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