ESCUELA_POLITECNICA_NACIONAL_Facultad_de

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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Facultad de ingeniería mecánica
Fundamentos de ingeniería
Joaquín Vega 
GR1
Fecha de realización: viernes 30 de noviembre de 2018
Fecha de entrega: sábado 01 de diciembre de 2018 
PRÁCTICA 1: Reconocimiento de Turbo maquinaria
1. OBJETIVOS
· Conocer los fundamentos teóricos, características de operación y clasificación de las diferentes turbo máquinas.
· Reconocer los distintos tipos de bombas, turbinas hidráulicas, compresores y ventiladores existentes en el laboratorio.
· Conocer el principio de funcionamiento de dispositivos que utilizan elementos de turbo máquinas para su operación.
2. REVISIÓN TEÓRICA
Una turbo máquina es una máquina, que permite la transferencia de energía desde o hacia un fluido (gas o líquido) con su elemento rotor. La clasificación de las turbo máquinas puede darse en función de diferentes parámetros, los cuales se especifican a continuación:
· Por el fluido de trabajo. – Se basa en la propiedad de la compresibilidad del fluido de trabajo, es decir si se mantiene o no la densidad constante (volumen especifico) del mismo. De esta manera, se pueden clasificar en:
Aire	Compresores
Compresibles	Mezcla aire-combustible	Ventiladores
Vapor	Turbinas
Bombas Incompresibles	Agua (Líquidos)	Turbinas
· Por la dirección del flujo a través del rotor. - Se refiere a la dirección del fluido a su paso por el elemento rotor de la turbo máquina. En la Figura 1, se puede observar la dirección del flujo en elementos rotores de diferentes turbo máquinas.
Figura 1. Dirección de flujo en el rotor de distintas turbo máquinas.
· Por la dirección de intercambio de energía. - Responde a la característica de si el rotor recibe o entrega energía desde o hacia el fluido de trabajo, por lo tanto, se tiene lo siguiente:
Compresores Entregan energía al fluido (Consumen energía)	Ventiladores
Bombas Reciben energía desde el fluido (Generan energía)	Turbinas
2.1 BOMBAS HIDRÁULICAS
Es una turbo máquina que trabaja con fluidos incompresibles, generalmente líquidos tales como: agua, aceite, gasolina, diésel, etc. Es un dispositivo que transforma la energía mecánica del rotor en energía hidráulica, y generalmente actúan en dos fases:
Aspiración (Succión): La bomba ejerce vacío con el fin de que el líquido se movilice por la tubería de aspiración impulsada por la presión atmosférica, elevando así el líquido desde su nivel hasta la entrada de la bomba, por medio de la tubería de aspiración.
Impulsión (Descarga): En esta fase la bomba ejerce la presión necesaria para que el líquido se traslade a lo largo del circuito hidráulico.
La clasificación más general de las bombas, responde a su capacidad de desplazar la mayor cantidad de volumen de fluido admitido.
· Bombas de desplazamiento positivo. - También conocidas como volumétricas o de volumen fijo, son aquellas bombas que descargan en su totalidad el volumen de fluido admitido en la etapa de succión, en cada ciclo de trabajo. Esta característica hace que los caudales de descarga manejados por estos dispositivos sean de mayor amplitud, pero con baja frecuencia de descarga.
· Bombas De desplazamiento negativo. - Son de baja eficiencia volumétrica, ya que durante su operación existe variaciones en el caudal de descarga con respecto al admitido, esto se denomina “fuga interna”. Los caudales de descarga son de menor amplitud, pero con mayor frecuencia de descarga.
Adicionalmente, las bombas hidráulicas se pueden clasificar tomando en cuenta otros criterios tales como: dirección del flujo, tipo de elemento impulsor, movimiento del impulsor, entre otros. Como se muestra a continuación:
Pistón o émbolo Reciprocantes	Diafragma
Desplazamiento Positivo	Engranes (internos y externos) Lóbulos
Rotatorias	Paletas Peristáltica Tornillo
Rotativa de cavidad progresiva
De flujo axial Desplazamiento Negativo (Roto dinámicas)	De flujo radial (Centrífugas)
De flujo mixto (Helicocentrífugas)
2.2 TURBINAS HIDRAÚLICAS
Una turbina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en energía mecánica. Su clasificación puede darse en función de varios parámetros tales como: posición del eje, dirección de entrada y salida del fluido. Sin embargo, la clasificación más usual responde a:
Turbina de acción. - Son aquellas en las que el movimiento del rodete se da por la acción directa del fluido sobre este, en estas turbinas la energía potencial del salto hidráulico se transmite al rodete en forma de energía cinética.
Turbina de reacción. - Son turbinas de reacción, debido a que el movimiento del rodete se da por la reacción (impulso) que genera el fluido al salir del mismo. En estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete aprovechándose la energía de presión para su impulso.
Dentro de las turbinas hidráulicas más utilizadas para generación eléctrica se tiene:
· Turbina Pelton
Son turbinas de acción, conocidas también como de chorro libre y son de admisión parcial, es decir el distribuidor no se llena completamente de fluido en su operación.
El rodete transforma la energía hidráulica del agua en energía mecánica. Consta de una rueda motriz con cangilones (álabes), que tienen forma de doble cuchara que recibe el chorro directamente en la arista media, dividiendo al chorro en 2 para que circule por su cavidad y recorra un ángulo de casi 180°, esto ayuda a contrarrestar los empujes axiales por el cambio de dirección de los 2 chorros y hacer mínima la pérdida por velocidad residual y por fricción del agua sobre las cucharas.
La dirección de entrada del fluido al rodete es de forma tangencial mediante el uso de uno o varios inyectores. Son utilizadas para saltos de agua elevados
(H) entre 100 y 1500 [m] y caudales relativamente pequeños (Q) de hasta 30 [m3/s] aproximadamente. En la Figura 2, se muestra una turbina Pelton con sus componentes principales.
Figura 2. Turbina Pelton.
· Turbina Francis
Son turbinas de reacción y de admisión total, es decir el distribuidor se llena completamente de fluido en su operación. La dirección de entrada y salida del fluido al rodete es radial (perpendicular al eje) y axial (paralela al eje) respectivamente. Debido a sus características puede trabajar con distintos saltos hidráulicos dentro de una amplia gama de caudales.
El rodete Francis da lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodete es una suma de energía cinética, energía de presión y energía potencial. La turbina convierte esta energía en energía mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico dónde se realiza la conversión final en energía eléctrica. El rotor puede tener diversas formas dependiendo del número específico de revoluciones para el cual esté diseñada la máquina, que a su vez depende del salto hidráulico y del caudal de diseño.
Su rango de operación adecuado puede variar entre 40 y 400 [m] de salto hidráulico y caudales entre 50 y 800 [m3/s]. En la Figura 3, se presenta una turbina Francis de eje vertical con sus elementos principales.
· Turbina Kaplan
Figura 3. Turbina Francis.
Son turbinas de admisión total, incluidas en la clasificación de turbinas de reacción. Se emplean en saltos de pequeña altura, alrededor de 30 [m] y menores, y con caudales medios y grandes aproximadamente entre 15 [m3/s] en adelante. Normalmente se instalan con el eje en posición vertical, también se prestan para ser instaladas en forma horizontal o inclinada. Este tipo de turbinas son recomendadas para instalaciones en las cuales se posee un salto y caudal casi constante y las cargas no sufren grandes variaciones.
El rodete se asemeja a una hélice de barco, al estar formado por un número determinado de palas (2 a 4), mismas que se encuentran con una inclinación fija debido a estar rígidamente unidas al núcleo del rodete. Posee un diámetro del orden del 40 % al 50 % del diámetro exterior de los alabes. La dirección de entrada y salidadel fluido al rodete es axial (paralela al eje). En la Figura 4, se observa una configuración general para el uso de una turbina Kaplan.
	 Figura 4. Turbina Kaplan
2.3 TURBINAS TÉRMICAS
Son turbo máquinas en el cual el fluido de trabajo (vapor o gas) presenta cambios de densidad considerable luego de su paso por el rotor. La clasificación más usual es:
· Turbina a vapor. - es una turbo máquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad.
· Turbina de gas. - Una turbina de gas, es una turbo máquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbo máquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.
2.4 COMPRESORES
Los compresores son máquinas especialmente diseñadas para aumentar la presión en los gases, debido a que se produce una reducción en su volumen específico. Lo más común es que se comprima aire, pero en la industria es frecuente la necesidad de comprimir otros gases como por ejemplo refrigerantes en sistemas de refrigeración. Existen diversas formas de comprimir el fluido de trabajo, razón por la cual existen muchos tipos de compresores, todo dependiendo del mecanismo que utilicen. Los compresores a pistón o émbolo (alternativos), son los de uso más difundido y por su diseño, los compresores de aire de pistón producen altas presiones en volúmenes pequeños, y generalmente se utilizan para aplicaciones domésticas e industriales. Adicionalmente a los de pistón existen también de paletas y de espiral denominado compresor scroll.
2.5 VENTILADORES
Los ventiladores son turbo máquinas destinadas a producir un incremento de presión total pequeño, convencionalmente se fija este incremento en 1 mca, o una relación de compresión 1.1, si el incremento de presión no excede el valor indicado, la variación del volumen específico del gas a través de la máquina se puede despreciar en el cálculo de la misma, por lo que el ventilador se comporta como una turbo máquina hidráulica. Se pueden clasificar en función de varios aspectos, pero de acuerdo a la dirección de entrada/salida del fluido pueden ser axiales o radiales.
3. MATERIALES, INSUMOS Y EQUIPOS A UTILIZARSE
· Materiales. – No aplica
· Insumos. - Durante la práctica se hará uso únicamente de insumos para limpieza de los elementos de observación (guaype, agua etc.)
· Equipos. - Durante la práctica se utilizarán los siguientes equipos:
· Rodetes y/o álabes de bombas, turbinas hidráulicas y ventiladores. 
· Compresor de paletas, de pistón y Scroll.
· Bomba centrífuga, bomba de engranajes internos y externos, bomba de turbocompresor y convertidor de par.
4. INSTRUCCIONES
Para la manipulación adecuada y segura de los elementos y equipos a utilizarse en la práctica se recomienda tomar las siguientes precauciones según sea el caso:
· Seguir las instrucciones generales proporcionadas por el profesor que dirige la práctica.
· Sostener de forma adecuada los rodetes, álabes y bombas para evitar su caída o de sus elementos libres.
· Manipular cuidadosamente los elementos con muestras de desgaste para evitar cortes, ya que presentan rebabas o muescas en su estructura.
· Colocar los elementos de ajuste (tornillos, tuercas y arandelas) en un lugar seguro y visible para volver a ensamblar los sistemas.
· Al manipular los elementos, tener cuidado con las sustancias lubricantes que pueden manchan la ropa y las manos. Usar mandil y guaype para limpieza de partes.
5. ACTIVIDADES POR DESARROLLAR
Para la realización de la práctica se seguirá la siguiente metodología.
· Poner atención a la explicación de los fundamentos teóricos y prácticos de los elementos objetos de estudio, impartida por el profesor que dirige la práctica.
· Limpiar con cuidado los elementos a ser utilizados en la práctica.
· Identificar y colocar en la hoja de evaluación las particularidades de cada elemento en la siguiente secuencia:
1. Reconocimiento de tipos de bombas de desplazamiento positivo.
2. Explicación del principio de funcionamiento y características de equipos del laboratorio.
3. Reconocimiento de partes de una bomba centrífuga.
4. Reconocimiento de elementos de varias turbo máquinas.
6. RESULTADOS OBTENIDOS
A continuación responda las siguientes preguntas: 
1. ¿Cuál es la diferencia entre una bomba y un compresor?
La diferencia entre bomba y compresor es: por un lado la bomba es una máquina usada para la extracción, elevación o impulsión de líquidos o gases de un lugar a otro, por otro lado el compresor es una maquinaria utilizada para la reducción de volumen de un líquido o gas, por medio de la aplicación de presión.
2. Consulte aplicaciones para bombas, compresores, ventiladores de flujo: axial, radial y centrífugo.
Aplicaciones de bombas:
La variedad de bombas existentes en la actualidad, pueden ser aplicadas a varios sectores de la industria. Algunos de estos son:
· Gestión de aguas residuales 
· Industria alimentaria 
· Industria química y petrolera 
· Industria agrícola 
· Construcción, etc.
Aplicaciones de compresores: 
· Refrigeración 
· Generación eléctrica
· Motores de avión
· Sistemas neumáticos e hidráulicos 
· Conformado de metales
· Modelado de plásticos, etc.
Aplicaciones de ventiladores de flujo centrífugo
· Unidades de ventilación anti chispas
· Ventiladores centrífugos de media y alta presión
· Ventiladores accionados a transmisión 
· Extractores de aire portátiles de gran potencia, etc.
Aplicaciones de ventiladores de flujo axial
· Ventilación en naves industriales y túneles 
· Ventilación en la industria minera
· Ventilación en la industria naval
· Ventilación en la industria textil
· Torres de refrigeración, etc.
3. ¿Cuál es la diferencia entre un compresor y un ventilador? 
Un ventilador es un aparato usado para la ventilación o refrigeración de un lugar, mediante la impulsión de aire con una presión moderada, por otro lado como ya se mencionó anteriormente un compresor es una maquina utilizada para la reducción de volumen de un líquido o gas, aplicando presión.
4. Consulte aplicaciones para las turbinas de gas y turbinas hidráulicas.
Aplicaciones de turbinas de gas
· Generación de energía eléctrica
· Turbogeneradores
· Cogeneración
· Trigeneración 
· Transporte
· Aeronáutica, etc.
Aplicaciones de turbinas hidráulicas
· Centrales hidroeléctricas
5. Consulte aplicaciones para bombas de desplazamiento positivo y roto dinámicas.
Aplicaciones para bombas de desplazamiento positivo 
Este tipo de bombas es utilizado en la industria, cuando se requiere cumplir ciertas condiciones, es decir: elevadas presiones, manejo de productos de alta viscosidad, transporte de fluidos a bajas velocidades. Dicho esto, algunas de las aplicaciones en la industria son:
· Transporte de fluidos con alta viscosidad
· Trabajos en alta presión, donde la presión se transforma en fuerza
· Industria de la construcción 
· Industria química y petroquímica 
· Industria de productos alimenticios, etc.
Aplicaciones para bombas roto dinámicas
Las bombas roto dinámicas son un tipo de bombas que abarca un gran grupo de tipos de diferentes bombas, entre ellos están: bombas centrífugas, bombas periféricas, bombas especiales; las cuales de igual forma se dividen en más tipos. Entre sus aplicaciones industriales tenemos:
· Industria alimentaria
· Industria petroquímica
· Sector de cosmética y farmacéutica
· Distribución de agua potable
· Plantas depuradoras, etc.
6. Consulte aplicaciones para turbinas hidráulicas de acción y reacción.
Aplicacionespara turbinas hidráulicas de acción
· Generación de energía eléctrica 
· Con pequeñas turbinas se pueden dar usos domésticos
7. CONCLUSIONES
Tras la visita al laboratorio de turbo maquinaria, se ha podido conocer de manera clara y concisa el principio de funcionamiento de los dispositivos que utilizan las turbo maquinarias, además de esto se pudieron reconocer los diferentes tipos de bombas, turbinas hidráulicas, compresores, ventiladores, que posee la facultad de ingeniería mecánica de la Escuela politécnica nacional. Con ello se ha podido adquirir un conocimiento leve, pero concreto de ciertos principios y aspectos que abarca la carrera de ingeniería mecánica. 
8. RECOMENDACIONES
Se recomienda al momento de la realización de las visitas técnicas o prácticas de laboratorio, dividir en grupos reducidos a los estudiantes para la mejor comprensión de los conocimientos que se busca brindar, ya que con una cantidad grande de estudiantes no es posible comprender e impartir los conocimientos expuesto. 
9. BIBLIOGRAFÍA
· http://www.protechcontinental.com/blog/aplicaciones-de-bombas-por-industrias/
· https://www.monografias.com/trabajos23/bombas-y-compresores/bombas-y-compresores.shtml
· http://www.sodeca.com/es/productos/port-p405?cs=s45&fil=50#prod
· https://tameco.es/aplicaciones-de-las-bombas-centrifugas/
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