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Termodinámica y Mecánica de Fluidos
Grados en Ingeniería Marina y Marítima
MF. T6.- Máquinas Hidráulicas
Las trasparencias son el material de apoyo del profesor
para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura.
Al alumno le pueden servir como guía para recopilar
información (libros, …) y elaborar sus propios apuntes
Departamento:
Area:
Ingeniería Eléctrica y Energética
Máquinas y Motores Térmicos
CARLOS J RENEDO [email protected]
Despachos: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28
http://personales.unican.es/renedoc/index.htm
Tlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82
1
Termodinámica y Mecánica de Fluidos
Grados en Ingeniería Marina y Marítima
MF. T6.- Máquinas Hidráulicas
Objetivos:
El objetivo de este tema es presentar al alumno el concepto de máquina
hidráulica y su funcionamiento. De especial interés, por su extensa aplicación
naval, resulta el conocimiento de las bombas centrífugas y los ventiladores.
Finalmente se introducen las hélices
El tema se completa con dos prácticas de laboratorio:
• En la primera se explican despieces de máquinas hidráulicas,
especialmente bombas centrífugas
• En la segunda se ensaya una bomba centrífuga, y acoplamientos en serie
y paralelo
2
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
1.- Generaliudades de las M.H.
2.- Bombas centrífugas
3.- Turbinas hidráulicas
4.- Ventiladores
5.- Compresores
6.- Hélices
W2
C2
β2
2
1.- Generalidades de las M.H. (I)
M.H. comunican o extraen energía de un fluido
Suelen tener un elemento giratorio (rodete), que
tiene una serie de álabes con unos determinados
ángulo de incidencia del fluido, siendo los de
entrada (1) , y los de salida (2)
W1
β1
1
U2
C1
U1
La velocidad del fluido (C) es la suma de:
• Velocidad de rotación (U), debida al giro del rodete
• Velocidad de traslación a lo largo del rodete (W), sigue los álabes
Estas velocidades y los ángulos entre ellas  triángulos de velocidades
3
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
1.- Generalidades de las M.H. (II)
Alabe director
Para una Bomba Centrífuga:
Voluta
Aspiración:
El líquido es aspirado por el
ojo del rodete
Rodete:
Rodete
Comunica energía cinética
al fluido
Alabes directores:
Aspiración
Recoger el fluido y lo envía
hacia la voluta sin choques
ni turbulencias (opcionales)
Voluta:
En ella se transforma la
energía cinética del fluido en
energía de presión
4
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
W2
1.- Generalidades de las M.H. (III)
Fluido (C)
Rotor (U)
Relativa  C  U 
Entrada
C1
U1
W1  C1  U1
Salida
C2
U2
W2
Forma del álabe
2    r1  n
(m / s)
60
U1 
Velocidad
del fluido
U1
2

 U2
 W U 
U2
W1
β1
1
C1
2    r2  n
(m / s)
60
U1
C1  sen 1
sen 1

sen 1 

U1  C1  cos 1  W1  cos 1  C1   cos 1 
tg 1 

Velocidad periférica del rodete
C1 
U1

sen 1 
 cos 1 

tg 1 

Si 1  90 º  C1  U1  tg1 (m / s)
2
C2
2

C1  sen 1  W1  sen 1  W1 
W1
β1
β2

 C U 
U2 
Velocidad
relativa
C1
1


 C
C2
C1    r1
Caudal C1  A 1



A2
A2
2    r2  Ancho ro det e
5
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
W2
1.- Generalidades de las M.H. (IV)
Fluido (C)
Rotor (U)
Relativa  C  U 
Entrada
C1
U1
W1  C1  U1
Salida
C2
U2
W2
Forma del álabe

 C U 

 C
2

 U2
β2
2


β1
1
 W U 
El salto creado por la bomba, H: H 
C2
c 2  u2  cos  2  c 1  u1  cos 1
g
Si 1=90º  Hmax
W1
U2
C1
U1
La altura real: HR  H  Hloss
 Q
 (c 2  r2  cos  2  c 1  r1  cos 1 )
g
El par motor, C:
C
La potencia hidráulica, N:
N    Q  H  C  velang 
2
nC
60
6
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
1.- Generalidades de las M.H. (VI)
W2
β2
Fluido (C)
Rotor (U)
Entrada
C1
U1
W1  C1  U1
Salida
C2
U2
W2
W2
C2
C2

 C
2

 U2

C2
W2
β2
β2
U2
U2
Alabes curvados hacia delante
Relativa
U2
Alabes rectos
Alabes curvados hacia atrás
7
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
1.- Generalidades de las M.H. (VII)
Máquina Axial:
W1
C1
U1
β1
U2
1
2
C2
β2
W2
8
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
Una bomba centrífuga gira a 1.500 rpm. La superficie de entrada del agua al
rodete es de 0,03 m2, y la de salida 0,04 m2. El diámetro del rodete a la
entrada es de 0,3 m y a la salida de 0,5 m. Los ángulos de los álabes son:
1= 90º; 1= 22º; 2= 15º. Calcular:
W2
 Los triángulos de velocidades (U1, U2, C1; 2)
C2
 La altura teórica de impulsión
 La potencia teórica de impulsión
β2
2
β1
1
W1
U2
C1
U1
9
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- Bombas Centrífugas (I)
Provocan el movimiento de un líquido, venciendo las resistencias que impone el circuito
hidráulico a su paso, consumen energía
Existen principalmente dos tipos de bombas:
•De desplazamiento positivo: de embolo, rotativas y de tornillo
•Centrífugas; son las empleadas en los sistemas de climatización,
calefacción …; producen un flujo continuo de agua; el par de
arranque es pequeño, lo que hace fácil su accionamiento
Características:
• caudal (m3/h o l/h)
• la presión o altura suministrada, h
• la altura de aspiración
• la potencia consumida
• la presión máxima que puede soportar
Presión
Potencia
Rendimiento
NPSHr
Q
Formas típicas para una bomba centrífuga
10
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- Bombas Centrífugas (II)
Ventajas:
• de sencilla construcción, no requieren tolerancias estrictas
• no necesitan válvulas, no tienen movimientos alternativos
• compacta y poco peso,
• fácil mantenimiento y de vida prolongada
Inconvenientes:
• bajos rendimientos con caudales pequeños
• no se autoceban (válvula de pie de pozo)
Las partes de la bomba son:
 el rodete.
aspiración.
 carcasa o voluta., puede incluir un difusor
(sistema de álabes fijos).
 empaquetaduras y cierres mecánicos.
11
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- Bombas Centrífugas (II)
Ventajas:
• de sencilla construcción, no requieren tolerancias estrictas
• no necesitan válvulas, no tienen movimientos alternativos
• compacta y poco peso,
Rotor
• fácil mantenimiento
y de vida prolongada
Inconvenientes:
• bajos rendimientos con caudales pequeños
• no se autoceban (válvula de pie de pozo)
Rotor
Las partes de la bomba son:
 el rodete.
aspiración.
Difusor
 carcasa o voluta., puede incluir un difusor
(sistema de álabes fijos).
 empaquetaduras y cierres mecánicos.
Difusor
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T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- Bombas Centrífugas (III)
Existen bombas de rotor húmedo (sin mantenimiento, menos ruido, peor
rendimiento y para circuitos cerrados) y de rotor seco.
Se llama bomba multifase o multietapa a las bombas
que tienen varios rodetes encerrados en una única carcasa
(rodetes en serie)
• Eje horizontal
• Eje vertical
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T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- Bombas Centrífugas (IV)
Tipos de rodetes:
Cerrados: el habitual, mejor rendimiento,
posibles problemas de obstrucción
Semiabiertos: sin problemas de obstrucción,
se emplean con fluidos “sucios”
Abiertos: sin problemas de obstrucción, muy
malos rendimientos hidráulicos por “fugas
internas”
Doble aspiración: compensa
axiales, para grandes caudales
esfuerzos
14
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B. C.: Cavitación (I)
P
Cavitando
Cavitación: vaporización del agua por la
depresión creada en la entrada
(ruidos, desgaste de piezas, vibraciones, Q)
El peligro aumenta con agua caliente
Q
Las bombas centrífugas tienen una altura de aspiración limitada
NPSH (altura neta de succión positiva): es la presión mínima por debajo de la
cual se produce cavitación en la bomba
Hay dos NPSH:
2
2
– NPSH requerida: es una característica de la bomba NPSHr  1  W1   2  C1
2g
– NPSH disponible: es una característica
del circuito de aspiración
NPSHd 
2g
1  0,29
2  1,32
p atm  p sat
 cota  Hper Tub

NPSHd  NPSHr  0,5m
15
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B. C.: Cavitación (I)
P
Cavitación: vaporización del agua por la
depresión creada en la entrada
Cavitando
(ruidos, desgaste de piezas, vibraciones, Q)
El peligro aumenta con agua caliente
Q
Las bombas centrífugas tienen una altura de aspiración limitada
NPSH (altura neta de succión positiva): es la presión mínima por debajo de la
cual se produce cavitación en la bomba
Hay dos NPSH:
2
2
– NPSH requerida: es una característica de la bomba NPSHr  1  W1   2  C1
2g
– NPSH disponible: es una característica
del circuito de aspiración
NPSHd 
2g
1  0,29
2  1,32
p atm  p sat
 cota  Hper Tub

NPSHd  NPSHr  0,5m
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T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B. C.: Cavitación (II)
NPSHd : ↓ al ↑ la altitud del lugar (↓patm) y la Tª del fluido (↑ psat)
NPSHd 
patm  p sat
 cota  Hper Tub
γ
17
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Leyes de Semejanza
• Al ↕ velocidad de giro (n), ↕ el caudal (Q) proporcionalmente, y la presión o altura (H)
suministrada proporcionalmente a n2
• La potencia absorbida (Pabs) es proporcional a n3 (Pabs = . Q.H)
• Al ↕ el diámetro del rodete (Dr), ↕ Q y H proporcionalmente
Q1 rpm1

Q 2 rpm 2
• Al ↕ la anchura del rodete, ↕ Q proporcionalmente
1/2
rpm1 Drodete1 Q1  H1 



ó
rpm 2 Drodete 2 Q 2  H2 
1/3
 Pabs1 

 
 Pabs 2 
• Al ↕ los ángulos o el nº de álabes cambia la forma de la curva H-Q
• La curva H-Q se ve afectada por m, y es sensible a la T
• Para mantener un caudal determinado si T (μ)  , Pabs y H
H1  rpm1 


H2  rpm 2 
2
Pabs1  rpm1 


Pabs 2  rpm2 
3
Se amplia en
ventiladores
18
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Punto de Funcionamiento (I)
El punto de funcionamiento está marcado por la intersección entre la curva de
la bomba y la de la tubería ( k.Q2)
Circuito abierto:
P.estática + Fric. Tubería
Circuito cerrado
Fricción en Tubería
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T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Punto de Funcionamiento (II)
Para variar el punto de funcionamiento de la bomba:
• Instalando un depósito de acumulación para las
puntas de demanda
• Instalando varias bombas en paralelo
• Con un bypass y una válvula entre la impulsión y la
aspiración
• Provocando una pérdida de carga con una válvula
situada en la tubería de impulsión
• Variando la velocidad de giro
H
H
HB
HA
A
B
Al cerrar
A
B
Q
QB
QA
Q
20
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Punto de Funcionamiento (III)
H
Comparando consumos:
N   Q H
A
HA
B
Pot
HB
Bypass
Vimp
C
HC
n
QB
QA
QC
Q
%Q
21
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Punto de Funcionamiento (IV)
Control con válvula en la impulsión:
ojo al pto de funcionamiento
Ej: Control con Vimpulsión
Q
H
 Q  cte
B
Cortes en la zona “abrupta”
de la curva de la bomba
ofrecen sistemas de “Q cte”
A
Cortes en la zona “plana”
de la curva de la bomba
son los adecuados para
sistemas de “Q variable”
B
A
Q
22
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Punto de Funcionamiento (V)
Control con velocidad variable:
ojo al pto de funcionamiento
 n   Q
 Q  cte
H
A
Cortes en la zona “abrupta”
de la curva del sistema
ofrecen sistemas de “Q cte”
B
Q
A
B
Q
Cortes en la zona “plana”
de la curva del sistema son
los adecuados para
sistemas de “Q variable”
23
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Punto de Funcionamiento (VI)
H
Curva Ideal
P. por fugas
P. por recirculación
P. por choque
Curva real
P. por turbulencia
Q
24
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (I)
En paralelo (“suma” de caudales)
Antiretorno
V. Cierre
V. Control
Las válvulas antiretorno evitan reflujos
por paro de una bomba
25
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (II)
En serie (“suma” de presiones)
Se permite funcionar
con sólo una bomba
26
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (III)
Una bomba para dos sentidos de circulación
V. Cierre
V. Control
27
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (IV)
En serie-paralelo
V. Cierre
V. Control
Serie
Antiretorno
Paralelo
28
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
H
2.- B.C.: Acoplamientos (IV)
TA
B1
H1
B1
B2
TA
H2
B2
TA
Q2
Paralelo: “suma caudales”
La presión suministrada por
las dos bombas es la misma
Q1
Q
Serie: “suma alturas”
El caudal suministrado por
las dos bombas es el mismo
B1
B1
TA
B2
B2
TA
H = H1 = H2
Q = Q1 = Q2
29
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (V)
B1
Paralelo: “suma caudales”
La presión suministrada por
las dos bombas es la misma
TA
B2
H
B1
B2
Q
Para cada H se suman los Q
30
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (V)
B1
Paralelo: “suma caudales”
La presión suministrada por
las dos bombas es la misma
TA
B2
H
B1
H2
HE
B2
HD
HC
HB
HA
Q
Para cada H se suman los Q
31
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (V)
B1
Paralelo: “suma caudales”
La presión suministrada por
las dos bombas es la misma
TA
B2
En este tramo sólo
debe funcionar B1
H
B1
H2
HE
B2
Ac. Pa.
HD
HC
HB
HA
Q
Para cada H se suman los Q
32
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (V)
B1
Paralelo: “suma caudales”
La presión suministrada por
las dos bombas es la misma
TA
QAc  Q1  Q2
QAc.
B2
B1
TA
El caudal resultante al enfrentar el
acoplamiento a la misma tubería que cada
una de las bombas individualmente, es
menor que la suma de los caudales de las
bombas individuales
Q1
TA
Q2
B2
33
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (V)
B1
Paralelo: “suma caudales”
La presión suministrada por
las dos bombas es la misma
TA
QAc  Q1  Q2
QAc.
B2
El caudal resultante al enfrentar el acoplamiento a la misma tubería que cada una de las
bombas individualmente, es menor que la suma de los caudales de las bombas individuales
H
B1
TA
B2
Ac. Pa.
Q2
Q1
QAc.
Q
34
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (VI)
Serie: “suma alturas”
El caudal suministrado por
las dos bombas es el mismo
B1
H
B2
TA
Para cada Q se suman las H
B1
B2
Q
35
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (VI)
Serie: “suma alturas”
El caudal suministrado por
las dos bombas es el mismo
B1
H
B2
TA
Para cada Q se suman las H
B1
B2
QA
QB
QC
QD
QE
Q
36
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (VI)
Serie: “suma alturas”
El caudal suministrado por
las dos bombas es el mismo
B1
H
Ac. Pa.
B2
TA
Para cada Q se suman las H
En este tramo sólo
debe funcionar B1
B1
B2
QA
QB
QC
QD
Q
QE
37
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (VI)
Serie: “suma alturas”
El caudal suministrado por
las dos bombas es el mismo
B1
B1
B2
TA
HAc.
TA
H1
TA
H2
B2
HAc  H1  H2
La altura resultante al enfrentar el acoplamiento a la misma tubería que cada una
de las bombas, es menor que la suma de las alturas de las bombas individuales
38
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Acoplamientos (VI)
H
Serie: “suma alturas”
El caudal suministrado por
las dos bombas es el mismo
B1
TA
Ac. Pa.
HAc.
B2
TA
H1
H2
B1
B2
HAc  H1  H2
Q
La altura resultante al enfrentar el acoplamiento a la misma tubería que cada una
de las bombas, es menor que la suma de las alturas de las bombas individuales
39
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Montaje e Instalación
Se debe tener en cuenta:
• Lugar accesible
• Fácil aspiración
• Cebado, válvulas de pie de pozo
• Alineación
• Uniones flexibles
• Válvulas de retención
• Conos difusores
• Elementos de medida
40
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Selección (I)
Hay que acudir a las curvas del fabricante:
H
Gráfico de selección rápida
Q
Pot
NPSHr
http://www.grundfos.com/web/homees.nsf
Q
41
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Selección (II)
Tipo de circuito
Hay software de fabricantes
Fluido de trabajo
En ventiladores
es similar
Resultados
http://www.wilo.es/cps/rde/xchg/es-es/layout.xsl/index.htm
42
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
Un bomba girando a 1.750 rpm tiene una curva como la de la figura. La
bomba impulsa agua a través de una tubería de 15 cm de diámetro y
450 m de largo con un factor de fricción  = 0,025. La carga estática es
de 10 m y las pérdidas menores se pueden despreciar.
 Calcular el punto de funcionamiento de la bomba
H (m.c.a)
Curva tub. = A + B
V2
A+
Q2
A = (Carga estática, elevación) = 10 m
B  Ec Darcy (T4) HL   
L v2

(m)
D 2g
30
20
15
10
5
0,005
0,010
0,020
0,030
0,040
Q (m3/s)
43
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Autocebantes (I)
Bajos rendimientos (20-40%)
Lumbrera
de Salida
De anillos de agua:
• Rodete excéntrico
e
• Lumbreras de entrada y salida en las
paredes perpendiculares al eje
• Como bombas de vacío con gases
Anillo de
líquido
Q


ancho  n  

   D  a)2  d2  nº alabes (b  a)  s 
60
4


Lumbrera
de Entrada
d
a
D
b
S
44
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Autocebantes (II)
De canales de derivación:
• Rodete concéntrico
• En una, o las dos paredes hay canales de derivación (espiral)
• Lumbreras de entrada y salida en cada una de las paredes
• Trabajan mejor con líquidos
Lumbrera
de Entrada
Lumbrera
de Salida
Placa Anterior
Rodete
Placa Posterior
45
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Engranajes (I)
Para líquidos viscosos: aceites, gasóleos, …
Q
H
Q  cte1  n  cte 2
Pot    Q  H  cte 3  H
46
46
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Engranajes (II)
47
47
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Tornillo (I)
Líquidos viscosos
Hasta presiones > 100 bar
Limitar esfuerzos axiales
48
48
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Tornillo (II)
Q
49
n
49
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Pistones (I)
Bajos caudales y grandes presiones
Líquidos limpios
H
Caudal cte
No depende de la
H suministrada
Q
50
50
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Pistones (II)
De simple efecto
Q
Impulsión

Q( t )   
Llenado
L Cil
 S Cil  sen
2
Qmedio  S Cil  L Cil  n
De doble efecto
Eje
Q

Q( t )   


L Cil
L
 S Cil  sen    Cil  S Cil  SEje  sen   
2
2




Qmedio  SCil  L Cil  SCil  SEje  L Cil  n
51
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Dosificadoras (I)
Rotor
Lumbrera de
Distribución
Cabeza Hidráulica
Lumbrera de
Dosificación
Salida de
Líquido
Entrada de
Líquido
Lumbrera de
Escape
Lumbrera de
Admisión
Embolos
Admisión
Impulsión
52
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Axiales (I)
Recirculadoras
Agitador
53
53
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
2.- B.C.: Otras B; Peristálticas (I)
Empleadas para bombear:
•Fluidos estériles (evitar contaminación)
•Fluidos agresivos (evitar daño en la bomba)
54
54
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
Una bomba de émbolo de doble efecto (dembolo = 250 mm, dvastago = 50 mm,
carrera = 375 mm, n = 60 rpm) tiene una presión en la aspiración de -4,5 m.c.a.
y de impulsión de 18 m.c.a., calcular:
• La fuerza que requiere la bomba en las dos carreras
• El caudal de la bomba
• La potencia absorbida
55
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
3.- Turbinas Hidráulicas
Aprovechan la energía potencial o cinética de un líquido para transformarla en
energía mecánica
Existen múltiples tipos; su clasificación se suele hacer en de acción y de reacción
•Turbina Pelton: de acción, cazoletas e
inyector, en saltos grandes con pequeños
caudales.
•Turbina Francis: de reacción, álabes,
distribuidor, en pequeños saltos y grandes
caudales.
•Turbina Kaplan: de reacción, “similar” a una
hélice. Para pequeños saltos hidráulicos.
56
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
Un turbina produce 93 kW bajo un salto de 64 m
 Cuanto se incrementa su velocidad si se instala en un salto de 88 m
 Si se mantiene el rendimiento, cual sería la potencia desarrollada
57
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- Ventiladores (I)
Destinados a producir movimiento de aire. Los conceptos fundamentales son:
– Caudal volumétrico.
– Incremento de la presión estática.
– Potencia disponible.
– Rendimiento del ventilador.
– Ruido, las dimensiones, o el modo de arrastre
Tres tipos de presiones:
– Presión estática, sobre las paredes del conducto
– Dinámica, al convertir la energía cinética en presión
– Total que es la suma de las dos
PD no cambia
P.E.
Tiende a
succionar
P.D.
P.T.
P.E.
Tiende a
empujar
P.D.
P.T.
PT aumenta
58
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- Ventiladores (II)
Clasificación (I):
• Por la diferencia de presión estática:
–Alta presión:
180 < p > 300 mm.c.a.
–Media presión: 90 < p < 180 mm.c.a.
–Baja presión:
p < 90 mm.c.a.
• Por el sistema de accionamiento:
–Accionamiento directo
–Accionamiento indirecto por transmisión
• Por el modo de trabajo:
– Ventiladores axiales: mueven grandes caudales
con incrementos de presión estática baja.
– Hélice
– Tubo axial: en una envolvente, dan mayores
presiones, generan mucho ruido
59
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- Ventiladores (III)
Clasificación (II):
• Por el modo de trabajo (II):
– Ventiladores centrífugos: el flujo de salida es perpendicular al de entrada.
• De alabes curvados hacia delante
• De alabes curvados hacia atrás
• De álabes rectos a radiales; captación de residuos
– Ventiladores transversales; la trayectoria del aire en el rodete es normal al eje tanto a la
entrada como a la salida.
– Ventiladores helicocentrífugos; son intermedios entre los centrífugos y los axiales, en
ellos el aire entra como en los helicoidales y sale como en los centrífugos
60
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Curvas Características (I)
P (mm.c.a.)
Pot (kW)
Pestática
(mm.c.a.)
pTot
 (%)
Pot
Vent. Centrífugo
pest
 (pT)
Vent. Helicocentrífugo
 (pest)
Vent. Centrífugo
pdin
Q (m3/h)
Q (m3/h)
61
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
%Pmax
C. Radial
C. Adelante
Tubo axial
Axial mural
60%
C. Atrás
Z. de T.
Zona de Trabajo
Zona de Trabajo
30%
85%
30%
%Qmax
%Pmax
%Pmax
4.- V.: Curvas Características (II)
68%
%Qmax
Z. de T.
Helicocentrífugo
Z. de T.
40%
55%
90%
%Qmax
62
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Leyes de semejanza (I)
Son iguales para las B.C.
 Variación de la velocidad de giro:
Q  Q0 
 n 
P  P0   
 n0 
n
n0
2
 n 
Pot  Pot 0   
 n0 
3
 n 
Lw  Lw 0  50  log  
 n0 
 Variación del diámetro del rodete:
D 

Q  Q0  
 D0 
3
D 

P  P0  
 D0 
 D 

Pot  Pot 0  
 D0 
2
5
 D 

Lw  Lw 0  70  log 
 D0 
 Variación de la densidad del aire:
  
Pot  Pot 0   
 0 
  
P  P0   
 0 
Q  Q0
  
Lw  Lw 0  20  og  
 0 
63
Q caudal, P Presión, Pot Potencia absorbida, Lw ruido
63
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Leyes de semejanza (II)
 Variación de las prestaciones:
1/ 2
Q 
n  n0   0 
Q 


P
  
 P0 
3/4
 
 0 
 
 
1/ 2
P
  
 P0 
3/4
 
 0 
 
 
1/ 2
 Q 

D  D0  
 Q0 
3/4
1/ 4
P
  
 P0 
 Q  P
   
Pot  Pot 0  
 Q0   P0 
P
 Q 
  20  log  
Lw  Lw 0  10  log 
 P0 
 Q0 
3
3/4
1/ 4
  
  
 0 
 D  n
 
Q  Q0  
 D 0  n0
 Variación varios parámetros:
Q 
n  n0   0 
Q 


Son iguales para las B.C.
5
5
D   n  
    
Pot  Pot 0  
 D 0   n0   0
 
 D 
 n 
  50  log    20  log  0 
Lw  Lw 0  70  log 
 0 
 D0 
 n0 
64
64
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Pto Funcionamiento
P
C1
C2
P
C2
p
Depende del sistema de
distribución de aire
p
q
(es cambiante, filtros)
Para Q variable
C1
Q
Q
Para Q cte
Control del caudal
No
Compuertas de
lamas paralelas
Compuertas de
lamas opuestas
65
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Acoplamiento (I)
Serie: “suma de presiones”
El caudal suministrado por los
dos ventiladores es el mismo
P
Conducto
V1+V1
PAc
V1
P1
Q
66
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Acoplamiento (II)
• V. tuboaxiales en serie
El aire sale en la dirección axial, pero
tiene cierta velocidad de rotación
P
Con directriz
de descarga
La corona directriz en la descarga
pone el aire en dirección axial
minimizando la pérdida de carga
Conducto
PAc
V1
Q
67
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Acoplamiento (III)
• V. tuboaxiales en serie
El aire sale en la dirección axial, pero
tiene cierta velocidad de rotación
P
Con directriz
de descarga
La corona directriz en la descarga
pone el aire en dirección axial
minimizando la pérdida de carga
Conducto
PAc
Los ventiladores con igual sentido
de rotación minimizan la velocidad
relativa con la que el aire ve el
giro del 2do ventilador y por lo
tanto su efecto es reducido
Con el mismo giro
V1
Q
68
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Acoplamiento (IV)
• V. tuboaxiales en serie
El aire sale en la dirección axial, pero
tiene cierta velocidad de rotación
En contrarotación
P
Conducto
Con directriz
de descarga
La corona directriz en la descarga
pone el aire en dirección axial
minimizando la pérdida de carga
PAc
Los ventiladores con distinto
sentido de rotación aumentan la
velocidad relativa con la que el aire
ve el giro del 2do ventilador y por lo
tanto su efecto se potencia
Con el mismo giro
V1
Q
69
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
Cuidado con los acoplamientos en serie
cuando la curva del ventilador presenta un
máximo relativo
4.- V.: Acoplamiento (V)
Paralelo: “suma de caudales”
La presión suministrada por los
dos ventiladores es la misma
P
C2
C1
V1
P
V1+V1
V1+V1
Conducto
V1
Q
Q
Q1
La curva del acoplamiento serie presenta
una forma extraña, y puede que el
funcionamiento sea inestable
QAc
70
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Selección (I)
Datos generales
Datos del conducto
http://www.soler-palau.com
71
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
4.- V.: Selección (II)
Ventilador
Curva ….
http://www.soler-palau.com/flash/presentacionSP.html
http://www.sodeca.com/
http://www.salvadorescoda.com/sd1/index.htm
http://www.casals.tv/ventilacion_sat/catalogo/index.html
72
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
Un ventilador debe suministrar 5.000 m3/h, en sus condiciones normales
de presión y T ( = 1,2 kg/m3) suministra una presión de 20 mm.c.a. y
consume 480 W; calcular el punto de trabajo si se le instala en una cámara
de refrigeración a -35ºC ( = 1,48 kg/m3)
73
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
Un ventilador aspira de una gran habitación que está a 725 mm.Hg y 1,15
kg/m3, el aire se impulsa por un conducto rectangular de 0,25 m2. a la
salida del ventilador la presión es de 75 mm.c.a, y un tubo de Prandtl
marca una presión (dinámica) de 88 mm.c.a., calcular:
•Las presiones estática, dinámica y total que suministra el ventilador
•La velocidad de aire en el conducto de salida
•Caudal de aire que proporciona el ventilador
•Potencia suministrada por el ventilador
74
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (I)
Clasificación por el accionamiento
• Eléctrico, más habituales, problema de saturación
de la líneas eléctricas
• Por motores de gas, fácil regulación de velocidad,
requieren de instalación adicional y mantenimiento.
75
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (II)
Clasificación por separación del compresor y el accionamiento
• Abiertos, separación entre el compresor y el
accionamiento, tiene partes accesibles, problema de
estanqueidad en el eje.
• Herméticos, generalizados en los equipos de
pequeña potencia, hay interacción de las averías.
• Semiherméticos, herméticos con cierta accesibilidad.
76
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (III)
Clasificación por el modo de compresión (I)
• Alternativos:
– Flujo pulsante (varios cilindros)
– Necesitan válvulas (ruido)
– La presión de descarga se auto ajusta
ADMISION
DESCARGA
V. de
Escape
Válvula de
Admisión
Cilindro
Segmentos
padm > pint  V.A. abierta
padm < pint  V.A. cerrada
pdes > pint  V.D. cerrada
pdes < pint  V.D. abierta
Pistón
Biela
La capacidad se puede regular descargando cilindros
77
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (III)
Clasificación por el modo de compresión (II)
• De pintones axiales:
78
78
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (IV)
Clasificación por el modo de comp. (III)
• Rotativos (I): no tienen válvulas de admisión
– De Paletas: silenciosos, pero muy
sensibles a la entrada de líquido
79
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (V)
Clasificación por el modo de comp. (IV)
• Rotativos (I): no tienen válvulas de admisión
– De Paletas: silenciosos, pero muy
sensibles a la entrada de líquido
– De Rodillo: débil estanqueidad
80
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (V)
Clasificación por el modo de comp. (IV)
• Rotativos (I): no tienen válvulas de admisión
– De Paletas: silenciosos, pero muy
sensibles a la entrada de líquido
– De Rodillo: débil estanqueidad
81
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (V)
Clasificación por el modo de compresión (IV)
• Rotativos (II):
– De Doble Tornillo: el sellado entre la alta y la baja presión se realiza con el
aceite lubricante.
Sin válvulas, tiene fija la
relación de compresión
Regulación de capacidad
y relación de compresión
con lumbrera de descarga
82
82
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (VI)
Clasificación por el modo de compresión (V)
• Rotativos (III):
– De Tornillo Simple: el control
capacidad se realiza con un anillo.
de
– Scroll: son dos espirales.
Tiene relación de compresión fija
la regulación de la capacidad se hace con varias lumbreras de descarga
83
83
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
5.- Compresores (VII)
Clasificación por el modo de compresión (VI)
• Rotativos (IV):
– De Engranajes:
• Centrífugos: grandes volúmenes, con baja relación de
compresión
• Flujo Axial
V. antirretorno
84
84
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
6.- Hélices (I)
Principio de Acción-Reacción
Empujan agua hacia atrás, el barco reacciona adelante
∆Fa (axial), produce el empuje, en propulsión interesa maximizarla
∆Fu (tangencial)
F  A(p2  p1 )  Q  ( v 2  v1)
85
85
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
6.- Hélices (II)
La fuerza resultante se puede descomponer en:
∆Fa (axial), produce el empuje
en propulsión interesa maximizarla
∆Fu (tangencia, rotación)
en aerogeneradores interesa maximizarla
Estela
Cantidad de Movimiento
dv
 dv 
F  m  a  (  Vol)       (Q  dt ) 
   Q  dv
dt
 dt 
Fuerza Propulsiva Fprop    Q  ( v 2  v 1 ) 
Potencia Propulsiva
Pprop 
Wprop
t

P  F / A  F  A P
Fprop  d
t
 A  (p1´  p 2´ )
 Fprop  v    Q  ( v 2  v 1 )  v 1
86
T6.- MAQUINAS HIDRAULICAS
6.- Hélices (II)
Pprop    Q  ( v 2  v 1 )  v 1
Pac
Potencia de Accionamiento
1
2
2
 m  ( v 2  v1 )
Vol    ( v 2 2  v12 ) 
Energía E cinetica 2




t
t
t
2t
Estela

Q  t     ( v 2 2  v12 )  1    Q  ( v
2 t
2
Rendimiento de la Propulsión
2
2
2
 v1 )
prop 
Pprop
Pac

2  v1
v 2  v1
87
87