Calor

UNIVERSIDAD SANTO TOMAS
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS
II SEMESTRE DE 2012
DOCENTE: JOSÉ LUIS DÍAZ ARÉVALO

Impacto de un Chorro

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FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
LABORATORIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS
II SEMESTRE DE 2012
DOCENTE: JOSÉ LUIS DÍAZ ARÉVALO

I.1.Introducción
Las turbinas de agua son ampliamente utilizadas para generarenergía; en el tipo de
turbina conocida como rueda Pelton uno o más chorros de agua son dirigidos
tangencialmente sobre los álabes o cucharas que están fijas al borde del disco de la
turbina. El impacto del agua sobre las paletas genera un torque en la rueda que
causa que esta gire y se desarrolle potencia. Aunque el concepto es simple, tales
turbinas son capaces de generar rendimientosconsiderables con altas eficiencias.
Potencias que superan los 100MW y eficiencias hidráulicas mayores de 95% no son
raras. Se debe anotar que la rueda Pelton es aconsejada para condiciones donde la
altura disponible de agua es grande y la tasa de flujo es comparativamente pequeña.
Por ejemplo, con una carga de 100m y una tasa de flujo de 1m3/s una rueda Pelton
rodando a unas 205rpm podría serutilizada para desarrollar unos 900kW de potencia.
La misma potencia de agua estaría disponible si la carga fuera de solo 10m y el flujo
de 10m3/s, pero se necesitaría un tipo diferente de turbina.
Para estimar el rendimiento de una rueda Pelton y determinar su velocidad óptima de
rotación, es necesario comprender cómo la deflexión del chorro genera una fuerza
sobre los álabes, y cómo estafuerza esta relacionada con la tasa del momento de
flujo en el chorro. En este experimento se mide la fuerza generada por un chorro de
agua que golpea una placa plana y una placa hemisférica, y se comparan los
resultados con la tasa de momento calculada en el chorro.

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I.2.Descripción del montaje

Fuente: Markland, E. (1994) “A first course in Hydraulics”
Fig. 1 Disposición del aparato

En la Fig. 1 se muestra la disposición del montaje en la cual el agua
suministrada por el banco hidráulico entra en un tubo vertical que termina en una
boquilla estrecha. Esto produce un chorro de agua el cual incide en un álabe en
forma de una placaplana o una hemisférica.
El álabe y la boquilla están contenidos dentro de un cilindro transparente, y en
la base del cilindro hay una salida para medir el caudal en el tanque de medida
(tanque volumétrico). Como se indica en la Fig. 1 el álabe esta sostenido por una
palanca la cual lleva un peso. Cualquier fuerza generada por el impacto de un chorro
sobre el álabe se puede medir moviendo elpeso a lo largo de la palanca.

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I.3.Marco Teórico
La ecuación de cantidad de movimiento aplicada a un volumen de control fijo
en el espacio está dada por:

d
∫ ρ vdV + dVC ρ v ( v.n )dA = ΣF
∫
dt VC
Para un problema de flujo permanente(estacionario) el primer término de la
ecuación es cero. Por otra parte, para el caso de fronteras constantes, la ecuación se
reduce a:
•

•

−∑ min vin + ∑ mout vout = ∑ F

Fuente: Markland, E. (1994) “A first course in Hydraulics”
Fig. 2 Esquema de un chorro incidiendo en un álabe

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•

Notando la tasa de flujo de masa en el chorro como m e imaginando un
volumen de control V limitado por una superficie de control S la cual encierra el álabe
como se muestra en la Fig. 2. La velocidad con la cual el chorro entra en el volumen
de control es u1 en la dirección x; el chorro es desviado por su impacto sobre el álabe
dejando la...