casos existen todos los elementos citados, depende del
tipo de turbina Turbinas Hidrulicas de impulso (Turbina Pelton) Las
turbinas de impulso o de accin tienen la peculiaridad de aprovechar
solamente la energa cintica del fluido; no existe un gradiente de
presin entrada y la salida de la mquina. Su grado de reaccin es
cero. La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton ( 1829
- 1908 ) quien buscando oro en California, concibi la idea de una
rueda con cucharas perifricas que aprovechara la energa cintica de
un chorro de agua, proveniente de una tubera de presin, incidiendo
tangencialmente sobre la misma. En la turbina Pelton actual la
energa cintica del agua, en forma de chorro libre, se genera en una
tobera colocada al final de una tubera de presin. La tobera esta
provista de una aguja de cierre para regular el gasto,
constituyendo el conjunto, el rgano de alimentacin y de regulacin
de la turbina El labe tiene la forma de doble cuchara, con una
arista diametral sobre la que incide el agua, produciendo una
desviacin simtrica en direccin axial, buscando un equilibrio
dinmico de la maquina en esa direccin. Por ser el ataque del agua
en sentido tangencial a la rueda se la denomina tambin turbina
tangencial; por tener el fluido un recorrido axial. La clasificacin
ms general que puede hacerse de las turbinas Pelton es en tipos de
eje horizontal y tipos de eje vertical. Existen otras divisiones
que toman en cuenta el nmero de inyectores por rueda o el nmero de
rotores montados en un mismo eje. En la disposicin del eje
horizontal el nmero de chorros por rueda se reduce en generalmente
en uno o dos, por resultar complicada la instalacin en un plano
vertical de las tuberas de alimentacin y las agujas de inyeccin. La
rueda queda sin embargo, ms accesible para su inspeccin, lo mismo
que los inyectores, con lo que la reparacin de averas pequeas y
desgastes por erosin pueden efectuarse sin desmontar la turbina. Es
as donde se encuentra aplicacin este tipo de montaje, en aquellos
casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o
notable accin abrasiva. Por otra parte, con la disposicin de eje en
vertical se facilita la colocacin del sistema de alimentacin en un
plano horizontal, lo que permite aumentar el nmero de chorros por
rueda (4 a 6); se puede as incrementar el caudal y tener mayor
potencia por unidad. Se acorta la longitud del eje
turbina-generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir
el dimetro de la rueda y aumentar la velocidad de giro; se reduce
en fin el peso de la turbina por unidad de potencia.
Componentes: Inyector Aguja Es un vstago de acero muy duro
situado concntricamente en el interior del cuerpo de la tobera,
guiado mediante cojinetes sobre los cuales tiene movimiento de
desplazamiento longitudinal en dos sentidos. Tobera Se trata de una
boquilla, normalmente con orificio de seccin circular (puede
tratarse de otra seccin), de un dimetro aproximado entre 5 y 30 cm,
instalada en la terminacin de la cmara de distribucin. Deflector Es
un dispositivo mecnico que, a modo de pala o pantalla, puede ser
intercalado con mayor o menor incidencia en la trayectoria del
chorro de agua, entre la tobera y el rodete. Sirve para evitar el
embalamiento y el golpe de ariete (cierres bruscos). Regulador de
velocidad Conjunto de dispositivos electro-mecnicos,
(servomecanismos, palancas, bielas, ...) diseados para mantener
constante la velocidad del grupo, a fin de que la frecuencia de la
corriente generada tenga, en todas las circunstancias de carga, 50
Hz. Componentes: Rodete Es la pieza clave donde se transforma la
componente cintica de la energa del lquido en energa mecnica o,
dicho de otra manera, en trabajo segn la forma de movimiento de
rotacin. La rueda motriz Est unida rgidamente al eje, montada en el
mismo por medio de chavetas y anclajes adecuados. Los labes Pueden
ser piezas independientes o constituir una pieza nica, estn
diseados para recibir el empuje directo del chorro de agua. Su
forma es similar a la de una doble cuchara, con una arista interior
afilada y situada centralmente en direccin perpendicular hacia el
eje (divide al labe en dos partes simtricas de gran concavidad).
Esto permite compensar los empujes axiales. Cada labe lleva en su
extremo perifrico una escotadura centrada en forma de W. Con ello
se consigue que las cazoletas no reciban el chorro de agua hasta
que su arista se encuentre en la posicin perpendicular respecto al
eje del chorro, aprovechando al mximo el caudal y el impulso que
ste le proporciona al acompaarle durante un corto trayecto.
Componentes: Eje Rgidamente unido al rodete y situado adecuadamente
sobre cojinetes debidamente lubricados, transmite el movimiento de
rotacin al eje del alternador. En el mismo eje pueden estar unidas
varias turbinas y un generador. Componentes: Sistema de Frenado
Adems de intercalar totalmente el deflector, se puede disponer de
un circuito derivado de la cmara de distribucin que permite
proyectar agua uno o varios contrachorros incidente sobre la zona
convexa de los labes, favoreciendo el rpido frenado del rodete.
Componentes: Carcasa Es la envoltura metlica que cubre los
inyectores, rodete y otros elementos mecnicos de la turbina. Su
misin consiste en evitar que el agua salpique al exterior cuando,
despus de incidir sobre los labes los abandona. Componentes: Cmara
de Descarga Es la zona por donde cae el agua libremente hacia el
desage, despus de haber movido al rodete. Tambin se conoce como
tubera de descarga. Para evitar deterioros debidos a la accin de
los chorros de agua, especialmente de los originados por la
intervencin del deflector, se suele disponer en el fondo de la
cmara de descarga de un colchn de agua de 2 a 3 m de espesor. Con
el mismo fin, se instalan blindajes, bloques de granito o placas,
situadas adecuadamente, que protegen la obra de hormign.
Componentes: Blindaje y Destructor de Energa Protegen la
infraestructura contra el efecto destructor del chorro desviado.
Funcionamiento de una Turbina Pelton La sucesiva transformacin de
la energa se efecta del modo siguiente: La energa potencial
gravitatoria del agua embalsada (energa de presin hasta los
orificios de las toberas) se convierte, salvo prdidas, en energa
cintica al salir el agua a travs de dichos orificios en forma de
chorros libres (Ecuacin de Bernoulli). Se dispone de la mxima
energa cintica en el momento en que el agua incide tangencialmente
sobre el rodete, empujando a los labes y obtenindose el trabajo
mecnico deseado Las formas cncavas de las cucharas hacen cambiar la
direccin del chorro de agua, saliendo ste, ya sin energa
apreciable, por los bordes laterales sin ninguna incidencia
posterior sobre los labes sucesivos. De este modo, el chorro de
agua transmite su energa cintica al rodete, donde queda
transformada en energa mecnica Engranajes Un engranaje es un pin
con que la encaja con otra parte dentada con el fin de transmitir
potencia. Dos o ms engranajes que trabajan en tndem se llama una
transmisin y puede producir una ventaja mecnica a travs de una
relacin de transmisin y por lo tanto se puede considerar una mquina
simple. Dispositivos reductores pueden cambiar la velocidad, el
par, y la direccin de una fuente de energa. La situacin ms comn es
para un engranaje a engranar con otro engranaje, sin embargo un
engranaje tambin puede engranar una parte no giratoria dentada,
llamado cremallera, produciendo de este modo traduccin en lugar de
rotacin. El sistema de engranajes es similar al de ruedas de
friccin. La diferencia estriba en que la transmisin simple por
engranajes consta de una rueda motriz con dientes en su periferia
exterior, que engrana sobre otra similar, lo que evita el
deslizamiento entre las ruedas. Al engranaje de mayor tamao se le
denomina rueda y al de menor pin. A diferencia de los sistemas de
correa-polea y cadena-pin, este no necesita ningn operador (cadena
o correa) que sirva de enlace entre las dos ruedas . Los dientes de
los engranajes son diseados para permitir la rotacin uniforme (sin
saltos) del eje conducido. Respecto al sistema polea-correa,
presenta una serie de ventajas e inconvenientes:
Las principales ventajas son: mantener la relacin de transmisin
constante incluso transmitiendo grandes potencias entre los ejes
(caso de automviles, camiones, gras...), lo que se traduce en mayor
eficiencia mecnica (mejor rendimiento). Adems, permite conectar
ejes que se cruzan (mediante tornillo sinfn), o que se cortan
(mediante engranajes cnicos) y su funcionamiento puede llegar a ser
muy silencioso. Los principales inconvenientes son: su alto coste y
poca flexibilidad (en caso de que el eje conducido cese de girar
por cualquier causa, el conductor tambin lo har, lo que puede
producir averas en el mecanismo motor o la ruptura de los dientes
de los engranajes). Otro inconveniente importante es que necesita
lubricacin (engrase) adecuada para evitar el desgaste prematuro de
los dientes y reducir el ruido de funcionamiento.
Metodologa a desarrollar para el proyecto
SemanasTarea a realizar:
Semana 1(22 - 28 de Marzo) Investigacin referente a posibles
modelos de turbina a implementar.
Semana 2(29 de Marzo - 4 de Abril) Confeccin y entrega del
informe N1.
Semana 3(5 - 11 de Abril) Culminar y establecer el conducto de
agua y el tipo de turbina a utilizar.
Semana 4(12 - 18 de Abril) Definir la estructura y tipos de
engranajes para el sistema.
Semana 5(19 - 25 de Abril) Bsqueda de posibles materiales para
la elaboracin del sistema.
Semana 6(26 de Abril - 2 de Mayo) Confeccin y entrega del
Segundo Informe.
Semana 7(3 - 9 de Mayo)Confeccin del Sistema
Semana 8(10 - 16 de Mayo)
Semana 9(17 - 23 de Mayo)
Semana 10(24 - 30 de Mayo) Pruebas generales
Semana 11(31 de Mayo - 6 de Junio) Pruebas generales 2
Semana 12(7 - 13 de Junio) Pruebas finales / optimizacin del
sistema.
Semana 13(14 - 20 de Junio) Culminacin y edicin del documento
perteneciente al informe N3. Entrega de Proyecto.
Actividades que realizarn los miembros del equipo Geovanie
SanchezDiseo y confeccin del sistema
Carolina BarreraEncargada de tomar evidencia, notas y clculos
matemticos.
Brian PerezDiseo y confeccin del sistema.
Aleyda AlbarracnEncargada de tomar evidencia, notas y clculos
matemticos.
Consideraciones del diseo Decidimos utilizar la Turbina de
Pelton ya que la misma es la ms eficiente y porque su diseo nos
permitir trabajar con un bajo caudal, en este caso de 2 galones de
agua por corrida de los 5 que se encontrarn depositados en el
reservorio. El agua ser impulsada por una serie de paletas cncavas
que se montaran a lo largo del eje de una rueda. La misma ser
impulsada por la accin del agua que generar energa de movimiento
para as accionar el conjunto de poleas que lograrn mover una masa
de una libra (1 lb). Tambin el diseo incluir un mecanismo para
regular la entrada de agua al sistema y una estructura para el
reservorio y tuberas necesarias. Tendremos en consideracin
diferentes dimetros para la rueda que llevar las paletas, ya que al
utilizar un dimetro pequeo podr aumentarse la velocidad de giro
para as lograr el movimiento por la accin del agua. Por otro lado,
como la Turbina de Pelton es un tipo de turbina de impulso,
resultar eficaz su aplicacin porque estaremos trabajando con una
cada de agua a una altura posteriormente establecida. El sistema
estar contenido dentro de una estructura transparente para que se
pueda observar su funcionamiento.
Descripcin de Construccin
Estructura de MaderaFue confeccionada con madera reciclada.
Tiene una altura de 2 m y mide 0,58 m de ancho. En la parte
superior tiene un orificio donde encaja el reservorio con el
conjunto de tuberas. Esta estructura fue confeccionada en un taller
de ebanistera Estructura del Caudal La estructura consta de un
tanque de 5 galones en la parte superior. El taque est unido por un
pedazo de tubo de 2 que encaja con el dimetro de la salida del
tanque. A su vez se realiz una reduccin a 1, despus se hizo una
reduccin a (en este punto se coloc una llave de paso de ).
Posteriormente se redujo a la tubera.El conjunto de esta estructura
mide 1,39 m Longitud tubo de 1/2 pulg1,07 m
Longitud tubo de 3/4 pulg0,13 m
Longitud tubo de 2 1/2 pulg0,19 m
Todas estas tuberas se unieron con goma para PVCEstructura de la
turbinaEsta estructura fue construida con un tubo de acero de 1
hueco Esto le da soporte la estructura donde se encuentra el rotor
con la transmisin. La misma tiene medidas de 0,51 m de largo y 0,31
m de ancho. Este conjunto se realiz en un taller de tornera en
donde se le coloc un tope al plato para que quedara fijo al eje y
no se moviera.
Estructura del EjeEl eje fue hecho de una barra de acero de 1 la
cual esta fija por dos chumaceras. El conjunto del eje y la
estructura de la turbina tienen una altura de 0,31 m y un ancho de
0,30 m.Estructura del sistema de engranajeEsta estructura consta de
0,26 m de altura que va de la base de la estructura general que
sostiene el sistema, al plato que sostiene la cadena. Tambin tiene
0,08 m de ancho donde se encuentra ubicada la manzana. El dimetro
de la transmisin mayor es de 0,20 m. La cadena fue ajustada de
acuerdo con la distancia entre el plato mayor a la estrella.RotorEl
rotor fue dividido en---. Consta de ---- paletas fabricadas de PVC
las cuales son de 45 y miden----. Se utilizaron --- paletas que
estn a una distancia de ---- una de la otra. Dichas paletas se
fijaron con tornillos a un disco de acrlico que tiene un dimetro
----. Incluyendo las paletas tiene un dimetro de ---. Los codos de
PVC fueron sellados con goma de silicn para aprovechar al mximo el
agua. El rotor se fij con goma epxica al eje.
FuncionamientoEl reservorio se encuentra a una altura de 2 m en
donde se aprovecha presin debido a la altura. El mismo est abierto
a la atmsfera para ganar ms presin. Al accionar la llave de paso,
el agua viaja a travs de las tuberas con una velocidad y una presin
lo suficientemente buena para accionar el rotor con las paletas que
recogen el agua para realizar la rotacin del eje. En el eje se
encuentra el plato que consta de una cadena que va a una estrella
de dimetro pequeo. Ambas giran en conjunto. Esta estrella est unida
a una manzana que gira por la accin de la fuerza del chorro. En la
manzana se encuentra amarrado un hilo de 12 pies de largo y en el
otro extremo del hilo se encuentra la masa de 1 lb que empieza a
moverse.
GASTOS DE CONFECCIN DE TURBINA
Estructura de Madera20.00
Estructura de Caudal
Tubera17.75
Uniones5.72
Llave de paso3.21
Codos0.93
Estructura de Turbina
Gastos de Tonera20.00
Tornillos, tuercas, etc6.83
Tubo de acero de 1 pulg8.51
Estructura del rotor y polea
Barra de acero de 1 pie1.00
Chumaceras (2)13.97
Codos (alabes)6.00
Acrlico (rotor)10.00
Plato, cadena (Sistema de Transmisin)13.50
Total = 127.42
ClculosCaudalPara determinar el caudal primero necesitamos saber
la altura neta
Diferencia entre la y las prdidas totales por friccinRepresenta
el coeficiente de friccin (en este caso utilizaremos 0,0202) y es
la longitud del conjunto de tuberas que van desde el reservorio al
otro extremo. Representa la altura del nivel del agua al extremo de
la tuberaAplicando la formula
Para el clculo del caudal tenemos
Donde es el rea de la tubera Es la velocidad del fluido Es el
dimetro del chorroAplicando la frmula tenemos
Velocidad de Rotacin
Carga mxima del sistema
Para el clculo de la carga mxima tenemos:Donde g es la
gravedadHn: Es la altura mxima que va desde el nivel del agua hasta
el eje de la turbinaQ: Es el caudal que proporciona la turbina: Es
la densidad del aguaAplicando la frmula tenemos
La carga mxima es la carga bruta que se obtiene al operar la
turbina al 5% de su capacidad nominal ) y con la cota del embalse a
nivel del vertedero. Bajo esta condicin, las prdidas hidrulicas son
despreciables y pueden no tenerse en cuenta.
ConclusinMediante este proyecto se pudo utilizar nuestro ingenio
para cumplir con el objetivo del proyecto. Fue de mucha experiencia
para nosotros poner en prctica nuestros conocimientos de
termodinmica y proceso de flujo para la realizacin de la
actividad.Podemos decir que en nuestro proyecto se tomaron en
cuenta varios detalles que son: La utilizacin de una llave de paso
de palanca en vez de una de mariposa para evitar fugas Permitir la
entrada de aire al sistema para incrementar presin Colocar la llave
de paso lo ms alto posible para incrementar la velocidad del fluido
Probamos distintos dimetros y se realizaron reducciones para ver
cul era eficiente La utilizacin de codos de PVC de 45 para tener un
aprovechamiento mximo de agua. Cerrar los tubos de PVC porque
notamos que existan prdidas Utilizacin de un dimetro pequeo para el
rotor para que el mismo tuviera ms eficiencia Utilizacin de un
sistema de transmisin de bicicleta para que el mismo tuviera la
fuerza necesaria para el arrastre de la masaRealizamos varias
pruebas en donde pudimos ajustar el sistema para que recogiera la
masa en el menor tiempo posible. Utilizamos diferentes superficies
para las mismas. Si tuviramos que modificar algo en el sistema sera
buscar la manera de que el chorro pegue con ms fuerza y lograr ms
presin y velocidad en el sistema.
Bibliografa
http://personales.unican.es/renedoc/Trasparencias%20WEB/Trasp%20Sist%20Ener/
03%20T%20HIDRAULICAS.pdf
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/mecanismos/
mec_eng_multiplicador.htm http://www.lindis.com/esp/engranajes.asp
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_Pelton
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas/
turbinas.html https://www.youtube.com/watch?v=7jEcco6zgBM
http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/maquinas_fluidos/tema-6turbinas-pelton.pdf