Rojas Rojas, Victor Alejandro

83 Pages·2015·2.09 MB·Spanish

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Católica de Loja
CARATULA
ÁREA TÉCNICA

TITULACIÓN DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y
TELECOMUNICACIONES

Rehabilitación y adecuación de un banco de pruebas Armfield en el
Laboratorio de Hidráulica de la UTPL: selección de instrumentación
requerida para el estudio de bombas centrífugas y turbinas Pelton y Turgo

TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN

AUTORES: Rojas Rojas, Víctor Alejandro.

DIRECTOR: Jaramillo Pacheco, Jorge Luis, Ing.

LOJA – ECUADOR
2015
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN

Ingeniero.
Jorge Luis Jaramillo Pacheco
DIRECTOR DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN

C E R T I F I C A:

El presente trabajo de fin de titulación: “Rehabilitación y adecuación de un banco de pruebas
Armfield en el Laboratorio de Hidráulica de la UTPL: selección de instrumentación requerida
para el estudio de bombas centrífugas y turbinas Pelton y Turgo", realizado por: Rojas Rojas
Víctor Alejandro, ha sido orientado y revisado durante su ejecución, por cuanto se aprueba
la presentación del mismo.

Loja, febrero de 2015

f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS

“Yo, Rojas Rojas Victor Alejandro, declaro ser autor del presente trabajo de fin de titulación:
“Rehabilitación y adecuación de un banco de pruebas Armfield en el Laboratorio de
Hidráulica de la UTPL: selección de instrumentación requerida para el estudio de bombas
centrífugas y turbinas Pelton y Turgo" de la Titulación de Ingeniero en Electrónica y
Telecomunicaciones, siendo Jorge Luis Jaramillo Pacheco director de presente trabajo; y
eximimos expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes
legales de posibles reclamos o acciones legales. Además certifico que las ideas, conceptos,
procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo investigativo, son de nuestra
exclusiva responsabilidad.

Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto Orgánico de
la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice:
“Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones,
trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo
financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”.

f)..............................................................
Autor: Rojas Rojas, Víctor Alejandro
Cédula:

iii
DEDICATORIA

A, Gloria Rojas y Víctor Rojas, para ustedes va esto con todo el amor de un hijo agradecido
por todo el apoyo y fortaleza que he recibido de ustedes, mi motivación y mi mano en
tiempos de nostalgia. Todo gracias a ustedes y para ustedes.
A, mis hermanas, Verónica Rojas y Andrea Rojas, por cada consejo y apoyo recibido
durante toda mi vida
A, mis sobrinas, Nayely Quezada y Alejandra Loyola, que este pequeño triunfo, sea para
ustedes un motivo alcanzable y superable.
A, mis amigos en general, por darle sentido a la vida, llenándola de risas, y muy buenos
momentos.

- Víctor Alejandro

iv
AGRADECIMIENTOS

Son muchas las personas que de alguna manera han sido parte de este logro,
compañeros de estudio, de trabajo, amigos en general y en especial mi familia, que
ha sido pilar fundamental para alcanzar esta meta.
Un agradecimiento a Daniel Uchuari, quien cumplió, de excelente manera, con la
primera etapa de este trabajo.
De manera muy especial agradezco al Ing. Jorge Luis Jaramillo, director de la
presente tesis, por ser un gran mentor y consejero en el desarrollo de la misma.
Agradezco a la Universidad Técnica Particular de Loja, porque en sus aulas,
recibimos el conocimiento intelectual y humano de cada uno de los docentes de la
Titulación de Electrónica y Telecomunicaciones.

v
ÍNDICE DE CONTENIDOS
CARÁTULA ............................................................................................................................................ I
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN ............................. II
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ....................................................... III
DEDICATORIA ................................................................................................................................... IV
AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................................... V
ÍNDICE DE CONTENIDOS ............................................................................................................... VI
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................................... IX
LISTA DE TABLAS ............................................................................................................................... X
RESUMEN ............................................................................................................................................ 11
ABSTRACT .......................................................................................................................................... 12
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 13
OBJETIVOS ......................................................................................................................................... 14

. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Y DE LAS
TURBINAS TURGO ............................................................................................................................ 15
1.1. Introducción ....................................................................................................................................16
1.2. Estado actual del banco de pruebas ..........................................................................................16
1.2.1 Trabajos de rehabilitación............................................................................................................ 16
1.2.2 Trabajos de adecuación ............................................................................................................... 16
1.3. Características de trabajo de las bombas centrífugas ............................................................17
1.3.1 Construcción de la curva H vs Q ................................................................................................ 17
1.3.2 Construcción de la curva P vs Q ................................................................................................ 19
1.3.3 Construcción de la curva PH vs Q .............................................................................................. 20
1.3.4 Construcción de la curva ηB vs (Q) ............................................................................................ 20
1.3.5 Curva Net Positive Suction Head (NPSHr) ............................................................................... 20
1.3.6 Curvas de iso-rendimiento de una bomba ................................................................................ 21
1.3.7 Posibilidades técnicas del banco de pruebas para obtención de las curvas características
de las bombas centrífugas ........................................................................................................................... 22
1.4. Características de trabajo de las turbinas tipo Pelton y Turgo .............................................23
1.4.1 Características generales de las turbinas Pelton y Turgo ...................................................... 23
1.4.2 Construcción de las curvas características de las turbinas tipo Pelton y Turgo ................. 26
1.4.2.1 Construcción de la curva ηH vs u/c1 ................................................................................. 26
1.4.2.2 Construcción de la curva PE vs Q ...................................................................................... 27
1.4.2.3 Construcción de la curva PT vs n ....................................................................................... 27
1.4.2.4 Rendimiento global de la turbina ....................................................................................... 27

. INSTRUMENTACIÓN PARA EL ESTUDIO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS ............................ 29
2.1. Introducción ....................................................................................................................................30
2.2. Requerimientos generales sobre la instrumentación .............................................................30
2.3. Instrumentación de la curva H vs Q ...........................................................................................31
vi
2.3.1 Medición de la altura manométrica (H) ...................................................................................... 31
2.3.2 Medición del caudal (Q) ............................................................................................................... 33
2.4. Instrumentación de la curva P vs Q ..........................................................................................34
H
2.5. Instrumentación de la curva de rendimiento ............................................................................34
2.6. Presupuesto ....................................................................................................................................37

. INSTRUMENTACIÓN PARA EL ESTUDIO DE TURBINAS TIPO PELTON Y TURGO ....... 38
3.1 Introducción ....................................................................................................................................39
3.2 Una breve referencia sobre las turbinas hidráulicas ............................................................... 39
3.3 Selección de la instrumentación .................................................................................................40
3.3.1 Requerimientos generales para la instrumentación ................................................................ 40
3.3.2 Instrumentación de la curva ηH vs u/c1....................................................................................... 41
3.3.2.1 Registro de la velocidad absoluta a la entrada del rodete (c1) ..................................... 41
3.3.2.2 Registro de la velocidad tangencial del rodete (u) .......................................................... 42
3.3.3 Instrumentación de la curva PH vs Q ......................................................................................... 43
3.3.4 Instrumentación de la curva PT vs n........................................................................................... 43
3.3.5 Instrumentación de la curva ηT vs Q .......................................................................................... 43
3.4 Inversión requerida ........................................................................................................................44

. INGENIERÍA DE DETALLE DE LA ETAPA DE INSTRUMENTACIÓN .................................... 45
4.1 Introducción ....................................................................................................................................46
4.2 Sobre la instrumentación suficiente para el estudio de bombas centrifugas ....................46
4.2.1 Construcción de la curva H vs Q ................................................................................................ 46
4.2.2 Construcción de la curva PH vs Q ............................................................................................. 47
4.2.3 Construcción de la curva η vs Q ................................................................................................. 48
4.3 Sobre la instrumentación suficiente para el estudio de turbinas tipo Pelton y Turgo ......49
4.3.1 Construcción de la curva de ηH vs u/c1 .................................................................................... 49
4.3.2 Construcción de la curva PE vs Q .............................................................................................. 50
4.3.3 Construcción de la curva PT vs n ............................................................................................... 50
4.3.4 Construcción de la curva ηT vs Q .............................................................................................. 51
4.4 Detalles generales de la instalación de la instrumentación ...................................................51
4.4.1 Sobre la fuente de voltaje regulado ........................................................................................... 51
4.4.2 Sobre la conexión de los sensores ............................................................................................ 52
4.4.3 Sobre el nodo de procesamiento de datos ............................................................................... 54
4.5 Algoritmos para el cálculo de parámetros y construcción de curvas características ......54
4.5.1 Cálculo de la altura manométrica ............................................................................................... 54
4.5.2 Calculo del caudal......................................................................................................................... 55
4.5.3 Cálculo de la velocidad de rotación ........................................................................................... 58
vii
4.5.4 Cálculo de la potencia eléctrica suministrada y de la potencia de freno .............................. 61
4.5.5 Visualización de datos ................................................................................................................. 61
4.5.6 Simulación del funcionamiento del nodo de procesamiento .................................................. 61
4.5.7 Construcción de las curvas características en un PC estándar ............................................ 62
CONCLUSIONES ................................................................................................................................ 64
REFERENCIAS ................................................................................................................................... 65
ANEXO .................................................................................................................................................. 68

viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Esquema básico de un banco de pruebas de bombas centrifugas. ........................................ 17
Figura 1.2 Altura manométrica de la bomba en función del caudal ............................................................ 18
Figura 1.3 Altura manométrica en función del caudal con distintos diámetros. ........................................ 19
Figura 1.4 Potencia total del sistema en función del caudal. ....................................................................... 19
Figura 1.5 Eficiencia del sistema en función del caudal. .............................................................................. 20
Figura 1.6 Altura neta positiva de aspiración requerida en función del caudal. ........................................ 21
Figura 1.7 Curvas de iso-rendimiento de una bomba centrifuga. ............................................................... 21
Figura 1.8 Circuito hidráulico del banco de pruebas armfield. ..................................................................... 22
Figura 1.9 Tubo de Venturi. .............................................................................................................................. 22
Figura 1.10 Triángulos de velocidad de una turbina hidráulica. .................................................................. 24
Figura 1.11 Triangulo de velocidad a la salida del rodete. ........................................................................... 25
Figura 1.12 Curva de rendimiento hidráulico en función de u/c1. ............................................................... 27
Figura 1.13 Rendimiento total de la turbina en función del caudal. ............................................................ 28
Figura 2.1 Banco de pruebas Armfield. ........................................................................................................... 30
Figura 2.2 Altura manométrica de una bomba centrifuga. ........................................................................... 31
Figura 2.3 Potencia hidráulica del sistema en función del caudal. ............................................................ 34
Figura 2.4 Eficiencia del sistema en función del caudal. .............................................................................. 35
Figura 2.5 Motor Trifásico SIEMENS 1LA7 083-2YA60. .............................................................................. 35
Figura 2.6 Conexión Y-Y de un motor trifásico. ............................................................................................. 36
Figura 2.8 Conexión de un resistor tipo shunt para registro de la corriente en una de las fases. ........ 37
Figura 3.1 Esquema general de una turbina hidráulica. ............................................................................... 39
Figura 3.2 Triángulos de velocidad de una turbina hidráulica. .................................................................... 40
Figura 3.3 Banco de pruebas Armfield adecuado para el estudio de turbinas tipo Pelton y Turgo. ...... 41
Figura 3.4 Módulo de velocidad HC-020K. ..................................................................................................... 42
Figura 3.5 Freno Prony instalado en el banco de pruebas Armfield. .......................................................... 43
Figura 3.8 Gráfica del rendimiento de una turbina. ....................................................................................... 44
Figura 4.1 Esquema de ubicación de los sensores PX309, PX409 y PX137-015DV, en el banco de
prueba .................................................................................................................................................................. 47
Figura 4.2 Esquema de ubicación del resistor shunt utilizado para medir la potencia eléctrica
suministrada ........................................................................................................................................................ 48
Figura 4.3 Esquema de ubicación del módulo de velocidad HC-020K ...................................................... 49
Figura 4.4 Freno Prony instalado en el banco de pruebas Armfield ........................................................... 50
Figura 4.5 Arquitectura de la fuente de voltaje regulado requerida para alimentar a los sensores a
instalar en el banco de pruebas. ...................................................................................................................... 51
Figura 4.6 Sensor de presión manométrica PX309 ..................................................................................... 52
Figura 4.7 Sensor de presión de vacío PX409 .............................................................................................. 52
Figura 4.8 Sensor PX137-015DV ..................................................................................................................... 53
Figura 4.9 Módulo de velocidad HC-020K ...................................................................................................... 53
Figura 4.10 Algoritmo para el cálculo de la altura manométrica H. ............................................................ 55
Figura 4.11 Código IDE para cálculo de la altura manométrica H. ............................................................. 56
Figura 4.12 Algoritmo para el cálculo del caudal Q. ...................................................................................... 57
Figura 4.13 Código IDE para cálculo del caudal Q. ...................................................................................... 58
Figura 4.14 Algoritmo para el cálculo de la velocidad de rotación n. ......................................................... 59
Figura 4.15 Código IDE para cálculo de la velocidad de rotación n. .......................................................... 60
Figura 4.16 Esquema implementado en Proteus para la simulación del funcionamiento del nodo de
procesamiento. .................................................................................................................................................... 61
Figura 4.17 a) Interfaz gráfica diseñada para exportar datos a Excel. b) Proceso de adquisición de
datos. c) Exportación de datos a Excel. .......................................................................................................... 63
ix
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1 Características técnicas del sensor de presión de vacío con célula cerámica de medición
IFM. ....................................................................................................................................................................... 32
Tabla 2.2 Características principales del sensor PX409. ............................................................................. 32
Tabla 2.3 Características principales de los sensores de la gama PX3X9. .............................................. 32
Tabla 2.4 Características principales del sensor WIKA de la serie SCX15DNC. ..................................... 33
Tabla 2.5 Características principales del sensor PX137-015DV. ................................................................ 33
Tabla 2.6 Características principales del sensor SDP1108. ........................................................................ 34
Tabla 2.7 Características técnicas del motor SIEMENS 1LA7 083-2YA60. .............................................. 36
Tabla 2.8 Presupuesto para la instrumentación de la bomba centrífuga. .................................................. 37
Tabla 3.1 Características del módulo de medición........................................................................................ 42
Tabla 4.1 Formato de adquisición de datos para la construcción de la curva H vs Q. ............................ 46
Tabla 4.2 Características técnicas principales de los sensores PX309, PX409 y PX137-015DV de
OMEGA. ............................................................................................................................................................... 47
Tabla 4.3 Formato de adquisición de datos de la variable potencia eléctrica suministrada ................... 48
Tabla 4.4 Formato de adquisición de datos de la variable velocidad del rodete n ................................... 49
Tabla 4.5 Formato de adquisición de datos de la variable fuerza del freno F........................................... 50
Tabla 4.6 Pines de conexión del sensor PX309 ............................................................................................ 52
Tabla 4.7 Pines de conexión sensor PX409 ................................................................................................... 53
Tabla 4.8 Características del Arduino Mega 2560......................................................................................... 54
Tabla 4.9 Detalle de variables a considerar en el nodo de procesamiento. .............................................. 54
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