Tesis Mecanica de Fluidos

iUNIVERSIDAD TCNICA DEAMBATOFACULTAD DE INGENIERACIVIL Y MECNICAINGENIERA MECNICASeminario de Graduacin 2010, previo a la obtencin delttulo de Ingeniero MecnicoTEMA:ESTUDIOENELBANCODEPRUEBASTUTORPARADETERMINARLAPOTENCIAYEFICIENCIADELASTURBINASPELTONYFRANCISENLAFACULTADDEINGENIERA CIVIL Y MECNICA.AUTOR: Edwin Rubn Porras OrtizTUTOR: Ing. Alex MayorgaAMBATO-ECUADOR2011

CERTIFICACINEn mi calidad de Tutor del trabajo de investigacin, con el tema ESTUDIO EN ELBANCO DE PRUEBAS TUTOR PARA DETERMINAR LA POTENCIA Y EFICIENCIA DE LAS TURBINAS PELTON Y FRANCIS EN LA FACULTAD DE INGENIERA CIVIL Y MECNICA., elaborado por el Seor Edwin Rubn PorrasOrtiz, egresado de la Facultad de Ingeniera Civil y Mecnica, certifico:Que la presente Tesis es Original de su Autor.Ha sido revisada en cada uno de sus Captulos.Est concluida y puede continuar con los trmites correspondientes.Ambato, agosto de 2011-----------------------------------Ing. Alex Mayorga.Tutor de Tesisii

DECLARACIN DE AUTENTICIDADYo, Edwin Rubn Porras Ortiz, con C.I. #050302868-0 declaro que los resultadosobtenidos y expuestos en el presente Trabajo de Investigacin con el tema, ESTUDIO EN EL BANCO DE PRUEBAS TUTOR PARA DETERMINAR LA POTENCIA Y EFICIENCIA DE LAS TURBINAS PELTON Y FRANCIS EN LAFACULTAD DE INGENIERA CIVIL Y MECNICA., previo a la obtencin delttulo de Ingeniero de Mecnico, son absolutamentepersonales; a excepcin de las citas bibliogrficas.originales,autnticosySr. Edwin Rubn Porras OrtizC.I. 050302868-0AUTORiii

DEDICATORIAEl presente proyecto lo dedico a Dios porbendecirmeconunagranfamilia,primeramente a mi Abuelito Jos AugustoOrtiz porque siempre nos apoyo sin importar la distancia, a mi Padre Rubn Porras que con su ejemplo de sacrificio y responsabilidad supo inculcarme buenos principios; a mi Madrecita Yolanda Ortiz que siempre con su amor, apoyoy dedicacin supo guiarme en todo momento.A mis hermanos Fabricio, Maribel y a mi noviaPatricia Torres quienes siempre me apoyaron y estuvieron conmigo en todo momento.Rubn Porrasiv

AGRADECIMIENTOAgradecimiento en primer lugar a Dios por concederme la vida y darme las fuerzasnecesarias para poder culminar mis estudios.A mis padres quienes con su apoyo y sacrificio me dieron la oportunidad de alcanzarnuevas metas.A mis hermanos quienes fueron un ejemplo para poder superarme da a da adems decontar con su amistad y apoyo sincero.A la Universidad Tcnica de Ambato y profesores de la Facultad de Ingeniera Civil yMecnica, por haberme capacitado constantemente y prepararme para enfrentar los retos de la vida profesional.Al Ingeniero Alex Mayorga quien a parte de ser mi tutor fue un amigo quien meayudo con toda su experiencia para culminar este proyecto de investigacin.Rubn Porrasv

NDICE GENERAL DE CONTENIDOSPGINAS PRELIMINALES.Portada........................................................................................................................... iCertificacin. ............................................................................................................... iiAutora......................................................................................................................... iiiDedicatoria. ................................................................................................................. ivAgradecimiento. ........................................................................................................... vndice General de Contenidos. .................................................................................... vindice de Figuras......................................................................................................... xndice de Tablas. ......................................................................................................... xindice de Anexos. ....................................................................................................... xiResumen Ejecutivo..................................................................................................... xiiNDICE DE CONTENIDOSCAPTULO I ............................................................................................................... 1EL PROBLEMA .......................................................................................................... 11.1 TEMA .................................................................................................................... 11.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................. 11.2.1 CONTEXTUALIZACIN ................................................................................. 11.2.2 ANALISIS CRTICO ......................................................................................... 11.2.3 PROGNOSIS ...................................................................................................... 2vi

1.2.4 FORMULACIN DEL PROBLEMA ...............................................................21.2.5 PREGUNTAS DIRECTRICES.............................................................. 21.2.6 DELIMITACIONES...................................................................................... 21.2.6.1 DE CONTENIDO...................................................................................... 21.2.6.2 ESPACIAL.................................................................................................. 31.2.6.3 TEMPORAL .................................................................................................. 31.3 JUSTIFICACIN....................................................................................... 31.4 OBJETIVOS.................................................................................................. 41.4.1 OBJETIVO GENERAL...................................................................................... 41.4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS. .......................................................................... 4CAPTULO II .............................................................................................................. 5MARCO TERICO .................................................................................................. 52.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS.................................................. 52.3 FUNDAMENTACION LEGAL .......................................................................... 52.4 RED DE CATEGORAS FUNDAMENTALES .................................................. 72.4.1 RED DE CATEGORAS VARIABLE INDEPENDIENTE.......................... 72.4.2 RED DE CATEGORAS VARIABLE DEPENDIENTE........................ 222.5 HIPOTESIS................................................................................................ 322.6 SEALAMIENTO DE VARIABLES............................................................ 322.6.1 VARIABLE INDEPENDIENTE............................................................ 322.6.2 VARIABLE DEPENDIENTE ........................................................................ 32vii

CAPTULO III................................................................................................ 33METODOLOGA................................................................................................ 333.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN ............................................................ 333.2 NIVEL Y TIPO DE LA INVESTIGACIN................................................ 333.2.1 MODALIDAD DE INVESTIGACIN................................................ 333.2.2 TIPO DE INVESTIGACIN........................................................................ 343.3 POBLACIN Y MUESTRA........................................................................ 343.4 OPERACIONALIZACIN DE VARIABLES. ................................................ 363.4.1 VARIABLE INDEPENDIENTE: PRUEBAS EN BANCO.........................363.5 TCNICAS E INSTRUMENTOS............................................................ 383.5.1 RECOLECCIN DE LA INFORMACIN................................................. 383.6 PROCESAMIENTO Y ANLISIS............................................................. 383.6.1 PRESENTACIN DE DATOS............................................................. 383.6.2 ANLISIS................................................................................................. 38CAPTULO IV................................................................................................ 39ANLISIS E INTERPRETACIN DE RESULTADOS.................................... 394.1 ANLISIS DE LOS RESULTADOS............................................................ 394.2 INTERPRETACIN DE DATOS............................................................ 404.2.1 CLCULO O ADQUISICIN DEL CAUDAL.................................... 404.2.2 CLCULO DE LA FUERZA EN EL FRENO.................................... 414.2.3 SENSORES................................................................................................ 424.2.4 ADQUISICIN DE DATOS........................................................................ 434.3 VERIFICACIN DE HIPTESIS............................................................ 44viii

CAPTULO V................................................................................................ 50CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES................................................ 505.1 CONCLUSIONES.................................................................................... 505.2 RECOMENDACIONES .................................................................................... 53CAPTULO VI................................................................................................ 54PROPUESTA ............................................................................................................ 546.1 DATOS INFORMATIVOS........................................................................ 546.1.1 TEMA. ............................................................................................................ 546.1.2 INSTITUCIN EJECUTORA ........................................................................ 546.1.3 BENEFICIARIOS.................................................................................... 546.1.4 UBICACIN................................................................................................ 546.1.5 TIEMPO ESTIMADO PARA LA EJECUCIN.................................... 546.1.6 EQUIPO TECNICO RESPONSABLE................................................ 556.2 ANTECEDENTES DE LA PROPUESTA................................................ 556.3 JUSTIFICACIN.................................................................................... 596.4 OBJETIVOS................................................................................................ 606.4.1 OBJETIVO GENERAL........................................................................ 606.4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS. ........................................................................ 606.5 ANLISIS DE FACTIBILIDAD............................................................ 616.6 FUNDAMENTACIN.................................................................................... 616.6.1 SELECCIN DEL MICROCONTROLADOR.................................... 616.6.2 SELECCIN DE LOS SENSORES............................................................ 636.6.3 SELECCIN DE LOS ELEMENTOS ELECTRNICOS........................ 64ix

6.6.4 FORMULAS APLICADAS EN EL SOFTWARE.................................... 656.7 METODOLOGA.................................................................................... 676.7.1 ADQUISICIN DE DATOS........................................................................ 686.7.2 BANCO DE PRUEBAS TUTOR............................................................ 696.7.3 MANTENIMIENTO.................................................................................... 766.8 ADMINISTRACIN.................................................................................... 796.8.1 COSTOS DIRECTOS.................................................................................... 796.8.2 COSTOS INDIRECTOS........................................................................ 796.8.3 COSTO TOTAL DE LA INVERSIN ............................................................ 806.8.4 FINANCIAMIENTO.................................................................................... 806.9 PREVISION DE LA EVALUACIN............................................................ 80NDICE DE FIGURASFigura. 2.1 Diagrama de la distribucin de los inyectores.................11Figura 2.2 Visualizacin de las cucharas en la Turbina Pelton.........12Figura 2.3 Esquema de distribucin. .................12Figura 2.4 Componentes de una turbina Francis de eje vertical.............14Figura 2.5. Partes de una turbina Francis.....15Figura2.6. Diagrama General de un SAD......18Figura 2.7 Diagrama de la Adquisicin de datos. ...19Figura 2.8. El acondicionamiento de seales .........24Figura 2.9 Diagrama de la arquitectura Harvard.........25Figura 6.1 Micro controladores.........60x

Figura 6.2 diagrama de pines......60Figura 6.3 Sensor ptico TCRT 5000 .........62Figura 6.4 Sensor de nivel de boya.............62Figura 6.3 Micro relay.............................................................62INDICE DE TABLASTabla 2.1 Clasificacin de las Maquinas hidrulicas..........................42Tabla 4.1 Clculo por mtodos manuales.............................................42Tabla 4.2 Caudalmetro.....................................................................................43Tabla 4.3 Mtodos para adquirir la fuerza en el freno......................................43Tabla 4.4 Ejemplos de los sensores.............................................44Tabla 4.5 Mtodos de adquisicin de datos.................................................45INDICE DE ANEXOSAnexo A. Caractersticas de los equipos.............................................................82Anexo B. Programacin en Labiew.........................................................................86Anexo C Estado del Banco de Pruebas..............................................................93Anexo D Cmo Instalar Labiew.........................................................................96Anexo E Cmo instalar el Serial.......................................................................100Anexo F Gua de Mantenimiento........................................................................102Anexo G Gua de Prcticas...................................................................................105xi

Resumen EjecutivoEl presente proyecto de investigacin referente al estudio del Banco de pruebasTUTOR para determinar la Potencia y eficiencia de las turbinas Pelton y Francis,tiene como finalidad primordial recuperar una herramienta que para los estudiantes va a ser de gran ayuda para su capacitacin en Maquinas Hidrulicas.El desarrollo de la investigacin nos proporcion un enfoque ms directo sobre elmantenimiento que se le debi hacer al banco de pruebas para recuperarlo en su totalidad, adems de las mejoras que se le pudo dar que estn ligadas a las nuevastecnologas.La propuesta se baso en la correcta seleccin de los equipos para automatizar laadquisicin de datos mediante micro controladores y un software que permita mediante sensores medir el caudal de la turbina, la altura en la turbina, lasrevoluciones en el eje de la turbina y as poder determinar la potencia y eficiencia.La realizacin de un manual de funcionamiento va a permitir un aprovechamientoadecuado y adems se incluyo un software que permita de una manera ms rpida al estudiante observar la parte a dar mantenimiento, su descripcin y los procesos aseguir para conservar el Banco de pruebas.xii

CAPTULO IEL PROBLEMA1.1 TEMAESTUDIO EN EL BANCO DE PRUEBAS TUTOR PARA DETERMINARLA POTENCIA Y EFICIENCIA DE LAS TURBINAS PELTON Y FRANCIS EN LA FACULTAD DE INGENIERA CIVIL Y MECNICA.1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA1.2.1 CONTEXTUALIZACINA nivel del pas son pocas las universidades que cuentan con bancos de pruebasadecuados para obtener datos referentes para comprobar las aplicaciones de las turbinas, tienen laboratorios de fluidos pero para aplicaciones generales y noespecficamente para trabajar con turbinas.En las universidades a nivel de las provincias centrales del Ecuador no se disponede adecuados laboratorios que permitan al estudiante desarrollarse en el mbito de generacin elctrica por medio de las turbinas Plton y Francis.En la Universidad Tcnica de Ambato no se cuenta con un banco de pruebas enptimas condiciones; para determinar parmetros de las turbinas Plton y Francis que relacione lo estudiado con la prctica; para un mayor entendimiento de lascentrales hidroelctricas.1.2.2 ANALISIS CRTICOCuando no se tiene un adecuado conocimiento sobre las aplicaciones del Banco dePruebas; para determinar el rendimiento y eficiencia de las turbinas hidrulicas, hace que el estudiante no tenga la capacidad de desenvolverse en este campo por falta de un estudio completo que lo relacione con la realidad y lo lleve a trabajaren alguna forma para mejorar el proceso de funcionamiento, para aplicarlo en la

generacin elctrica, sin que exista desperdicio del recurso hdrico con un menorimpacto ambiental.1.2.3 PROGNOSISLa ausencia de un estudio del banco de pruebas estara relegando an ms el usode esta herramienta; y que es de mucha utilidad debido a que puede ayudar a realizar prcticas sobre turbinas Plton y Francis que encaminara al estudiante arelacionar lo terico con lo real.1.2.4 FORMULACIN DEL PROBLEMALa correcta adquisicin de parmetros de funcionamiento del Banco de pruebasTutor se podr contrastar con la teora aprendida en clases?1.2.5 PREGUNTAS DIRECTRICESSe podr realizar prcticas en el Banco de Pruebas que demuestre elfuncionamiento de las turbinas Plton y Francis?Qu tipos de mantenimientos se debern adecuar para una conservacinpermanente del banco de pruebas?Cules seran los procesos que se podrn automatizar en el banco de pruebas?Qu tipos de prdidas se produce en el banco de pruebas para que disminuyaeficiencia en las turbinas Plton y Francis?la1.2.6 DELIMITACIONES1.2.6.1 DE CONTENIDOCAMPO: Ingeniera MecnicaAREA: Mecnica de Fluidos, Sistemas de Medicin y Control IndustrialASPECTOS: Diseo de Micro Centrales Hidroelctricas2

TEMA: Estudio del banco de pruebas Tutor para determinar la potencia yeficiencia de las turbina Pelton y Francis en la facultad de Ingeniera Civil y Mecnica.1.2.6.2 ESPACIALEste proyecto se va a realizar en la carrera de Ingeniera Mecnica de la Facultadde Ingeniera Civil y Mecnica ubicada en Huachi de la ciudad de Ambato, provincia de Tungurahua1.2.6.3 TEMPORALEl presente proyecto se va a realizar desde el mes de Marzo del 2011 al mes deJulio del 2011.1.3 JUSTIFICACIN.Este proyecto va focalizado para la carrera de Ingeniera Mecnica de la UTA,donde es un deber y obligacin realizar investigaciones que ayuden al desarrollo de la carrera, en este caso mejorando un banco de pruebas que se encuentra enmalas condiciones de funcionamiento.La realizacin de prcticas de laboratorio ayudar a que los estudiantes mejoren lacomprensin del funcionamiento de las turbinas Plton y Francis.Este banco de pruebas ser de gran ayuda a las carreras de Ingeniera Civil eIngeniera Mecnica, posibilitando la capacitacin de estudiantes y personal que est a cargo del manejo y operacin de equipos electromecnicos de generacinhidroelctrica de pequea y mediana capacidad.Lo novedoso ser el instalar equipos de adquisicin de datos debido a losconsiderables cambios y avances tecnolgicos, ya que existe la necesidad de cambiar equipos defectuosos que dan medidas anlogas que interfieren en la toma de datos; lo que dificulta la apreciacin del funcionamiento del Banco de pruebaspara una mejor comprobacin entre lo real y lo terico.3

Al realizar las prcticas de laboratorio se podrn obtener con la automatizacin losdatos ms cercanos a la realidad, los mismos que se van a utilizar para adquirir potencia y eficiencia en las turbinas Plton y Francis.Es un proyecto factible porque existen fuentes bibliogrficas que sustenten lainvestigacin, adems de que el costo es accesible en cuanto al cambio de equipos de adquisicin de datos.1.4 OBJETIVOS1.4.1 OBJETIVO GENERALEstudiar el banco de pruebas Tutor para determinar la potencia y eficiencia delas turbinas Pelton y Francis.1.4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS.Determinar el control y adquisicin de datos que puede ser utilizado en el bancode Pruebas Tutor.Investigar los tipos de Mantenimiento que ayuden a recuperar y conservar elbanco de pruebas Tutor.Proponer una alternativa de solucin para mejorardeterminar la potencia y eficiencia de las turbinas.latomadedatosypoder4

5CAPTULO IIMARCO TERICO2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOSSe construy un laboratorio ubicado en la central hidroelctrica de Guangopolo dela Empresa Elctrica Quito para la realizacin de pruebas de pequeas turbinas hidrulicas aplicadas a la generacin de energa elctrica. Las potencialidades de este banco de pruebas, van desde ensayos experimentales de aplicacin directa, trazado de curvas caractersticas, hasta ensayos de comprobacin de tesis de nuevas bases tericas en las pequeas y medianas turbinas hidrulicas,hidrodinmica aplicada.En la facultad de Ingeniera Civil Y Mecnica de la Universidad Tcnica deAmbato reposa la tesis realizada en el ao de 1988 por dos estudiantes, Dilon Moya y Byron Rodrguez para la obtencin del ttulo de Ingeniero Civil donde hace referencia al banco de pruebas TUTOR, facilitando un manual de utilizacin para realizar pruebas bsicas de medicin para un clculo aproximado de las potencias generadas por las turbinas Plton y Francis; esto en forma simple y con la utilizacin de equipos anlogos en los cuales los datos se los tomareferencialmente.2.3 FUNDAMENTACION LEGALLEY ORGNICA DE EDUCACIN SUPERIORCaptulo 2Fines de la educacin superiorArt. 8.- Sern Fines de la Educacin Superior.- La educacin superior tendr lossiguientes fines:

a) Aportar al desarrollo del pensamiento universal, al despliegue de la produccincientfica y a la promocin de las transferencias e innovaciones tecnolgicas.d) Formar acadmicos y profesionales responsables, con conciencia tica ysolidaria, capaces de contribuir al desarrollo de las instituciones de la Repblica, a la vigencia del orden democrtico, y a estimular la participacin social.LEY DE REGIMEN DEL SECTOR ELCTRICOEl artculo 68 de la LEY DE RGIMEN DEL SECTOR ELCTRICO que diceEl CONELEC impulsar e instalar en todo el territorio nacional mini centrales elctricas, para utilizar los variados recursos hdricos que tiene el Ecuador. Las mini centrales generarn electricidad hasta un lmite de 10.0 Mw y el literal c) del artculo 10 de la LEY ESPECIAL DE DESCENTRALIZACIN DEL ESTADO Y DE PARTICIPACIN SOCIAL que dice: Los Consejos Provinciales conjuntamente con las empresas elctricas promovern el desarrollo de proyectoshidroelctricos.De los puntos indicados, al que hay que prestarle especial atencin es al que tieneque ver con la obtencin de recursos y concesin de crditos, pues este es el que permitir an sin dar completa solucin a los dems, viabilizar la construccin de pequeos y medianos proyectos de generacin hidroelctrica. En este aspecto valeconsiderar para su posterior anlisis las siguientes posibilidades.Incentivar y diversificar la produccin agrcola y artesanal para exportacin a finde que se intercambien productos por maquinaria para las centrales.Incorporar a los micros centrales y mini centrales hidroelctricas como parteconstitutiva de los programas de desarrollo.Promover entre las grandes empresas el auto abastecimiento mediante laconstruccin de mini centrales y entre los inversionistas la produccin comercial de energa.6

2.4 RED DE CATEGORAS FUNDAMENTALESVariable IndependienteVariable DependienteIngeniera en Control yAutomatizacin IndustrialIngeniera MecnicaMaquinas HidrulicasSistemas de Adquisicin ymedicin de DatosTurbinas hidrulicasAdquisicin de datosPotencia yeficiencia de las turbinas Plton yFrancisPruebas enBanco2.4.1 RED DE CATEGORAS VARIABLE INDEPENDIENTEINGENIERA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN INDUSTRIALEs la ingeniera dedicada a proyectar, disear, innovar, dirigir, mantenerinvestigar equipos, dispositivos y sistemas de control, tomando en cuentaelacalidad de los procesos de trabajo, el uso eficiente de la energa y los recursosnaturales, los sistemas de informacin y el impacto ambiental atendiendo las necesidades de las industrias bsicas y de servicios del sector productivo.La Ingeniera de Control se preocup desde sus orgenes de la automatizacin ydel control automtico de sistemas complejos, sin intervencin humana directa. Campos como el Control de procesos, Control de sistemas electromecnicos, Supervisin y ajuste de controladores y otros donde se aplican teoras y tcnicas entre las que podemos destacar: Control ptimo, Control Predictivo, Control Robusto, Control no lineal, y Control de sistemas entre otros. Todo ello con trabajos y aplicaciones muy diversas (investigacin bsica, investigacin aplicada, militares, industriales, comerciales, etc.), las cuales han hecho de la Ingeniera deControl una materia cientfica y tecnolgica imprescindible hoy en da.7

SISTEMAS DE ADQUISICIN Y MEDICIN DE DATOS.El objetivo bsico de los "Sistemas de Adquisicin de Datos", es la integracin delos diferentes recursos que lo integran (Figura. 2.6): Transductores de diferentes tipos y naturaleza, multiplexores, amplificadores, sample and hold, conversores A/D y D/A, adems el uso del micro controlador 8051 como CPU del SAD diseado, utilizando de este micro controlador todas sus prestaciones: interrupciones, temporizadores, comunicacin serie as como hacer uso de memorias y puertos externos y creando con todo ello un sistema que se encargue de una aplicacin especifica cmo es chequear una variables (PH, humedad relativa, temperatura, iluminacin, concentracin, etc ) para una posterior utilizacin de la misma ya sea con fines docentes, cientficos, de almacenamientoo control y utilizacin de la misma.Un Sistema de Adquisicin de Datos no es ms que un equipo electrnico cuyafuncin es el control o simplemente el registro de una o varias variables de unproceso cualquiera, de forma general puedeelementos.estar compuesto por los siguientesSensores.Amplificadores operacionales. Amplificadores de instrumentacin. Aisladores.Multiplexores analgicos. Multiplexores digitales. Circuitos Sample and Hold. Conversores A-D. Conversores D-A. Microprocesadores. Contadores.Filtros.Comparadores.Fuentes de potencia.8

Figura2.6.- Diagrama General de un SAD.[Fuente: http://www.logistec.com.co/logistec/procesos.htm]El S.A.D debe tener una estructura y organizacin muy equilibrada que le permitasu buen funcionamiento de ello depende de que el mismo rinda al mximo y sin ningn defecto.ADQUISICIN DE DATOSEl propsito de adquisicin de datos es medir un fenmeno elctrico y fsicocomo voltaje, corriente, temperatura, presin o sonido. La adquisicin de datos basada en PC utiliza una combinacin de hardware modular, software de aplicacin y una PC para realizar medidas. Mientras cada sistema de adquisicin de datos se define por sus requerimientos de aplicacin, cada sistema comparteuna meta en comn de adquirir, analizar y presentar informacin.Los sistemas de adquisicin de datos incorporan seales, sensores, actuadores,acondicionamiento de seales, dispositivos de adquisicin de datos y software de aplicacin.(Figura 7).9

Figura 2.7 Diagrama de la Adquisicin de datos.[Fuente: http://hgr.tripod.com/adquisicion_datos.html]Los dispositivos que se pueden considerar para la adquisicin adecuada de datosdel Banco de pruebas, son sensores, transductores, actuadores que por espacio faciliten las lecturas.SensoresUn sensor convierte una seal fsica de un tipo en una seal fsica de otranaturaleza. Por ejemplo una termocupla produce un voltaje que est relacionado con la temperatura, as mismo en una resistencia metlica se aprovecha el fenmeno de variacin de la resistencia con la temperatura para producir unaseal de voltaje que sea proporcional a la temperaturaDetectores de ultrasonidosLos detectores de ultrasonidos resuelven los problemas de deteccin de objetos deprcticamente cualquier material. Trabajan en ambientes secos y polvorientos.Normalmente se usan para control de presencia/ausencia, distancia o rastreo.Interruptores bsicosSe consiguen interruptores de tamao estndar, miniatura, subminiatura,hermticamente sellados y de alta temperatura. Los mecanismos de precisin se ofrecen con una amplia variedad de actuadores y caractersticas operativas. Estos interruptores son idneos para aplicaciones que requieran tamao reducido, pocopeso, repetitividad y larga vida.10

Interruptores final de carreraDescripcin: El microswitch es un conmutador de 2 posiciones con retorno a laposicin de reposo y viene con un botn o con una palanca de accionamiento, la cual tambin puede traer una ruedita.Funcionamiento: En estado de reposo la patita comn (COM) y la de contactonormal cerrado (NC), estn en contacto permanente hasta que la presin aplicada a la palanca del microswitch hace saltar la pequea platina acerada interior y entonces el contacto pasa de la posicin de normal cerrado a la de normal abierto (NO), se puede escuchar cuando el microswitch cambia de estado, porque se oyeun pequeo clic, esto sucede casi al final del recorrido de la palanca.Interruptores manuales.Estos son los sensores ms bsicos, incluye pulsadores, llaves, selectores rotativosy conmutadores de enclavamiento. Estos productos ayudan al tcnico e ingeniero con ilimitadas opciones en tcnicas de actuacin y disposicin de componentes.Productos encapsulados.Diseos robustos, de altas prestaciones y resistentes al entorno o hermticamentesellados. Esta seleccin incluye finales de carrera miniatura, interruptores bsicos estndar y miniatura, interruptores de palanca y pulsadores luminosos.Productos para fibra ptica.El grupo de fibra ptica est especializado en el diseo, desarrollo y fabricacinde componentes optoelectrnicos activos y submontajes para el mercado de la fibra ptica. Los productos para fibra ptica son compatibles con la mayora de los conectores y cables de fibra ptica multimodo estndar disponiblesactualmente en la industria.Productos infrarrojosLa optoelectrnica es la integracin de los principios pticos y la electrnica desemiconductores. Los componentes optoelectrnicos son sensores fiables y11

econmicos. Se incluyen diodos emisores de infrarrojos (IREDs), sensores ymontajes.Sensores para automocin.Se incluyen sensores de efecto Hall, de presin y de caudal de aire. Estos sensoresson de alta tecnologa y constituyen soluciones flexibles a un bajo costo. Su flexibilidad y durabilidad hace que sean idneos para una amplia gama deaplicaciones de automocin.Sensores de caudal de aire.Los sensores de caudal de aire contienen una estructura de pelcula fina aisladatrmicamente, que contiene elementos sensibles de temperatura y calor. La estructura de puente suministra una respuesta rpida al caudal de aire u otro gasque pase sobre el chip.Sensores de corrienteLos sensores de corriente monitorizan corriente continua o alterna. Se incluyensensores de corriente lineales ajustables, de balance nulo, digitales y lineales. Los sensores de corriente digitales pueden hacer sonar una alarma, arrancar un motor, abrir una vlvula o desconectar una bomba. La seal lineal duplica la forma de la onda de la corriente captada, y puede ser utilizada como un elemento de respuestapara controlar un motor o regular la cantidad de trabajo que realiza una mquina.Sensores de efecto Hall.Son semiconductores y por su costo no estn muy difundidos pero encodificadores ("encoders") de servomecanismos se emplean mucho.Sensores de humedad.Los sensores de humedad relativa/temperatura y humedad relativa estnconfigurados con circuitos integrados que proporcionan una seal acondicionada.Estos sensores contienen un elemento sensible capacitivo en base de polmeros12

que interacciona con electrodos de platino. Estn calibrados por lser y tienen unaintercambiabilidad de +5% HR, con un rendimiento estable y baja desviacin.Sensores de posicin de estado slidoLos sensores de posicin de estado slido, detectores de proximidad de metales yde corriente, se consiguen disponibles en varios tamaos y terminaciones. Estos sensores combinan fiabilidad, velocidad, durabilidad y compatibilidad con diversos circuitos electrnicos para aportar soluciones a las necesidades deaplicacin.Sensores de presin y fuerzaLos sensores de presin son pequeos, fiables y de bajo costo. Ofrecen unaexcelente repetitividad y una alta precisin y fiabilidad bajo condiciones ambientalesvariables.Adems,presentanunascaractersticasoperativasconstantes en todas las unidades y una intercambiabilidad sin recalibracin.Sensores de temperaturaLos sensores de temperatura se catalogan en dos series diferentes: TD yHEL/HRTS. Estos sensores consisten en una fina pelcula de resistencia variable con la temperatura (RTD) y estn calibrados por lser para una mayor precisin eintercambiabilidad. Las salidas lineales son estables y rpidas.Sensores de turbidez.Los sensores de turbidez aportan una informacin rpida y prctica de la cantidadrelativa de slidos suspendidos en el agua u otros lquidos. La medicin de la conductividad da una medicin relativa de la concentracin inica de un lquidodado.Sensores magnticos.Los sensores magnticos se basan en la tecnologa magnetoresisitiva SSEC.Ofrecen una alta sensibilidad. Entre las aplicaciones se incluyen brjulas, control13

remoto de vehculos, deteccin de vehculos, realidad virtual, sensores deposicin, sistemas de seguridad e instrumentacin mdica.Sensores de presinLos sensores de presin estn basados en tecnologa piezoresistiva, combinadacon microcontroladores que proporcionan una alta precisin, independiente de latemperatura,aplicaciones laboratorios,y capacidad de comunicacin digital directa con PC. Lasafines a estos productos incluyen instrumentos para aviacin, controles de quemadores y calderas, comprobacin de motores,tratamiento de aguas residuales y sistemas de frenado.Mtodos para adquirir datos.Una vez teniendo en consideracin los datos y dispositivos que necesitamos paraadquisicin de datos que nos permitan determinar la potencia y eficiencia de las turbinas, se investigan los procesos para almacenar los datos obtenidos a unacomputadora las cuales se describen a continuacin.TARJETAS DAQ.Los sistemas de adquisicin de datos (DAQ) basados en PC y dispositivosinsertables son usados en un amplio rango de aplicaciones en los laboratorios, en el campo y en el piso de una planta de manufactura.Tpicamente, los dispositivos DAQ insertables son instrumentos de propsitogeneral diseados para medir seales de voltaje.El problema es que la mayora de los sensores y transductores generan seales quedebe acondicionar antes de que un dispositivo DAQ pueda adquirir con precisin la seal. Este procesamiento al frente, conocido como acondicionamiento de seal, incluye funciones como amplificacin, filtrado, aislamiento elctrico y multiplexado. Es as que la mayora de los sistemas DAQ basados en PC incluyen algn tipo de acondicionamiento de seal adems del dispositivo DAQ y la PC,como lo muestra la (Figura 2.8).14

Figura 2.8. El acondicionamiento de seales es un componente importante en un sistema deadquisicin de datos [Fuente: www.ni.com]Sistemas de switcheo al frente tambin incrementan la funcionalidad de susistema de medicin y automatizacin. Switcheo de propsito general le proporciona control digital de la presencia o ausencia de su seal en el sistema, como la alimentacin a un motor. Configuraciones de multiplexores/matriz de relevadores controlan la fuente y ruta de las seales en su sistema o actan comomultiplexores para dispositivos como multmetros digitales (DMMs).Microcontroladores.Son diseados para reducir el costo econmico y el consumo de energa de unsistema en particular. Por eso el tamao de la unidad central de procesamiento, la cantidad de memoria y los perifricos incluidos dependern de la aplicacin. Elcontrol de un electrodomstico sencillo como una batidora, utilizarprocesador muy pequeo (4 u 8 bit) por que sustituir a un autmata finito.unCaractersticas relevantes de los PIC1. La arquitectura del procesador sigue el modelo Harvard. (Figura 2.9)La repercusin ms importante del empleo de la arquitectura Harvard enmicrocontroladores PIC se manifiesta en la organizacin de la memorialosdelsistema. La memoria de programa o instrucciones es independiente de la de losdatos, teniendo tamaos y longitudes de palabra diferentes.15

FIGURA 2.9 Diagrama de la arquitectura Harvard[Fuente: http://perso.wanadoo.es/pictob/micropic.htm ]La arquitectura Harvard permite a la CPU acceder simultneamente a las dosmemorias. Adems, propicia numerosas ventajas al funcionamiento del sistema.En los PIC, el formato de las instrucciones es de 12 bits, 14 bits o 16 bits segn elmodelo y, en consecuencia, la longitud de las palabras de la memoria de instrucciones o programa corresponde con esa longitud. Este tamao permite codificar en una palabra el cdigo de operacin de la instruccin junto al operandoo su direccin.2. Se aplica la tcnica de segmentacin ("pipe-line") en la ejecucin de lasinstrucciones.La segmentacin permite al procesador realizar al mismo tiempo la ejecucin deuna instruccin y la bsqueda del cdigo de la siguiente. De esta forma se puede ejecutar cada instruccin en un ciclo (en los PIC cada ciclo de instruccin soncuatro ciclos de reloj).3. El formato de todas las instrucciones tiene la misma longitud.Las instrucciones de los micro controladores ms sencillos tienen una longitud depalabra de 12 bits. Los medianos tienen 14 bits y los de mayor complejidad tienen ms longitud. Esta caracterstica es muy ventajosa en la optimizacin de la memoria de instrucciones y facilita enormemente la construccin deensambladores y compiladores.16

4. Procesador RISC (Computador de Juego de Instrucciones Reducido).Las CPUs atendiendo al tipo de instrucciones que utilizan pueden clasificarse en:CISC: (Complex Instruction Set Computer) Computadores de juego deinstrucciones complejo, que disponen de un repertorio de instrucciones elevado (80, 100 o ms), algunas de ellas muy sofisticadas y potentes, pero que como contrapartida requieren muchos ciclos de mquina para ejecutar las instruccionescomplejas.RISC:(ReducedInstructionSetComputer)Computadoresdejuegodeinstrucciones reducido, en los que el repertorio de instrucciones es muy reducido, las instrucciones son muy simples y suelen ejecutarse en un ciclo mquina.SISC:(SpecificInstrictionSetComputer)Computadoresdejuegodeinstrucciones especfico. En los micro controladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, adems de ser reducido, es "especfico",es decir, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicacin prevista.5. Todas las instrucciones son ortogonales.Cualquier instruccin puede manejar cualquier elemento de la arquitectura comofuente o como destino. En los PIC el manejo del banco de registros, que participan activamente en la ejecucin de las instrucciones, es muy interesante alser ortogonales.6. Arquitectura basada en un banco de registros.La arquitectura basada en banco de registros implica que todos los elementos delsistema, es decir, temporizadores, puertos de entrada/salida, posiciones de memoria, etc, estn implementados fsicamente como registros.7. Prcticamente todos los PIC se caracterizan por poseer unos mismos recursosmnimos:17

Sistema POR (POWER ON RESET).Todos los PIC tienen la facultad de generar una autoreinicializacin o autoreset al conectarles la alimentacin.Perro guardian, (Watchdog)Existe un temporizador que produce un reset automticamente si no es recargado antes de que pase un tiempo prefijado.Cdigo de proteccin.Cuando se procede a realizar la grabacin del programa, puede protegerse para evitar su lectura.Modo de reposo (bajo consumo o SLEEP).Ejecutando una instruccin (SLEEP), el CPU y el oscilador principal se detienen y se reduce notablemente el consumo.Modo de reposo (bajo consumo o SLEEP).8. Modelos de arquitectura cerrada y de arquitectura abierta.Entre los fabricantes de microcontroladores hay dos tendencias para resolver lasdemandas de los usuarios:Microcontroladores de arquitectura cerrada.Cada modelo se construye con una determinada CPU, cierta capacidad de memoria de datos, cierto tipo y capacidad de memoria de instrucciones, unnmero de E/S y un conjunto de recursos auxiliares muy concreto.Microcontroladores de arquitectura abierta.Estos microcontroladores se caracterizan porque, adems de disponer de una estructura interna determinada, pueden emplear sus lneas de E/S para sacar al exterior los buses de datos, direcciones y control, con lo que se posibilita laampliacin de la memoria y las E/S con circuitos .integrados externos.18

9. Diversidad de modelos de microcontroladores.La gran variedad de modelos de microcontroladores PIC permite que el usuariopueda seleccionar el ms conveniente para su proyecto.10. Amplio margen de alimentacin y corrientes de salida elevadas.La tensin tpica de los PIC es de 5 v, si bien segn que modelos se puedenalimentar con tensiones de 2 a 6,25 voltios, lo cual posibilita el funcionamiento mediante pilas corrientes teniendo en cuenta su bajo.11. Herramientas de soporte potentes y econmicas.Eleccin de un Micro controladorObviando factores generales, como el precio o el tamao, las caractersticas quenos ayudan a decidir entre la gran variedad de micro controladores (PIC) son:Nmero de bits: Arquitecturas de 8, 16 y 32 bits.Velocidad: en MIPS o en MHz. De 4MHz a 80MHz.Memoria de programa: Tamao: de 300Bs a 512KBs.Tipo: Flash (regrabable) vs OTP (programable una nica vez).Memoria principal: de 16Bs a 64KBs. Memoria permanente: EEPROM de 0 a 4KBs. Temperatura de trabajo: De -40C a 150C. Voltaje: desde 18V.Encapsulado: DIP/SPDIP para prototipos. Otros: SOIC, QFN, TQFP, DFN.Pines de E/S y pines totales: 4 a 85 / 6 a 100Unidades de E/S y otros componentes: Conversores A/D.Puertos de comunicacin digital (serie, RF, Ethernet, USB).Temporizadores, comparadores, PWM, capturadores.SSOP,19

PLCEs un equipo electrnico, programable en lenguaje no informtico, diseado paracontrolar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial procesos secuenciales.Las ventajas en el uso del PLC comparado con sistemas basados en rel osistemas electromecnicos son:Flexibilidad: Posibilidad de reemplazar la lgica cableada de un tablero ode un circuito impreso de un sistema electrnico, mediante un programa que corre en un PLC.Tiempo: Ahorro de tiempo de trabajo en las conexiones a realizar, en la puesta en marcha y en el ajuste del sistema.Cambios: Facilidad para realizar cambios durante la operacin del sistema.Confiabilidad. Espacio. Modularidad.Estandarizacin.El autmata programable consta de los siguientes componentes:a)Unidad central de procesamiento (CPU), que constituye el "cerebro" delsistema y toma decisiones en base a la aplicacin programada.Mdulos para seales digitales y analgicas (I/O)Procesadores de comunicacin (CP) para facilitar la comunicacin entre el hombre y la mquina o entre mquinas. Se tiene procesadores de comunicacin para conexin a redes y para conexin punto a punto.Mdulos de funcin (FM) para operaciones de clculo rpido.b)c)d)Existen otros componentes que se adaptan a los requerimientos de los usuarios:--Mdulos de suministro de energa.Mdulos de interfaces para conexin de racks mltiples en configuracin multi-hileraEn los mdulos de entrada pueden ser conectados:-Sensores inductivos, capacitivos, pticos20

-----InterruptoresPulsadores LlavesFinales de carreraDetectores de proximidadEn los mdulos de salida pueden ser conectados:----ContactoresElectrovlvulas Variadores de velocidadAlarmasCLASIFICACIN DE AUTMATASCOMPACTOS: Suelen integrar en el mismo bloque la alimentacin, entradas ysalidas y/o la CPU.MODULARES: Estn compuestos por mdulos o tarjetas adosadas a rack confunciones definidas: CPU, fuente de alimentacin, mdulos de E/S, etcPRUEBAS EN BANCOUn banco de pruebas es una plataforma para experimentacin de proyectos degran desarrollo. Los bancos de pruebas brindan una forma de comprobacinrigurosa,transparenteyrepetibledeteorascientficas,elementoscomputacionales, y otras nuevas tecnologas.El trmino se usa en varias disciplinas para describir un ambiente de desarrolloque est protegido de los riesgos de las pruebas en un ambiente de produccin. Un banco de pruebas se usa cuando un nuevo mdulo se prueba aparte del programaal que luego ser agregado.El Banco de pruebas a estudiar consta principalmente de dos turbinas: La Plton yLa Francis, una bomba la cual est controlada por un variador de frecuencia, Dinammetros, Manmetros y frenos en las turbinas para poder determinar las potencias, la funcin principal de este banco de pruebas es mostrar elfuncionamiento simplificado de una micro central hidroelctrica.21

Para variar los parmetros se utiliza el variador de velocidad de la bomba, unavlvula para la apertura del chifln en la turbina Plton, una palanca que direcciona los labes de la turbina Francis y la fuerza en el freno de las turbinas.2.4.2 RED DE CATEGORAS VARIABLE DEPENDIENTEINGENIERA MECNICALa Ingeniera Mecnica es un campo muy amplio de la ingeniera que implica eluso de los principios fsicos para el anlisis, diseo, fabricacin y mantenimiento de sistemas mecnicos. Tradicionalmente, ha sido la rama de la Ingeniera que mediante la aplicacin de los principios fsicos ha permitido la creacin de dispositivos tiles, como utensilios y mquinas. Los ingenieros mecnicos usan principios como el calor, la fuerza y la conservacin de la masa y la energa para analizar sistemas fsicos estticos y dinmicos, contribuyendo a disear objetos. La Ingeniera Mecnica es la rama de las mquinas, equipos e instalaciones teniendo siempre en mente aspectos ecolgicos y econmicos para el beneficio de la sociedad. Para cumplir con su labor, la ingeniera mecnica analiza las necesidades, formula y soluciona problemas tcnicos mediante un trabajo interdisciplinario, y se apoya en los desarrollos cientficos, traducindolos en elementos, mquinas, equipos e instalaciones que presten un servicio adecuado,mediante el uso racional y eficiente de los recursos disponibles.Con el pasar del tiempo y al igual que en otras disciplinas, la ingeniera Mecnicase ha ramificado en otras reas como lo son:Esttica : Estudio del equilibrio de fuerzas, sobre un cuerpo en reposo.Dinmica : Estudio de como las fuerzas afectan el movimiento de los cuerpos.Termodinmica y transferencia de calor: Estudio de las causas en los cambios detemperatura y transferencia de calor en los materiales.Mecnica de los fluidos: Estudio de la reaccin de los fluidos bajo la accin de lasfuerzas.22

La ingeniera mecnica se extiende de tal forma que es capaz de abordar unproblema con la racionalizacin de varios factores que pueden estar afectando y que son fundamentales para hallar determinada solucinMQUINAS HIDRULICAS1Las mquinas hidrulicas son mquinas de fluido incompresible, o que secomporta como tal, es decir fluidos cuya densidad en el interior de la mquina no sufre variaciones importantes. Convencionalmente se especifica para los gases un lmite de 100 mbar para el cambio de presin; de modo que si ste es inferior, lamquina puede considerarse hidrulica.En los motores hidrulicos, la energa del fluido que atraviesa la mquinadisminuye, obtenindose energa mecnica.En el caso de generadores hidrulicos, el proceso es el inverso, de modo que elfluido incrementa su energa al atravesar la mquina.Las mquinas volumtricas, exceptuando algunas mquinas rotoestticas que porsu diseo no pueden invertir su movimiento, son reversibles, de modo que pueden funcionar indistintamente como generador o motor.Tabla 2.1 Clasificacin de las Maquinas hidrulicas. (l=lquido, g=gas).1 DE PARRES, J. L., Mquinas Hidrulicas, Mxico.23MotorasVolumtricasAlternativas- Bombas de mboloRotativas- Bombas roto estticasTurbomquinasTurbinas hidrulicas (l) Aerogeneradores (g)GeneradorasVolumtricasAlternativas- Bombas de mboloRotativas- Bombas roto estticasTurbomquinasBombas roto dinmicas (l)Ventiladores (g)

TURBINAS HIDRULICAS2La turbina hidrulica es la encargada de transformar la energa mecnica enenerga elctrica, por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada sistema hidroelctrico.La turbina, palabra relacionada con el torbellino creado por un fluido, se entiendetodo dispositivo mecnico capaz de convertir en trabajo, en la forma de movimiento de rotacin, la energa cintica presente en masas de agua, vapor ogas, al encontrarse stas dotadas de una determinada velocidad de desplazamiento.La aplicacin inmediata del trabajo mecnico desarrollado en la turbina, es la dehacer girar al rotor del generador de energa elctrica, en el cual se realiza la transformacin de la energa mecnica en energa elctrica.Las turbinas se pueden clasificar de varias maneras estas son:a.- Segn la direccin en que entra el agua:Turbinas axiales: el agua entra en el rodete en la direccin del eje.Turbinas radiales: el agua entra en sentido radial, no obstante puede salir en cualquier direccin.el aguab.- De acuerdo al modo de obrar del agua:Turbinas de chorro o de accin simple o directa.Turbinas de sobrepresin o de reaccin.c.- Segn la direccin del eje:Horizontales.Verticales.Se inicia el estudio de los tres tipos de turbinas hidrulicas utilizados con mejoresresultados en la actualidad. De cada uno de dichos tipos, mencionaremos las caractersticas tcnicas y de aplicacin ms destacadas que los identifican, la descripcin de los distintos elementos que componen cada turbina, as como elprincipio de funcionamiento de las mismas.2 MATAIX, C., Turbomquinas Hidralicas, Editorial ICAI,24

Los dos tipos objeto de estudio son:Turbinas PELTONTurbinas FRANCISTurbina Plton3Esta turbina hidrulica fue inventada por el Americano Lester Plton acerca delao 1880. Se trata de una mquina de chorro libre. Se encuentran al rodete los labes en forma de copa, cada uno subdivididos en dos medios casquillos por uncanto vivo.Con el objeto de aumentar la potencia de una misma turbina, con un determinadosalto hidrulico, se aaden ms inyectores repartidos en la periferia, pudiendo llegar a 6 en turbinas de gran tamao (Figura 2.1). Un nmero excesivo deinyectores ocasiona una prdida de rendimiento por interferir mutuamenteflujos al caer el agua.susFigura. 2.1 Diagrama de la distribucin de los inyectores en una Turbina Plton[Fuente www.google.com/imgres?imgurl ]El rotor est constituido por un disco que soporta unas cucharas con cavidad, peridicamente dispuestas en su periferia, (Figura 2.2).doble3 Fox, R.W. McDonald, A.T. Introduccin a la Mecnica de Fluidos. Ed. McGraw-Hill. 1989.25

Figura 2.2 Visualizacin de las cucharas en la Turbina Pelton[Fuente: http://www4.ujaen.es/~dfernan/turbina_pelton.htm]El principio de la turbina Plton es convertir la energa cintica del chorro de agua en velocidad de rotacin de la rueda o rotor. A fin de que esto se haga con la mxima eficiencia el agua debe abandonar las cucharas con una pequea cantidad de energa cintica remanente. Debido al gradiente favorable de presin el flujo ser laminar y muy aproximadamente ideal e incompresible, por lo que la frmula de Bernoulli aplicada entre la tubera de llegada en la cual existe una altura neta Hn y la seccin de salida a la atmsfera (P = 0) (Figura 2.3) nos permite predecirla velocidad de salida co:Figura 2.3 Esquema de la distribucin de los parmetros que influyen en la Turbina Plton[Fuente: http://members.tripod.com/mqhd_ita.mx/u3.htm]26

Los labes pueden estar fundidos con la misma rueda o unidos individualmentepor medio de bulones o pernos. La forma de fabricacin ms comn es por separado labes y rueda ya que facilita su construccin y mantenimiento. Se funden en una sola pieza rueda y labes cuando la rueda tiene un gran velocidad especfica, con este proceso de fabricacin se logra mayor rigidez, solidez uniformidad y montaje rpido. Se debe tener especial cuidado al escoger el material de fabricacin adecuado en una turbina Plton; este material debe resistir la fatiga, la corrosin y la erosin; la fundicin de grafito laminar y acero, resistenperfectamente estas condiciones cuando son moderadas.El Nmero de labes suele ser de 17 a 26 por rueda, todo esto dependiendo de lavelocidad especfica; Cuando se necesita una velocidad alta el nmero de labes es pequeo debido a que a mayor velocidad especfica, mayor caudal lo que exige labes ms grandes y con esto caben menos en cada rueda. El caudal puede ser influenciado por una algunas toberas de aguja a ser regladas precisamente. El agua sale de las toberas, siendo tangencialmente admitida a los labessubdivididos del rodete.Actualmente existen turbinas Plton dentro de los rangos que siguen:Cadas de entre 100 y 500 metrosCaudales de entre 0,06 y 1,0 m/sPotencias nominales de entre 50 y 2.000 KwTurbinas Francis4Son turbinas de sobrepresin por ser variable la presin en las zonas del rodete, ode admisin total ya que ste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su periferia. Tambin se conocen como turbinas radiales-axiales yturbinas de reaccin, conceptos que se ampliarn en su momento.El campo de aplicacin es muy extenso, dado el avance tecnolgico conseguidoen la construccin de este tipo de turbinas. Pueden emplearse en saltos de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudales (entre 2 y 200 m3/saproximadamente). Consideraremos la siguiente clasificacin, en funcin de la4 Fox, R.W. McDonald, A.T. Introduccin a la Mecnica de Fluidos. Ed. McGraw-Hill. 1989.27

velocidad especfica del rodete, cuyo nmero de revoluciones por minuto dependede las caractersticas del salto.Turbina Francis lenta. Para saltos de gran altura (alrededor de 200 m o ms).Turbina Francis normal. Indicada en saltos de altura media (entre 200 y 20 m)Turbinas Francis rpidas y extra rpidas. Apropiadas a saltos de pequea altura.(inferiores a 20 m).ComponentesdeunaturbinaFrancis.-Larelacindecomponentesfundamentales, considerando como referencia, siempre que ello sea factible,sentido de circulacin del agua por la turbina, es el siguiente (Figura. 2.4):elFigura 2.4 Componentes de una turbina Francis de eje vertical.[Fuente: http://www.caballano.com/francis.htm]28

rganos principales de una turbina Francis.Figura 2.5. Partes de una turbina Francis[Fuente: http://members.tripod.com/mqhd_ita.mx/maqinas4.htm]La carcasa, caja espiral o caracol como ya se a dicho es un ducto alimentador deseccin generalmente circular y dimetro decreciente, que circula al rotor, procurando el fluido necesario para la operacin de la turbina. Generalmente eslmina de acero.El distribuidor, lo constituye una serie de alabes directores en forma de persianacircular cuyo paso se puede modificar con la ayuda de un servomotor lo que permite imponer al fluido la direccin de ataque exigida por el rodete mvil y adems regula el gasto de acuerdo con la potencia exigida de la turbina. Eldistribuidor se transforma parcialmente la energa de presin en energa cintica.El rodete mvil o rotor. Est formado por los propios alabes, los cuales estnengastados en un plato perpendicular al eje de la maquina, de cuyo plato arrancan siguiendo la direccin axial, tomando en forma progresiva un alabeo y abrindosea hacia la direccin radial.El tubo de desfogue o difusor, da salida al agua de la tubera y al mismo tiempoprocura una ganancia en carga esttica hasta el valor de la presin atmosfrica debido a su forma diferente se tiene as a la salida del rotor una presin ms baja29

POTENCIA Y EFICIENCIA DE LAS TURBINAS PELTON Y FRANCISActualmente es necesario desarrollar la construccin de turbinas para elaprovechamiento de pequeos saltos hidrulicos, por lo cual se requiere que las mismas sean capaces de transformar eficientemente la energa cintica del agua enenerga mecnica.A nivel internacional existe la tendencia a realizar diseos cada vez ms eficientescon el uso de sistemas computacionales que permiten simular las condiciones de trabajo bajo las cuales trabajar el equipo. No obstante a el alto nivel alcanzado en este campo es fundamental tambin tener en cuenta que cuando se efecta el diseo de una turbo mquina se deben tener en cuenta una serie de parmetros que influyen de una forma u otra sobre el funcionamiento de una turbina. Algunos de estos factores estn relacionados con la instalacin y explotacin del equipo yotros con el diseo hidrulico de las partes que lo componen.Es conocido que a veces la obtencin de potencia es ms importante que unarazonable prdida en la eficiencia, no obstante cuando se realiza el diseo siempre se trata de tener en cuenta las recomendaciones existentes para que las prdidasque ocurran dentro de la turbina sean minimizadas.Es por esto que se hace necesario exponer con claridad la influencia que tienenestos parmetros sobre la eficiencia y como se puede minimizar la ocurrencia prdidas durante el funcionamiento de una turbina. El rendimiento hidrulico, con la mquina actuando con grado de admisin y altura de suministro constantestiene una dependencia parablica si los coeficientes son constantes.Coincide el punto de mximo rendimiento (eficiencia) con el de mxima potencia,es decir con el punto de mxima productividad, lo cual es conveniente econmicamente. El rendimiento es nulo a mquina parada, as como a una velocidad a la que se anule el par til, pues la energa extrada del chorro seinvierte exclusivamente en las prdidas mecnicas.30

PROCEDIMIENTO-Colocar la Turbina en la posicin correcta para un aprovechamientomximo del chorro de agua.Poner en condiciones de encendido a la bomba (cebado).Encender el motor.Tomar la presin a la salida del chorro.Aplicar la fuerza del freno en la turbina seleccionada.Tomar lectura del dinammetro.Tomar lectura de las revoluciones que marca el tacmetro.Obtener la medida de la turbina, del freno y del tacmetro; en especial estos dos ltimos datos para hacer la transformacin de las revoluciones. Medir la altura del liquido en el vertedero para poder hallar el caudalusado durante el ensayo---------Despus de tomar la totalidad de datos, se procesaranpotencias, eficiencias y velocidades.Graficar los resultados cada variable en funcin de la rpm.para hallarlas-CLCULOSPOTENCIA MECNICA = 2(2.1)60 = (2.2)F= Fuerza de frenadoN= RPM del eje de la turbina.T= TorquePOTENCIA HIDRULICA = (2.3)31

Donde=Peso especifico del agua.=Caudal=Carga de la turbinaEFICIENCIA = 100%(2.4)DondeNt= EficienciaPM=Potencia MecnicaPH=Potencia Hidrulica2.5 HIPTESISLa adquisicin de datos mediante un sistema de control, permitir al estudiante enel banco de pruebas Tutor determinar la potencia y eficiencia de las turbinasPelton y Francis con mayor facilidad?2.6 SEALAMIENTO DE VARIABLES2.6.1 VARIABLE INDEPENDIENTEPruebas en Banco2.6.2 VARIABLE DEPENDIENTEPotencia y eficiencia de las turbinas Pelton y Francis.32

33CAPTULO IIIMETODOLOGA3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACINEn el presente trabajo se realizar un anlisis cuantitativo en busca de unaadecuada automatizacin y un correcto plan de Mantenimiento del banco de pruebas TUTOR; el cual nos va ayudar a determinar la eficiencia y potencia delas turbinas Plton y Francis que se encuentran en el mismo.El estudio tambin se basar en la informacin existente y se recurrir adocumentacin bibliogrfica para el respectivo desarrollo del proyecto.3.2 NIVEL Y TIPO DE LA INVESTIGACIN3.2.1 MODALIDAD DE INVESTIGACINCampo.- Para el desarrollo del proyecto se utilizar la investigacin de campopara la obtencin de datos necesarios para el estudio, los mismos que sern adquiridos directamente de las empresas que utilicen este tipo de turbinas parageneracin elctrica.Bibliogrfica.-La investigacin bibliogrfica se la realizar en la biblioteca de laFacultad de Ingeniera Civil y Mecnica de la Universidad Tcnica de Ambato, Campus Huachi Chico.Documental.- ste medio investigativo lo utilizaremos ya que necesitaremosconocer e identificar sobre materiales y tcnicas que nos ayude al mantenimiento y automatizacin del proyecto.Experimental.- Este tipo de investigacin se realizar con diferentes experimentospara la comprobacin y verificacin del funcionamiento del banco de pruebas, logrando obtener una lista de datos y poder comprobar su funcionamiento.

3.2.2 TIPO DE INVESTIGACINExploratoria.- Se investigar todo y cada uno de los detalles del proyecto, tanto sudiseo como su funcionamiento, para comparar los resultados experimentales con los reales dados por el banco de pruebas.Descriptiva.- Describe los pasos realizados en el control y automatizacin comoinformacin y tener as un respaldo de funcionamiento del banco de pruebas.Correlacin.- En este tipo de estudio descriptivo tiene como finalidad determinarel grado de relacin o asociacin no causal existente entre dos o ms variables.Aunque la investigacin correlacional no establece de forma directa relaciones causales, puede aportar indicios sobre las posibles causas de un fenmeno.3.3 POBLACIN Y MUESTRAEn el Banco de pruebas TUTOR se van a realizar pruebas con cada una de lasturbinas variando los parmetros descritos a continuacin.TURBINA PELTONEn esta turbina se puedevelocidad de la bomba.variarlaaberturadelchiflnylavelocidaddelaCHIFLN34ABERTURADEL INYECTORVELOCIDAD DE LABOMBACAUDALFUERZAREVOLUCIONESEFICIENCIAPOTENCIA25%50%75%100%

VELOCIDAD DE LA BOMBA.TURBINA FRANCISEn este tipo de turbina lo nico que se va a variar para realizar la prctica es lavelocidad de la bomba.VELOCIDAD DE LA BOMBA.35VELOCIDADDELA BOMBAABERTURADELA VALVULACAUDALFUERZAREVOLUCIONESEFICIENCIAPOTENCIA40%100%50%100%60%100%70%100%VELOCIDADDELA BOMBAABERTURADEL INYECTORCAUDALFUERZAREVOLUCIONESEFICIENCIAPOTENCIA50%60%70%80%

363.4 OPERACIONALIZACIN DE VARIABLES.3.4.1 VARIABLE INDEPENDIENTE: PRUEBAS EN BANCOConceptoDimensinIndicadorestemsTcnicas e instrumentosde la investigacinUn banco de pruebas es una plataforma para experimentacin de proyectos de gran desarrollo. Los bancos de pruebas brindan una forma de comprobacin rigurosa, transparente y repetible de teoras cientficas, elementos computacionales, y otras nuevas tecnologas.El Banco de pruebas Tutor consta principalmente de dos turbinas: La Plton y La Francis, una bomba la cual est controlada por un variador de frecuencia, Dinammetros, Manmetros y frenos en las turbinas para poder determinar las potencias, la funcin principal de este banco de pruebas es mostrar el funcionamiento simplificado de una micro central hidroelctrica.Para variar los parmetros se utiliza el variador de velocidad de la bomba, una vlvula para la apertura del chifln en la turbina Plton, una palanca que direcciona los labes de la turbina Francis y la fuerza en el freno de las turbinas.Toma de datos Manualcon equiposanalgicosToma de datos Automtica.Qu datos se toman manualmente?Qu equipos analgicos nos dan datos en el banco de Pruebas?Altura netaFuerzaPresionesManmetrosNivelDinammetrosObservacinCatlogosBibliografaInternetObservacinCatlogosBibliografaInternetQu datos se adquieren automticamente?Qu equipos transfieren los datos en el banco de Pruebas?RevolucionesCaudalFuerzaSensoresPLCMicro controladores

373.4.2 VARIABLE DEPENDIENTE: POTENCIA Y EFICIENCIA DE LAS TURBINAS PLTON Y FRANCIS.ConceptoDimensinIndicadorestemsTcnicaseinstrumentosdela investigacinLa potencia es el trabajo aplicado por unidad de tiempo aprovechando al mximo la energa hidrulica que se le da a las turbinas y la energa mecnica que es transformada de la hidrulica.Es conocido que a veces la obtencin de potencia es ms importante que una razonable prdida en la eficiencia, no obstante cuando se realiza el diseo siempre se trata de tener en cuenta las recomendaciones existentes para que las prdidas que ocurran dentro de la turbina sean minimizadas.La eficiencia en turbinas hidrulicas es el cociente entre la potencia de salida o mecnica y la de entrada o hidrulica, lo que se refiere al mayor aprovechamiento de la transformacin de energa hidrulica a energa mecnica, que es utilizada por la turbina para transformarla en energa elctrica.EficienciaPotenciaQu se debe hacer para aumentar la eficiencia en las turbinas?Disminuir la friccin en la carcasa.Bajar la turbulencia segn el agua entra al rodete.Disminuir la friccin en los pasajes del rodete.Disminuir la friccin y turbulencia en el tubo de aspiracin.Disminuir las prdidas hidrulicas.Catlogos BibliografaObservacin Fichas Tcnicas TabulacionesQu datos se debe adquirir para determinar potencia y eficiencia en las turbinas?Altura netaCaudalVelocidades del flujo.RPM en el eje.Fuerza.

3.5 TCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIN DEINFORMACIN.3.5.1RECOLECCIN DE LA INFORMACIN.Para la recoleccin de informacin nos basaremos en varias tcnicas como es laobservacin, es decir en mquinas similares existentes en el pas, adicionalmente reforzaremos con informacin bibliogrfica de diversos libros y con lainformacin del internet.3.6PROCESAMIENTO Y ANLISIS.3.6.1PRESENTACIN DE DATOS.La presentacin de datos que nos den en las prcticas de laboratorio se va apresentar en forma grafica y tabular para una mayor apreciacin entre lo real y lo terico.3.6.2ANLISIS.El Anlisis de los resultados de esta investigacin es la parte fundamental que nospermitir establecer conclusiones y recomendaciones de la misma.38INSTRUMENTOSCuaderno de notasDiarioFicha de campoLista de cotejoBibliografaCatlogosPublicacionesArtculosEstudiosFichas TcnicasTabulacionesDirecta.IndirectaParticipanteNo participanteEstructuradaNo estructurada.IndividualNo individualDOCUMENTALOBSERVACION

39CAPTULO IVANLISIS E INTERPRETACIN DE RESULTADOS4.1 ANLISIS DE LOS RESULTADOSDe acuerdo a la investigacin de campo y bibliogrfica en conjunto de laobservacin como tcnica para recoger la informacin necesaria, nos ayud a determinar que los equipos y los procesos para adquirir datos en el Banco de pruebas TUTOR, se los puede encontrar en catlogos que nos muestrandiferentes alternativas.La adquisicin de datos es una necesidad habitual en la mayora de las actividadesindustriales. El proceso de acondicionamiento y seleccin de la seal a adquirir, puede ser suministrada por un sensor, la toma de muestras de esta seal, la conversin analgico/digital de dicha seal, realizada a frecuencia adecuada y la transferencia de esta informacin digital a un sistema que pueda procesarla debe tener una frecuencia de muestreo de las seales habitualmente que es constante, pero en ocasiones las muestras de las seales son tomadas a intervalos irregulares,siempre bajo el control del computador que procesa la informacin.Es frecuente que la adquisicin no se limite a una sola seal, sino a variassimultneamente. En efecto, existen gran cantidad de aplicaciones en las que se precisa tomar gran nmero de medidas.La adquisicin de datos en el Banco de pruebas se la puede realizar mediante unPLC, microcontroladores o utilizando las Tarjetas de Adquisicin de datos de la empresa National Instrument. Cada uno de estos procesos nos lleva al objetivo deseado, el cual va a depender de las caractersticas que se necesite tomando muy en cuenta el costo debido a que el financiamiento lo va a poner el autor delproyecto.

Una vez realizada una observacin del Banco de pruebas TUTOR, y revisado encatlogos los datos o parmetros que se necesitan para determinar la potencia yeficiencia de las turbinas Plton y Francis los datos queadquisicin son los siguientes:seconsideran parala--------Caudal a la entrada de las turbinas.Dimetro de la tubera El Salto HidrulicoLa fuerza aplicada al freno. Volumen del tanque. PresionesVelocidadesPerdidas mecnicas4.2 INTERPRETACIN DE DATOS4.2.1 CLCULO O ADQUISICIN DEL CAUDALTabla 4.1 CLCULO POR MTODOS MANUALES40EL MTODO DE UN OBJETO FLOTANTEMTODO DE UN RECIPIENTE CON VOLUMEN CONOCIDOPROCEDIMIENTOUbicar en el canal un tramo aproximado (L) y de seccin uniforme. Marcar el punto Po al inicio deltramo y el punto Pf al final del tramo seleccionado.A la altura del punto Po soltar un pequeo tallo secoy anotar el tiempo (t) (seg) que demora en desplazarse hasta la altura del punto Pf.Calcular la velocidad (V).Medir el ancho del canal (B) en metros y la profundidad del agua (H) en metrosCalcular el rea de la seccin. Mediante la siguiente frmula:Observar el tipo de terreno del canal para seleccionar el factor de correccin (C)del caudal:Calcular el Caudal (Q) en litrosPara medir caudales de hasta 20 lts/seg.Aproximadamente.Instrumentos necesarios: Cilindro con volumen conocido Reloj con cronmetro ProcedimientoDesviar toda el agua del riachuelo ocanal hacia un balde o cilindro grande de capacidad conocida y tomar el tiempo que tarda en llenarse.FORMULASV = L / TA = B x H.Q = C x V x A x 1000Caudal ( Q ) = Volumen (litros)/ Tiempo (segundo)

Tabla 4.2 CAUDALMETRO4.2.2 CLCULO DE LA FUERZA EN EL FRENOTabla 4.3 MTODO PARA ADQUIRIR LA FUERZA EN EL FRENO41DINAMMETROCELDAS DE CARGACARACTERSTICASAmplia seleccin de capacidades:Disponible en capacidades de 200 a 50,000 kilogramos (Tambin disponibles en libras y en Newton)Larga vidaEl alma del instrumento es una viga de flexin de acero.Factor de seguridad por sobrecarga La mayora de los modelos tienen un factor de seguridad lmite de 5:1.Control de ceroTambin puede ser usado como tara, con capacidad hasta del 20% de la capacidad total del instrumento.El sensor de fuerza resistivo (FSR) esun dispositivo de pelcula de polmero (PTF) que presenta una disminucin de la resistencia cuando aumenta la fuerza aplicada a la superficie activa. Su sensibilidad a la fuerza est optimizada para uso en el control por toque humano de dispositivos electrnicos. Las FSRs no son clulas de carga o galgas extensiomtricas aunque tengan propiedades similares. Las FSRs no son adecuadas para medidas de precisin.COSTO$ 52$ 280.00ULTRASNICODE DISCO NUTANTEELECTROMAGNTICOVENTAJASNo ocasiona prdida de carga.No tiene partes mviles.Ideal para la medicin de materiales txicos o peligrosos.Salida lineal con el caudal.Su rango de medicin es muyamplio.Su instalacin es muy simple yeconmica.Muydifundidoy comprobado.Muy econmico.Simpleydebajomantenimiento.No genera prdidas de carga.Apto para la medicin debarros.Permite la medicin decaudales bi-direccionales.No tiene partes mviles, porlo que es confiable y de bajo mantenimiento.Suprecisines relativamente alta.DESVENTAJASSu precisin no es muy alta.Su costo es relativamente alto para tuberas de bajo dimetro.Es el de menor precisindelosinstrumentosde desplazamiento positivo.No se fabrica para tuberas de gran tamao.El par disponible para el accionamiento de accesoriosmecnicos es muy limitado.Si el fluido a medir producedepsitos sobre los electrodos, la medicin ser errnea.Su costo es relativamente alto.No es utilizable en gases por la baja conductividad.COSTOUS$ 7000US$ 232US$ 2187

4.2.3 SENSORESTabla 4.4 EJEMPLOS DE LOS SENSORES.42SENSORESEJEMPLOSSensores de FuerzaCapacitivos.Piezoelctricos.A elemento vibrante.Celdas de carga.Sensores de TorqueReluctivos.Fotoelctricos.Inductivos a desplazamiento de faseSensores de Flujo-CaudalPresin diferencial.Mecnico.Magntico. Oscilante. Ultrasnico.Sensores de Nivel:Presin.Flotadores.Conductividad. Capacitivos. Transferencia de calor. pticos.Osciladores amortiguados.Ultrasnicos.Sensores de DesplazamientoLineal y Angular, PosicinCapacitivos.Reluctivos o LVDT. Potenciomtricos. pticos.Codificadores Lineales y Angulares(Encoders-Encoders Incrementales).Por Sensado Remoto: Radar y Sonar.PorPosicinyActitud:Girscopose InclinmetrosSensores de Proximidad:Inductivos sensibles a metales ferromagnticos.Inductivosnosensiblesametales ferromagnticos.Capacitivos.Luz visible o Infrarroja.Microondas.Ultrasnicos.SensoresdeVelocidad,AceleracinyVibraciones:Lineales: Electromagnticos, rueda a medida.Angulares: (Tacmetros) Electromagnticos.pticos.Acelermetros: Capacitivos. Potenciomtricos. Reluctivos.Sensores de Presin:Capacitivos.Inductivos.A reluctancia. Potenciomtricos resistivos. Piezoelctricos.

4.2.4 ADQUISICIN DE DATOSTabla 4.5 MTODOS DE ADQUISICIN DE DATOS43ADQUISICINDE DATOSVENTAJASDESVENTAJASCOSTOSTARJETAS DAQDiseados para un rendimiento ptimo.Ofrecen las capacidades de E/S digitales y analgicas.Precisin de medidasFlexibilidad de software que requiere su aplicacin.Con las tecnologas patentadas de hardware ysoftware,Soluciones de control y medidas basadas en PC Mayor productividad a travs de registro, anlisis y visualizacin definidos por el usuario.El costo es elevado.La estandarizacin de la tecnologa de las tarjetas de adquisicin de datos.$ 410MICROCONTROLADORESGran variedad dentro de una misma familiaAdaptado a aplicaciones concretas Robots y sistemas mecnicos. Comunicaciones (WiFi, USB, Ethernet). Multimedia (entradas A/D y salidas D/A). Aplicaciones crticas.Instrumentacin (sensores, LCD).Robustez.Bajoconsumo.Dormidohastarecibir interrupcin.Proteccin anticopia de la memoria deprograma.Empaquetado: DIP 18 pines.Memoria FLASH : 2KMemoria RAM : 224 bytes.Memoria EEPROM : 128 bytes.Oscilador interno de 4MHz.Dos comparadores anlogicos.USART.$ 110PLCSReemplazar la lgica de rels para el comandode motores, mquinas.Reemplazartemporizadoresycontadores electromecnicosControles sencillos de LA y/o LC Interface computador/procesoControl y comando de tareas repetitivas o peligrosasDeteccin de fallas y manejo de alarmasRegulacin de aparatos remotos Posibilidad para ambientes peligrosos Menor cableadoReduccin de espacioFacilidad para mantenimiento y puesta a punto Flexibilidad de configuracin y programacin Reduccin de costosEl coste inicialEl cable elctrico es una lnea metlica recubierta de un aislante. Esto genera a su alrededor unas ondas electromagnticas que pueden interferir en las frecuencias de otra ondas de radio.La estandarizacin de la tecnologa PLC.El medio fsico tambin se convierte en una desventaja a la hora de analizar los cortes de energa inesperados.$ 310

4.3 VERIFICACIN DE HIPTESISPara la verificacin de la Hiptesis se va a considerar los procesos para ladeterminacin de la potencia y eficiencia de las turbinas en el Banco de PruebasTUTOR, el mtodo de cmo se lo desarrollaba anteriormente y con lo que se va a desarrollar en la propuesta para la mejora de la utilizacin del Banco de pruebas.PROCESO ANTERIORPROCEDIMIENTOPara la determinacin tanto de la Potencia y Eficiencia de las turbinas Pelton yFrancis se lo realizaba de la siguiente forma:-Primero se ubicaba el electroboscopio para que nos d una lectura de lasrevoluciones del eje de la turbina, se llenaba el tanque de forma que la bomba tenga suficiente agua de bombeo y no se dae la misma.Se enceraba con ayuda de la mirilla el nivel de agua a la salida de la turbina con la base del vertedero para poder empezar a tomar los datos. Luego se aplicaba la fuerza en los frenos de la turbina y se anotaba el valor.Se encenda la Bomba y se regulaba su velocidad para tener una mayor apreciacin del trabajo que realiza el agua en las turbinas.Se tomaba los datos de las revoluciones y la fuerza cuando el eje tena una velocidad constante.Se lea la altura sobre la turbina con el manmetro para la turbina, luego se lea la altura del nivel sobre el Vertedero. que nos da en la mirilla y la anotamos.Este proceso se lo haca con variaciones en la velocidad de la bomba y en el caso de la turbina Pelton con la variacin de la apertura del Chifln.Por ltimo una vez ya tomados los datos se pasaba a calcular y a graficarlas curvas.-------44

DIAGRAMA DEL PROCESOINICIOSINO- INSTALAR ELELECTROBOSCOPIO- REVISAR EL NIVELDEL AGUA60 , , 45CALCULOS MANUALES:Q = 0,00072,4Hv = 2 = = = 100%REALIZAR 10MEDICIONES QUE SEANMAYORES A LA INICIALANOTAR:RPMALTURA EN EL VERTEDEROFUERZA EN ELDINAMMETROREGULAR LA VELOCIDAD DE LA BOMBAENCENDER EL BANCO DE PRUEBASENCERAR EL NIVEL DEL VERTEDEROSELECCIONAR E INSTALAR LA TURBINA PARA REALIZAR LA PRCTICA

PROCESO PROPUESTOPROCEDIMIENTOEn el proceso propuesto una vez tomado todos los problemas que tiene este Bancode pruebas y las mejoras que se le va hacer; el proceso para determinar la Potencia y eficiencia de las Turbinas va a ser el siguiente:-Primero para las revoluciones de los ejes de las turbinas se lo va adquirirdirectamente a la computadora mediante un sensor ptico y transmitido mediante un micro controlador.El caudal se va a calcular directamente en la computadora con sensores de nivel que van ubicados en el vertedero.La bomba va a estar controlada para que no se vaya a encender si el tanque no contiene el nivel de agua necesario mediante la utilizacin de un sensor de nivel conectado a un micro relay y para evitar que la bomba se deteriore. .La fuerza que se aplica en los frenos se lo va anotar en el software desarrollado debido a que por el espacio no se va a poder colocar una celda de carga.No es necesario calcular manualmente ningn valor ya que el software nos va a proporcionar la potencia y eficiencia de las turbinas.Y por ultimo este programa nos va a proporcionar el mantenimiento que necesitara el Banco de Pruebas ante la presencia de fallas de los sensoreso partes mecnicas.-----46

DIAGRAMA DEL PROCESOINICIOSINOADQUISICION DEDATOS60 , , 47FORMULAS APLICADAS CAUDAL = POTENCIA MECNICA = 2 = POTENCIA HIDRULICA = EFICIENCIA = 100%ERRORDATOS ADQUIRIDOSCAUDALREVOLUCIONES DEL EJEINGRESO DE DATOSFUERZAREGULAR LA VELOCIDAD DE LA BOMBAENCENDER EL BANCO DE PRUEBAS DESDE EL COMPUTADORCONECTAR EL CABLE Y ABRIR EL PROGRAMASELECCIN E INSTALACION DE LA TURBINA

ESTADO DE LOS EQUIPOS EN EL BANCO DE PRUEBAS TUTORRESULTADOS OBTENIDOS EN LA PRCTICA CON LAS TURBINASTURBINA PELTONPara verificar el funcionamiento se hizo una prctica con la turbina Pelton con el25 % de la apertura del chifln y variando la velocidad de la bomba.Se realizaron tres pruebas para comprobar el funcionamiento del banco de pruebasy se las hizo a partir de 30% de la velocidad de la bomba ya que desde ese porcentaje se mueve el rodete de la turbina.48% DE LA VELOCIDADDE LA BOMBAFUERZA[N]RPMCAUDALm^3/segEFICIENCIAPOTENCIAMECANICA [watts]POTENCIAHIDRAULICA [watts]301454,5970,0005842.1495.71265,72401835,3510,0008442.73410.49383.825011188,410,001142.8814.93518.157EQUIPOESTADO ANTERIORESTADO ACTUALTURBINA PELTONPintura desgastadaRodete OxidadoEn perfecto estadoTURBINA FRANCISPartes oxidadasEn perfecto estadoFRENOSOxidadosLijadosTANQUESucioPintado y en buen estadoTUBERARota y con fugas.Nueva tuberaCONEXIONESELCTRICASBorneras rotas.Sin fusibles.Cambio de BornerasCambio de fusibles.ZAPATASSuciasLimpiasVLVULA DE BOLADefectuosaNueva

TURBINA FRANCISEn la turbina Francis se la hizo con la abertura de la vlvula al 100% y variando lavelocidad de la bomba y se tiene:Se empez hacer las pruebas a partir del 40% de la velocidad de la bomba ya quedesde ah empieza a moverse la turbina Francis y se hizoconservar y verificar el funcionamiento del banco de pruebas.trespruebaspor49% DE LA VELOCIDAD DE LA BOMBAFUERZA [N]RPMCAUDAL m^3/segEFICIENCIAPOTENCIAMECANICA[watts]POTENCIA HIDRAULICA[watts]401302,2960,001260,6593,79575,73501803,0450,001751,2610,09797,166011158,420,00191,6814,54863,596

50CAPTULO VCONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES5.1 CONCLUSIONESDeterminando especficamente toda la informacin recogida y analizada en lainvestigacin de Campo y Bibliogrfica, nos permite visualizar las problemticasque existe en el Banco de pruebas TUTOR por lo que se concluye:-Los procesos que se pueden controlar desde una computadora en el Bancode pruebas son el encendido de la Bomba, el nivel del caudal y los datos que se van adquirir de los sensores.Los datos que se van adquirir para determinar la potencia y eficiencia de la turbinas Pelton y Francis son: el caudal y las revoluciones en el eje de la turbinas.El Mantenimiento que se le dio al Banco de pruebas fue el correctivo ya que se encontraba en psimas condiciones y para desarrollar una propuesta se debi cambiar la tubera, pintar el tanque, dar limpieza y cambio de componentes elctricos y mecnicos.Despus de un correcto estudio del Banco de pruebas TUTOR se determin que una correcta adquisicin de datos se la puede hacer mediante sensores pticos para determinar las revoluciones de las turbinas, sensores de nivel para el caudal y el control de la bomba que proporciona la altura de las Turbinas.El mtodo ms adecuado para transferir datos desde los sensores a la computadora y se pueda utilizar un software, es el micro controladorPIC16F628A que tiene las siguientes caractersticas.----Velocidades de operacin de DC - 20 MHzCapacidad de interrupcin Pila de 8 niveles.Modos de direccionamiento directos, indirectos y relativo

35 simples instrucciones de palabra.Todas las instrucciones de ciclo nico, excepto las de salto.Opciones de oscilador externo e internoPrecisin de fbrica del oscilador interno de 4 MHz calibrada a 1% .Oscilador de 48 kHz De bajo consumo interno. Modo de ahorro de energa en modo sueo. Resistencias programable pul-ups del PORTB. Multiplexado del pin reset / Entrada-pinTemporizador Watchdog con oscilador independiente para un funcionamiento fiable.Baja tensin de programacin In-Circuit Serial (a travs de dos pines)Proteccin de cdigo programable.Amplio rango de funcionamiento de tensin (2.0-5.5V).Industrial y amplia gama de temperaturas extendidas.Alta durabilidad de la memoria Flash /EEPROM.-Para el clculo del caudal, de las posibilidades que se tiene para hacerlo seopt por trabajar a la salida de la turbina, colocando sensores de nivel debido a que se va a trabajar con dos turbinas, que para la utilizacin del banco se las debe intercalar de acuerdo al estudio que se vaya a realizar, por lo que el montaje y desmontaje imposibilita el colocar un sensor de caudal adems que el costo de los mismos es muy alto.Para obtener la fuerza de aplicacin en el freno de las turbinas se va a seguir utilizando los dinammetros debido a que el espacio no nos permite utilizar celdas de carga y porque esto conllevara a que los costos aumenten considerablemente.La potencia y eficiencia de las turbinas de estudio con los datos ya obtenidos se va obtenerlas ms rpidamente y sin la utilizacin de equipos que se tenga que ensamblarlos sino que ya con ayuda de los sensores senos va hacer de mayor utilidad.--51

-Con la adquisicin de datos en la turbina Pelton en donde variando tanto elPorcentaje de la velocidad de la bomba o la apertura del chifln se tiene que: A mayor velocidad se tiene mayor eficiencia y entre mayor apertura del chifln la eficiencia disminuye.En la turbina Francis se nota algo similar que la turbina Pelton pero comparando entre estas dos la eficiencia en la turbina Francis es mucho menor.El software desarrollado en Labiew nos da la facilidad de manejar varias ventanas en donde se aplico los procesos necesarios para la propuesta que son el mantenimiento y el funcionamiento del Banco de pruebas.Una vez realizada la prctica en la turbina Pelton variando la velocidad del motor y la apertura del chifln se llega a concluir que entre ms se cierra el chifln se obtiene una mayor eficiencia ya que el caudal disminuye y as se aprovecha mejor la fuerza hidrulica aplicada a las cucharas de la turbina Pelton.El mantenimiento que se hizo dio como resultado que el banco de pruebas trabaje en ptimas condiciones y sirva como una herramienta de aprendizaje sobre Turbinas hidrulicas.La adquisicin de datos de esta manera se hace con mayor rapidez y sin clculos manuales ni con ayuda de equipos que se deban instalar y con un mayor control; lo que nos da una mejor apreciacin del funcionamiento de las turbinas hidrulicas, adems que se tienen varias protecciones para preservar la bomba y el variador de velocidad.Con todo lo antes concluido el Banco de pruebas TUTOR trabaja correctamente y con la incorporacin de la adquisicin de datos se va a convertir en una herramienta muy til para los estudiantes de IngenieraCivil y Mecnica.------52

5.2 RECOMENDACIONES-Para una mayor conservacin del Banco de pruebas TUTOR serecomienda tener un plan de mantenimiento programado para evitar que se daen las partes constitutivas del mismo al igual que los sensores ya que estos son delicados y ms costosos.Para seleccionar los sensores a trabajar tener en cuenta las caractersticas y aplicaciones que le vayamos a dar al mismo, y saber si es un sensor analgico o por pulsos para de ah saber que mtodo de transmitir datos a la computadora ya que puede ser Tarjetas DAQ, microcontroladores o PLC.Al utilizar o trabajar con microcontroladores se debe tomar muy en cuenta las caractersticas y el voltaje con el que trabaja ya que si se utiliza con menos de 110v, obligadamente se debe colocar una fuente de poder extra segn las necesidades, y esto ocasionar prdida de espacio.Tener en cuenta la ubicacin de los sensores para que no estn en contacto con un ambiente ruidoso o junto a elementos que vibren para que no se daen o se deterioren.La prctica se la debe hacer en un tiempo mximo de 25 minutos ya que el encender y prender la bomba va a generar altas intensidades con lo que se va a deteriorar o quemar el variador de velocidad.El tiempo de espera entre la toma de datos es de 3 minutos para dejar descansar al regulador de velocidad de la bomba que al encenderse se crean altas intensidades.Una vez terminada la prctica se recomienda vaciar el tanque en su totalidad para que no se creen microorganismos que puedan deteriorar el tanque y proporcionar suciedad que ocasionara el mal funcionamiento de la bomba.Para una correcta utilizacin del Banco de pruebas se debe tener la gua del profesor o a su vez leerse la gua de funcionamiento para que losequipos se conserven en buen estado y trabaje en su totalidad.-------53

54CAPTULO VIPROPUESTA6.1 DATOS INFORMATIVOS6.1.1 TEMA: MANTENIMIENTO Y AUTOMATIZACIN DE LA TOMA DEDATOS DEL BANCO DE PRUEBAS TUTOR PARA DETERMINAR LAPOTENCIA Y EFICIENCIA DE LAS TURBINA PELTON Y FRANCIS EN LA FACULTAD DE INGENIERA CIVIL Y MECNICA.6.1.2 INSTITUCIN EJECUTORALa Institucin en la cual se va a desarrollar la propuesta es la Universidad Tcnicade Ambato, especficamente para la Facultad de Ingeniera Civil y Mecnica.6.1.3 BENEFICIARIOSLos beneficiarios en la realizacin del Mantenimiento y Automatizacin delBanco de pruebas TUTOR son: los estudiantes de la Facultad de IngenieraCivil y Mecnica, los docentes y la Institucin Ejecutora.6.1.4 UBICACINLa propuesta se va a realizar en la carrera de Ingeniera Mecnica de la Facultadde Ingeniera Civil y Mecnica ubicada en Huachi de la ciudad de Ambato, provincia de Tungurahua.6.1.5 TIEMPO ESTIMADO PARA LA EJECUCINLa presente propuesta se va a realizar desde el mes de Marzo del 2011 al mes deAgosto del 2011.

6.1.6 EQUIPO TECNICO RESPONSABLEEl responsable de llevar a cabo la propuesta en su totalidad es el autor de lapropuesta como responsable de los procesos que conlleve su culminacin.6.2 ANTECEDENTES DE LA PROPUESTAEl Banco de pruebas TUTOR fue adquirido por la facultad de Ingeniera CivilY Mecnica especficamente para la materia de Hidrulica, pero ya no fue utilizado continuamente. Se describe a continuacin el estado en que se hallo elequipo.La pintura y estado del tanque se encontraba en psimas condiciones lo queocasionaba que la bomba no trabaje en toda su potencia por la suciedad acumulada. La tubera que conectaba la bomba con las Turbinas estabamodificada y los empaques desgastados ocasionaban la presencia de fugas.Los frenos oxidados y las zapatas sucias, lo que evitaba el frenado idneo en lasturbinas. El panel de Control deteriorado lleno de suciedad y los mandoscontrolaban correctamente el Banco de pruebas adems que las bornerasnoya unestaban rotas. Es por eso antes del desarrollo de la propuesta semantenimiento correctivo descrito de la siguiente forma:realizoObservacin e identificacin de las fallas del banco de pruebas.-Banco de pruebas TUTOR[Fuente: Rubn Porras]55

Turbina Plton en mal estado.[Fuente: Rubn Porras]Dinammetros y frenos deteriorados[Fuente: Rubn Porras]Tanque en mal estado[Fuente: Rubn Porras]56

Tubera defectuosa y sucia[Fuente: Rubn Porras]Conexiones rotas y pintura descascarada.[Fuente: Rubn Porras]Desarmado del Banco de pruebas y las partes constitutivas-57

[Fuente: Rubn Porras]-Lijado de las partes oxidadas y del tanque.[Fuente: Rubn Porras]-Pintado de las partes y del tanque.58

[Fuente: Rubn Porras]-Cambio de tubera[Fuente: Rubn Porras]-Revisin de las conexiones elctricas, cambio de borneras y fusibles.[Fuente: Rubn Porras]6.3 JUSTIFICACINEl plan de mantenimiento en el Banco de pruebas Tutor es una necesidad pararecuperar una herramienta que facilite a los estudiantes a realizar prcticas que ayuden a fortalecer conocimientos adquiridos en las aulas.Se va a mejorar el Banco de pruebas TUTOR porque est visualizado en eldesarrollo de los estudiantes de Ingeniera Mecnica de la Universid

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