manual de prácticas de laboratorio dinámica de fluidos y turbomáquinas

8/10/2019 Manual de Prcticas de Laboratorio Dinmica de Fluidos y Turbomquinas

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Dinmica de fluidos y turbomquinas(INM-317)

Manual de ejercicios de laboratorio

Por:

Martn Melndez Valencia

Juan Ernesto Castellanos Cunillera


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Contenido

DESARROLLO DE LA PRCTICA ............................................................................................................ 6

FORMATO DEL REPORTE .......................................................................Error! Bookmark not defined.

SEGURIDAD EN EL LABORATORIO ....................................................................................................... 7

REGLAS GENERALES DEL LABORATORIO DE FLUIDOS Y CANALES ...................................................... 7

REGLAS SOBRE SEGURIDAD DEL LABORATORIO ................................................................................. 8

EJERCICIO 1. Demostracin de Osborne Reynolds. ............................................................................. 9

1.1 Introduccin .............................................................................................................................. 9

1.2 Objetivo ................................................................................................................................... 10

1.3 Equipamiento .......................................................................................................................... 10

1.4 Teora....................................................................................................................................... 10

1.5 Procedimiento ......................................................................................................................... 11

1.6 Resultados del procedimiento ................................................................................................ 12

1.7 Gua de la Sntesis.................................................................................................................... 12

I Equipo de friccin de fluido C6-MKII-10 ......................................................................................... 13

I.I Introduccin .......................................................................................................................... 13

I.II Descripcin del equipo C6-MKII-10 ...................................................................................... 14

I.III Operacin del equipo .......................................................................................................... 16

I.III.I Control del flujo ................................................................................................................. 16

I.IV Especificaciones ...................................................................................................................... 17

I.IV.I Dimetros de las tuberas de prueba: ............................................................................... 17

EJERCICIO 2. Medicin de flujo usando diferencial de carga. ........................................................... 18

2.1 Objetivo ................................................................................................................................... 18

2.2 Mtodo .................................................................................................................................... 18

2.3 Teora....................................................................................................................................... 18

2.4 Equipamiento .......................................................................................................................... 18

2.5 Procedimiento ......................................................................................................................... 19

2.5.1.1 Procedimiento A toma de datos (utilizando el Venturi y la placa orificio) ................... 19

2.5.1.2 Presentacin de resultados procedimiento A (para el Venturi y la placa de orificio). . 19

2.5.1.3 Gua de sntesis.............................................................................................................. 19

2.5.2.1 Toma de datos procedimiento B (utilizando tubo de Pitot). ........................................ 20


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2.5.2.2 Presentacin de resultados procedimiento B (para tubo de Pitot). ............................. 20

2.5.2.3 Gua de sntesis.............................................................................................................. 20

EJERCICIO 3.Canal abierto y visualizacin de patrn de flujo. .......................................................... 21

3.1 Introduccin ............................................................................................................................ 21

3.2 Objetivo ................................................................................................................................... 21

3.3 Equipamiento .......................................................................................................................... 21

3.4 Marco Terico ......................................................................................................................... 21

3.5 Procedimiento ......................................................................................................................... 22

3.5.1 Experimento A .................................................................................................................. 22

3.5.2 Procedimiento B ............................................................................................................... 23

EJERCICIO 4: Friccin de un fluido en una tubera lisa. ..................................................................... 25

4.1 Objetivo ................................................................................................................................... 25

4.2 Mtodo .................................................................................................................................... 25

4.3 Teora....................................................................................................................................... 25

4.4 Equipamiento .......................................................................................................................... 26

4.5 Procedimiento ......................................................................................................................... 26

4.6 Presentacin de resultados ..................................................................................................... 27

4.7 Gua de sntesis........................................................................................................................ 27

4.8 Anexos ..................................................................................................................................... 28

EJERCICIO 5. Prdidas de carga por accesorios. ................................................................................ 29

5.1 Objetivo ................................................................................................................................... 29

5.2 Mtodo .................................................................................................................................... 29

5.3 Teora....................................................................................................................................... 29

5.4 Equipamiento .......................................................................................................................... 29

5.5 Configuracin del equipo ........................................................................................................ 30

5.6 Procedimiento ......................................................................................................................... 30


5.8 Gua de sntesis........................................................................................................................ 31

EJERCICIO 6. Friccin de un fluido en una tubera rugosa. ............................................................... 32

6.1 Objetivo ................................................................................................................................... 32

6.2 Mtodo .................................................................................................................................... 32

6.3 Teora....................................................................................................................................... 32


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6.4 Equipamiento .......................................................................................................................... 33


6.6 Procedimiento ......................................................................................................................... 33


6.8 Gua de sntesis........................................................................................................................ 34

EJERCICIO 7. Caractersticas de una bomba centrfuga y bombas en serie/paralelo. ...................... 35

7.1 Objetivo ................................................................................................................................... 35

7.2 Mtodo .................................................................................................................................... 35

7.3 Equipamiento .......................................................................................................................... 35

7.4 Datos tcnicos ......................................................................................................................... 35

7.5 Teora....................................................................................................................................... 36

7.5.1 Descarga

..................................................................................................................... 38

7.5.2 Carga ............................................................................................................................. 387.5.3 Entrada de potencia y eficiencias ..................................................................................... 38

7.5.4 Operacin de una bomba ................................................................................................. 40

7.5.5 Operacin de bombas en serie ........................................................................................ 42

7.5.6 Operacin de bombas paralelo ........................................................................................ 42


7.6.1 Operacin de una bomba ................................................................................................. 43

7.6.2 Operacin de bombas en serie ........................................................................................ 44

7.6.3 Operacin de bombas en paralelo ................................................................................... 44

7.6.4 Bombas dismiles operadas en serie o paralelo ............................................................... 45

7.7 Procedimiento ......................................................................................................................... 45

7.7.1 Experimento A. Operacin de una bomba ....................................................................... 45

7.7.2 Experimento B. Operacin de bombas en serie ............................................................... 46

7.7.3 Experimento C. Operacin de bombas paralelo .............................................................. 46


7.9 Gua de sntesis........................................................................................................................ 50

EJERCICIO 8. Impacto de un chorro y demostracin de turbina Pelton............................................ 51

8.1 Experimento A. Impacto de un chorro ........................................................................................ 51

8.1.1 Objetivo ................................................................................................................................ 51

8.1.2 Mtodo ................................................................................................................................. 51


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8.1.3 Equipamiento ....................................................................................................................... 51

8.1.4 Datos tcnicos ...................................................................................................................... 52

8.1.5 Teora ................................................................................................................................... 52

8.1.6 Configuracin del equipo ..................................................................................................... 53

8.1.7 Procedimiento A ................................................................................................................... 53

8.1.8 Gua de sntesis .................................................................................................................... 54

8.2 Experimento B. Demostracin de turbina Pelton. ...................................................................... 55

8.2.1 Objetivo ................................................................................................................................ 55

8.2.2 Mtodo ................................................................................................................................. 56

8.2.3 Equipamiento ....................................................................................................................... 56

8.2.4 Teora ................................................................................................................................... 56

8.2.5 Configuracin del equipo ..................................................................................................... 59

8.2.6 Procedimiento B ................................................................................................................... 59

8.2.7 Gua de sntesis .................................................................................................................... 60

ANEXOS ............................................................................................................................................. 61

ANEXO A. HOJA DE PRESENTACION .............................................................................................. 61

ANEXO B. NOMECLATURA EJERCICIO 1. ....................................................................................... 62

ANEXO C. NOMECLATURA EJERCICIO 7......................................................................................... 63

ANEXO D. NOMECLATURA EJERCICIO 8 A. .................................................................................... 64

ANEXO E. NOMECLATURA EJERCICIO 8 B. ..................................................................................... 65


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DESARROLLO DE LA PRCTICA

Los laboratorios se realizan desde la semana 1 a la semana 10 (ambas incluidas),

con posibles variaciones semestrales de acuerdo al calendario de practica entregado por su

profesor. Los reportes de laboratorio sern enviados va internet de forma personal

semanalmente, siendo la ltima fecha de entrega las doce de la noche del da que se dar laprxima clase.

Los experimentos se realizarn una vez. Cada estudiante es responsable de anotar

las mediciones realizadas en los equipos hidrulicos, para posteriormente realizar el reporte

semanal de mximo dos pginas que contenga los procedimientos bsicos (metodologa,

fundamentos tericos empleados, resultados, etc.). Ser conveniente que los reportes

contengan grficos y dibujos (fotografas) de la prctica realizada.

El reporte debe estar escrito de tal forma que cualquier persona pueda duplicar el

experimento realizado y obtener resultados similares a los reportados. Los reportes deben

de ser concretos, simples y claramente escritos.

El reporte debe comunicar ciertas ideas al lector, aun cuando el interesado sea una

persona no versada en el tema. Como primera medida debe de estar bien escrito y debe de

convencer al lector de que su experimento fue realizado cuidadosamente con toda la

atencin necesaria. Un reporte mal escrito lleva al lector a pensar en un experimento

mediocremente realizado. El reporte debe de estar bien organizado: el lector debe de seguir

con facilidad y paso a paso lo discutido en su texto. Adems el reporte debe de contener

datos precisos. Esto requiere un chequeo exhaustivo de los clculos hasta garantizar la

precisin de los datos reportados. Se da por descontado que el informe estar libre de

errores gramaticales y de ortografa.

El valor de la prctica de laboratorio es un 30% del valor de la nota total, por lo que

es necesario sacar un mnimo de 21 puntos de treinta, si queremos tener derecho al examen

final de la teora. Las notas son de la siguiente manera: 30% reporte semanal de las

practicas; 30 % examen semanal previo a cada practica; 25% examen final y 15% trabajo

final.

Al iniciarse cada prctica, se dar un pequeo examen de la prctica que se dar en

este da. Es obligatorio guardar los exmenes como los reportes de prctica. El examen

final ser de las prcticas realizadas.


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SEGURIDAD EN EL LABORATORIO

El trabajo en un Laboratorio trae consigo ciertos riegos y complicaciones, como pueden ser

la congestin por el alto nmero de estudiantes, los posibles accidentes generados por el

uso negligente de los equipos o simplemente riesgos por las caractersticas de las sustancias

que se utilizan. Estas complicaciones y riesgos no traern consecuencias negativas si semanejan ciertas normas y precauciones de seguridad.

Siempre maneje los equipos o montaje experimentales con cautela, tenga en cuenta

que la mayora de estos contienen partes mviles o funcionan a altas temperaturas, evite

accidentes o situaciones peligrosas para usted y el resto de sus compaeros.

REGLAS GENERALES DEL LABORATORIO DE FLUIDOS Y CANALES

1) El uso del laboratorio es exclusivo para labores de carcter acadmico.

2) Podrn hacer uso de los servicios del Laboratorio: Estudiantes, personal docente,

administrativo o contratista (con previa autorizacin) del Instituto Tecnolgico de Santo Domingo

(INTEC)

3) Est prohibido fumar, ingerir bebidas o dentro de las aulas del laboratorio.

4) Es obligatorio el uso de batas hidrulicas para el laboratorio.

5) Las personas que utilicen los servicios del laboratorio tienen la obligacin de limpiar los

instrumentos, equipos, bancos y rea de trabajo al finalizar su trabajo.

6) A pesar que no existe una normativa oficial sobre daos de equipos, aquellos daos que

por extrema negligencia, mal uso o cualquier otra causa imputable, sean causados por el usuario,

deber asumir las sanciones citadas en el artculo.

7) En caso de robo o hurto de elementos del laboratorio por parte de algn usuario del

mismo.


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REGLAS SOBRE SEGURIDAD DEL LABORATORIO

1) Todos los usuarios del servicio del laboratorio debern observar y acatar las normas de

seguridad indicadas en las instalaciones del laboratorio; la persona que no cumpla con estas

normas, de manera que sus acciones pongan en peligro su seguridad o la de sus compaeros, ser

retirado de las instalaciones del laboratorio, por el profesor encargado.

2) El uso de bata es de carcter OBLIGATORIO desde el momento en que el usuario entra al

laboratorio; el usuario debe conseguir una por su cuenta o de lo contrario NO podr utilizar los

servicios solicitados.

3) Tambin dentro del laboratorio el usuario deber usar el equipo de seguridad adecuado

(Gafas, guantes, tapabocas, protectores auditivos, etc.) de acuerdo a las actividades a realizar.

4) La operacin de los equipos, instrumentos y maquinas herramientas se har slo con la

autorizacin y supervisin del personal del laboratorio.

5) Est prohibido el uso de sustancias qumicas diferentes a las permitidas en el laboratorio

de fluidos.


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EJERCICIO 1. Demostracin de Osborne Reynolds.

Figura 1. Equipo de Demostracin Osborne Reynolds - F1-20

1.1 Introduccin

Osborne Reynolds al publicar su teora sobre si un fluido es laminar o turbulento, no solo

permiti que pudiera tomarse en consideracin la viscosidad de los fluidos sino que puso fin al

divorcio que por ms de 100 aos haban tenido los fsicos y los ingenieros, que haban dado a su

vez paso a la creacin de dos ciencias: la Mecnica de Fluidos y la Hidrulica, respectivamente.

El nmero de Reynolds nos permite a nosotros poder determinar de forma analtica y

tomando en cuentas las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas si el transitar de un fluido es

laminar turbulento o indeterminado.

Esta prctica de forma sencilla utilizando un Banco Hidrulico (F1-10) y el aparato de

Reynolds (F1-20) se pueda lograr obtener el rgimen que tiene el fluido en estudio.

El equipo funciona en posicin vertical encima del Banco Hidrulico. Este se basa en un

tanque cilndrico de almacenamiento de agua que contiene un material de amortiguacin el cual

proporciona una carga constante de agua de turbulencia reducida a travs de una entrada


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colocada en el fondo de este. El volumen de agua dentro del tanque se mantiene constante por

medio de un rebose.

La descarga del tanque se realiza a travs de un desage con forma de campana invertida

que esta colocado a la mitad del mismo y conectado a un tubo translcido; el flujo a travs de este

tubo es regulado mediante una vlvula de control en el extremo inferior del tubo de descarga.

En la parte superior del equipo se encuentra un deposito donde se almacena el fluido de

contraste, en este caso es usado azul de metileno, el cual se libera de manera gradual por medio

de una vlvula ubicada en la parte inferior del deposito, y este sale a travs de una aguja que se

encuentra cerca de la campana de desage, permitiendo as visualizar si el flujo es laminar o

turbulento.

El caudal de agua que est recorriendo el equipo puede ser medido usando el tanque de

medicin volumtrica del banco hidrulico asistido de un cronmetro. Finalmente con este valor y

el rea del tubo de descarga es posible calcular el nmero de Reynolds.

1.2 Objetivo

Reproducir el experimento clsico realizado por el Ing. Osborne Reynolds respecto a lascondiciones de flujo de los fluidos; observar las diferencias entre el flujo laminar, turbulento ytransicin en los diferentes perfiles de velocidad para lego calcular el nmero de Reynolds.

1.3 Equipamiento

Banco Hidrulico - F1-10 Equipo de Demostracin Osborne Reynolds - F1-20 Azul de Metileno (C20H12O5)

Termmetro Cronmetro

1.4 Teora

El nmero de Reynolds , se utiliza como parmetro til para clasificar el tipo dergimen en un flujo. La determinacin del nmero de Reynolds viene en funcin de la velocidad

crtica del fluido que corresponde con la velocidad de paso de rgimen laminar o turbulento y con

este experimento se pretende comprobar de manera prctica el rango del nmero de Reynolds

que va hasta 2000 para flujo laminar; mayor de 4000 para flujo turbulento y entre 2000 y 4000

para la zona de transicin.

: .: .


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Los valores de la viscosidad cinemtica del agua a diferentes temperaturas son las

siguientes:

Tabla 1. Valores de la viscosidad cinemtica del agua. 5 1.52

10 1.308

15 1.142

20 1.007

25 0.897

30 0.804

35 0.727

40 0.661

50 0.556

Si al medir con el termmetro la temperatura es, por ejemplo 18 C, y como se puedeobservar no aparece en la tabla, se proceder a interpolar para obtener el valor dado.

1.5 Procedimiento

1.

Llene el depsito con 100 ml de agua y aada 1 ml de azul de metileno.2.

El depsito debe ir encima del equipo para el clculo del nmero de Reynolds, quepreviamente fue colocado sobre el banco hidrulico.

3.

Abra la llave de paso del banco hidrulico, para que empiece a circula agua por el aparatode Reynolds.

4.

Abra la llave de paso del depsito que contiene el azul de metileno.

5.

Intente conseguir un fluido laminar. Eso se consigue cuando slo tiene lugar en el fluidomovimientos de traslacin y deformacin, las trayectorias y lneas de corriente de lasdiferentes partculas de fluidos se disponen de forma paralela; por lo que se puedeconsiderar el movimiento del fluido a lo largo de capas o lminas que no se mezclan ni secruzan entre s. Bajo estas condiciones, las trayectorias de las partculas de colorantepueden ser fcilmente identificadas como una lnea.

6.

Si piensa que tiene el flujo laminar tome el caudal correspondiente, calculando el volumenque retiene en el banco hidrulico en un tiempo determinado.

7.

El dimetro de la tubera de descarga del equipo de Reynolds es de .8.

Con el caudal calculado y el rea de la tubera de descarga puede calcular la velocidadcrtica.

9.

Tome la temperatura del agua y calcule la viscosidad cinemtica del agua.10.

Calcule el nmero de Reynolds para los datos obtenidos.


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11.

Si el nmero obtenido es menor o igual 2000 entonces usted tiene un flujo laminar. Si porel contrario el nmero obtenido es mayor a 2000 entonces cierre un poco la llave de pasodel banco hidrulico y repita la prueba hasta que obtenga el Nmero de Reynolds

correspondiente al flujo laminar.12.

Con el mismo procedimiento obtenga un flujo de transicin (Nmero de Reynolds entre2000 y 4000) y para Flujo Turbulento mayor de 4000.

1.6 Resultados del procedimiento

Tabla 2. Plantilla para tabulacin de datos del experimento de Osborne Reynolds.

Dimetro interno de la tubera de descarga,

- Explique en sus propias palabras la diferencia que usted vio en el flujo cuando era laminar,turbulento y de transicin.

- Realice un dibujo de cada flujo.- Explique en sus propias palabras que beneficio trajo a la hidrulica el Nmero de Reynolds.

1.7 Gua de la Sntesis

- Concuerdan los resultados obtenidos con los citados estudios tericos? Por qu?

(Este espacio fue dejado en blanco a propsito)


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I Equipo de friccin de fluido C6-MKII-10

Figura 2. Equipo de medicin de friccin de fluido C6-MKII-10

I.I Introduccin

El equipo de friccin de fluido C6-MKII-10 esta diseado para permitir el estudio detallado

de las prdidas de carga por friccin que ocurre cuando un fluido incompresible fluye a travs de

tuberas, curvas, vlvulas y equipos de medicin de flujo.

Las prdidas de carga por friccin en tuberas rectas de distintos dimetros puede ser

estudiado en un rango de nmeros de Reynolds desde hasta cerca de , de este modocubriendo los regmenes de flujo laminar, de transicin y turbulento en tuberas lisas. Adems se

encuentra presente en el conjunto una tubera a la cual se le adhiri rugosidad de manera artificial,

siendo posible mediante esta comparar a altos nmeros de Reynolds la clara desviacin que

presenta respecto una tubera lisa.

In adicin de las tuberas lisas y rugosas, una amplia gama de componentes de canalizacin

se encuentran presentes en el sistema, incluyendo accesorios de tuberas y vlvulas de control,

permitiendo la investigacin de las prdidas causadas por este tipos de conexiones. Una seccin

de acrlico transparente hospeda un medidor de Venturi, una placa de orificio y un tubo de Pitot,

los cuales pueden ser utilizados como elementos para medicin de flujo.


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I.II Descripcin del equipo C6-MKII-10

Todas las referencias numricas estn relacionadas a la Figura 3.

Las tuberas y los accesorios estn instalados en un bastidor tubular sobre ruedas. El agua esabastecida por un banco hidrulico va el conector cnico (1), esta fluye a travs de la red detuberas y accesorios, y es retornada al banco volumtrico por el tubo de descarga (23). Lastuberas estn dispuestas de modo tal que se pueda ensayar lo siguiente:

Una vlvula cheque (2)

Una tubera con rugosidad artificial (7)

Tubos lisos de cuatro diferentes dimetros (8), (9), (10) y (11)

Una curva larga a (6) Una curva corta a (15) Una unin Y da(4) Un codo a (5) Una unin T a

(13)

Un mitre a (14) Un codo a (22) Una contraccin sbita (3)

Una expansin sbita (16)

Una seccin hecha de acrlico transparente con un tubo de Pitot (17)

Un Venturi hecho de acrlico transparente (18)

Un medidor de flujo de orificio hecho de acrlico transparente (19)

Una vlvula de bola (12)

Una vlvula de globo (20)

Una vlvula de compuerta (21)

Muestras cortas sueltas de cada tubera de prueba (24) son proporcionadas para que el

estudiante pueda medir el dimetro exacto y determinar la naturaleza del acabado interno. La

proporcin de dimetros de tubera con la distancia de los puntos de toma de presin al final de

cada una fueron selectos para minimizar los efectos de entrada y salida.

Un sistema de vlvulas aisladoras (25) son proporcionadas con las cuales se puede seleccionar

la tubera a ensayar sin necesidad de desconectar o drenar el sistema. El arreglo tambin permite

realizar pruebas en configuraciones de tuberas en paralelo.

Cada punto de toma de presin esta previsto de un conector rpido. Sondas de acoplamientoconectadas a tubos de polipropileno con una longitud adecuada son previstas para poder ser

conectadas gilmente a cualquier par de puntos del sistema de medicin de presin.


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15

igura

.rregloge

neralelequipo

e

eicin

efriccin

efluio

-

II-1


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Figura 4. Diagrama esquemtico

I.III Operacin del equipo

I.III.I Control del flujo

El agua es bombeada a travs del equipo de C6-MKII-10 mediante una bomba centrifugaencontrada en la parte inferior del banco hidrulico. La bomba puede ser encendida o apagada

usando el interruptor indicado en la Figura 11. La vlvula de control del banco hidrulico siempre

debe encontrarse cerrada antes de encender la bomba.

El agua fluye por un conector ubicado en la parte superior del banco, siguiendo por la

manguera mostrada en la Figura 12, ingresando luego al equipo C6-MKII-10. A partir de ah ste

fluir por las tuberas de ensayo seleccionadas para luego regresar por la seccin de acrlico de

vuelta al tanque volumtrico del banco hidrulico.

La tasa de flujo que pasan por el equipo puede ser ajustada por medio de la operacin de

la vlvula de control en el banco hidrulico. La operacin simultnea de la vlvula de control en

conjunto con las vlvulas de desage (de compuerta y de globo) mostradas en la Figura 13,

permite el ajuste de la presin esttica en el equipo en conjunto con la tasa de flujo. El uso

combinado de las tres vlvulas debe permitir un ajuste preciso del flujo.

La trayectoria del flujo a travs de la red de tuberas es controlada usando las vlvulas de

aislamiento del sistema mostradas en la Figura 13. Abriendo y cerrando estas vlvulas de manera

adecuada es posible seleccionar que el flujo viaje a travs de cualquier combinacin de tuberas.


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I.IV Especificaciones

I.IV.I Dimetros de las tuberas de prueba:

1. . . 2.

. .

3. . . 4. . .

5. . .

Distancia entre puntos de presin: 1.0m

(Este espacio se encuentra en blanco a propsito)


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EJERCICIO 2. Medicin de flujo usando diferencial de carga.

2.1 Objetivo

Demostrar la aplicacin de equipos de diferencial de carga en la medicin de tasa de flujo y

velocidad en una tubera de agua.

2.2 Mtodo

Obteniendo una serie de lecturas de prdida de carga a diferentes tasas de flujo a travs de una

placa de orificio, un medidor de Venturi y un tubo de Pitot.

2.3 Teora

Para una placa de orificio o un Venturi, la tasa de flujo y el diferencial de carga estn relacionados

por la ecuacin de Bernoulli con un coeficiente de descarga aadido para tener en cuenta las

prdidas:

donde es la tasa de flujo en , es el coeficiente de descarga (.para un Venturiy 0.62 para una placa de orificio),es el rea de la garganta o del orificio en ( para en Venturi y para la placa de orificio),es el rea de la tubera aguas arriba en , es el diferencial de carga en metros de agua y es la aceleracin debido a lagravedad en .Para el tubo de Pitot, el diferencial de carga medido entre los puntos de muestreo total y esttico

es equivalente a la velocidad de carga del fluido:

donde es la velocidad promedio del agua a travs de la tubera en , es el diferenciade carga en metros de agua, y es la aceleracin debido a la gravedad en .2.4 Equipamiento

Banco Hidrulico - F1-10 Equipo de medicin de friccin de fluidoC6-MKII-10 Crongrafo Pie de Rey


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2.5 Procedimiento

Abra todas las vlvulas de bola para permitir la menor restriccin del flujo posible.

2.5.1.1 Procedimiento A toma de datos (utilizando el Venturi y la placa orificio)

1.

Cebe la red de tuberas con agua. Abra las vlvulas apropiadas para obtener flujo de agua

a travs de los caudalmetros.

2.

Obtenga las lecturas del Venturi y la placa de orificio a diferentes tasas de flujo desde un

mnimo a un mximo de flujos, alternando el flujo usando la vlvula de control en el banco

hidrulico. En cada ajuste mida el diferencial de carga producido por cada caudalmetro, la

prdida de carga a lo largo de cada caudalmetro y correspondiente flujo volumtrico.

Nota:

Para medir el diferencial de carga desarrollado por la placa de orificio o el Venturi (con el

propsito de medicin de flujo) conecte de manera apropiada las sondas del manmetro a los dospuntos de muestreo del cuerpo del caudalmetro, aguas arriba y en la garganta del mismo (no use

el punto de muestreo aguas abajo en la tubera). Para medir la prdida de carga ocurrida en la

placa de orificio o en el Venturi, conecte las sondas al punto de muestreo aguas arriba del cuerpo

del caudalmetro y al punto de muestreo aguas abajo de la tubera (no use el punto de muestreo

de la garganta).

2.5.1.2 Presentacin de resultados procedimiento A (para el Venturi y la placa deorificio).Todas las lecturas deben ser tabuladas en la tabla a continuacin:

Tabla 3. Plantilla para tabulacin de datos del experimento medicin de flujo.

2.5.1.3 Gua de sntesis

1.

Compare cada caudal calculado en el caudal actual medido.

2.

Compare la prdida de carga presente en el Venturi y la placa de orificio a un mismo

caudal.

3.

Compare el diferencial de carga en el Venturi y la placa de orificio a un mismo caudal.

4.

Comente las diferencias de los dos dispositivos y su aplicacin para la medicin de flujo.


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2.5.2.1 Toma de datos procedimiento B (utilizando tubo de Pitot).

1.

Asegrese que la punta del tubo de Pitot se encuentra enfrentando directamente la

direccin del flujo y esta localizado en el centro de la tubera.

2.

Obtenga las lecturas del tubo de Pitot a cinco diferentes caudales desde el mnimo al

mximo. Cada ajuste de la vlvula de control mida el diferencial de carga producido por el

tubo de Pitot y el caudal correspondiente.

3. Al ajuste de flujo mximo desenrosque el tornillo lo suficiente que permita al tubo de Pitot

moverse. Atraviese el tubo de Pitot a lo largo del dimetro de la tubera y observe el

cambio en el diferencial de carga. Estime el promedio de lecturas obtenidas y comprelo

con la lectura mxima del tubo en el centro de la tubera.

2.5.2.2 Presentacin de resultados procedimiento B (para tubo de Pitot).Todas las lecturas deben ser tabuladas en la tabla a continuacin:

Tabla 4. Plantilla para tabulacin de datos del experimento medicin de flujo.

2.5.2.3 Gua de sntesis

1. Compare cada velocidad calculada con la velocidad medida (determinada por medio del

caudal y la seccin transversal de la tubera).

2.

Cul es el efecto en el perfil de velocidad en los resultados obtenidos?

Nota:

El tubo de Pitot se encuentra incluido para fines de demostracin solamente. El pequeo

diferencial de carga producido por el tubo de Pitot indica que solo debe ser usado en aplicaciones

donde se va a medir alta velocidad. La precisin de medicin en el C6-MKII-10 va a ser pobre

debido a la baja velocidad del agua.


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21

EJERCICIO 3.Canal abierto y visualizacin de patrn de flujo.

Figura 5. Equipo de canal abierto - F1-19

3.1 Introduccin

El objetivo principal de esta prctica es proporcionar una indicacin de la gama de

fenmenos de flujo en un canal de flujo que se pueden reproducir y visualizar en un flujo

alrededor de los modelos disponibles; en el cual un anlisis cuantitativo no es necesario.

3.2 Objetivo

Visualizar un rango de comportamiento de flujo en un canal de flujo y visualizar los

patrones de flujo alrededor de objetos inmersos en un flujo constante.

3.3 Equipamiento

Banco Hidrulico F1-10

Equipo de canal abierto F1-19 y sus accesorios

Crongrafo

Azul de Metileno (C20H12O5)

3.4 Marco Terico

Los fluidos al desplazarse a travs o alrededor de objetos slidos obedecen ciertoscomportamientos y presentan distintos tipos de patrones de flujo debido a la interferencia del

slido con el flujo, algunos de los cambios en el comportamiento se deben a cambios de rea,

presin, velocidad etc.

La primera parte de esta prctica pretende reproducir los fenmenos que presenta un

lquido que fluye a travs de un canal abierto, se reproducirn mediante algunos de los elementos

principales presentes en canales abiertos.


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22

La segunda parte, mediante la ayuda de un colorante se visualizar el comportamiento de

un lquido en movimiento cuando se coloca un slido en su seno. Esto nos ayudar a entender los

principios de comportamiento de un slido en el seno de un fluido, siendo la base para

comprender fenmenos aerodinmicos ms complejos.

3.5 Procedimiento

3.5.1 Experimento A3.5.1.1 Flujo en canal abierto

Parte A:Mediante el ajuste de la compuerta superior e inferior demostrar:

1.

Descarga por debajo de una compuerta deslizante;

2.

La creacin de un resalto hidrulico de una compuerta deslizante;

3.

Ahogamiento de una compuerta

Parte B:Flujo sobre una represa de cresta ancha.

Montar la pieza de represa ancha en la base del canal. Ajustar los vertederos superiores e

inferiores para crear:

1. Flujos supercrticos (rpido) y sub-crticos (lento) sobre la presa.

2.

La creacin de un resalto hidrulico aguas abajo de la presa.

3.

Ahogar la presa.

Prueba C: Flujo sobre un vertedero de bode filoso.

Repetir los procedimientos descritos anteriormente para la Parte B.

Tabla 3. Parmetros base para la obtencin de eventos del Procedimiento A.

Evento Altura de lacompuertasuperior(mm)

Altura de lacompuertainferior (mm)

Caudal(l/s)

Prueba A : Solo compuerta superior e inferior

Flujo bajo la esclusa (supercrtico) 5.5 0 0.14

Flujo bajo la esclusa con resaltohidrulico

15 20 (La posicin delresalto hidrulico

es muy sensible)

0.28

Flujo bajo la esclusa (ahogada) 15 33 0.23

Prueba B : Vertedero de cresta ancha


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Flujo Supercrtico mximo 3 0.034

Flujo subrcrtico mximo 3.2 0.18

Flujo subcrtico con salto hidrulico

aguas abajo

mximo 6 0.142

Vertedero parcialmente ahogado mximo 20 0.144

Prueba C : Vertedero de cresta afilada

Flujo supercrtico mximo 0 0.034

Flujo subrcrtico mximo 9 0.138

Flujo subcrtico con salto hidrulico

aguas abajo

mximo 22 0.135

Vertedero parcialmente ahogado mximo 42 0.244

3.5.1.2 Gua de sntesis procedimiento

1.

Dibuje cada uno de los eventos reproducidos en el canal e indique con flechas el

comportamiento del flujo.

2. A que se debe el resalto hidrulico?

3. Para qu sirven los vertederos?

3.5.2 Procedimiento B3.5.2.1 Visualizacin de patrn de flujo

El vertedero inferior deber ser removido y el superior posicionado para dar una abertura

de . entre la parte superior del vertedero y la cara frontal del canal. Conecte la manguerade entrada del equipo al banco hidrulico y abra la vlvula del banco para empezar a llenarlo. Sea

cuidadoso con el ajunte de la vlvula del banco y la manguera de desviacin, ajuste el flujo para

que otorgue una superficie de unos . por debajo de la parte superior del canal. Bajo estascondiciones el caudal debera ser de unos 2.4 litros/minuto.

Para una facilitar establecer el flujo de colorante proveniente de los tubos hipodrmicos,

remueva sistema de inyeccin de colorante del aparato y desconecte todos los tubos

hipodrmicos. Cierre vlvula de control de flujo de colorante y vierta el colorante diluido alreservorio hasta que est lleno a unos dos tercios. Sosteniendo el sistema de inyeccin sobre un

lavabo, abra la vlvula de control de colorante hasta que cada jeringa se llene de colorante,

remplace el tubo hipodrmico. Asegure un flujo libre de cada uno de los cinco tubos

hipodrmicos, luego cierre la vlvula de control de flujo de colorante. Visualizando desde arriba

del canal, revise que las salidas de los tubos hipodrmicos estn centradas con la seccin de

entrada del canal.


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24

Ajuste la vlvula de flujo de colorante para obtener lneas de corriente limpias y delgadas

de colorante provenientes de cada tubo. Diferentes lneas de corriente pueden ser visualizadas

ajuntando la posicin vertical del sistema de inyeccin.

NOTA: EL colorante suministrado es el adecuado para la visualizacin de flujo. El uso de

colorantes con densidad diferentes a las del agua resultar en una distorsin de las trayectorias de

flujo debido a los efectos gravitacionales. Si colorantes muy concentrados son utilizados, ocurrir

una coloracin rpida del agua en el canal resultando en una perdida de la definicin.

3.5.2.2 Gua de sntesis procedimiento B

1.

Dibuje cada uno de los patrones de flujo e indique con flechas su comportamiento.

2. Enuncie las diferencias de comportamiento del flujo para cada pieza y el porqu.



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25

EJERCICIO 4: Friccin de un fluido en una tubera lisa.

4.1 Objetivo

Determinar la relacin entre la prdida de carga debida a la friccin de fluido y la velocidad

para un flujo de agua a travs de tuberas lisas y confirmar la prdida de carga predicha por laecuacin de friccin.

4.2 Mtodo

Obtener una serie de lecturas de prdidas de carga a diferentes tasas de flujo en las cuatro

tuberas lisas.

4.3 Teora

El profesor Osborne Reynolds demostr que dos tipos de flujos puedes existir en una tubera.

1. Flujo laminar a bajas velocidades donde .2. Flujo turbulento a velocidades ms altas donde .

donde es la prdida de carga debido a la friccin y es la velocidad del fluido. Estos dos tipos deflujo estn separados por una fase de transicin donde no existe una relacin definida entre y .Los grficos de versus y versus muestran estas zonas.

Figura 14. Grfico deversus Figura 15. Grfico deversusAdems, para una tubera circular que fluye llena, la prdida de carga debido a la friccin

puede ser calculada mediante la ecuacin:


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donde es la longitud de la tubera entre los puntos de toma presin, es el dimetro interno dela tubera, es la velocidad media del agua a travs de la tubera en , es la aceleracindebido a la gravedad en yes el coeficiente de friccin de la tubera. Tenga en cuenta queel equivalente Americano del trmino Britnicoes donde .El nmero de Reynolds,

, puede ser encontrado usando la siguiente ecuacin:

donde es la viscosidad molecular . y es la densidad .

Teniendo un valor del nmero de Reynolds establecido para un flujo en la tubera, el valordepuede ser determinado usando un diagrama de Moody, una versin simplificada de este esmostrada a continuacin.

Figura 16. Diagrama de Moody simplificado.

4.4 Equipamiento

Banco Hidrulico - F1-10 Equipo de medicin de friccin de fluidoC6-MKII-10 Crongrafo Termmetro Calibrador

4.5 Procedimiento

1.

Cebe la tubera con agua. Abra y cierre las vlvulas apropiadas para obtener un flujo de

agua a travs de la(s) tubera(s) de prueba requeridas.

2.

Haga diez lecturas a varias tasas de flujo, alternando el flujo usando la vlvula de control

en el banco hidrulico.

3. Mida la tasa de flujo usando el tanque volumtrico (si esta usando el software C-304, la

tasa de flujo es medida directamente). Para pequeas tasas de flujo use un cilindro

calibrado. Mida la prdida de carga entre los puntos de muestro usando el medidor de

presin de mano o puede utilizar el accesorio C6-50 si as se le es indicado.


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4.

Obtenga las lecturas en las cuatro tuberas lisas.

5.

Mida el dimetro interno de cada muestra de tubera de prueba usando un calibrador de

Vernier.

4.6 Presentacin de resultados

Todas las lecturas deben tabularse en la siguiente tabla:

Tabla 5. Plantilla de tabulacin de datos del experimento de friccin en tuberas lisas.

4.7 Gua de sntesis

1.

Trazar un grfico h versus u para cada dimetro de tubera. Identifique en el grfico laszonas laminares, de transicin y turbulentas.

2.

Confirme en el grfico que la zona de flujo laminar a donde una lnea recta.

3.

Trazar un grfico de versus para cada dimetro de tubera. Confirme en el grficoque la zona de flujo turbulento es una lnea recta. Determina la pendiente de larecta para encontrar .

4.

Estime el valor del nmero de Reynolds al inicio y al final de la fase detransicin. Esto dos valores del son llamados las velocidades criticas superiores einferiores.

5.

Compare los valores de prdida de carga determinado por calculados con aquellos

medidos usando el manmetro.6. Confirme que la prdida de carga puede ser predicha usando la ecuacin de friccin

prevista, la velocidad del fluido y conociendo las dimensiones de la tubera.


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4.8 Anexos

Tabla 6. VISCOCIDAD CINEMATICA DEL AGUA A PRESION ATMOSFERICA ESTANDAR.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.

.

. . . . . . . . . . . . . .



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EJERCICIO 5. Prdidas de carga por accesorios.

5.1 Objetivo

Determinar las prdidas de carga asociadas con el flujo de agua a travs de accesorios

estndar usados en instalaciones sanitarias.

5.2 Mtodo

Midiendo el diferencial de carga en accesorios y vlvulas de prueba entre puntos de

lectura.

5.3 Teora

La prdida de carga en un accesorio es proporcional a la velocidad de carga del fluido que

fluye por el accesorio:

donde es coeficiente de prdida, es la velocidad promedio del agua que corre por la tuberaen y es la aceleracin dada la gravedad en .Nota:

Una vlvula de control de flujo no es ms que un accesorio el cual posee un coeficiente ajustable. El valor mnimo de y la relacin entre el vstago y el coeficiente y el factor sonimportantes al seleccionar una vlvula para una aplicacin en particular.

5.4 Equipamiento

Banco Hidrulico - F1-10 Equipo de medicin de friccin de fluidoC6-MKII-10 Crongrafo Termmetro Calibrador


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30

5.5 Configuracin del equipo

Los siguientes accesorios y vlvulas se encuentras disponibles en el equipo para prueba (los

nmeros entre parntesis estn referidos al diagrama de la figura 3):

Contraccin sbita (3)

Expansin sbita (16) Vlvula de bola(12)

Codo a (22) Mitre a (5) Unin Y da (4) Vlvula de compuerta (21)

Vlvula de globo (20)

Vlvula cheque (2)

Codo a (22) Curva corta a

(15)

Curva larga a (6) Unin T a(13)- Si est usando el accesorio de registro de datos C6-50, asegrese que la consola est encendida

y conectada a la PC va USB. Cargue el software C6-304 y seleccione el ejercicio B.

5.6 Procedimiento

1. Cebe la tubera con agua. Abra y cierre las vlvulas apropiadas para obtener un flujo de

agua a travs del accesorio requerido.

2.

Haga cinco lecturas a varias tasas de flujo, alternando el flujo usando la vlvula de control

en el banco hidrulico.

3.

Mida la tasa de flujo usando el tanque volumtrico (si esta usando el software C-304, la

tasa de flujo es medida directamente).

4.

Mida el diferencial de carga entre los puntos de muestreo en cada accesorio usando el

manmetro de mano digital o sensores.


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32

EJERCICIO 6. Friccin de un fluido en una tubera rugosa.

6.1 Objetivo

Determinar la relacin entre el coeficiente de friccin de fluido y el nmero de Reynolds para el

flujo de agua a travs de una tubera la cual posee las paredes de su interior rugosas.

6.2 Mtodo

Obtener una serie de lecturas de prdida de carga a distintos caudales a travs de las tuberas de

pruebas rugosas.

6.3 Teora

La prdida de carga debido a la friccin en una tubera se encuentra dada por:

donde es la longitud de la tubera entre puntos de muestreo, es el dimetro interno de latubera, es la velocidad media del agua a travs de la tubera en , es la aceleracin debidoa la gravedad en yes el coeficiente de friccin de la tubera. Note que el equivalenteamericano del trmino britnicoes donde .El nmero de Reynolds, , puede ser encontrado usando la ecuacin siguiente:

donde es la viscosidad molecular . y es la densidad .Teniendo ya establecido el valor del nmero de Reynolds para un nmero de flujos en la tubera,

el valor depuede ser determinado el diagrama de Moody, una versin simple de este se muestraa continuacin:

Usando la ecuacin deprdida de carga determinela prdida de carga terica.


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Figura 17. Diagrama de Moody simplificado.

6.4 Equipamiento

Banco Hidrulico - F1-10 Equipo de medicin de friccin de fluidoC6-MKII-10 Crongrafo Termmetro Calibrador Vernier interno.


Abra y cierre las vlvulas de bola como sea requerido para obtener flujo solo por la tubera rugosa.

Si est usando el accesorio de registro de datos C6-50, asegrese que la consola est encendida y

conectada a la PC va USB. Cargue el software C6-304 y seleccione el ejercicio C.

6.6 Procedimiento

1. Cebe la red de tuberas con agua. Abra y cierre las vlvulas apropiadas para obtener flujode agua a travs de la tubera rugosa.

2.

Tome las lecturas a 5 caudales diferentes, modificando el flujo usando la vlvula de controlen el banco hidrulico.

3.

Mida los caudales usando el tanque volumtrico en el banco hidrulico.4.

Mida la prdida de carga entre los puntos de muestreo usando el manmetro digital demano o sensores.

5.

Estime el dimetro nominal interno de la tubera de prueba usando un calibrador Vernier.Estime el factor de rugosidad .


Todas las lecturas deben tabularse en la siguiente tabla:

Tabla 8. Plantilla de tabulacin de datos del experimento de friccin en tuberas rugosas.


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34

Longitud de la tubera /=__________m

Altura de rugosidad k=____________m

6.8 Gua de sntesis

1.

Trace un grfico del coeficiente de friccin en contra el nmero de Reynolds (escala

logartmica).

2.

Anote la diferencia entre la curva de tubera lisa en el diagrama de Moody cuando el flujo

es turbulento.



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35

EJERCICIO 7. Caractersticas de una bomba centrfuga y bombas enserie/paralelo.

7.1 Objetivo

Determinacin las caractersticas de una bomba centrfuga.

7.2 Mtodo

Midiendo las caractersticas de carga, descarga y potencia de la bomba centrfuga a

diversas velocidades.

7.3 EquipamientoEn orden para completar la demostracin necesitamos un nmero de piezas de

equipamiento.

El banco hidrulico, el cual provee una de dos bombas usadas durante este experimento, y

permite medir el caudal mediante la colecta de volumen cronometrado.

El accesorio de prueba de la bomba centrfuga F1-27.

Un cronmetro para determinar el tasa de flujo de agua.

7.4 Datos tcnicos

Las siguientes dimensiones del equipo son usadas en diversos clculos segn se requiera.

Si es necesario, estos valores pueden realizarse como parte del procedimiento experimental y

sustituir por sus propias mediciones.

Valores de correccin de carga:

Lnea de referencia al manmetro del colector: . Lnea de referencia al manmetro de la descarga del F1-27:

.

Lnea de referencia al manmetro de la admisin del F1-27: . Lnea de referencia la admisin del banco hidrulico: .


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7.5 Teora

En este sipo de bomba (figura ), el fluido es arrastrado hacia el centro de un rodete

giratorio y es lanzado hacia afuera mediante la accin centrfuga. Como resultado de la alta

velocidad de rotacin, el lquido adquiere una alta energa cintica. El diferencial de presin entre

la admisin y la descarga proviene de la conversin de esta energa cintica en energa de presin.

Figura 18. Diagrama de funcionamiento de una bomba centrfuga.

La bomba centrifuga es una mquina rotodinmica radial, en el que el fluido entra al rotor

o rodete a un radio determinado y sale a un radio mayor. Haciendo que cambios ocurran en la

energa cintica, potencial y de presin; para cualquier comprensin del comportamiento de labomba y apreciacin de su desempeo se requiere la medicin o clculo de estas cantidades.

La relacin general entre varias formas de energa, basados en la primera ley de la

termodinmica aplicada a una unidad de masa de fluido que fluye a travs de un volumen de

control (como lo es la bomba en si) es expresado como:

. . donde

es el trabajo mecnico del eje ejercido al fluido,

es el cambio en energa

cintica del fluido, .es el cambio en enega potencial del fluido, es la prdida de energa porfriccin en forma de calor al medio o calentado el fluido en si a medida que viaja de la entrada a lasalida y

.


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es el cambio en la energa de presin, donde es el volumen por unidad de masa de fluido (paraun fluido incompresible de densidad constante , este trmino es igual a o dondese refiere a la descarga y a la entrada de la bomba).Los tres primeros trminos de la derecha presentan el trabajo til, . .

Donde subndice 2 se refiere a la descarga de la bomba y el subndice 1a la entrada.

El trmino representa el trabajo real realizado en cambiar las etapas de energa aunidad de masa del fluido. Esto puede ser alternativamente expresado como la carga dinmica

total de la bomba, , convirtiendo las unidades de trabajo por unidad de masa a carga expresadaen longitud, lo que involucra dividir entre la aceleracin por unidad de masa,

. En este aparato los dimetros de las tuberas son similares, por esto podemos asumir que

el trmino es insignificante, entonces: ( . )

Convirtiendo las mediciones de presin de admisin y de descarga de los manmetros en

trminos de carga, , donde . ,obtendramos:

La posicin vertical relativa de la admisin y la descarga son representadas por el trmino . Cada carga medida es a una posicin vertical relativa diferente. Por lo tanto, lasposiciones se toman respecto a una posicin de referencia, el plano horizontal a lo largo del centro

del rodete de la bomba F1-27. A cada posicin se le asigna un factor de correccin de carga

referencial, , como en los ejemplos mostrados en el diagrama siguiente:

Figura 19. Diagrama de factores de correccin de carga.


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38

La posicin vertical relativa de la admisin y la descarga de la bomba ser entonces

La distancia vertical relativa entre la admisin y la descarga de la bomba puede entonces

ser expresada como una diferencia de carga,

Substituyendo en la ecuacin finalmente entrega la carga generada a travs de la

bomba

El factor de correccin de carga referencial para cada posicin de medicin puede ser

encontrado en el subndice Datos Tcnicos. Si los cimientos de la bomba no se encontraran

posicionados en el mismo nivel que la base del banco hidrulico, estas figuras necesitaran ser

ajustadas en consecuencia.

Los trminos bsicos usados para definir, y por lo tanto para medir, el desempeo de la

bomba incluye

1. La descarga

2.

Carga

3.

Entrada de potencia y eficiencias

7.5.1 Descarga La descarga (tasa de flujo, o capacidad) de una bomba es el volumen de lquido bombeado

por unidad de tiempo.

7.5.2 Carga

El trmino carga se refiere a la elevacin de una superficie libre de agua por encima

o por debajo de un nivel de referencia. El trabajo til generado por la bomba puede estar dado

en trminos de la carga, como fue mostrado anteriormente.

7.5.3 Entrada de potencia y eficiencias

La potencia de salida til de la bomba, , es la potencia consumida por el fluido enproducir una carga total a una tasa descarga , y est dada por la ecuacin :

De todos modos, las prdidas por friccin de fluido en la bomba en si requieren una

eficiencia hidrulica, , que se define:


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39

Adems, las prdidas mecnicas en los rodamientos etc. requieren una eficiencia

mecnica,

La unidad de bomba centrifuga no incluye la medicin directa de la potencia mecnica,

pero en su lugar mide el voltaje elctrico, , y la corriente, , hacia el motor. Esto permitecalcular la potencia elctrica hacia el motor de la bomba, , para ser calculado

Una eficiencia ms seria requerida, expresando las prdidas electro-mecnicas en el

motor, :

La eficiencia general es entonces

Tambin se ha visto que


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40

7.5.4 Operacin de una bombaLa mejor manera de describir las caractersticas de una bomba centrfuga es a travs del

uso de las curvas caractersticas Carga total /Caudal como se muestra en la figura a continuacin:

Figura 20. Caractersticas de bombas centrfugas-Carga total en contra de caudal.

Esta figura muestra la tpica interrelacin de la carga total y el caudal para unabomba tpica equipada en el F1-2 cuando opera diferentes velocidades.

Note que las velocidades de la bomba estn medidas en Hz. Un ajuste de frecuencia a 50

Hz en el inversor corresponde a una velocidad de bomba de 2800 RPM. Multiplicando un ajuste

del inversor (Hz) por 56 se obtiene la velocidad de la bomba en RPM.

La bomba puede ser operada a velocidades reducidas para mostrar los efectos en el

desempeo. De todos modos, el desempeo de una bomba centrfuga se reduce dramticamente

con la velocidad y los cambios en las lecturas pueden ser extremadamente pequeos cuando

opera aproximadamente debajo de (30 Hz). Por esta razn se recomienda obtener resultados

entre 60 Hz y 30 Hz. La bomba puede ser operada a velocidades mas bajas si es requerido pero el

desempeo ser insignificante.

Otras curvas caractersticas usadas para demostrar el desempeo de una bomba

centrfuga incluye la potencia entrante a la bomba en contra caudal y eficiencia general en contra

caudal. Curvas tpicas del F1-27 se muestran en las figuras siguientes:

Caudal l/s

ttl


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41

Caudal l/s

Caudal l/s

fii

ittl

t

i

t

t

Figura 20. Caractersticas de bombas centrfugas-Potencia en contra de caudal.

Fi ura 21. Caractersticas de bombas centr u as-E iciencia total en contra de caudal.


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7.5.5 Operacin de bombas en serieEn caso de que la carga de una sola bomba no se suficiente para una aplicacin, las

bombas se pueden combinar en serie para obtener un incremento en la carga al mismo caudal de

una sola bomba.

Figura 22. Operacin de bombas en serie.

Como se muestra en la figura, cuando dos bombas que poseen caractersticas similares

carga-caudal son operadas en serie se obtiene la curva carga-caudal de bombas combinadas, esta

es obtenida sumando las curvas de carga de las bombas al mismo caudal. En la prctica la carga

combinada terica no es del todo alcanzada debido a las prdidas adicionales en los accesorios

entre las dos bombas.

7.5.6 Operacin de bombas paraleloEn caso de que el caudal de una bomba no sea suficiente para una aplicacin, las bombas

se pueden combinar en paralelo para obtener un incremento en el caudal a la misma carga de una

sola bomba.

Figura 23. Operacin bombas en paralelo.


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Como se muestra en la figura, cuando dos bombas que poseen caractersticas similares

carga-caudal son operadas en paralelo se obtiene la curva carga-caudal de bombas combinadas,

esta es obtenida sumando las curvas de caudal de las bombas a la misma carga. En la prctica el

caudal combinado terico no es del todo alcanzado debido a las prdidas adicionales en los

accesorios entre las dos bombas.


Tres tipos de configuracin se encuentran disponibles; una sola bomba (a velocidades

variables), dos bombas en serie (a velocidad fija) y dos bombas en paralelo (a velocidad fija).

Para configurar estas demostraciones necesitamos modificar las configuraciones

existentes de las tuberas flexibles como se muestra a continuacin.

7.6.1 Operacin de una bomba

Figura 24. Diagrama de conexin para una bomba.

Para la operacin de una sola bomba, la admisin del F1-27 (la conexin lateral de la

bomba) debe ser conectada a la vlvula de drenaje del banco hidrulico F1-10, el cual debe estar

totalmente abierto mientras se realiza el experimento. La descarga en la parte superior de la

bomba debe estar conectada al colector de descarga.

Los manmetros usados para medir la carga de admisin y descarga para de este

experimento son el vacumetro F1-27, , y el manmetro de descarga F1-27, .


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7.6.2 Operacin de bombas en serie

Figura 25. Diagrama de conexin para bombas en serie.

Para la operacin de bombas en serie, la admisin del F1-27 (la conexin lateral de la

bomba) debe estar conectada a la descarga en el banco hidrulico, usando el adaptador

enroscado. La descarga en la parte superior de la bomba debe ser conectada a la descarga del

colector.

El manmetro usado para medir la carga de desage de la bomba es el manmetro de

salida del F1-27, . La admisin del banco hidrulico se asume a presin atmosfrica, modificadapor el factor de correccin de carga dado en los Datos Tcnicos.

7.6.3 Operacin de bombas en paralelo

Figura 26. Diagrama de conexin para bombas en paralelo.


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Para la operacin de bombas en paralelo, la admisin del F1-27 (la conexin lateral de la

bomba) debe ser conectada a la vlvula de drenaje del banco hidrulico F1-10, el cual debe estar

totalmente abierto mientras se realiza el experimento. La descarga en la parte superior de la

bomba debe estar conectada a la conexin T. La descarga de la bomba del banco hidrulico debe

estar conectada tambin al conector T usando el adaptador enroscado. Finalmente la salida que

queda en el conector T debe conectarse al colector de descarga.

Los manmetros usados para medir la carga de admisin y descarga para de este

experimento son el vacumetro F1-27, , (se asume que ambas bombas poseen cargas deadmisin similares), y el manmetro del colector de descarga , .7.6.4 Bombas dismiles operadas en serie o paralelo

Para mostrar las caractersticas de bombas dismiles, las bombas pueden ser conectadas

en serie o en paralelo como se describe con anterioridad pero la velocidad de la bomba equipada

en el F1-27 puede ser variada para obtener diferentes caractersticas de carga/flujo a la bomba

equipada en el F1-10.

7.7 Procedimiento

7.7.1 Experimento A. Operacin de una bomba

Asegure que el F1-27 ha sido conectado de manera apropiada al F1-10 como es mostrado en el

diagrama anterior para operacin de una bomba. Abra la vlvula de drenaje y cierre la vlvula de

control de descarga en el colector de descarga. Encienda la alimentacin al variador del F1-27.

Presione el botn RUN en el variador.

Use el variador presione la tecla de aumento para establecer la velocidad mxima de 60 Hz como

es indicado en la pantalla del variador. Abra por completo la vlvula de descarga.

Tome 6 lecturas en un rango de valores de carga. Vare la carga usando la vlvula de control de

descarga, e incluya los datos para flujo cero con la vlvula completamente cerrada. Las lecturas

para la carga del flujo de admisin deben ser tomadas del vacumetro de admisin de la bomba

del F1-27. Las lecturas para la descarga de la bomba deben ser tomadas del manmetro de

descarga de la bomba del F1-27. Realice una colecta cronometrada de volumen para cada valor de

carga y de este modo determinar el caudal.

Las lecturas del voltaje y la corriente de entrada deben ser tomadas del variador:

Presione la tecla FUNC/DATA una vez para mostrar la frecuencia.

Presione la tecla FUNC/DATA una segunda vez para mostrar la corriente de salida.

Presione la tecla FUNC/DATA una tercera vez para mostrar el voltaje de salida.

Presione la tecla FUNC/DATA tres veces mas vez para mostrar la frecuencia nueva vez.

Repita el procedimiento para 50Hz y 40Hz.


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7.7.2 Experimento B. Operacin de bombas en serie

Asegure que el F1-27 ha sido conectado de manera apropiada al F1-10 como es mostrado

en el diagrama anterior para operacin de bombas en serie. Abra la vlvula de drenaje y cierre la

vlvula de control en el banco hidrulico F1-10. Cierre la vlvula de control de descarga en el

colector de descarga. Encienda la bomba del F1-10. Abra la vlvula del F1-10 completamente.

Conecte la alimentacin al variador F1-27 y ajuste la velocidad del motor a 60Hz. Abra

completamente la vlvula de control de flujo y permita que el sistema se cebe completamente.

Tome 10 lecturas en un rango de valores de carga. Vare la carga usando la vlvula de

control de descarga, e incluya los datos para flujo cero con la vlvula completamente cerrada.

Registre las cargas de admisin y descarga. Realice una colecta cronometrada de volumen para

cada valor de carga y de este modo determinar el caudal.

Las lecturas para la descarga de la bomba deben ser tomadas del manmetro de descarga

de la bomba del F1-27. La carga de admisin se toma como la carga en la succin del banco

hidrulico la cual se supone que se encuentra presin atmosfrica (cero respecto a la salida). Estode todos modos debe modificarse mediante el factor de correccin de carga dado en la seccin de

Datos tcnicos, para tener en cuenta la diferencia de altura entre el nivel del agua del depsito y la

admisin de la bomba banco hidrulico.

Cuando el F1-27 es usado en serie con la bomba del F1-10, el variador en el F1-27 debe ser

colocado a 60 Hz para asegurarse que las dos bombas tengan un desempeo similar.

7.7.3 Experimento C. Operacin de bombas paralelo

Asegure que el F1-27 ha sido conectado de manera apropiada al F1-10 como es mostrado

en el diagrama anterior para operacin de bombas en paralelo. Abra la vlvula de drenaje y cierrela vlvula de control en el banco hidrulico F1-10. Cierre la vlvula de control de descarga en el

colector de descarga. Encienda la bomba del F1-10. Abra la vlvula del F1-10 completamente.

Conecte la alimentacin al variador F1-27 y ajuste la velocidad del motor a 60Hz. Abra

completamente la vlvula de control de flujo y permita que el sistema se cebe completamente.

Tome 10 lecturas en un rango de valores de carga. Vare la carga usando la vlvula de

control de descarga, e incluya los datos para flujo cero con la vlvula completamente cerrada.

Registre los valores de las cargas de admisin y descarga para cada valor. La carga de

admisin se asume que es similar para ambas bombas, y es medida usando el vacumetro de

admisin del F1-21. La carga de la salida es medida usando el manmetro de descarga ubicado en

el colector de descarga. A bajos caudales (por debajo de 1.4 l/s), el flujo debe ser medido por

colecta cronometrada de volumen en el tanque volumtrico. A altos caudales (por encima de 1.4

l/s), es necesario el uso de una placa de orificio suministrada para medir el flujo. Retire la bola de

sellado y el peso del tanque, ajuste la placa en el orificio en el drenaje. En cada ajuste de la

bomba, permita que el nivel de agua en el tanque se estabilice (esto puede tardar varios minutos).

A continuacin, lea el valor de la escala superior de la mirilla del banco. Esta lectura en litros se


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puede utilizar para encontrar el caudal real haciendo referencia a la siguiente tabla (la escala baja

en la F1-10 no debe ser utilizada).

7.7.3.1 Tabla de referencia de caudales

Tabla 9. Tabla de referencia de caudales.

Lecturade la mirilla

(litros)

Caudal(l/s)

Lecturade la mirilla

(litros)

Caudal(l/s)

0 1.41 20 2.00

1 1.44 21 2.02

2 1.48 22 2.05

3 1.51 23 2.07

4 1.54 24 2.09

5 1.57 25 2.12

6 1.60 26 2.147 1.63 27 2.16

8 1.66 28 2.19

9 1.69 29 2.21

10 1.72 30 2.23

11 1.75 31 2.25

12 1.78 32 2.27

13 1.81 33 2.29

14 1.84 34 2.31

15 1.86 35 2.33

16 1.89 36 2.35

17 1.92 37 2.37

18 1.94 38 2.39

19 1.97 39 2.40


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Tabla 10. Plantilla para tabulacin de datos del experimento (A) de caractersticas de bombas centrfugas..

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Tabla 11. Plantilla para tabulacin de datos del experimento (A) caractersticas de bombas centrfugas.

.

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Tabla 12. Plantilla para tabulacin de datos del experimento (B) bombas en serie..

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Tabla 13. Plantilla para tabulacin de datos del experimento (B) bombas en serie.

.

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Tabla 14. Plantilla para tabulacin de datos del experimento (C) bombas en paralelo..

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Tabla 15. Plantilla para tabulacin de datos del experimento (C) bombas en paralelo..

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7.9 Gua de sntesis

1. Construya un grfico con las curvas caractersticas para cada velocidad del motor cuando

una sola bomba es operada.

2.

Construya las curvas caractersticas para bombas en serie y bombas en paralelo.

3.

Comparando las curvas caractersticas de carga en contra de caudal y eficiencia general

determine el punto ptimo de operacin de cada bomba a cada velocidad experimentada.

4.

Cual es el efecto de la carga de admisin (succin) en el desempeo de la bomba?

5.

Se obtuvo el doble de la carga para dos bombas en serie? Se obtiene el doble del flujo

para dos bombas en paralelo? Exprese cualquier diferencia observada entre la carga

terica y la carga obtenida.

6.

Cul es el efecto en el cambio de la energa cintica del fluido si los dimetros de laadmisin y la descarga cambian de 25 mm a 32 mm?



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EJERCICIO 8. Impacto de un chorro y demostracin de turbinaPelton.

8.1 Experimento A. Impacto de un chorro

Figura 27. Equipo de un chorro F1-16.

8.1.1 ObjetivoInvestigar las fuerzas de reaccin producida por el cambio de momento de un flujo de fluido.

8.1.2 MtodoMidiendo las fuerzas producidas por un chorro que incide en superficies slidas las cuales

producen diferentes grados de deflexin del flujo.

8.1.3 EquipamientoEn orden para completar la demostracin es necesaria una serie de equipos.

El banco hidrulico F1-10 el cual permite medir el flujo mediante la colecta de volumen

cronometrada.


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El aparato de impacto de un chorro con 4 deflectores de flujo, teniendo en estos ngulos

de deflexin de 30, 90, 120 y 180 grados.

Un crongrafo para permitir determinar el flujo de agua.

8.1.4 Datos tcnicos

Las siguientes dimensiones del equipo son usadas en los clculos. Si se requiere estos

valores pueden ser revisados como parte del procedimiento experimental y remplazados con las

medidas propias.

Dimetro de la boquilla . por lo tanto

El rea transversal de la boquilla es . 8.1.5 Teora

La velocidad de fluido, v, saliendo de la boquilla de un rea de seccin transversal, A, es dado por

Se asume que la magnitud de la velocidad (es decir rapidez) no cambia a lo que el fluido fluye

alrededor del deflector, solo es la direccin que cambia.

La aplicacin de la 2da ley de Newton al flujo desviado da como resultado:

donde y pero donde Para equilibrio esttico, est balanceado por la fuerza aplicada, (y , donde es lamasa aplicada) por lo tanto;

As, la pendiente, , del grfico de en contra es Note que , donde es el ngulo de desviacin flujo.


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8.1.6 Configuracin del equipo

Remueva la placa superior (liberando las tuercas moleteadas) y el cilindro transparente de

la instalacin de prueba, revise y registre el dimetro de salida de la boquilla. Remplace el cilindro,

Atornille una de los cuatros deflectores de flujo (teniendo identificado su ngulo de deflexin) en

el extremo del eje. Localice el accesorio en el canal del banco hidrulico luego conecte el tubo de

admisin en el conector rpido en el banco hidrulico.

Vuelva a colocar la placa superior del tanque transparente, pero no se ajustan a las tres

tuercas estriadas.

Con el nivel de burbuja unido a la parte superior, nivele el tanque transparente mediante

el ajuste de las patas.

Vuelva a colocar los tres tuercas moleteadas, apriete en secuencia para mantener la placa

superior de nivel indica el nivel de burbuja. Se debe tener cuidado de no apretar demasiado las

tuercas moleteadas, ya que podra daar la placa superior; las tuercas moleteadas slo se deben

apretar lo suficiente para nivelar el plato.

Asegrese que el eje vertical se encuentra libre para moverse y se encuentra apoyada del

resorte debajo del platillo de pesas.

8.1.7 Procedimiento A

Sin pesas en el platillo de pesas ajuste la altura del indicador de nivel hasta que se alinee

con la lnea de referencia en el platillo de peso. Revise que la posicin es correcta oscilando

gentilmente el platillo. (El platillo debe descansar con el indicador de nivel alineado con la lnea de

referencia una vez ms.) Coloque una basa de unos 0.4 kg en el platillo de pesas y abra la vlvuladel banco para producir un flujo. Ajuste la posicin de la vlvula hasta conseguir equilibrio esttico

al alinear la lnea de referencia del plato de pesas con el indicador de nivel (revise nueva vez

oscilando el platillo gentilmente).

Observe (y anote) el comportamiento del flujo durante la prueba.

Ahora se puede llevar la medicin de volumen y caudal usando el tanque volumtrico. Esto

puede conseguirse cerrando la vlvula de bola y midiendo (con un crongrafo) el tiempo que toma

acumular un volumen conocido de fluido en el tanque volumtrico, usando la mirilla. Tambien se

puede colectar fluido por al menos un minuto para minimizar los errores de sincronizacin. Repita

dos veces esta medicin para verificar consistencia y luego el promedie las lectures.

Repita este procedimiento para un rango de masas aplicadas al platillo de pesas.

Luego repita toda la prueba para cada uno de los otros tres deflectores.

Nota: El blanco de 30 grados demuestra las fuerzas reducidas a pequeos ngulos de deflexin. La

comparacin con la teora a este ngulo reducido de deflexin ser pobre a caudales pequeos.


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abla 16. Plantilla para tabulacin de datos del experimento (A) impacto de un chorro.

8.1.8 Gua de sntesis

1.

Trace una curva de velocidad2en contra de masa aplicada. Comparte la pendiente de este

grfico con la pendiente terica calculada

2.

Comente sobre el acuerdo entre los resultados tericos y experimentales, y de las razones

de las diferencias.

3.

Comente sobre la significancia de cualquier error experimental.



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8.2 Experimento B. Demostracin de turbina Pelton.

Figura 28. Equipo de turbina Pelton F1-25, montado en el equipo F1-10 .

8.2.1 Objetivo

Determinar las caractersticas de operacin de una turbina Pelton.


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8.2.2 Mtodo

Usando el dinammetro de friccin:

1.

Para variar en etapas la velocidad del rotor de la turbina desde la velocidad mxima (cero

torque) hasta la velocidad mnima (rotor atascado/torque mximo).

2.

Para medir el torque producido por el rotor de la turbina a cada etapa.

Usando una vlvula de aguja para variar el flujo a travs de la turbina, permitiendo a las

pruebas siguientes ser repetidas a diferentes caudales.

De las lecturas obtenidas trazar grficos de Torque, potencia al freno y eficiencia general en

contra de velocidad de rotor para mostrar las caractersticas de operacin de una turbina Pelton.

8.2.3 EquipamientoEn orden de completar la demostracin se necesita una serie de equipos.

El banco hidrulico F1-10 el cual nos permite medir el flujo mediante la colecta devolumen.

La turbina Pelton F1-25.

Un crongrafo el cual permite determinar el caudal.

Un tacmero remoto (tipo sin contacto) para medir la velocidad del rotor.

8.2.4 TeoraLa turbina Pelton, es el ejemplo mas visual de una maquina de impulso. Una vlvula de

aguja dirige un chorro de agua a una serie de cangilones los cuales se encuentras montados en la

periferia de un rotor. A la medida que el agua sale de la vlvula de aguja esta se encuentra a

presin atmosfrica, la fuerza aplicada al rotor es integra debido a los cambios en direccin delflujo de agua. La turbina Pelton se encuentra asociada a cambios considerables de energa cintica

pero a pequeos cambios en energa de presin. La vlvula de aguja permite que el dimetro del

chorro ser variado lo que permite que el flujo de agua pueda ser variado a chorro constante.

Note que las grandes turbinas pueden incluir ms de una vlvula de aguja alrededor de la

periferia del rotor para mejorar la potencia disponible de la turbina.

Figura 29. Esquema de funcionamiento de una turbina Pelton.


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Las caractersticas de operacin de una turbina son normalmente mostradas trazando el

torque T, la potencia al freno , y la eficiencia general de la turbina en contra de la velocidadrotacional de la turbina para una serie de caudales , como es mostrado en la figura. Esimportante notar que la potencia al freno y la eficiencia general de la turbina se elevan a un

mximo y luego se hacen cero, mientras que el torque cambia constantemente y linealmente con

la velocidad.

Debido a que las turbinas son normalmente usadas a una velocidad fija, v.g. cuando se

genera electricidad, una turbina debe ser cuidadosamente diseada para asegurar que la

eficiencia mxima coincide con la velocidad normal de operacin. A medida que la carga a la

turbina cambia, el flujo de agua es regulado va la vlvula de aguja para mantener la turbina a le

velocidad de operacin requerida. Note que la eficiencia pico cambia ligeramente con

carga/caudal entonces la turbina puede ser optimizada a una condicin. Si a turbina es optimizada

para operar a plena carga entonces la eficiencia caer ligeramente a medida que la carga se

reduce (mientras mantiene una velocidad constante).

Los parmetros bsicos que definen el desempeo de una turbina Pelton son:

. . . . . .

Cada una de estas considera a su vez:

El caudal a travs de la turbina es el volumen que pasa a por el sistema por unidad de

tiempo.

.El trmino carga se refierea la elevacin de una superficie libre de agua por arriba o por

debajo de una lnea de referencia. En el caso de la turbina Pelton interesa la carga

manual de prácticas de laboratorio dinámica de fluidos y turbomáquinas

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