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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA: INGENIERÍA MECATRÓNICA

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO

PARA LA CALIBRACIÓN DE ANEMÓMETROS EN EL

INAMHI.”

TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA

MECATRÓNICA

MARÍA BELÉN ORTÍZ GARCÍA

DIRECTOR: ING. LUIS A. HIDALGO

Quito, Mayo 2012.

DERECHOS DE AUTOR

© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2012

Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo María Belén Ortíz García, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi

autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o

calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas

que se incluyen en este documento.

La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de

Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional

vigente.

_________________________

María Belén Ortíz García

172198315-1

CERTIFICACIÓN DE AUTORÍA

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por María Belén Ortíz

García, bajo mi dirección y supervisión.

___________________

Ing. Luis A. Hidalgo

DIRECTOR DELTRABAJO

AUSPICIO

La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto

“Diseño y Construcción de un Túnel de Viento para la Calibración de

Anemómetros en el INAMHI”, que se ejecuta en el Instituto Nacional de

Meteorología e Hidrología.

AGRADECIMIENTO

Quiero expresar mi agradecimiento en primer lugar a Dios, por todas las

bendiciones que ha derramado sobre mí.

A mis padres, hermanas, familiares, por haber estado junto a mí

brindándome su apoyo, tiempo, cariño y preocupación durante todo este

proceso académico y personal.

A Javi que estuvo a mi lado en el desarrollo de este proyecto, dándome

ánimo, entregándome su tiempo y cariño.

A mis amigos y compañeros Diego, Paulo y Freddy por todos los momentos

que compartimos durante toda nuestra vida universitaria.

Un sincero agradecimiento a la Universidad Tecnológica Equinoccial, por

brindarme la oportunidad de formarme profesionalmente, a mis maestros por

infundirme todo su conocimiento y por toda la paciencia, por no solo

enseñarme la materia sino también por enseñarme a ser una mejor persona.

Al INAMHI, por creer en mi, en mi proyecto, en especial al Ing. Marcelo

Ayabaca por su ayuda, su paciencia y sus regaños, a Edgar por toda su

ayuda.

A todas las personas que formaron parte de esta meta.

¡GRACIAS!

DEDICATORIA

El presente trabajo va dedicado a todos los esfuerzos y sacrificios de mis

padres, ya que gracias a ellos he llegado a ser la persona que soy ahora, a

ellos les debo todo, en especial el lograr culminar mi formación académica.

Le dedico mi trabajo a toda mi familia, en especial a mis tíos en especial a

Fernando, que siempre estuvieron pendientes de mí dándome fuerza y

sabiduría para saberme levantar de cada tropiezo, hasta culminar con mis

objetivos.

A Valeria Ortíz mi hermana quien ha sido un gran ejemplo para mí y que

siempre me dio palabras de aliento y motivación.

A todos lo que son parte de mi vida y creen en mí.

i

ÍNDICE DE CONTENIDOS

DESCRIPCIÓN PÁGINA

RESUMEN .................................................................................................... xii

ABSTRACT ................................................................................................ xivv

1 INTRODUCCIÓN .................................................................................... 1

2 MARCO TEÓRICO ............................................................................... 11

2.1 Mecánica de fluidos. ............................................................................. 11

2.1.1 Fluido. ...................................................................................... 11

2.1.2 Densidad y Peso específico. .................................................... 12

2.1.3 Viscosidad. ............................................................................... 12

2.1.4 El flujo de los fluidos y la ecuación de Bernoulli. ...................... 14

2.1.5 Número de Reynolds. ............................................................... 15

2.1.6 Pérdida por fricción en el flujo laminar. .................................... 16

2.1.7 Pérdida de fricción en el flujo turbulento .................................. 18

2.1.8 Diagrama de Moody ................................................................. 19

2.1.9 Perfiles de velocidad. ............................................................... 20

2.1.10 Coeficiente De Resistencia ................................................... 21

2.1.11 Pérdida en la Salida .............................................................. 22

2.1.12 Expansión Gradual................................................................ 22

2.2 Medición del flujo. ................................................................................. 25

2.2.1 Tubo Pitot ................................................................................. 26

2.2.2 Tubo Pitot tipo S (Stausscheibe). ............................................. 27

2.2.3 Anemómetros ........................................................................... 28

2.3 Túnel de Viento ..................................................................................... 33

2.3.1 Descripción del túnel de viento................................................. 34

2.3.2 Clasificación de Túneles de Viento. ......................................... 34

Figura 2.11 Túnel de Viento Circuito Abierto ............................................... 35

2.3.3 Partes y componentes del túnel de viento. ............................... 39

3 METODOLOGÍA ................................................................................... 11

3.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN. ........................................... 47

3.2 METODOLOGÍA MECATRÓNICA. ........................................................ 47

Figura 3.1. Pasos en el Proceso de Diseño .................................................. 48

4 DISEÑO ................................................................................................ 75

4.1.1 Análisis de Requerimientos del Proyecto. ................................ 50

4.1.2 Diseño simultaneo de los componentes mecatrónicos del

proyecto. ............................................................................................... 55

4.1.3 Selección de Materiales. .......................................................... 65

4.1.4 Simulación y Prototipo. ............................................................. 73

4.1.5 Resultados. .............................................................................102

5 DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO ..........................104

5.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ................................................... 103

5.1.1 Máquinas y Herramientas .......................................................105

5.1.2 Procedimiento de Construcción...............................................108

5.2 CREACIÓN DE GUÍAS Y MANUAL DE FUNCIONAMIENTO. ............ 118

6 CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES .......................................132

6.1 CONCLUCIONES ................................................................................. 132

6.2 RECOMENDACIONES ......................................................................... 133

ANEXOS .....................................................................................................170

ÍNDICE DE TABLAS

DESCRICIÓN PÁGINA

Tabla 1.1. Costo de Calibración de Anemómetros en Fábrica ........................... 4

Tabla 1.3. Estudio de factibilidad técnica sobre software. .................................. 6

Tabla 1.4. Estudio de factibilidad técnica sobre ventiladores. ............................ 7

Tabla 1.6. Costos Directos ................................................................................. 8

Tabla 1.7. Mano de Obra. ................................................................................... 9

Tabla 1.8. Costos Indirectos. .............................................................................. 9

Tabla 1.9. Costos Indirectos. .............................................................................. 9

Tabla 1.10. Costos Totales. .............................................................................. 10

Tabla 1.11. Análisis Costo - Beneficio. ............................................................. 10

Tabla 2.1. Valores de Diseño de La Rugosidad de Tubos................................ 18

Tabla 2.2. Valores para Lectura del Diagrama de Moody................................. 20

Tabla 2.3. Coeficiente de resistencia-expansión gradual ................................. 24

Tabla 2.4. Tabla de Túneles de Viento según su Velocidad ............................. 37

Tabla 4.1. Conversión del sistema Métrico al Sistema Inglés........................... 55

Tabla 4.2. Estándares de Medición de Velocidad Transversal de Aire en

Ductos. .............................................................................................................. 74

Tabla 4.3. Distribución de los puntos transversales para ducto circular. .......... 76

Tabla 4.4. Tabla de resultados. ...................................................................... 102

Tabla 5.1. Lista de Máquinas Empleadas. ...................................................... 105

Tabla 5.1. Lista de Máquinas Empleadas Continuación. ................................ 106

Tabla 5.2. Lista de Herramientas Empleadas. ................................................ 107

Tabla 5.3. Procedimiento de Construcción .................................................... 108

Tabla 5.4. Datos Técnicos de la Máquina....................................................... 120

ÍNDICE DE FIGURAS


Figura 1.1. Diagrama de Causa y Efecto (Pescado) .......................................... 3

Figura 2.2. Expansión gradual ......................................................................... 23

Figura 2.1. Perfiles de velocidad. ..................................................................... 21

Figura 2.3. Contracción gradual. ...................................................................... 25

Figura 2.4. Tubo Pitot tipo L ............................................................................. 26

Figura 2.5.Tubo Pitot tipo S.............................................................................. 27

Figura 2.6. Anemómetro de empuje. ................................................................ 29

Figura 2.7. Anemómetro de rotación (hélices). ................................................ 30

Figura 2.8. Anemómetro de rotación (cazoletas). ............................................ 30

Figura 2.9. Anemómetro Ultrasónico ................................................................ 32

Figura 2.10. Túnel de Viento ............................................................................ 33

Figura 2.11 Túnel de Viento Circuito Abierto.................................................... 35

Figura 2.12. Túnel de Viento Circuito Cerrado ................................................. 36

Figura 2.13. Túnel de Viento Supersónico ....................................................... 38

Figura 2.14. Partes del túnel de viento ............................................................. 39

Figura 2.15. Caudal, velocidad y presiones ..................................................... 42

Figura 2.16. Curva de comportamiento de los ventiladores axiales. ................ 45

Figura 2.17. Curva de comportamiento de ventiladores axiales típicos. .......... 45

Figura 2.18. Ventiladores con envolvente ........................................................ 46

Figura 3.1. Pasos en el Proceso de Diseño ..................................................... 48

Figura 4.1. Análisis de Requerimientos del Proyecto ....................................... 50

Figura 4.2. Diagrama de flujo del Túnel de Viento ........................................... 51

Figura 4.3. AMCA Standard 210 ...................................................................... 52

Figura 4.4. Dimensiones del Túnel de Viento................................................... 53

Figura 4.5. Partes del Túnel de Viento. ............................................................ 56

Figura4.6.Cono de contracción Entrada ........................................................... 57

Figura 4.7. Cono de contracción salida. ........................................................... 57

Figura 4.8. Ductos 1, 2 y 3 ............................................................................... 57

Figura 4.9. Cámara de Pruebas. ...................................................................... 58

Figura 4.10. Cámara de Pruebas Ductos Laterales. ........................................ 59

Figura 4.12. Puerta de Cámara de Pruebas..................................................... 59

Figura 4.13. Anemómetro modelo Met One. .................................................... 60

Figura 4.14. Reducción de diámetro del ventilador. ......................................... 60

Figura 4.15. Ventilador. .................................................................................... 61

Figura 4.16. Aspas del Ventilador. .................................................................. 61

Figura 4.18. Soporte Ventilador. ...................................................................... 62

Figura 4.20. Soporte de Ductos. ...................................................................... 62

Figura 4.21. Rieles para Soportes. ................................................................... 63

Figura 4.22. Ensamble Completo del Túnel. .................................................... 63

Figura 4.24. Puntos Referenciales para la Toma de Datos, Normas AMCA

estándar 203. .................................................................................................... 75

Figura 4.25. Gráfica del comportamiento del Fluido en la Sección1 a 3m/s..... 79



Figura 4.28. Gráfica del comportamiento del Fluido en la Sección1 a 12m/s... 85




Figura 4.32. Gráfica del comportamiento del Fluido en la Sección2 a 12m/s... 93




Figura 4.36. Gráfica del comportamiento del Fluido en la Sección3 a 12m/s. 101

Figura 5.1. Diagrama de Proceso de Construcción. ....................................... 104

Figura 5.2. Selección del Espacio de Instalación del Túnel de Viento. .......... 109

Figura 5.4. Rolado del Tol Galvanizado. ........................................................ 110

Figura 5.5. Soldado de Ductos de Tol. ........................................................... 110

Figura 5.6. Cejado y Colocación de Bridas en Ductos de Tol. ....................... 111

Figura 5.7. Cortado y Doblado del Acrílico. .................................................... 111

Figura 5.8. Construcción de Brida de Acrílico. ............................................... 112

Figura 5.9. Corte de la Puerta de la Cámara de Pruebas. ............................. 112

Figura 5.10. Corte de la Entrada de Anemómetros en la Cámara de

Pruebas........................................................................................................... 113

Figura 5.11. Pegado de Refuerzos y Armado de la Puerta. ........................... 113

Figura 5.12. Cortado, Soldado y Amolado de Soportes para el Túnel. .......... 114

Figura 5.13. Construcción de Soporte del Ventilador. .................................... 114

Figura 5.14. Pintado del túnel. ....................................................................... 115

Figura 5.15. Ensamblado total del Túnel de Viento. ....................................... 116

Figura 5.16. Túnel de Viento Terminado. ....................................................... 117

Figura 5.18. Tablero de Control. .................................................................... 123

Figura 5.19. Colocación de Anemómetro a Calibrar. ..................................... 124

Figura 5.20. Cerrado de la Cámara de Pruebas. ........................................... 125

Figura 5.21. Anemómetros Patrón. ................................................................ 126

Figura 5.22. Conexión del Anemómetros Patrón. .......................................... 127

Figura 5.23. Colocación del Anemómetros Patrón. ........................................ 128

Figura 5.24. Toma de Datos en Software KANOMAX. ................................... 129

ÍNDICE DE ECUACIONES


Ecuación [2.1] Densidad ............................................................................... 12

Ecuación [2.2] Peso específico .................................................................. 12

Ecuación [2.3] Esfuerzo Cortante ................................................................ 13

Ecuación [2.4] Viscosidad Dinámica ........................................................... 13

Ecuación [2.5] Viscosidad Cinemática ........................................................ 13

Ecuación [2.6] Flujo Volumétrico ................................................................. 14

Ecuación [2.7] Flujo en Peso ....................................................................... 14

Ecuación [2.8] Flujo Másico ......................................................................... 14

Ecuación [2.9] Principio de Continuidad ...................................................... 15

Ecuación [2.10] Núnmero de Reynolds ....................................................... 15

Ecuación [2.11] Fuerza de Inercia .............................................................. 15

Ecuación [2.12] Pérdida de Energía ............................................................ 17

Ecuación [2.13] Factor de Fricción .............................................................. 17

Ecuación [2.14] Ecuación de Darcy ............................................................. 18

Ecuación [2.15] Perfil de velocidad para flujo laminar ................................ 21

Ecuación [2.16] Pérdida de Energía ........................................................... 21

Ecuación [2.17] Pérdida en la salida ........................................................... 22

Ecuación [2.18] Pérdida de Energía Expansión Gradual ............................ 23

Ecuación [2.19] Velocidad Tubo Pitot .......................................................... 27

Ecuación [2.20] Velocidad Anemómetro de Cazoletas ................................ 31

Ecuación [2.21] Velocidad Anemómetro Ultrasónico ................................... 32

Ecuación [2.22] Presión............................................................................... 41

Ecuación [2.23] Caudal ............................................................................... 41

Ecuación [4.1]. Área .................................................................................... 54

Ecuación [4.2]. Flujo .................................................................................... 54

Ecuación [4.3].Esfuerzo del Material en Ducto ............................................ 65

Ecuación [4.4]. Ecuación de Cilindros Presurizados .................................. 66

Ecuación [4.5]. Ecuación de Cilindros Presurizados .................................. 66

Ecuación [4.6].Fuerza Aplicada en el Centro de la Viga.............................. 69

Ecuación [4.7].Esfuerzo Admisible .............................................................. 69

Ecuación [4.8].Peso para el Momento Flector ............................................. 69

Ecuación [4.9].Momento Flector Máximo .................................................... 69

Ecuación [4.10].Esfuerzo del Material ......................................................... 70

Ecuación [4.11].Módulo de la Sección ........................................................ 70

Ecuación [4.12].Factor de Seguridad .......................................................... 70

Ecuación [4.13].Peso Crítico ....................................................................... 71

Ecuación [4.14].Constante de Columna ...................................................... 71

Ecuación [4.15].Momento de Inercia de la Sección ..................................... 72

ÍNDICE DE ANEXOS

PÁGINA

ANEXO 1

Diagrama de Moody .................................................................................... 136

ANEXO 2

Coeficiente de Resistencia – Expansión Gradual. ...................................... 137

ANEXO 3

Coeficiente de Resistencia – Contracción Gradual con θ> 15°. .................. 138

ANEXO 4

Normas AMCA PUBLICATION 203 ........................................................... 140

ANEXO 5

Tabla de Resistencia del Ducto. ................................................................. 141

ANEXO 6

Figura 57 Resistencia del Ducto. ................................................................ 142

ANEXO 7

Tabla de ventiladores VAB-24F14. ............................................................. 144

ANEXO 8

Cono de Entrada ......................................................................................... 145

ANEXO 9

Cono de Salida ........................................................................................... 147

ANEXO 10

Ductos de Tol .............................................................................................. 149

ANEXO 11

Laminador ................................................................................................... 151

ANEXO 12

Tubo Pitot.................................................................................................... 153

ANEXO 13

Soporte Sensores ....................................................................................... 155

ANEXO 14

Sensor de Temperatura .............................................................................. 157

ANEXO 15

Honeycomb ................................................................................................. 159

ANEXO 16

Ductos lisos de la Cámara de Pruebas ....................................................... 161

ANEXO 17

Centro de la Cámara de Pruebas ............................................................... 163

ANEXO 18

Reducción del Ventilador ............................................................................ 168 ANEXO 19

Bastidor o Soporte del Túnel....................................................................... 170

ANEXO 20

Estándares de Medición.............................................................................. 173

ANEXO 21

Materiales de Construcción......................................................................... 176

RESUMEN

El presente trabajo se basa en el diseño de un túnel de viento para la

calibración de anemómetros en el Instituto Nacional de Meteorología e

Hidrología, ya que esta institución no cuenta con el presupuesto necesario

para enviar los anemómetros a ser calibrados en fábrica y en el país no

existe comercialización de este tipo de máquinas; provocando que los

sensores trabajen sin la calibración adecuada proporcionando datos no

confiables.

Para el diseño de un túnel que satisfaga las necesidades del INAMHI, se

investigo los diferentes tipos de túneles de viento, clasificándolos de acuerdo

a su arquitectura y a su velocidad. Además, se indago sobre los distintos

anemómetros y se estableció sus características de funcionamiento.

El tipo de túnel escogido fue el subsónico de circuito abierto, ya que este

cumple con los parámetros funcionales y las restricciones de espacio

disponible. Para el diseño de cada una de las partes que componen al túnel,

se utilizó la ayuda de software CAD en 3D, lo cual permitió verificar el diseño

antes de su construcción, se estudió, además las características de los

diferentes ventiladores y su disponibilidad en el mercado, eligiendo el

ventilador de tipo Vane-Axial, ya que, después de haber analizado los

diferentes tipos de ventiladores, este nos proporcionó un comportamiento

que cumple con los requerimientos del sistema.

Para que la calibración de los anemómetros sea más precisa el túnel debe

trabajar en el rango de velocidad de 0 a 20 m/s, que cumple con la condición

del 50% de la velocidad máxima con la que pueden trabajar los

anemómetros con los que cuenta el INAMHI.

Para determinar el tipo de flujo dentro de la cámara de pruebas del túnel de

viento, se desarrollo una simulación del flujo en Matlab, el cual entregó

resultados que una vez analizados demostró que en el centro del ducto se

obtiene el flujo esperado, lo cual es deseable porque para poder realizar la

calibración de los anemómetros es necesario un flujo laminar, controlable y

constante.

ABSTRACT

The present work is based on the design of a wind tunnel for the calibration

of anemometers at the National Institute of meteorology and hydrology, there

this institution not account with the budget necessary to send the

anemometers to be calibrated in factory and the country is no

commercialization of this type of machines; causing the sensors to work if the

proper calibration providing untrusted data.

For the design of a tunnel which meets the needs of the INAMHI, performed

research of the different types of wind tunnels, classifying them according to

your architecture and its speed I also research about the different types of

anemometers and found it’s functioning.

The type of chosen tunnel was the subsonic open circuit, which this complies

with the functional parameters and restrictions of space.

For the design of each of the parties that make up the tunnel, used the help

of CAD software in 3D, which allowed to verify the design prior to its

construction, was studied, in addition the characteristics of different fans and

their availability on the market, choosing the type Vane-Axial Fan, because

after having analyzed the different types of fans This provided us with a

behavior that meets the system requirements.

So that the calibration of the anemometers is more accurate the tunnel

should work in the range of speed from 0 m/s until the 20 m, due to the

anemometers must be calibrated in range of speed from 0 m/s up to

minimum 50% of the maximum speed which can be measured.

To determine the type of flow in the Chamber of the wind tunnel tests, a

simulation of the flow was developed in Matlab, which delivered results

analyzed once demonstrated that in the center of the pipeline Gets a flow is

expected, which is desirable because a flow is necessary to carry out the

calibration of the anemometers laminar controllable and constant.

1 INTRODUCCIÓN

1

El Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI), con cede en la

ciudad de Quito, en la provincia de Pichincha, provee el servicio

Meteorológico e Hidrológico del Ecuador. Creado por ley como una

necesidad y derecho fundamental de la comunidad, con capacidad y la

obligación de subministrar información vital sobre el tiempo, el clima y los

recursos hídricos del pasado, presente y futuro, que necesita conocer el país

para, su desarrollo, la protección de la vida humana y de los bienes

materiales.

Para poder cumplir con sus responsabilidades, el instituto ha colocado varias

estaciones meteorológicas en diferentes puntos del país, las cuales constan

de múltiples instrumentos de medición como anemómetros, pluviómetros,

termómetros, entre otros.

Estos instrumentos de medición son de alta precisión, pero por estar

expuestos a la intemperie necesitan de un mantenimiento periódico,

asegurando de esta manera la obtención de datos confiables. Los

anemómetros, que son instrumentos destinados a medir la velocidad y

dirección del viento, necesitan de mantenimiento cada tres meses. Dicho

mantenimiento, consiste en: desmontar el anemómetro de la estación

meteorológica, inspeccionar el estado físico del anemómetro, limpieza

exterior y comprobación del correcto funcionamiento del instrumento. En

caso de ser necesario el anemómetro es transportado al taller de

mantenimiento, para inspección en detalle y su reparación de ser el caso.

Posterior a este mantenimiento, se debe realizar la calibración de estos

instrumentos, dentro de un laboratorio de anemometría, el cual consta de

túneles de viento y sensores patrón.

Dado que en el INAMHI los anemómetros no pueden ser calibrados debido a

que el Instituto no dispone de los recursos ni los medios para efectuar esa

tarea, y que, actualmente se someten a un sistema de calibración artesanal,

que toma mucho tiempo, esfuerzo en realizarlo y no cumple con los

2

estándares establecidos para conseguir un funcionamiento adecuado de los

mismos, y a su vez, no permiten realizar lecturas confiables para el estudio

meteorológico; se ve la necesidad de construir un túnel de viento para el

instituto, como alternativa a la adquisición de uno, debido a su elevado costo

y a que no existe una comercialización directa dentro del país. Además son

pocas las instituciones que cuentan con uno de ellos, y estos no se

encuentran en las condiciones adecuadas para realizar las operaciones de

calibración.

En resumen a lo planteado anteriormente se presenta el diagrama de Causa

y Efecto en la Figura. 1.1.

3

Figura 1.1. Diagrama de Causa y Efecto (Pescado)

La calibración

inadecuada de los

anemómetros

Costo Equipos De Calibración

Mantenimiento

Frecuencia de

mantenimiento

Presupuesto insuficiente

Difícil adquisición

en el exterior

No existen laboratorios

en el mercado nacional

Tipo y Tiempo de calibración

4

En solución a la problemática descrita anteriormente se presentan dos

alternativas que son:

enviar a calibrar los anemómetros en la empresa de distribución y

soporte, o

equipar un laboratorio de anemometría en el INAMHI.

El enviar a calibrar los anemómetros en la empresa de distribución y soporte

representa un costo prohibitivo para los recursos de los que dispone el

INAMHI, según se puede observar en la Tabla 1.1, que muestra el costo por

calibración de todos los anemómetros que posee actualmente la institución.

Tabla 1.1. Costo de Calibración de Anemómetros en Fábrica

Nombre Cantidad Precio Unitario Precio Total

Anemómetro 150 USD1000 USD150000

Fuente: INAMHI.

Para equipar un laboratorio de anemometría en el INAMHI, es necesario

contar con un túnel de viento. Entonces, percibido el problema, podría

plantearse con la pregunta: ¿puede la construcción de un túnel de viento,

con tecnología y materiales locales, conseguir calibrar adecuadamente los

anemómetros?

Para poder responder a esta pregunta, se propone el siguiente objetivo para

poder determinar la solución:

Diseñar y construir un túnel de viento que cumpla con los parámetros

funcionales, de operación y dimensionales, necesarios para lograr la

calibración de anemómetros del INAMHI y su validación mediante la

realización de pruebas experimentales.

Para cumplir con este objetivo general se plantean los siguientes objetivos

específicos:

5

Determinar los parámetros funcionales de diseño de un túnel de

viento para la calibración de anemómetros.

Diseñar el túnel de viento asistido con herramientas de diseño

mecánico en función de los parámetros de diseño y las normas

establecidas.

Construir el equipo en base a los diseños desarrollados.

Realizar pruebas, diagnostico y calibración del equipo, establecidos

para el uso determinado.

El alcance que tendrá el proyecto, estará dado de acuerdo a los siguientes

parámetros:

Túnel de viento de tipo subsónico, con velocidades de 0 a 30 m/s.

Se deberá reducir la fuerza y velocidad del flujo a la salida, por

consideraciones de seguridad.

Las dimensiones serán normadas por las Normas internacionales

AMNCA detalladas en el Anexo4.

El túnel de viento deberá tener una cámara de pruebas para la

apropiada realización de la calibración de anemómetros.

Utilizará sensores patrón, como: tubos Pitot.

El proyecto tiene por objeto diseñar todos los elementos mecánicos

así como la selección de los equipos apropiados.

Para determinar la viabilidad del proyecto se realiza el estudio de factibilidad

técnica y la factibilidad económica.

En cuanto al estudio de la factibilidad técnica se tiene lo siguiente:

El diseño y la construcción de un túnel de viento para la calibración de los

anemómetros del INAMHI como tesis de grado, es técnicamente factible por

los puntos señalados a continuación:

Existe información necesaria sobre el tema de estudio.

En el país se puede contar con profesionales conocedores de la

ventilación en ductos.

6

Se cuenta con el apoyo de profesores de la universidad, así como

también, con el de los Ingenieros del INAMHI para guiar el proyecto.

Los materiales para construcción son de fácil consecución en el

mercado local

Se pueden obtener todos los elementos mecánicos y tecnológicos con

facilidad.

En cuanto al software utilizado para el diseño del túnel de viento es la

herramienta de diseño asistido por computadora Solidworks, el cual fue

elegido después de un estudio de factibilidad técnica de Solidworks versus

Autodesk Inventor; según se expone en la tabla 1.3., donde el rango de

calificación va de 1: malo, hasta 5: excelente.

Tabla 1.3. Estudio de factibilidad técnica sobre software.

CARACTERISTICAS SILDWORKS AUTODESK

Facilidad de uso 5 3

Herramientas de diseño 5 3

Modelamiento3D 5 3

Velocidad 5 2

Total 20 11

Solidworks es un software que nos proporciona variedad de herramientas

con actualizaciones constantes, que nos da un entorno de trabajo mecánico

amigable con el usuario, permitiendo el diseño de objetos en forma rápida y

secuencial.

En la parte mecánica se trabajará con un ventilador axial, después de hacer

un estudio de factibilidad técnica de ventiladores axiales versus ventiladores

centrífugos.

7

Tabla 1.4. Estudio de factibilidad técnica sobre ventiladores.

CARACTERISTICAS VENTILADOR AXIAL VENTILADOR CENTRÍFUGO

Aerodinámica 5 3

Control de flujo 4 3

Acústica 3 4

Suministro Eléctrico 4 3

Total 16 13

El ventilador de tipo axial es la opción adecuada en virtud de las

características deseadas, para la realización de este proyecto, como lo

demuestra el estudio de factibilidad técnica de la Tabla 1.4. Además, los

ventiladores axiales son más adecuados para trabajar a velocidades altas

específicas, permitiendo obtener presiones bajas o altas con buenos

rendimientos.

En cuanto a la factibilidad económica, el costo de proyecto será totalmente

financiado por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología. A

continuación se detallan los costos que tendrán las materias primas,

materiales directos y recursos a utilizarse en el diseño y construcción del

túnel de viento.

8

Tabla 1.6. Costos Directos

COSTO DE MATERIA PRIMA Y MATERILAES DIRECTOS

ITEM NOMBRE CANTIDAD UNIDADES COSTO UNITARIO COSTO TOTAL %

1 Planchas de tol galvanizado e=1.4mm 14 Unidad USD 50,00 USD 700,00 20,11

2 Planchas de acrílico e=4mm 2 Unidad USD 155,00 USD 310,00 8,90

3 Planchas de acrílico e=9mm 2 unidad USD 300,00 USD 600,00 17,23

4 Perfiles tipo G 60*30*10 e=2mm 10 Unidad USD 14,45 USD 144,50 4,15

5 Liston de madera e=50mm 4 Unidad USD 14,00 USD 56,00 1,61

6 Pernos 1 Paquete USD 20,00 USD 20,00 0,57

7 Electrodos e-6011 2 Kg USD 10,00 USD 20,00 0,57

8 Planchas de espuma flex e=50mm 3 Unidad USD 14,00 USD 42,00 1,21

9 Pintura anticorrosiva 2 Galon USD 16,00 USD 32,00 0,92

10 Suncho plástico 15 Metros USD 0,80 USD 12,00 0,34

11 Tableros elétrico 1 Unidad USD 60,00 USD 60,00 1,72

12 Motor trifásico 7,5Hp 1 Unidad USD 280,00 USD 280,00 8,04

13 Ventilador 1 Unidad USD 1.205,00 USD 1.205,00 34,61

TOTAL USD 3.481,50 100,00

9

Tabla 1.7. Mano de Obra.

MANO DE OBRA

ITEM PLAZA CANTIDAD MESES COSTO UNITARIO COSTO TOTAL %

1 Diseñador 1 4 USD 1.200,00 USD 4 800,00 45,71

2 Ayudantes 2 6 USD 700,00 USD 4 200,00 40,00

3 Maquinador Tol 1 1 USD 700,00 USD 700,00 6,67

4 Maquinador Acrílico 1 1 USD 800,00 USD 800,00 7,62

TOTAL USD 10 500,00 100,00

Tabla 1.8. Costos Indirectos.

PERMISOS Y LICENCIAS

ITEM SOFTWARE CANTIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTAL %

1 SOLID WORKS 2010 1 USD 0 USD 0 100

TOTAL USD 0 100

Nota: Los permisos y licencias tienen valor 0 USD ya que se utilizaron

software dentro de las empresas que ya cuentan con ellas.

Tabla 1.9. Costos Indirectos.

RUBROS DELA TESIS

ITEM RUBRO COSTO TOTAL

1 Dirección de tesis USD 602,00

2 Certificado de Acta de Grado USD 12,00

3 Derecho de Grado USD 86,00

4 Derecho de Título USD 22,00

5 Bono de Biblioteca USD 65,00

6 Aptitud legal USD 22,00

TOTAL USD 809,00

10

Tabla 1.10. Costos Totales.

COSTO TOTAL

TÚNEL DE VIENTO CULMINADO USD 14 790,50

A continuación se presenta los costos que tendrían que pagar por la

calibración de los anemómetros fuera del país.

Tabla 1.11. Análisis Costo - Beneficio.

Costo Calibración.

Nombre Cantidad Precio Unitario Costo Anual

Anemómetro 150 USD1000 USD150 000

Costo Calibración en Túnel de Viento.

Personal Sueldo Mensual Anual

Operario 1 USD 600 USD 600 USD 7200

Inversión USD 14 790,50

Al analizar el costo que tendría el proyecto, conjuntamente con el costo de

operación por un año, nos da un total de USD14 790,50, siendo este valor

equivalente a la quinta parte del costo que tendría la calibración en la

empresa de distribución y soporte. Recuperando la inversión en menos de

un año.

2 MARCO TEÓRICO

11

El presente capitulo dará a conocer las referencias teóricas utilizadas para el

desarrollo del proyecto, proporcionando información técnica y científica

sobre la mecánica de fluidos, los instrumentos de medición, el túnel de

viento y su clasificación, y demás información pertinente, que brinde el

apoyo necesario para la realización y cumplimiento de los objetivos

propuestos.

2.1 Mecánica de fluidos.

Según Schaum y Mott, “La mecánica de fluidos es una de las ciencias que

forman la base de todo desarrollo tecnológico y que se fragmenta en varias

especialidades como son aerodinámica, hidráulica, ingeniería naval,

dinámica de gases y procesos de flujo”. Además, tiene relación con la

estática, cinemática y dinámica de los fluidos, al proveer de métodos útiles

de análisis para la aplicación de los principios, conceptos y leyes que rigen el

comportamiento de los fluidos como son: principio de Newton del

movimiento, primer y segundo principios de la termodinámica, principio de

conservación de la masa, ecuaciones que relacionan las propiedades del

fluido, ley de Newton de la viscosidad, entre otros.

En los cálculos de movimiento de fluidos, la viscosidad y la densidad son las

propiedades que generalmente rigen el movimiento tanto en canales abiertos

y cerrados, como alrededor de los cuerpos.

2.1.1 Fluido.

Los fluidos son sustancias capaces de fluir y que se adaptan a la forma de

los recipientes que los contienen. Cuando están en equilibrio, los fluidos no

pueden soportar fuerzas tangenciales o cortantes. Los fluidos son

comprensibles en cierto grado y ofrecen poca resistencia a los cambios de

forma.

12

Los fluidos pueden dividirse en líquidos y gases. Las diferencias esenciales

entre líquidos y gases son que, los primeros son prácticamente

incomprensibles, ocupan un volumen definido y tienen superficies libres,

mientras que los gases son muy comprensibles y su masa se expande hasta

ocupar todas las partes del recipiente que lo contenga.

2.1.2 Densidad y Peso específico.

La Densidad, según Mott es la cantidad de masa por unidad de volumen de

una sustancia, esta es denotada por el símbolo ρ (rho), se tiene:

ρ [2.1]

Donde:

V: volumen de la sustancia que tiene la masa

m: masa del fluido

Deacuerdo con la teoría de Mott “El Peso específico, es la cantidad de peso

por unidad de volumen de una sustancia”. El peso específico se lo denota

con la letra griega γ (gamma), entonces:

γ [2.2]

Donde:

w: peso del fluido.

V: volumen del fluido.

2.1.3 Viscosidad.

La viscosidad de acuerdo a Mott y Streeter “es aquella propiedad de un

fluido por virtud de la cual ofrece resistencia al corte”. La ley de viscosidad

de Newton afirma que dada una rapidez de deformación angular en el fluido,

el esfuerzo cortante, es directamente proporcional a la viscosidad.

13

La viscosidad de un gas aumenta con la temperatura, pero la viscosidad de

un líquido disminuye con la temperatura.

1.1.1.1 2.1.3.1 Viscosidad dinámica.

Conforme un fluido se mueve, dentro de él se desarrolla un esfuerzo

cortante, cuya magnitud depende de la viscosidad del fluido. Se define al

esfuerzo cortante, denotado con la letra griega τ (tau), como la fuerza que

requiere para que una unidad de área de una sustancia se deslice sobre

otra. Entonces τ es una fuerza dividida entre un área indicada en la

Ecuación 2.10.

[2.3]

Dónde:

F: fuerza

A: Área

El gradiente de velocidad es una medida del cambio de velocidad, y se

define como Δv/Δy y este es directamente proporcional al esfuerzo cortante.

La viscosidad dinámica del fluido es representado por la letra griega η (eta).

[2.4]

2.1.1.1 2.1.3.2. Viscosidad cinemática.

Muchos cálculos de la dinámica de fluidos involucran la razón de la

viscosidad dinámica en la densidad del fluido. La viscosidad cinemática es

representada por la letra griega ν (nu).

[2.5]

Dónde:

ν: Viscosidad cinemática.

14

η: Viscosidad dinámica.

ρ: Densidad.

2.1.4 El flujo de los fluidos y la ecuación de Bernoulli.

La cantidad de fluido que pasa por un sistema por unidad de tiempo puede

expresarse por medio de tres términos distintos:

Q: el flujo volumétrico es el volumen de fluido que circula en una

sección por unidad de tiempo.

W: el flujo en peso es el peso del fluido que circula en una sección

por unidad de tiempo.

M: el flujo másico es la masa de fluido que circula en una sección

por unidad de tiempo.

El flujo volumétrico Q es el más importante de los tres, y se calcula con la

siguiente ecuación:

[2.6]

Dónde:

A: Área de sección

v: Velocidad promedio del flujo.

El flujo en peso se relaciona con Q como indica la ecuación 2.7.

[2.7]

El flujo másico M se relaciona con Q por medio de la ecuación 2.8.

[2.8]

El método de cálculo de la velocidad de flujo en un sistema de ductos

cerrados depende del principio de continuidad.

15

[2.9]

2.1.5 Número de Reynolds.

El comportamiento de un fluido, en particular en lo que se refiere a las

pérdidas de energía, depende de que el flujo sea laminar o turbulento. Se

necesita un medio para predecir el tipo de flujo sin tener que observarlo en

realidad. Más aun, la observación directa es imposible para fluidos que van

por tubos opacos. Se demuestra en forma experimental y se verifica de

modo analítico, que el carácter del flujo en un tubo redondo depende de

cuatro variables: la densidad del fluido ρ, su viscosidad η, el diámetro del

tubo D y la velocidad promedio del flujo v. La ecuación siguiente muestra la

definición básica del número de Reynolds ( ):

ρ

η

[2.10]

Dónde:

: Velocidad del fluido

D: Diámetro del tubo

ρ : Densidad del flujo

η : viscosidad

v: Velocidad promedio del flujo

Estas dos formas de la ecuación son equivalentes debido a que η

ρ.

El número de Reynolds es la relación de la fuerza de inercia sobre un

elemento de fluido a la fuerza viscosa. La fuerza de inercia se desarrolla a

partir de la segunda ley de movimiento de Newton

. [2.11]

Donde:

16

Fuerza

Masa

Aceleración

Los flujos tienen un número de Reynolds grandes debido a una velocidad

elevada y/o una viscosidad baja y tienden a ser turbulentos. Aquellos fluidos

con viscosidad alta y/o que se mueven a velocidades bajas, tendrán

números de Reynolds bajos y tenderán a comportarse en forma laminar.

2.1.5.1 Números De Reynolds Críticos

Si el número de Reynolds para el flujo es menor que 2000, éste es laminar.

Si el número de Reynolds es mayor a 4000, el flujo es turbulento. En el

rango de números de Reynolds entre 2000 y 4000 es imposible predecir que

flujo existe; por lo tanto, le denominaremos región crítica.

La aplicación práctica involucra flujos que se encuentran bien dentro del

rango laminar o bien dentro del turbulento, por lo que la región de

incertidumbre no ocasiona demasiada dificultades.

Si < 2000, el flujo es laminar

Si > 4000, el flujo es turbulento

2.1.6 Pérdida por fricción en el flujo laminar.

El flujo laminar parece moverse como si fueran varias capas, una sobre la

otra. Debido a la viscosidad del flujo, se crea un esfuerzo cortante entre sus

capas. Se pierde energía del fluido por la acción de las fuerzas de fricción

que hay que vencer, y que son producidas por el esfuerzo cortante entre sus

capas. Se pierde energía del flujo por la acción de las fuerzas de fricción que

hay que vencer, y que son producidas por el esfuerzo cortante. Debido a que

el flujo laminar es tan regular y ordenado, es posible obtener una relación

17

entre la pérdida de energía y los parámetros mensurables del sistema de

flujo. Esta ecuación se conoce como Hagen-Poiseuille:

[2.12]

Los parámetros que involucra son las propiedades del flujo cuanto a

viscosidad y peso específico, las características geométricas de longitud y

diámetro de la tubería, y la dinámica del flujo caracterizada por la velocidad

promedio. La ecuación de Hagen-Poiseuille ha sido verificada muchas veces

en forma experimental, se debe observar que la pérdida de energía en el

flujo laminar es independiente de las condiciones de la superficie de la

tubería. Son las pérdidas por fricción viscosa en el interior del fluido las que

gobiernan la magnitud de la pérdida de energía.

La ecuación de Hagen-Poiseuille es válida solo para flujo laminar (NR <

2000), para pérdida por fricción para el flujo laminar, se igualo las dos

relaciones para hL, podemos despejar el factor de fricción.

Como ρ= γ/g

[2.13]

Al número de Reynolds se le define como NR= Dρ/η. Por lo tanto tenemos

La pérdida de energía debida a la fricción en el flujo laminar puede

calcularse con la ecuación de Hagen-Poiseuille.

18

O con la ecuación de Darcy.

[2.14]

2.1.7 Pérdida de fricción en el flujo turbulento

Cuando hay flujo turbulento es más conveniente utilizar la ecuación de Darcy

para calcular la pérdida de energía debida a la fricción, como el flujo

turbulento es caótico, para determinar el valor de f debemos recurrir a datos

experimentales.

Las pruebas han mostrado que el numero adimensional f depende de otras

dos cantidades adimensionales, el número de Reynolds y la rugosidad

relativa de la tubería. La rugosidad relativa es la relación del diámetro de la

tubería D a la rugosidad promedio de su pared. La condición de la superficie

de la tubería depende sobre todo del material de que esta hecho el tubo y el

método de fabricación. Debido a que la rugosidad es algo irregular, con el fin

de obtener su valor global tomaremos valores promedio.

Tabla 2.1. Valores de Diseño de La Rugosidad de Tubos

Material Rugosidad ε (m) Rugosidad ε (pie)

Vidrio Liso Liso

Plástico 3.0 x 10-7 1.0 x 10-6

Tubo extruido; cobre latón y acero 1.5 x 10-6 5.0 x 10-6

Acero, comercial o soldado 4.6 x 10-5 1.5 x 10-4

Hierro galvanizado 1.5 x 10-5 5.0 x 10-4

Hierro dúctil, recubierto 1.2 x 10-4 4.0 x 10-4

Hierro dúctil, no recubierto 2.4 x 10-4 8.0 x 10-4

Concreto, bien fabricado 1.2 x 10-4 4.0 x 10-4

Acero remachado 1.8 x 10-3 6.0 x 10-4

(Robert Mott ,2006)

19

El valor ε de la rugosidad promedio de la pared de tuberías y tubos

existentes comerciales. Estos son sólo valores promedio para tuberías

nuevas y limpias. Una vez que una tubería ha estado en servicio durante

algún tiempo, la rugosidad cambia debido a la corrosión y a la formación de

depósitos de pared. Para las tuberías y tubos de plástico son casi tan lisos

como el vidrio, así que utilizaremos el valor de rugosidad que está en la

Tabla 2.1.

2.1.8 Diagrama de Moody

El método más utilizado para evaluar el factor de fricción emplea e diagrama

de Moody. EL diagrama muestra la gráfica del factor de fricción f versus el

número de Reynolds NR, con una serie de curvas paramétricas relacionadas

con la rugosidad relativa D/ε.

A la izquierda de la gráfica Anexo1, para números Reynolds menores de

2000, la línea recta muestra la relación f= 64/ NR para el flujo laminar. Para

2000 < NR < 4000, no hay curvas, debido a que esta es la zona critica entre

el flujo laminar y el flujo turbulento, más alla de NR=4000, se gráfica la familia

de curvas para distintos valores de D/ε. Se puede hacer algunas

observaciones:

1. Para un flujo con número de Reynolds dado, conforme aumenta la

rugosidad relativa D/ε, el factor de fricción f disminuye.

2. Para una rugosidad relativa D/ε, el factor de fricción f disminuye con el

aumento del número de Reynolds, hasta que se alcanza la zona de

turbulencia completa.

3. Dentro de la zona de turbulencia completa, el número de Reynolds no

tienen ningún efecto sobre el factor de fricción.

4. Conforme se incrementa la rugosidad relativa D/ε, también se eleva el

valor del número de Reynolds donde comienza la zona de turbulencia

completa.

20

Tabla 2.2. Valores para Lectura del Diagrama de Moody

NR D/ε F

6.7 x 103 150 0.0430

1.6 x 104 2000 0.0284

1.6 x 106 2000 0.0171

2.5 x 105 733 0.0223

(Robert Mott ,2006)

Hay que evitar la zona crítica entre los números Reynolds 2000 y 4000

porque no puede predecirse el tipo de flujo dentro de ese rango. En la figura

del Anexo 1. La banda sombreada muestra la manera en que el factor de

fricción es grande conforme el flujo pasa de laminar a turbulento.

El diagrama de Moody se utiliza para ayudar a determinar el valor del factor

de fricción f y para el flujo turbulento. Debe conocerse el valor del número de

Reynolds y la rugosidad relativa, por tanto, los datos básicos que se

requieren son el diámetro interior de la tubería, el material de que está

hecho, la velocidad del flujo y el tipo de fluido y su temperatura, a partir de

los cuales, se determina la viscosidad.

2.1.9 Perfiles de velocidad.

La magnitud de la velocidad local de flujo es muy desigual en zonas

diferentes de la sección transversal de un ducto circular, la forma general de

los perfiles de velocidad para flujo laminar y turbulento se ilustran en la figura

2.1

La velocidad de un fluido en contacto con una pared estacionaria es igual a

cero. A partir de ahí la velocidad aumenta hacia fuera de la pared y alcanza

un máximo en el centro del conducto circular.

21

Figura 2.1. Perfiles de velocidad.

(Robert Mott ,2006)

2.1.9.1 Perfil de velocidad para flujo laminar.

Debido a la regularidad del perfil de velocidad en el flujo laminar, es posible

definir una ecuación para la velocidad local en cualquier punto dentro de la

trayectoria del flujo.

⁄ [2.15]

Donde:

Velocidad en el ducto

Radio externo

Radio interno

2.1.10 Coeficiente De Resistencia

Las pérdidas de energía son proporcionales a la carga de velocidad del

fluido, conforme pasa por un codo, expansión o contracción de la sección de

flujo, por una válvula. Los valores experimentales de las pérdidas de

energía se reportan en términos de un coeficiente K como sigue:

[2.16]

22

Donde:

: es la pérdida menor

K: es el coeficiente de resistencia

: es la velocidad promedio del flujo

El coeficiente de resistencia es adimensional debido a que representa una

constante de proporcionalidad entre la pérdida de energía y la carga de

velocidad. La magnitud del coeficiente de resistencia depende de la

geometría del dispositivo que ocasiona la pérdida y a veces de la velocidad

del flujo.

La carga de velocidad en la ecuación se expresa por lo común en

metros (o N.m/N de fluido en movimiento).

2.1.11 Pérdida en la Salida

Conforme el fluido pasa de una tubería a un depósito o tanque grande, su

velocidad disminuye hasta casi cero, en el proceso se disipa la energía

cinética que el fluido tenía en la tubería, por lo tanto la energía pérdida es:

[2.17]

Se denomina pérdida en la salida. El valor de K= 1.0 se emplea sin que

importe la forma de la salida en el lugar donde el tubo se conecta a la pared

del tanque.

2.1.12 Expansión Gradual

Si es posible hacer que la transacción de una tubería pequeña de energía se

reduce. Es normal que esto se lleve a cabo al colocar una sección cónica

entre las dos tuberías. Las paredes pendientes del cono tienden a guiar el

fluido durante la desaceleración y expansión de la corriente de flujo. La

pérdida de energía para una expansión gradual se calcula:

23

(

) [2.18]

Donde:

Velocidad en la tubería más pequeña antes de la expansión.

K : depende tanto de la relación de diámetros D2/D1 como del ángulo

del cono θ.

Figura 2.2. Expansión gradual

(Robert Mott ,2006)

El Coeficiente de resistencia-expansión gradual, se lo obtiene de la figura del

Anexo 2., o a su vez se lo puede obtener de la tabla 2.3.

24

Tabla 2.3. Coeficiente de resistencia-expansión gradual

Ángulo del cono θ

D2/D

1

2o 6o 10o 15o 20o 25o 30o 35o 40o 45o 50o 60o

1.1

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.5

3.0

∞

0.01

0.02

0.02

0.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.03

0.01

0.02

0.03

0.04

0.04

0.04

0.04

0.04

0.05

0.03

0.04

0.06

0.07

0.07

0.07

0.08

0.08

0.08

0.05

0.09

0.12

0.14

0.15

0.16

0.16

0.16

0.16

0.10

0.16

0.23

0.26

0.28

0.29

0.30

0.31

0.31

0.13

0.21

0.30

0.35

0.37

0.38

0.39

0.40

0.40

0.16

0.25

0.36

0.42

0.44

0.46

0.48

0.48

0.49

0.18

0.29

0.41

0.47

0.50

0.52

0.54

0.55

0.56

0.19

0.31

0.44

0.51

0.54

0.56

0.58

0.59

0.60

0.20

0.33

0.47

0.54

0.58

0.60

0.62

0.63

0.64

0.21

0.55

0.5'

0.57

0.61

0.63

0.65

0.66

0.67

0.23

0.37

0.53

0.61

0.65

0.68

0.70

0.71

0.72

(Robert Mott ,2006)

La pérdida de energía calculada no incluye la pérdida por fricción en las

paredes de la transición aumenta y la fricción con la pared se vuelve

significativa.

2.1.12.1 Contracción Gradual

La pérdida de energía en una contracción puede disminuir en forma

sustancial si la contracción se hace más gradual, muestra una contracción

formada por una sección cónica entre los dos diámetros, con bordes afilados

en las uniones. El ángulo θ se denomina ángulo del cono.

25

Figura 2.3. Contracción gradual.

(Robert Mott, 2006)

Para el coeficiente de resistencia versus la relación de diámetro para

distintos valores del ángulo del cono. Conforme el ángulo del cono de la

contracción disminuye a menos de 15o, el coeficiente de resistencia en

realidad se incrementa. Tanto de la turbulencia local que ocasiona la

separación del flujo como los de la fricción con el tubo. Para ángulos del

cono de la contracción disminuye a menos de 15o, el coeficiente de

resistencia en realidad se incrementa, la razón es que los datos incluyen los

efectos, tanto la turbulencia local que ocasiona la separación del flujo como

los de la fricción con el tubo. Para ángulos del cono más pequeños, la

transición entre los dos diagramas es muy larga, lo que aumenta las

pérdidas por fricción. Esto podemos demostrarlo mediante las figuras del

Anexo 3.

2.2 Medición del flujo.

Para la medición del fluido se tiene diferentes instrumentos de medición,

para determinar el instrumento correcto se debe determinar qué tipo de

fluido se medirá y cuáles son sus propiedades, para de esta manera

determinar su velocidad.

26

En la medición de velocidad del aire se utilizan instrumentos como:

Tubo Pitot

Anemómetros

2.2.1 Tubo Pitot

Según la revista MET & FLU “Su principio se basa en el hecho en el que la

velocidad del fluido es proporcional a la raíz cuadrada de la presión

diferencial (presión dinámica) obtenida”.

Existen dos tipos de tubos Pitot comunes y son:

Tubo Pitot estándar, tipo L.

Es conocido también como Prandtl, en honor a su inventor, quien combino al

tubo Pitot con un anillo piezómetro para obtener la presión dinámica del flujo.

La velocidad es obtenida matemáticamente mediante la Ecuación 2.19. Que

resulta de la aplicación del principio de Bernoulli para flujo incomprensible.

Figura 2.4. Tubo Pitot tipo L

(Ing. Ariel Jiménez, 2009)

27

√

[2.19]

Dónde:

V: velocidad del gas [m/s]

: Coeficiente del flujo del Pitot (≈1)

: Presión dinámica [Pa]

: Densidad del gas [kg/m³]

2.2.2 Tubo Pitot tipo S (Stausscheibe).

El principio de operación de este tipo es similar al de tipo L, pero solo cuenta

con un orificio para censar la presión estática. La presión dinámica es

obtenida como la diferencia de la presión total del orificio que se enfrenta al

flujo y la presión estática del orificio opuesto.

Este tipo de medidores posee poca sensibilidad a bajas velocidades, debido

a la pequeña presión diferencial que se genera, y se ven afectados por el

desalineamiento respecto a las líneas del flujo.

Figura 2.5.Tubo Pitot tipo S

(Carlos Alberto Echeverri,2008)

28

2.2.3 Anemómetros

De acuerdo con Jiménez proviene del griego, anemos, viento; metron,

medida, el anemómetro es un instrumento que mide tanto la velocidad y la

dirección del viento como su persistencia. Los anemómetros miden la

velocidad instantánea del viento, pero las ráfagas (fluctuaciones habituales

del viento) se producen con tal frecuencia que restan interés a dicha

medición, por lo que se toma siempre un valor medio en intervalos de 10

minutos.

2.2.3.1 Funcionamiento

Para medir la velocidad relativa del viento es necesario utilizar

algún proceso físico cuya magnitud varíe según una regla fija con respecto

a la variación de esa velocidad. En la práctica entre otros se usan:

La variación de velocidad de rotación de una hélice sometida al viento.

La fuerza que se obtiene al enfrentar una superficie al viento.

La diferencia de temperatura entre dos filamentos calentados por igual, uno

sometido al viento y otro en calma.

1. Aprovechando la presión aerodinámica producida en una superficie

enfrentada al viento.

Otros métodos ultrasónicos o de láser.

2.2.3.2 Clasificación de los anemómetros.

Dentro de la clasificación de los anemómetros podemos encontrar los

sientes:

El anemómetro de empuje.

El anemómetro de rotación.

El anemómetro de compresión.

http://www.sabelotodo.org/fluidos/presion.html

29

El anemómetro ultrasónico.

a. Anemómetros de empuje.

Están formados por una esfera hueca y ligera (Daloz) o una pala (Wild)

como se ve en la Figura 2.6, cuya posición respecto a un punto de

suspensión varía con la fuerza del viento, lo cual se mide en un cuadrante.

En estos anemómetros se utiliza la fuerza resultante en una superficie

cuando es alcanzada de frente por el viento.

Estos anemómetros no son muy precisos y se utilizan para obtener una

información estimada de la velocidad del viento, su indicación generalmente

es en números relativos a una escala arbitraria establecida de antemano.

Figura 2.6. Anemómetro de empuje.

(Esteban Jiménez Roldán, 2008)

b. Anemómetros de rotación.

Está dotado de cazoletas (Robinson) o hélices Figura 2.7 unidas a un eje

central cuyo giro, proporcional a la velocidad del viento, es registrado

convenientemente; en los anemómetros magnéticos, dicho giro activa un

diminuto generador eléctrico que facilita una medida precisa.

30

Estos son los más utilizados por su simplicidad y suficiente exactitud para la

mayor parte de las necesidades de medición así como por la relativa

facilidad de permitir la medición a distancia.

Figura 2.7. Anemómetro de rotación (hélices).


c. Anemómetros de cazoletas.

Este anemómetro está constituido por un eje, que se ubica en posición

vertical, al cual se conectan tres brazos con copas generalmente

hemisféricas como se ve en la Figura 2.8. Al actuar la fuerza del viento

sobre las copas, las hace girar proporcionalmente a la velocidad del viento,

independientemente de su dirección y por eso son consideradas

omnidireccionales, en el plano horizontal.

Figura 2.8. Anemómetro de rotación (cazoletas).


31

En estos anemómetros, la simetría, el momento de inercia, y el torque por

fricción en torno al eje de giro, son claves para obtener un buen desempeño

metrológico. Bajo condiciones de viento estable el anemómetro de copa

posee un comportamiento lineal como se demuestra en la ecuación 2.20.

[2.20]

Dónde:

V: velocidad horizontal del viento [m/s].

f: factor del anemómetro, que depende del radio de la copa r.

r: radio del centro de giro al centro de las copas.

S: velocidad angular en rad/s.

l: distancia calibrada; longitud de la columna de aire que ha pasado a

través del anemómetro, cuando este ha girado un ángulo

correspondiente a un radián.

Su principal aplicación se encuentra en estaciones meteorológicas, y debido

al auge de las energías renovables como la eólica, en las últimas décadas

se han desarrollado grandes avances en la caracterización y normalización

de este instrumento.

d. Anemómetro Ultrasónico.

Este instrumento comparte el principio del tiempo de transito utilizados por

los medidores de caudal, que en esencia son medidores de velocidad. Su

operación consiste en la emisión simultánea de pulsos, desde un par de

transductores-receptores enfrentados a una distancia L Ecuación 2.21. Los

pulsos llegaran al mismo tiempo al transductor opuesto, cuando la velocidad

32

del aire es cero, pero se presentará una diferencia en el tiempo de tránsito,

cuando se presente flujo y la velocidad sea diferente de cero.

Figura 2.9. Anemómetro Ultrasónico

(VAISALA, 2008)

Estos anemómetros pueden poseer 1, 2 o 3 trayectorias, con longitudes de

10cm a 20cm, que permiten obtener la velocidad en los tres ejes

coordenados. Poseen una alta velocidad de respuesta.

[2.21]

Dónde:

V: Velocidad del viento [m/s].

L: Longitud de la Trayectoria entre transductores [m].

: Tiempo de tránsito de A → B [s].

: Tiempo de tránsito de B → A [s].

33

2.3 Túnel de Viento

Los túneles de viento fueron desarrollados a principios del siglo XIX, cuando

se reconoció que las condiciones del exterior eran inciertas para la

planeación y ejecución de la experimentación en el afán del hombre para

volar. Tal como lo menciono John Smeaton, en su artículo ante la Royal

Society en 17591: “En la experimentación con las aspas de los molinos de

viento, el viento por si mismo es incierto, para solucionar estos problemas;

debemos referirnos a un tipo de viento artificial”.

Desde el siglo XVIII rondaba la idea de que estas fuerzas dependían de la

velocidad relativa entre el cuerpo y el fluido, por ello se diseñaron brazos

mecánicos que se desplazaban sobre rieles, sosteniendo distintos

prototipos; el problema de este sistema era que el modelo se movía a través

de un flujo turbulento, desordenado por el movimiento del brazo. Para obviar

este obstáculo, se decidió dejar el modelo quieto y hacer que circule el aire

alrededor de él; y si a esta idea la colocamos dentro de un ducto, obtenemos

lo que conocemos como un túnel de viento.

Figura 2.10. Túnel de Viento

(Blogodisea. ,2010)

1Smeaton, John, The efficiency of windmill blades. Royal Society of Science, 1759.

34

Las pruebas en túneles de viento constituyen el soporte técnico de cualquier

proceso que involucra la aerodinámica.

El túnel de viento provee al ingeniero de datos invaluables en modelos a

escala. El túnel de viento es la más larga contribución de los hermanos

Wright a la ciencia de la aerodinámica.

2.3.1 Descripción del túnel de viento.

En ingeniería, un túnel de viento o túnel aerodinámico es una herramienta de

investigación desarrollada para ayudar en el estudio de los efectos del

movimiento del aire alrededor de objetos sólidos, al simular las condiciones

experimentadas por el objeto en condiciones de operación real.

También pueden definirse como conductos que llevan en alguna parte de su

trayecto un ventilador accionado por un motor, que se encarga de que el aire

fluya de manera constante, a través del cuerpo del mismo. Usualmente las

aspas de estos ventiladores son diseñadas, según el tipo de túnel que se

vaya a construir, de manera similar a como se hacen las de los aviones. La

parte de interés para la experimentación es la cámara de pruebas, que debe

ser transparente para permitir la observación e incluso filmación, en ella se

instala el modelo y diferentes aparatos que miden las fuerzas que

experimenta éste y las condiciones del aire que atraviesa esa sección.

Resulta de interés que la cámara de pruebas sea de menor área que el resto

del túnel, ya que por conservación de caudal se genera una velocidad mayor

cerca del modelo; ahorrando energía en el ventilador, que genera el mismo

efecto en la Cámara de Pruebas con una potencia menor, que además

reduce las pérdidas por fricción en las paredes y codos del túnel.

2.3.2 Clasificación de Túneles de Viento.

Los túneles de viento pueden ser clasificados de acuerdo a su Arquitectura

Básica (de circuito abierto o cerrado), de acuerdo a su Velocidad (subsónico,

transónico, supersónico, hipersónico), de acuerdo a la Presión Atmosférica

http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa

35

(atmosféricos, de densidad variable), o por su Tamaño (ordinarios o de

escala real).

2.3.2.1 De acuerdo a su Arquitectura.

Los túneles de viento de acuerdo a su arquitectura pueden ser de circuito

abierto o de circuito cerrado los cuales se detallan a continuación:

Túnel de viento de circuito abierto. 2.3.2.1.1

Un túnel de circuito abierto es en el cual el aire que sale no vuelve a entrar

como se muestra en la Figura 2.11, la principal ventaja de este tipo de

aparatos se manifiesta en la cualidad de que son relativamente más baratos

en su construcción, pero requiere de más aire disponible, más energía y

hace más ruido. En los túneles de viento de Circuito Abierto no existe el uso

de esquinas y de largos difusores, sin embargo el poder necesario para su

manejo es alto debido a las pérdidas de energía en el flujo de aire por la

salida.

Figura 2.11 Túnel de Viento Circuito Abierto

(http://www.lowspeedwindtunnels.com)

Este tipo de túneles pueden ser diseñados, por medio de la succión del aire

o por medio de la inyección del aire.

http://www.lowspeedwindtunnels.com/

36

Succión de aire:

En este sistema el aire es aspirado por un ventilador que se encuentra

colocado después de la cámara de pruebas. En este tipo de túneles el aire

entra con una turbulencia considerable.

Inyección de aire:

En este sistema, el aire es soplado por un ventilador sea axial o centrífugo,

el cual es conducido hacia la cámara de pruebas y la campana de salida.

En los dos diseños se presentan pérdidas y turbulencias, las cuales son

controladas por medio de la colocación de laminadores de flujo.

Túnel de Viento de Circuito Cerrado. 2.3.2.1.2

En este tipo de túneles de viento, la salida esta vinculada a la entrada del

túnel, por lo que el mismo aire circula en el sistema de una manera regulada.

Este tipo de túneles ahorran más energía (solo gasta la necesaria para

restaurar las pérdidas por fricción), no necesita de tanto aire disponible pero

resulta mucho más costosa su fabricación y montaje.

Figura 2.12. Túnel de Viento Circuito Cerrado

(http://www.f1technical.net)

http://www.f1technical.net/

37

2.3.2.2 De acuerdo a su velocidad

En esta categoría los túneles de viento pueden ser de diferentes tipos como

se indican en la Tabla 2.4.

Tabla 2.4. Tabla de Túneles de Viento según su Velocidad

(Barlow, B. J. ,1999)

Túneles de viento Subsónicos. 2.3.2.2.1

Los túneles de viento subsónicos son operacionales a velocidades por

debajo de los números Mach, con velocidades a través de la cámara de

prueba hasta los 400 Km./h (M=0.3). Son por lo general de dos tipos de

circuito abierto, o de circuito cerrado. El aire fluye debido a un sistema de

propulsión hecho de un largo ventilador axial que incrementa la presión

dinámica para compensar la pérdida de viscosidad. En un túnel de circuito

cerrado el ducto de retorno debe ser propiamente diseñado para reducir las

pérdidas de presión y procurar un flujo suave a través de la cámara de

prueba.

38

Túneles de viento Transónicos. 2.3.2.2.2

Los túneles de viento transónicos son capaces de desarrollar velocidades

cercanas a la velocidad del sonido. La máxima velocidad alcanzada a través

de una cámara de prueba. Las pruebas en túneles de viento a velocidades

transónicas presentan una serie de problemas adicionales, principalmente

debidos a la reflexión de las ondas de choque desde la pared hacia la

cámara de prueba.

Túneles de viento Supersónicos. 2.3.2.2.3

Los túneles de viento supersónicos son capaces de alcanzar una velocidad

del aire en la sección de prueba de hasta Mach 5. Esto se logra ser logrado

a través de un apropiado diseño de la denominada boquilla (convergente y

divergente).

Cuando la velocidad sónica es alcanzada en la cámara de prueba, el flujo se

acelera en la boquilla más lento que lo que se expande. La velocidad final es

determinada por el radio entre las áreas de la salida y la garganta.

Figura 2.13. Túnel de Viento Supersónico

(http://www.vonkarman.edu)

http://www.vonkarman.edu/

39

2.3.3 Partes y componentes del túnel de viento.

A continuación se detalla las partes de un túnel de viento de circuito abierto,

tipo subsónico ya que es el tema que nos ocupa, se encontró que ya sean

de succión o inyección constan de las mismas partes principales.

Figura 2.14. Partes del túnel de viento

(Roger Farrarons ,2010)

2.3.3.1 Cono de Aceleración.

Conocida también como cámara de contracción, esta cámara tiene como fin

reducir la intensidad turbulenta, disminuir el espesor de la capa límite y

acelerar el fluido.

Su función es acelerar la velocidad del flujo manteniéndolo ordenado y

uniforme para posteriormente llegar a la cámara de ensayos.

2.3.3.2 Cámara de Ensayos.

La cámara de ensayos o sección de pruebas es donde se instalarán los

modelos. El flujo en este elemento debe tener un perfil de velocidad lo más

uniforme posible.

40

Esta sección es una de las más importantes del túnel, ya que es aquí donde

realizaremos las mediciones.

La cámara debe ser lo suficiente larga como para que el modelo pueda

instalarse alejado de la entrada, y de este modo las mediciones no se vean

afectadas por las irregularidades del flujo en el inicio de la sección de

pruebas. El espesor de la capa límite aumenta a medida que el aire

atraviesa la sección de pruebas, definiéndose así, una área efectiva menor

que la sección real.

Es muy difícil, determinar reglas fijas para el diseño de túneles de viento,

debido a la amplia variedad de requerimientos, sobre todo por la gran

cantidad de variables que afectan las distintas cámaras de prueba.

2.3.3.3 Difusor.

Existen dos tipos de difusores principales, los difusores de salida y los

difusores de gran ángulo.

Los difusores de salida como lo indica su nombre se ubican en la salida de

los túneles de viento y tienen como función principal la de garantizar

mediante el incremento de su sección la de equilibrar dentro de lo posible las

variaciones de presión del aire en el interior de la cámara, y proveer de un

mayor área de salida del aire.

Los segundos se ubican dentro del mismo tipo de túneles, antes de las

rejillas de panal y el área de contracción como una medida extra para el

equilibrio de presiones y velocidades del aire antes de la cámara de prueba.

2.3.3.4 Propulsores

Consisten principalmente en el uso den ventiladores de distinto tipos que son

los que proveen la fuerza bruta de extracción o succión del flujo de aire a

través del túnel.

41

Un ventilador es una máquina rotativa que pone el aire, o un gas, en

movimiento. Podemos definirlo como una turbo máquina que transmite

energía para generar la presión necesaria con la que mantener un flujo

continuo de aire.

Circulación 2.3.3.4.1

El aire circula por un conducto gracias a la diferencia de presión que existe

entre sus extremos.

Presiones 2.3.3.4.2

Si el conducto es horizontal, o la diferencia es inferior a 100 metros, la

presión por diferencia de altura es cero.

La presión estática Pe actúa en todos sentidos dentro del conducto. Se

manifiesta en el mismo sentido y en el contrario de la corriente. La presión

dinámica Pd actúa en el sentido de la velocidad del aire. La presión total Pt

es constante en todos los puntos del filete de fluido considerado y su

expresión es:

[2.22]

Donde:

Presión total

Presión Estática

Presión Dinámica

Caudal 2.3.3.4.3

Es la cantidad de aire que circula por el conducto. Su expresión es:

[2.23]

42

En la Fig. 2.15 se representa un tramo de conducto horizontal de aire

(considerado sin pérdidas, para simplificar), recorrido por el caudal Q(m³/h),

con la velocidad v (m/s) y de Sección S (m²). Una Sonda de Presión estática

Pe y un Tubo de Prandtl nos da la Presión Dinámica. Las fórmulas de

relación de todos estos parámetros se indican en la misma figura.

(Soler & Palau Sistemas de Ventilación, S.L.U. ,2006)

Curva característica. 2.3.3.4.4

Es la representación gráfica de todos los estados caudal-presión de que es

capaz un ventilador. Su representación en la Figura 2.16 muestra una Curva

Característica típica con expresión de las tres presiones mencionadas. Para

cualquier ordenada en la gráfica, se cumple:

Figura 2.15. Caudal, velocidad y presiones

43

[2.24]

Tipo de Curva Característica.

Según sea el ventilador, su curva característica adopta una u otra forma

primando el concepto de caudal sobre el de presión o viceversa.

Clasificación de los ventiladores 2.3.3.4.5

Lo ventiladores más comunes utilizados en túneles de viento son:

ventiladores centrífugos y axiales.

En este caso hablaremos sobre los ventiladores axiales ya que es el que

hemos escogido para este proyecto.

Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales: Helicoidales, tubulares y

tubulares con directrices.

Los ventiladores helicoidales se emplean para mover aire con poca pérdida

de carga, y su aplicación más común es la ventilación general. Se

construyen con dos tipos de alabes: alabes de disco para ventiladores sin

ningún conducto; y alabes estrechas para ventiladores que deban vencer

resistencias bajas (menos de 245,065 Pa). Sus prestaciones están muy

influenciadas por la resistencia al flujo del aire y un pequeño incremento de

la presión provoca una reducción importante del caudal.

Los ventiladores tubulares disponen de una hélice de álabes estrechos de

sección constante o con perfil aerodinámico (ala portante) montada en una

carcasa cilíndrica. Generalmente no disponen de ningún mecanismo para

enderezar el flujo de aire. Los ventiladores tubulares pueden mover aire

venciendo resistencias moderadas (menos de 490,13 Pa).

Los ventiladores turboaxiales con directrices tienen una hélice de álabes con

perfil aerodinámico (ala portante) montado en una carcasa cilíndrica que

44

normalmente dispone de aletas enderezadoras del flujo de aire en el lado de

impulsión de la hélice. En comparación con los otros tipos de ventiladores

axiales, éstos tienen un rendimiento superior y pueden desarrollar presiones

superiores hasta 600 milímetros de columnas de agua (Mm. cda).

Las directrices (compuertas) tienen la misión de hacer desaparecer la

rotación existente o adquirida por el fluido en la instalación, a la entrada del

rodete o tras su paso por el mismo. Estas directrices pueden colocarse a la

entrada o a la salida del rodete, incluso las hay fijas o removibles.

Los ventiladores axiales están compuestos básicamente de un rotor de dos

a 13 paletas, solidario a un eje propulsor movido por un motor que impulsa

aire en una trayectoria recta, con salida de flujo helicoidal. Existen 3 tipos

básicos de estos ventiladores que son:

TIPO PROPULSOR O DE PARED: Que es el típico ventilador para

bodegas industriales, de baja presión estática (117,63 Pa a 372,499

Pa) con caudales variables según su diámetro.

TIPO TURBO – AXIAL: Es aquel que tiene su rotor y motor dentro de

una carcaza cilíndrica, lo que incrementa su capacidad y presión

estática hasta valores de 1489,995 Pa, apropiado para ser

conectados a ductos, campanas, torres de enfriamiento, y para operar

en serie.

TIPO VANE – AXIAL: Es similar al anterior, pero además posee un

juego de paletas guías fijas a la carcasa (vanes, venas) que le permite

obtener una más alta presión estática de trabajo ( de 1490 Pa a

3236,819 Pa o más en casos de diseños especiales )

Por sus altas presiones, los tipos vane axial, son los más utilizados en

sistemas de ventilación.

En la figura 2.16, se muestra la curva característica de los ventiladores

axiales.

45

Figura 2.16. Curva de comportamiento de los ventiladores axiales.


Figura 2.17. Curva de comportamiento de ventiladores axiales típicos.


46

Dentro de la clasificación de los ventiladores axiales tenemos los

ventiladores con envolvente.

Suele ser tubular. A su vez pueden ser:

Impulsores: Entrada libre, salida entubada.

Extractores: Entrada entubada, descarga libre.

Impulsores-Extractores: Entrada y salida entubadas.


Figura 2.18. Ventiladores con envolvente

3 METODOLOGÍA

47

3.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN.

La investigación estuvo dirigida a la búsqueda y obtención de fuentes

bibliográficas, consultas de internet, conversatorios con expertos en el tema

de ventilación, de los diferentes túneles de viento, sus parámetros de

funcionamiento para calibración.

Otro método de investigación fue la búsqueda local de los equipos y demás

subsistemas que constituyen el túnel de viento; así como también los

materiales necesarios para la construcción del mismo.

3.2 METODOLOGÍA MECATRÓNICA.

Un sistema mecatrónico; abarca el análisis, diseño, desarrollo y aplicación

de dispositivos inteligentes. La presente tesis desarrolla únicamente la parte

mecánica del túnel de viento, la cual se desarrollo conjuntamente con dos

partes indispensables del proyecto que son las tesis del control automático y

la comunicación del sistema SCADA, logrando de esta manera el desarrollo

de un proyecto mecatrónico. El proyecto fue divido en tres temas por la

complejidad de cada una de sus partes, ya que será construido en sus

dimensiones reales y por el presupuesto disponible por proyecto dentro de

la empresa que lo financia.

En el desarrollo del proyecto se realizó la selección, diseño y construcción

de cada uno de los elementos mecánicos que componen el túnel de viento,

siguiendo una metodología de diseño representada en la Figura 3.1.

48

PROCESO DE DISEÑO

Figura 3.1. Pasos en el Proceso de Diseño

(Robert Mott, 2006)

Identificar los requisitos del cliente

Definir las funciones del dispositivo

Completar el diseño detallado del

concepto seleccionado

Identificar los requisitos de diseño

Definir los criterios de evaluación

Proponer varios conceptos de diseño

Alternativos

Evaluar cada alternativa propuesta

Validar cada alternativa de

acuerdo con cada criterio de

evaluación

Seleccionar el concepto de diseño

óptimo

Definir Especificaciones

Crear los conceptos de diseño

Toma de decisiones

Diseño detallado

49

Para la construcción del túnel de viento se realizaron las siguientes

actividades:

1. Recopilamos, analizamos y determinamos los parámetros funcionales

del túnel.

2. Se definió el tipo de Arquitectura que tendrá el túnel, basándonos en

los argumentos teóricos planteados en el capitulo 2 sobre la

clasificación de los túneles de viento. Donde se determino un túnel de

circuito abierto ya que este cumplió con las características de flujo

requeridos por el sistema, además de que su diseño es compacto y

requiere de menor espacio físico en relación a un túnel de viento de

circuito cerrado.

3. Establecimos las dimensiones del túnel de viento, basándonos en las

normas internacionales de construcción.

4. Determinamos el espacio físico para la instalación del túnel.

5. Se determinó el tipo de ventilador y motor a ser utilizado en el túnel en

base a los cálculos matemáticos de flujo de aire necesario para

alcanzar los valores de velocidad apropiados para cumplir con los

fines propuestos del proyecto.

6. Realizamos los diseños y planos de construcción de cada uno de los

elementos que conformaron el túnel, tomando las medidas de a

cuerdo a como fueron establecidas anteriormente en base a normas.

7. Se establecieron los materiales para su construcción, determinados

mediante el cálculo de cada uno, con sus verificaciones y la

demostración del factor de seguridad.

8. Se realizó la construcción de cada uno de los componentes del túnel,

para finalmente realizar el ensamblado de todas sus partes y piezas.

4 DISEÑO

50

En este capitulo se desarrollo el diseño de cada una de las partes y

componentes del túnel de viento, mediante la ayuda de los fundamentos

teóricos estudiados en el capítulo 2; los cálculos y demostraciones

matemáticas realizados que permitieron dimensionar y seleccionar los

materiales para la construcción de los elementos del túnel de viento. El

proceso de diseño fue asistido con un software de diseño comercial CAD

que permite modelamiento tridimensional.

4.1.1 Análisis de Requerimientos del Proyecto.

A continuación se presentan los requerimientos del proyecto:

Figura 4.1. Análisis de Requerimientos del Proyecto

RE

QU

ER

IMIE

NT

OS

MECANICOS

ELÉCTRICO

INFORMÁTICOS

Soporte de Túnel

Ductos del túnel

Variador de velocidad

Motor AC a 220VAC

SolidWorks

Matlab 2010

Windows Movie

Ventilador Vane Axial

51

Para realizar el análisis los requerimientos del proyecto se detalló los

aspectos físicos del túnel de viento donde se decidió la arquitectura,

velocidad, entre otros puntos relevantes en el diseño.

Figura 4.2. Diagrama de flujo del Túnel de Viento

Arquitectura.

Según su arquitectura, fue seleccionado el de circuito abierto, porque este

tipo de túnel cumple con los requerimientos del proyecto y optimiza el

espacio del que se dispone.

Dimensiones.

La dimensión del túnel de viento fueron determinadas en base a las normas

internacionales “AMCA STANDARD 210” Anexo 4., dónde:

Túnel de Viento

Circuito abierto

Subsónico

Inyección

Succíón

Ultratransónico

Supersónico

Hipersónico

Circuito Cerrado

52

Figura 4.3. AMCA Standard 210

(AMCA Publicación 201-90)

La longitud total del ducto desde la adaptación del ventilador, hasta el

final del ducto sin contar con el cono de aceleración debe ser de

mínimo diez veces el diámetro del ducto.

El tubo Pitot debe ser colocado a una distancia de 8,5 veces el

diámetro del ducto con un con un incremento permitido de 0,25 veces

el diámetro.

La cámara de pruebas debe tener una longitud de 5 veces el diámetro

del ducto con un margen de más 0,25 veces el mismo diámetro.

Tomando en cuenta que la cámara de pruebas es medida desde el

punto donde debe instalarse el tubo Pitot hacia el ventilador.

El laminador de flujo debe ser colocado en el ducto antes de la

cámara de pruebas.

El sensor de temperatura debe ser colocado a una distancia de al

menos 1 diámetro de distancia de la cámara de pruebas.

53

Figura 4.4. Dimensiones del Túnel de Viento

Ventilador.

Para definir el tipo de ventilador a ser utilizado en el túnel de viento fue

necesario establecer y cumplir lo siguientes parámetros:

1. Establecer la velocidad máxima a la que trabajará el túnel. Por datos

establecidos mediante muestras de velocidad de viento en diferentes

partes del país; el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología

estableció la siguiente velocidad:

Vmax = 30 m/s

2. Para establecer el diámetro del ducto se tomaron en cuenta las

dimensiones de los anemómetros que tiene a disposición el Instituto

Nacional de Meteorología e Hidrología.

Los sensores de medición deben quedar colocados en el centro de la

cámara de pruebas, siendo entonces un diámetro recomendable,

siguiente:

54

Debido a que el anemómetro de mayor altura tiene 0,25 m y que este

diámetro permite ubicar los anemómetros en el centro del ducto.

3. Una vez demarcado el diámetro del ducto, calculamos la sección para

así poder determinar el flujo necesario para cumplir con los

parámetros propuestos.

A=

[4.1]

A=

A=0,193 (m)2

4. Una vez determina el área del túnel de viento se tiene el siguiente

flujo.

[4.2]

(m3/s)

5. Las pérdidas por presión se determinan mediante la tabla de

Resistencia del Ducto de Oren Cook CO. Anexo 5, así como también

se puede realizar la comprobación en la figura 57, tabla 1 del manual

de ventilación SMACNA, Anexo 6.

P = 2,18 SP

55

Tabla 4.1. Conversión del sistema Métrico al Sistema Inglés.

Sistema Métrico Sistema Inglés

Elocidad V= 30 (m/s)

V= 5904 (pies/min)

Sección A=0,196(m2)

A=2,11(pies2)

Flujo (m3/s) F=12467,18 (pies3/min)

6. Con los datos encontrados se debe determinar un ventilador y motor

que cumpla con los valores requeridos de flujo velocidad y presión. El

modelo del ventilador fue escogido de acuerdo con las tablas el

proveedor, Anexo 7.

Tipo de ventilador: ventilador VaneAxial.

Modelo del Ventilador: VAB-24F14.

Motor: Potencia de 7,5 HP

Entonces tenemos un ventilados Vane Axial marca Winnow, modelo

VAB-24F14, con un motor de 7,5 HP, trabajando a 220 Voltios con un

porcentaje de variación de ±15%.

4.1.2 Diseño simultaneo de los componentes mecatrónicos del

proyecto.

El diseño de cada uno de los elementos fue realizado en la herramienta

informática Solid Works. Una vez determinado el diámetro que debe tener el

túnel de viento y el modelo del ventilador junto con sus dimensiones se

realizaron los diseños de cada uno los elementos que conforman el túnel.

56

Figura 4.5. Partes del Túnel de Viento.

4.1.2.1 Cono de contracción.

El cono de contracción de la entrada del flujo Figura 4.6 tiene un diámetro

de 1m por un lado y de 0,50m por el otro extremo el cual es conectado al

ducto mediante bridas (Anexo8).

La función de este es aumentar la velocidad del flujo en la entrada,

cumpliendo con el principio de Venturi.

El cono de contracción colocado a la salida tiene la función de provocar la

expansión gradual del flujo, para de esta manera evitar que el flujo de aire

salga con demasiada fuerza y evitar cualquier lesión a los operadores.

El diámetro de mayor dimensión del cono de contracción de la salida Figura

4.7 es de 1m, y el diámetro de menor dimensión es igual al del ventilador

que es de 0,62m, unidos mediante bridas (Anexo 9).

57

Figura4.6.Cono de contracción

Entrada

Figura 4.7. Cono de contracción salida.

4.1.2.2 Ductos.

Los ductos 1, 2 y 3 tienen las mismas dimensiones Figura 4.8., son cilindros

de 0,50m de diámetro interno y una longitud de 1,20m Anexo 10.

Figura 4.8. Ductos 1, 2 y 3

El Ducto 1 se encuentra ubicado después de la reducción del diámetro del

ventilador.

El Ducto 2 se encuentra a continuación del ducto 1, unidos mediante bridas,

en este ducto se ubica el laminador de flujo dentro del cilindro Anexo 11. Al

58

final del ducto se coloca un soporte para sensores en donde se ubica el

Tubo Pitot Anexo 12.

El Ducto 3 se ubica al extremo de la cámara de pruebas unidas mediante

bridas y en medio colocado un soporte para sensores patrones Anexo 13.,

este se conecta finalmente con el cono de contracción de entrada. En este

ducto se ubica el sensor de temperatura Anexo 14. y el honeycomb

Anexo15.

4.1.2.3 Cámara de Pruebas.

Esta sección se encentra compuesta por tres partes Figura 4.9.

Figura 4.9. Cámara de Pruebas.

Dos ductos lisos Figura 4.10, Anexo 16. con un ducto central Anexo 17. en

el cual se realizan las pruebas y se colocan los anemómetros Figura 4.11. a

ser calibrados. Este ducto central Figura 4.11. consta de una puerta Figura

4.12. y un agujero en la parte inferior central.

59

Figura 4.10. Cámara de Pruebas Ductos Laterales.

Figura 4.11. Cámara de Pruebas Ducto Central

Figura 4.12. Puerta de Cámara de Pruebas

60

Figura 4.13. Anemómetro modelo Met One.

4.1.2.4 Reducción de Diámetro del Ventilador.

Esta sección es la unión de los ductos del túnel con el ventilador Figura

4.14.donde se realiza la reducción de 0,62m de diámetro del ventilador a

0,50m de diámetro de los ductos Anexo 18. uniéndose mediante bridas.

Figura 4.14. Reducción de diámetro del ventilador.

4.1.2.5 Ventilador.

El ventilador es de tipo Vane axial, tiene un diámetro de 0,62m, la estructura

del ventilador vine dotado de un soporte para el motor y una base Figura

4.15 y 4.16.

61

Figura 4.15. Ventilador. Figura 4.16. Aspas del Ventilador.

4.1.2.6 Motor.

El motor en este caso es de 7,5HP de potencia, de conexión trifásica a 220

VAC, conectado al ventilador mediante poleas y una banda Figura 4.17.

Figura 4.17. Motor.

4.1.2.7 Soportes

Los soportes del túnel de viento fueron diseñados de acuerdo a los

esfuerzos que se aplican en las diferentes secciones.

62

Figura 4.18. Soporte Ventilador.

Figura 4.19. Soporte Cámara de Pruebas.

Figura 4.20. Soporte de Ductos.

63

Figura 4.21. Rieles para Soportes.

El diseño final del túnel de viento es el ensamble de todos los elementos que

le componen al túnel Figura 4.22

Figura 4.22. Ensamble Completo del Túnel.

64

4.1.2.8 Diseño Eléctrico.

Como se explicó en la metodología, los circuitos eléctricos fueron diseñados

e implementados por un graduando de la U.T.E. mostrados a continuación

en las siguientes figuras: Figura 4.23, Figura 4.24.

Figura 4.231. Conexión transformador 240-120 V.

(Paulo Montiel, 2012).

65

Figura 4.24. Conexiones variador ATV312HU75M3.

(Paulo Montiel, 2012.)

4.1.3 Selección de Materiales.

Para la construcción del túnel de viento, se emplean dos tipos de materiales:

Acero galvanizado

Acrílico transparente

4.1.3.1 Acero Galvanizado

A continuación se realizo el cálculo de los esfuerzos del material, el espesor

y la verificación del factor de seguridad.

[4.3.]

Donde:

66

Para cilindros de pared delgada:

Ecuación de cilindros presurizados:

[4.4.]

(

) [4.5.]

Donde:

Esfuerzo del material del ducto

Radio Interior

Radio Exterior

Presión Interior

Plancha de acero ASTM A36 limite a la fluencia ( )

Con N=2

Donde:

N: Factor de Seguridad

67

Por cuestiones de rigidez se selecciona una plancha galvanizado de 0,9 mm

de espesor.

Se puede realizar la verificación en [4.3.] o en [4.4.]

En [4.4.]

Como se puedo demostrar el factor de seguridad es mayor al estimado. Por

lo tanto la selección de un tol galvanizado de 0,9mm de espesor es el

adecuado.

4.1.3.2 Acrílico Transparente

Plancha de acrílico limite a la fluencia ( )

Con N=2

Donde:

N: Factor de Seguridad

68

e=

Por cuestiones de rigidez se selecciona un acrílico de 4 mm de espesor.

Se puede realizar la verificación en [4.3] o en [4.4]

En [4.4]:

El factor de seguridad es mayor al propuesto, siendo una elección adecuada

el acrílico de 4mm de espesor.

4.1.3.3 Correas

Para determinar el material a usarse en el bastidor del túnel se determina la

fuerza que soporta la viga y la columna.

69

Diseño de Viga. 4.1.3.3.1

[4.6.]

Donde:

: Fuerza aplicada en el centro de la viga.

Peso total del ducto.

Donde:

Mitad de la longitud de la viga

[4.7.]

[4.8.]

Donde:

Peso para el momento flector.

[4.9.]

Donde:

70

Momento flector máximo.

86,645 Kg*cm

[4.10.]

Donde:

M: Momento flector.

W: Módulo de la sección.

[4.11.]

En las especificaciones técnicas sobre perfiles estructurales la mínima es

de 4,96 que corresponde a un perfil de 60mm*30mm*10mm*2mm.

Verificación.

[4.12.]

Donde:

Factor de seguridad.

71

Al tener un factor de seguridad de 72,59 se garantiza el funcionamiento

adecuado de la viga incluso en condiciones dinámicas.

Diseño de columna

Para el diseño de la columna se eligió un caso empotrada-articulada.

Donde:

Constante de esbeltez.

[4.13.]

Donde.

Peso crítico.

Peso.

Factor de seguridad.

√

[4.14.]

Donde:

Constante de columna.

72

Modulo de elasticidad del acero.

√

Entonces asumiendo columna larga:

Donde:

Modulo de elasticidad del acero.

Momento de inercia de la sección.

Constante de esbeltez.

Longitud de la columna.

[4.15.]

73

Se selecciona un de la tabla correspondiente a la correa igual a la

de la viga que fue seleccionada por cuestiones constructivas.

Verificación

Donde:

Radio de giro de la sección.

Si es columna larga.

Realizado todos los cálculos con sus verificaciones se puede determinar que

el diseño del bastidor es demasiado seguro tanto en vigas como en

columnas.

4.1.4 Simulación y Prototipo.

Para la validación del funcionamiento correcto del túnel de viento se

realizaron pruebas a diferentes velocidades dentro del túnel construido.

Para la toma de datos nos basamos en estándares de velocidad transversal

de aire en ductos.

Teniendo entre ellos:

74

1993 ASHRAE HANDBOOK, FUNDAMENTALS, I-P Edition.

AMCA, FIELD PERFORMANCE MEASUREMENT OF FAN

SYSTEMS, Publicación 203.

CODE OF FEDERAL REGULATIONS, 40 CFR 60, APPENDIX A.

Estos estándares, y otros más nos proporcionan formatos para la cantidad

de puntos y posiciones de los mismos para la toma de medidas individuales

de la velocidad Anexo 20.

En la Tabla 4.2., se realiza un resumen sobre la cantidad de puntos que

deben tomarse transversalmente en el ducto de acuerdo a cada estándar.

Tabla 4.2. Estándares de Medición de Velocidad Transversal de Aire en

Ductos.

FORMA DEL

DUCTO

ASHRAE

HANDBOOK

AMCA

PUBLICACIÓN 203

CODE FEDERAL

REGULATIONS

Rectangular 25 o más puntos, con

una separación de 6 a

8 pulgadas,

dependiendo de la

dimensión del ducto.

24 o mas puntos, no

menos de 1 punto por

cada 3 pies

cuadrados.

De 9 a 16 puntos

mínimo, dependiendo

de la distancia para la

alteración del flujo.

Circular De 12 a 30 puntos, a

lo largo de 2 o 3

diámetros.

De 24 a 48 puntos a

lo largo de por lo

menos 3 diámetros.

De 8 a 16 puntos

mínimo, a lo largo de

2 diámetros.

(Air Monitor Corporation, 2011)

De los estándares mencionados se selecciono el de AMCA, Publicación 203

Figura 2.24. En el cual el número de puntos transversales debe

incrementarse con el incremento del tamaño del ducto.

75

Figura 4.24. Puntos Referenciales para la Toma de Datos, Normas AMCA

estándar 203.


Xa = D x ka

Donde D es el diámetro interior del conducto y ka es el factor

correspondiente al tamaño del ducto y la ubicación del punto transversal

como se indica en la siguiente tabla 4.3.

76

Tabla 4.3. Distribución de los puntos transversales para ducto circular.

Diámetro interior

del ducto

# de puntos

transversales

K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 K13 K14 K15 K16

< de 8 pies 8 .021 .117 .184 .345 .655 .816 .883 .798 - - - - - - - -

Entre 8 y 12 pies 12 .014 .075 .114 .183 .241 .374 .626 .750 .817 .886 .925 .986 - - - -

< de 12 pies 16 .010 .055 .082 .128 .166 .225 .276 .391 .609 .724 .775 .834 .872 .918 .945 .990


77

Una vez determinados los puntos de medición se realizaron las pruebas con

sensores de hilo caliente, tomando diez datos en cada punto con la misma

velocidad; lo cuales fueron promediados para sacar las gráficas del

comportamiento del fluido. Los datos fueron medidos en tres secciones

diferentes.

La sección uno esta ubicada en la unión del ducto 3 con la primera

parte lisa de la cámara de pruebas.

La sección dos esta ubicada en la unión del extremo final de la

primera parte de la cámara de prueba con la parte central de la

misma.

La sección tres es la unión del extremo final de la parte central de la

cámara de pruebas con la segunda parte lisa de la misma.

SECCIÓN: 1 Temperatura interna

Temperatura externa

Humedad Relativa

Velocidad de Prueba: 3m/s

18,6°C 22,5°C 41%

78

Radio Ángulo Velocidad Desv. Estándar

24,50 30 2,3 0,2

24,50 90 2,6 0,2

24,50 150 2,6 0,2

24,50 210 2,4 0,1

24,50 270 2,6 0,3

24,50 330 2,7 0,1

22,5 30 2,5 0,2

22,5 90 2,6 0,2

22,5 150 2,8 0,2

22,5 210 2,7 0,2

22,5 270 2,6 0,2

22,5 330 2,5 0,3

20,5 30 2,7 0,2

20,5 90 2,8 0,4

20,5 150 2,8 0,2

20,5 210 2,8 0,2

20,5 270 2,7 0,2

20,5 330 2,7 0,2

16,5 30 2,6 0,2

16,5 90 2,6 0,3

16,5 150 2,7 0,3

16,5 210 2,7 0,3

16,5 270 2,8 0,1

16,5 330 2,5 0,3

Centro 30 2,8 0,21

Centro 90 2,5 0,19

Centro 150 2,7 0,12

Centro 210 2,8 0,21

Centro 270 2,5 0,19

Centro 330 2,7 0,12


Temperatura externa

Humedad Relativa

Velocidad de Prueba: 3m/s 20°C 21°C 45%

79

Figura 4.25. Gráfica del comportamiento del Fluido en la Sección1 a 3m/s


Temperatura externa

Humedad Relativa


80

Radio Ángulo Velocidad Desv, Estándar

24,50 30 5,1 0,1

24,50 90 5,1 0,5

24,50 150 5,5 0,2

24,50 210 4,8 0,4

24,50 270 4,9 0,2

24,50 330 5,4 0,2

22,5 30 4,9 0,1

22,5 90 5,5 0,3

22,5 150 5,6 0,3

22,5 210 5,1 0,3

22,5 270 5,2 0,2

22,5 330 5,5 0,2

20,5 30 5,2 0,1

20,5 90 5,3 0,4

20,5 150 5,7 0,2

20,5 210 5,4 0,3

20,5 270 5,7 0,2

20,5 330 5,4 0,3

16,5 30 5,4 0,2

16,5 90 5,3 0,2

16,5 150 5,7 0,1

16,5 210 5,4 0,1

16,5 270 5,4 0,3

16,5 330 5,6 0,2

Centro 30 5,6 0,11

Centro 90 5,4 0,20

Centro 150 5,4 0,31

Centro 210 5,6 0,11

Centro 270 5,4 0,20

Centro 330 5,4 0,31


Temperatura externa

Humedad Relativa


81



Temperatura externa

Humedad Relativa

Velocidad de Prueba: 9m/s 19°C 22,5°C 51%

82

Radio Ángulo Velocidad Desv, Estandar

24,50 30 6,9 0,3

24,50 90 7,9 0,5

24,50 150 8,0 0,3

24,50 210 7,7 0,6

24,50 270 7,9 0,5

24,50 330 8,2 0,3

22,5 30 8,1 0,1

22,5 90 7,1 0,4

22,5 150 8,2 0,3

22,5 210 7,5 0,3

22,5 270 8,2 0,3

22,5 330 8,1 0,5

20,5 30 7,9 0,3

20,5 90 8,2 0,3

20,5 150 8,1 0,2

20,5 210 7,9 0,2

20,5 270 8,4 0,3

20,5 330 8,5 0,2

16,5 30 8,2 0,3

16,5 90 8,4 0,1

16,5 150 8,6 0,1

16,5 210 8,5 0,1

16,5 270 8,7 0,2

16,5 330 8,3 0,4

Centro 30 8,6 0,24

Centro 90 8,4 0,36

Centro 150 8,3 0,28

Centro 210 8,6 0,24

Centro 270 8,4 0,36

Centro 330 8,3 0,28


Temperatura externa

Humedad Relativa


83



Temperatura externa

Humedad Relativa

Velocidad de Prueba: 12m/s 14°C 18°C 67,8%

84


24,50 30 9,7 0,4

24,50 90 10,3 0,8

24,50 150 11,1 0,3

24,50 210 8,7 0,3

24,50 270 10,2 0,5

24,50 330 10,3 0,5

22,5 30 9,8 0,4

22,5 90 9,6 0,6

22,5 150 8,9 0,5

22,5 210 7,7 0,3

22,5 270 10,8 0,2

22,5 330 10,4 0,4

20,5 30 10,3 0,4

20,5 90 10,6 0,3

20,5 150 11,3 0,2

20,5 210 10,5 0,5

20,5 270 11,0 0,3

20,5 330 11,1 0,3

16,5 30 10,9 0,1

16,5 90 11,3 0,3

16,5 150 11,5 0,1

16,5 210 10,2 0,3

16,5 270 11,2 0,3

16,5 330 10,6 0,3

Centro 30 11,7 0,13

Centro 90 10,4 0,34

Centro 150 11,3 0,19

Centro 210 11,7 0,13

Centro 270 10,4 0,34

Centro 330 11,3 0,19


Temperatura externa

Humedad Relativa


85



Temperatura externa

Humedad Relativa

Velocidad de Prueba: 3m/s 18,6°C 22,5°C 41%

86


24,50 30 2,4 0,4

24,50 90 2,2 0,2

24,50 150 2,8 0,4

24,50 210 2,3 0,1

24,50 270 2,6 0,2

24,50 330 2,7 0,3

22,5 30 2,9 0,2

22,5 90 2,8 0,5

22,5 150 3,1 0,2

22,5 210 2,5 0,3

22,5 270 2,8 0,2

22,5 330 2,7 0,3

20,5 30 2,7 0,3

20,5 90 2,6 0,1

20,5 150 2,9 0,2

20,5 210 2,6 0,2

20,5 270 2,8 0,2

20,5 330 2,8 0,2

16,5 30 2,8 0,2

16,5 90 2,6 0,1

16,5 150 2,9 0,2

16,5 210 2,9 0,2

16,5 270 2,8 0,2

16,5 330 2,9 0,2

Centro 30 2,8 0,20

Centro 90 2,6 0,17

Centro 150 2,5 0,21

Centro 210 2,6 0,02

Centro 270 2,8 0,06

Centro 330 2,9 0,04


Temperatura externa

Humedad Relativa


87



Temperatura externa

Humedad Relativa


88


24,50 30 5,7 0,3

24,50 90 5,6 0,3

24,50 150 5,2 0,4

24,50 210 4,6 0,3

24,50 270 5,2 0,3

24,50 330 5,4 0,3

22,5 30 5,4 0,4

22,5 90 5,5 0,4

22,5 150 5,5 0,2

22,5 210 4,8 0,3

22,5 270 5,2 0,3

22,5 330 5,7 0,2

20,5 30 5,8 0,1

20,5 90 5,9 0,3

20,5 150 5,3 0,3

20,5 210 4,9 0,3

20,5 270 5,6 0,2

20,5 330 5,9 0,1

16,5 30 5,9 0,2

16,5 90 5,6 0,2

16,5 150 5,5 0,1

16,5 210 5,4 0,2

16,5 270 5,6 0,1

16,5 330 5,3 0,2

Centro 30 5,6 0,26

Centro 90 5,5 0,24

Centro 150 5,7 0,27

Centro 210 5,6 0,06

Centro 270 5,5 0,20

Centro 330 5,7 0,04


Temperatura externa

Humedad Relativa


89



Temperatura externa

Humedad Relativa


90


24,50 30 8,3 0,2

24,50 90 8,3 0,4

24,50 150 8,2 0,3

24,50 210 7,0 0,5

24,50 270 7,5 0,8

24,50 330 7,9 0,4

22,5 30 8,3 0,4

22,5 90 7,0 0,7

22,5 150 7,2 0,4

22,5 210 7,8 0,3

22,5 270 7,8 0,4

22,5 330 8,4 0,2

20,5 30 8,7 0,1

20,5 90 7,6 0,7

20,5 150 8,5 0,4

20,5 210 8,1 0,2

20,5 270 8,4 0,2

20,5 330 8,7 0,2

16,5 30 8,4 0,2

16,5 90 8,2 0,4

16,5 150 8,6 0,3

16,5 210 8,1 0,3

16,5 270 8,6 0,4

16,5 330 8,6 0,2

Centro 30 8,6 0,41

Centro 90 8,5 0,29

Centro 150 7,7 0,38

Centro 210 8,6 0,10

Centro 270 8,5 0,06

Centro 330 7,7 0,06


Temperatura externa

Humedad Relativa


91



Temperatura externa

Humedad Relativa


92


24,50 30 11,3 0,3

24,50 90 10,8 0,9

24,50 150 10,8 0,6

24,50 210 10,5 0,8

24,50 270 10,5 0,5

24,50 330 10,6 0,6

22,5 30 10,3 0,3

22,5 90 11,2 0,4

22,5 150 11,2 0,4

22,5 210 10,2 0,8

22,5 270 10,7 0,3

22,5 330 11,0 0,3

20,5 30 10,7 0,3

20,5 90 10,9 0,6

20,5 150 11,4 0,3

20,5 210 10,6 0,5

20,5 270 10,8 0,3

20,5 330 11,0 0,4

16,5 30 11,5 0,2

16,5 90 11,0 0,6

16,5 150 11,4 0,3

16,5 210 10,9 0,3

16,5 270 11,3 0,3

16,5 330 11,0 0,4

Centro 30 11,2 0,34

Centro 90 11,3 0,58

Centro 150 11,6 0,28

Centro 210 11,2 0,04

Centro 270 11,3 0,05

Centro 330 11,6 0,04


Temperatura externa

Humedad Relativa


93



Temperatura externa

Humedad Relativa


94


24,50 30 3,0 0,2

24,50 90 1,6 0,4

24,50 150 2,9 0,3

24,50 210 2,4 0,3

24,50 270 2,6 0,3

24,50 330 2,8 0,3

22,5 30 3,1 0,1

22,5 90 3,1 0,3

22,5 150 2,8 0,2

22,5 210 3,1 0,3

22,5 270 1,7 0,4

22,5 330 3,0 0,1

20,5 30 3,1 0,1

20,5 90 3,0 0,2

20,5 150 3,1 0,2

20,5 210 2,9 0,1

20,5 270 1,8 0,4

20,5 330 3,1 0,1

16,5 30 3,1 0,2

16,5 90 3,0 0,2

16,5 150 3,1 0,2

16,5 210 3,1 0,1

16,5 270 2,5 0,3

16,5 330 3,1 0,2

Centro 30 3,2 0,25

Centro 90 3,1 0,15

Centro 150 2,7 0,12

Centro 210 3,2 0,25

Centro 270 3,1 0,15

Centro 330 2,7 0,12


Temperatura externa

Humedad Relativa


95



Temperatura externa

Humedad Relativa


96


24,50 30 5,8 0,4

24,50 90 5,7 0,4

24,50 150 5,9 0,2

24,50 210 5,4 0,2

24,50 270 3,3 0,3

24,50 330 6,0 0,2

22,5 30 6,1 0,3

22,5 90 5,3 0,4

22,5 150 5,9 0,4

22,5 210 5,9 0,2

22,5 270 3,2 0,5

22,5 330 6,2 0,1

20,5 30 6,1 0,4

20,5 90 5,9 0,4

20,5 150 6,2 0,3

20,5 210 5,7 0,2

20,5 270 3,5 0,5

20,5 330 6,0 0,3

16,5 30 6,0 0,3

16,5 90 6,6 0,2

16,5 150 6,1 0,2

16,5 210 5,7 0,3

16,5 270 6,1 0,3

16,5 330 6,0 0,2

Centro 30 5,8 0,27

Centro 90 6,0 0,22

Centro 150 5,9 0,29

Centro 210 5,8 0,15

Centro 270 6,0 0,08

Centro 330 5,9 0,07


Temperatura externa

Humedad Relativa


97



Temperatura externa

Humedad Relativa


98


24,50 30 8,7 0,4

24,50 90 8,4 1,1

24,50 150 9,2 0,3

24,50 210 8,5 0,4

24,50 270 4,9 0,5

24,50 330 8,8 0,4

22,5 30 8,9 0,4

22,5 90 8,9 0,6

22,5 150 9,2 0,3

22,5 210 8,5 0,5

22,5 270 5,0 0,5

22,5 330 9,3 0,3

20,5 30 9,2 0,3

20,5 90 8,5 0,5

20,5 150 9,1 0,3

20,5 210 9,0 0,3

20,5 270 5,3 0,6

20,5 330 9,4 0,2

16,5 30 9,3 0,2

16,5 90 9,0 0,3

16,5 150 9,1 0,3

16,5 210 8,9 0,4

16,5 270 9,0 0,2

16,5 330 8,6 0,2

Centro 30 8,9 0,37

Centro 90 9,2 0,25

Centro 150 8,9 0,29

Centro 210 8,9 0,11

Centro 270 9,2 0,08

Centro 330 8,9 0,14


Temperatura externa

Humedad Relativa


99



Temperatura externa

Humedad Relativa


100


24,50 30 11,9 0,5

24,50 90 11,9 0,4

24,50 150 12,2 0,4

24,50 210 11,3 0,7

24,50 270 6,5 0,7

24,50 330 11,3 0,6

22,5 30 12,4 0,5

22,5 90 11,1 0,5

22,5 150 12,4 0,3

22,5 210 10,9 0,6

22,5 270 6,6 0,6

22,5 330 12,2 0,2

20,5 30 12,9 0,3

20,5 90 11,8 0,5

20,5 150 8,5 0,5

20,5 210 12,0 0,6

20,5 270 6,6 0,7

20,5 330 12,4 0,3

16,5 30 13,2 0,2

16,5 90 11,6 0,6

16,5 150 12,1 0,4

16,5 210 12,0 0,2

16,5 270 12,4 0,2

16,5 330 12,4 0,4

Centro 30 12,8 0,28

Centro 90 12,1 0,37

Centro 150 12,3 0,22

Centro 210 12,8 0,05

Centro 270 12,1 0,01

Centro 330 12,3 0,07


Temperatura externa

Humedad Relativa


101


102

4.1.5 Resultados.

Tabla 4.4. Tabla de resultados.

Velocidad Nominal

Sección 1 Sección 2 Sección 3

Vmin Vmax Vp Vmin Vmax Vp Vmin Vmax Vp

3m/s 2,6 2,8 2,7 2,2 3,1 2,65 1,6 3,1 2,35

6m/s 4,8 5,7 5,3 4,6 5,9 5,25 3,2 6,6 4,9

9m/s 6,9 8,7 7,8 7 8,7 7,85 4,9 9,4 7,15

12m/s 8,7 11,7 10,2 10,2 11,6 10,9 6,5 13,2 9,85

Donde:

Vmin: Velocidad mínima

Vmax: Velocidad máxima

Vp: Velocidad promedio

De acuerdo a los datos presentados en la Tabla 4.5, se puede observar lo

siguiente:

En la sección 1 la velocidad mínima en relación a la velocidad nominal

presenta una perdida d entre el 13 y 25%. En cuanto a la velocidad

máxima los datos obtenidos nos presentan una velocidad muy

aproximada a la nominal; dándonos como resultado una velocidad

promedio con pérdida de entre el 10 y 15% con relación a la velocidad

nominal.

En la sección 2 podemos observar un comportamiento similar a la de la

sección 1.

En la sección 3 observamos una perdida mayor en cuanto a la velocidad

mínima aproximada al 50%, debido al orificio que se presenta entre la

sección 2y 3. En cuanto a la velocidad máxima podemos observar q es

en un porcentaje mínimo superior a la velocidad nominal y un aumento

considerable en relación a las velocidades máximas de las secciones 1 y

2. En cuanto a la velocidad promedio por la pérdida tan alta que se

presenta, esta es menor en cuanto a la sección 1 y 2.

103

Como se pudo observar en las graficas de la simulación encontramos que en el

centro del ducto la velocidad es estable y muy cercana a la nominal en las tres

secciones, alcanzando una velocidad mayor entre la sección 2 y 3, las cuáles

son las de mayor interés ya que es en este tramo donde se realizan las

calibraciones.

5 DESARROLLO DEL PRODUCTO MECATRÓNICO

103

5.1 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

Para la iniciar con la construcción del equipo, se determinó el proceso a

seguir para conseguir el producto final representados en el siguiente

diagrama expuesto en la Figura 5.1.

La construcción de cada uno de los elementos que componen el túnel de

viento, requiere de diversas operaciones, las cuales deben llevarse a

cabo con las máquinas y herramientas adecuadas.

10

4

Figura 5.1. Diagrama de Proceso de Construcción.

105

5.1.1 Máquinas y Herramientas

Las máquinas y herramientas utilizadas para la construcción del túnel se

indican en la Tabla 5.1. y Tabla 5.2.

Tabla 5.1. Lista de Máquinas Empleadas.

ITEM MÁQUINA IMAGEN

1

Baroladora

2

Soldadora

http://www.google.com.ec/imgres?q=soldadora+electrica&um=1&hl=es&biw=1280&bih=591&tbm=isch&tbnid=z6UDqRQgjbpUlM:&imgrefurl=http://www.sincrolamp.com.ar/index.php?option=com_content&task=view&id=24&Itemid=51&docid=uBFEc5JL5lWJfM&imgurl=http://www.sincrolamp.com.ar/fotos/pulsar3200.png&w=267&h=267&ei=ipgcT53VKMnatwe0-_ClCw&zoom=1

106

Tabla 5.1. Lista de Máquinas Empleadas Continuación.

4

Cortadora laser

3

Pestañadora

5

Tronzadora

107

Tabla 5.2. Lista de Herramientas Empleadas.

ITEM HERRAMIENTA IMAGEN

1

Cizalla

4

Pinza de presión

5

Pistola de pintura

con compresor

8 Cortadora de

espuma flex

108

5.1.2 Procedimiento de Construcción.

El procedimiento para la construcción de cada uno de los elementos que

componen el túnel de viento se indica en la Tabla 5.4.

Tabla 5.3. Procedimiento de Construcción

NÚMERO OPERACIÓN

1 Corte del Material

2 Barolado

3 Amolado

4 Soldado y/o pegado

5 Doblado

6 Taladrado

7 Pintado

Para la inicialización del proceso de construcción del túnel de viento, primero

se determinó el espacio donde se ensamblará el túnel, como se indica en la

figura 5.2.

109

Figura 5.2. Selección del Espacio de Instalación del Túnel de Viento.

Se colocó una superficie nivelada y estable como se indica en la figura 5.3.

Figura 5.3. Colocación del Tablado y Rieles.

Para la construcción de los ductos de tol se realizó lo siguiente:

Primero se realizó el corte del material de a cuerdo a las medidas

determinadas.

Posteriormente se realizó el rolado de las planchas de tol como se ve

en la figura 5.4, para formar los ductos.

Unimos los dos extremos del tol mediante soldadura mostrada en la

figura 5.5, formando un cilindro.

110

Figura 5.4. Rolado del Tol Galvanizado.

Figura 5.5. Soldado de Ductos de Tol.

Finalmente se realizo el cejado y se colocaron las bridas como se

indica en la figura 5.6.

111

Figura 5.6. Cejado y Colocación de Bridas en Ductos de Tol.

Para la construcción de la cámara de pruebas se realizó lo siguiente:

Primero se cortó el acrílico a las dimensiones deseadas.

Se realizó el termo formado, para realizar los cilindros.

Figura 5.7. Cortado y Doblado del Acrílico.

Se realizó el corte de las piezas para la construcción de las bridas de

acrílico.

Colocamos la brida de acrílico en el cilindro como se muestra en la

figura 5.8.

112

Figura 5.8. Construcción de Brida de Acrílico.

Después se recortó la puerta de la cámara de pruebas indicado

en la figura 5.9.

Se hizo el agujero central para la entrada de los anemómetros

como se muestra en la figura 5.10.

Figura 5.9. Corte de la Puerta de la Cámara de Pruebas.

113

Figura 5.10. Corte de la Entrada de Anemómetros en la Cámara de

Pruebas.

Finalmente se colocaron los refuerzos y se ensamblo la

puerta.

Figura 5.11. Pegado de Refuerzos y Armado de la Puerta.

Para la construcción de los soportes se realizó:

El corte de los perfiles

Se soldó cada uno de los elementos

114

Pulimos hasta dejar lisos y sin limallas.

Figura 5.12. Cortado, Soldado y Amolado de Soportes para el Túnel.

Figura 5.13. Construcción de Soporte del Ventilador.

115

Una vez terminado la construcción de los elementos del túnel, se pintaron

con pintura anticorrosiva.

Figura 5.14. Pintado del túnel.

Finalmente se ensamblan todas las partes, alineándolas y centrando cada

uno de los cilindros.

116

Figura 5.15. Ensamblado total del Túnel de Viento.

11

7

Figura 5.16. Túnel de Viento Terminado.

(Belén Ortíz, 2011)

118

5.2 CREACIÓN DE GUÍAS Y MANUAL DE FUNCIONAMIENTO.

INTRODUCCIÓN.

El buen funcionamiento del túnel de viento depende del uso y manipulación

adecuada, por lo cual se presenta el siguiente manual de funcionamiento.

Lea detenidamente las instrucciones

119

2011

BELÉN ORTÍZ G.

21/11/2011

MANUAL DE USUARIO TÚNEL DE VIENTO

120

MANUAL DE USUARIO

INTRODUCCIÓN

El túnel de viento es una herramienta de investigación para el estudio del

movimiento del aire.

Para obtener resultados óptimos en la utilización del equipo se recomienda

seguir todas las indicaciones y sugerencias del presente manual.

Tabla 5.4. Datos Técnicos de la Máquina

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

Modelo WTOPEN S30

Motor

Frecuencia

Alimentación

7,5 Hp

60 Hz

220 VAC

(Belén Ortíz, 2011)

ADVERTENCIA:

Lea detenidamente las instrucciones.

El presente manual contiene información sobre la puesta en marcha, y la

calibración de anemómetros.

121

PUESTA EN MARCHA.

Antes de la puesta en marcha el usuario debe realizar de lo siguiente:

1. Inspeccionar que la entrada y salida del túnel se

encuentre despejado.

2. Inspeccionar que no haya ningún tipo de

obstrucción física tanto en el motor, como

el ventilador.

3. Verificar que las conexiones del motor estén

correctas y tenga conexión a tierra

4. Constatar que las conexiones del tablero de control

estén correctas y no existan cables sueltos.

122

5. Asegurar la puerta de cámara de pruebas.

6. Cerciorarse de que nadie se encuentre cerca del

motor del túnel de viento.

7. Colocarse los equipos de seguridad personal.

8. La máquina esta lista para la puesta en marcha.

Una vez realizado todo lo anterior se pone en marcha la máquina, para lo

cual se presenta una descripción del tablero de control.

123

Figura 5.18. Tablero de Control.

1. La máquina se pone en marcha, una vez que el interruptor de

encendido se encuentra en la posición ON.

2. La luz de encendido se activara, indicando el correcto funcionamiento,

caso contrario se encenderá la luz de fallo (en este caso verificar el

error o comunicarse con el proveedor).

3. Se elegirá en que sentido se desea el giro del motor con la perilla de

cambio de giro.

4. Se aumentará paulatinamente la velocidad del ventilador con la perilla

de control de velocidad.

5. En caso de ocurrir un error o presentarse una anomalía presionar el

botón (rojo) de paro de emergencia.

124

CALIBRACIÓN DE ANEMÓMETROS

Para la calibración de los anemómetros se debe realizar lo siguiente:

1. Se coloca el anemómetro a ser calibrado en el soporte y se lo

centra en el túnel.

Figura 5.19. Colocación de Anemómetro a Calibrar.

2. Una vez colocado y sujetado el anemómetro en el soporte se debe

cerrar la puerta de la cámara de pruebas.

125

Figura 5.20. Cerrado de la Cámara de Pruebas.

3. Deben colocarse los sensores patrones, que serán lo que nos den

la referencia para la calibración ya que estos vienen calibrados

bajo normas.

126

Figura 5.21. Anemómetros Patrón.

Conexión de Anemómetro Patrón.

Primero se debe conectar un extremo del cable al sensor.

Luego se conecta el otro extremo del cable al equipo de toma de

datos.

Finalmente se enciende el equipo verificando que este en cero.

127

Figura 5.22. Conexión del Anemómetros Patrón.

Colocación del Anemómetro Patrón en el Túnel.

Se coloca el sensor dentro de un tubo que servirá de soporte y

conductor del mismo dentro del túnel de viento.

Luego se introduce este conjunto por la sección de soporte de

sensores, se debe colocar al menos un sensor antes y uno después

de el anemómetro a ser calibrado.

Se aseguran en el punto deseado y se procede a tomar medidas.

128

Figura 5.23. Colocación del Anemómetros Patrón.

4. Finalmente se toman los datos en el programa de KANOMAX, que

es el software de los sensores patrones; y se los compara con los

obtenidos por el anemómetro a calibrar. Si presentan error se

debe corregir el factor del anemómetro a ser calibrado hasta

obtener velocidades iguales entre el anemómetro calibrado y los

anemómetros patrones.

129

Figura 5.24. Toma de Datos en Software KANOMAX.

En este paso de llenan los datos de acuerdo a la necesidad:

Se selecciona el tiempo de secuencia, el número de muestras, el

tipo de área (circular o rectangular) y el diámetro.

Se selecciona medir.

130


Se espera mientras el programa toma todos los datos.


131

Una vez que el programa finalizó la toma de datos, sale un cuadro de

dialogo indicando la finalización.

Se hace clic en aceptar.


Finalmente se guardan los datos en un archivo tipo (.xlsx).

6 CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES

132

6.1 CONCLUCIONES

Existen pérdidas de velocidad en algunos puntos de la cámara de

pruebas, sin embargo, se puede observar que existe flujo uniforme y

la velocidad requerida en el centro de la cámara de pruebas, lo que

permite realizar la calibración de los anemómetros satisfactoriamente.

En la sección tres se presentan perdidas altas de velocidad en el

punto inferior, puesto que existía un orificio al momento de la toma de

datos. En el centro de la sección la velocidad es superior a la

velocidad nominal y a la máxima obtenida en las dos secciones

anteriores, lo cual es debido a la pérdida de presión en el ducto entre

la sección 2 y 3; ya que, la fuga de aire que se produce en el centro

del ducto hace que se cumpla con la relación de que a menor presión

mayor velocidad.

La velocidad máxima alcanzada en el túnel de viento es de 18 m/s, la

cual es menor a la velocidad propuesta en el diseño, a consecuencia

de la fuerzas de rozamiento generada en los laminadores de flujo,

pero aun así, el comportamiento del túnel es satisfactorio para cumplir

los objetivos del proyecto.

El flujo producido por el ventilador vane-axial es turbulento con

, el cual es corregido por el laminador, consiguiendo un

flujo laminar en la cámara de pruebas como se pudo demostrar con

las gráficas de simulación del comportamiento del flujo.

Las variaciones en la velocidad del viento al interior del ducto, se

efectuaron mediante el sistema de control construido en manera

simultánea como tesis por un graduando de la U.T.E., que ayudó a

obtener velocidades precisas y constantes para la toma de datos y

determinar el comportamiento del túnel de viento.

Los materiales utilizados para la construcción del túnel corresponden

a los de menor gama existente en el mercado local, sin embargo,

cumplen con las condiciones del diseño y se encuentran sobre

133

dimensionadas, garantizando la funcionalidad, lo cual es demostrado

con los factores de seguridad.

El túnel de viento además de servir para la calibración de los

anemómetros, puede servir para prestar servicios a particulares que

necesiten realizar pruebas aerodinámicas.

6.2 RECOMENDACIONES

El túnel debe ser ubicado en un espacio que mantenga la temperatura

en valores estándar y que minimice el deterioro de los elementos del

túnel causados por estar expuestos a la intemperie.

Realizar mantenimiento preventivo (balanceo y alineación) de manera

planificada, así como también la limpieza de las aspas del ventilador y

las poleas del motor. Verificar la condición del motor, las poleas y el

laminador periódicamente.

Cumplir con todas las recomendaciones dispuestas en el manual de

funcionamiento, para precautelar la salud de los operarios y la vida útil

del equipo.

Controlar periódicamente las uniones del túnel, para evitar fugas que

pueden causar un mal funcionamiento del sistema.

134

BIBLIOGRAFÍA

Libros:

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Propulsion Test Facilities”, 2004, U. S. A.

2. Banyeras Luis Jutglar, “Bombas, Ventiladores y Propulsores”, 2005,

España.

3. Barlow Jewel B., Rae William H. y Pope Alan, “Low Speed Wind

Tunnel Testing”, tercera edición, 1999, U. S. A.

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de Shigley”, octava edición, 2006, México.

5. Comisión Nacional del Agua, “Manual Teórico Práctico del

Observador Meteorológico de Superficie”, 2010, México.

6. Corporación CDT de GAS, “Met & Flu, Revista semestral”, N°3, 2010,

Colombia.

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2006, México.

8. Mott Robert L. “Mecánica de Fluidos”, sexta edición, 2006, México.

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Máquinas”, primera edición, 2008, España.

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edición, 2010, España.

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Bidimensional, Subsónico de Circuito Abierto por Inyección”, 2005,

Colima.

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de Fluidos”, novena edición, 1999, México.

13. Villarrubia Miguel, “Energía Eólica”, 2004, España.

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http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/reynolds/reynolds.htm

http://www.plasticosmecanizables.com/plasticos_metacrilato.html

ANEXOS

136

ANEXO 1

DIAGRAMA DE MOODY

137

ANEXO 2

COEFICIENTE DE RESISTENCIA – EXPANSIÓN

GRADUAL.

138

ANEXO 3

COEFICIENTE DE RESISTENCIA – CONTRACCIÓN

GRADUAL CON Θ> 15°.

139

COEFICIENTE DE RESISTENCIA – CONTRACCIÓN

GRADUAL CON Θ< 15°.

140

ANEXO 4

NORMAS AMCA PUBLICATION 203

141

ANEXO 5

TABLA DE RESISTENCIA DEL DUCTO.

(Oren Cook, 2007)

142

ANEXO 6

FIGURA 57 RESISTENCIA DEL DUCTO.

Vp V Vp V Vp V Vp V Vp V

.01'

.02

.03

.04

.05

.06

.07

.08

.09

.10

.11

.12

.13

.14

.15

.16

.17

.18

.19

.20

.21

.22

.23

.24

.25

.26

.27

.28

.29

.30

.31

.32

.33

.34

.35

.36

.37

.38

.39

.40

.41

400.5 566.4 693.7 801.0 895.5 981 1060 1133 1201 1266 1328 1387 1444 1498 1551 1602 1651 1699 1746 1791 1835 1879 1921 1962 2003 2042 2081 2119 2157 2193 2230 2260 2301 2335 2369 2403 2436 2469 2501 2533 2563

.81

.82

.83

.84

.85

.86

.87

.88

.89

.90

.91

.92

.93

.94

.95

.96

.97

.98

.99 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1:17 1.18 1.19 1.20 1.21

604 625 657 669 690 3709 3729 3758 3779 3800 3821 3842 3863 3884 3904 3924 3945 3965 3985 4005 4025 4045 4064 4084 4103 4123 4142 4162 4181 4200 4219 4238 4257 4276 4295 4314 4332 4350 4368 4386 4405

1.61 1.62 1.63 1.64 1.65 1.66 1.67 1.68 1.69 1.70 1.71 1.72 1.73 1.74 1.75 1.76 1.77 1.78 1.79 1.80 1.81 1.82 1.83 1.84 1.85 1.86 1.87 1.88 1.89 1.90 1.91 1.92 1.93 1.94 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2.00 2.01

5082 5098 5114 5129 5144 5160 5175 5191 5206 5222 5237 5253 5268 5283 5298 5313 5328 5343 5359 5374 5388 5403 5418 5433 5447 5462 5477 5491 5506 5521 5535 5550 5564 5579 5593 5608 5623 5637 5651 5664 5678

2.41 2.42 2.43 2.44 2.45 2.46 2.47 2.48 2.49 2.50 2.51 2.52 2.53 2.54 2.55 2.56 2.57 2.58 2.59 2.60 2.61 2.62 2.63 2.64 2.65 2.66 2.67 2.68 2.69 2.70 2.71 2.72 2.73 2.74 2.75 2.76 2.77 2.78 2.79 2.80 2.81

6217 6230 6243 6256 6269 6281 6294 6307 6319 6332 6345 6358 6370 6383 6395 6408 6420 6433 6445 6458 6470 6482 6495 6507 6519 6532 6544 6556 6569 6581 6593 6605 6617 6629 6641 6654 6666 6678 6690 6702 6714

3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 3.38 3.39 3.40 3.41 3.42 3.43 3.44 3.45 3.46 3.47 3.48 3.49 3.50 3.51 3.52 3.53 3.54 3.55 3.56 3.57 3.58 3.59 3.60 3.61

7170 7180 7198 7209 7220 7231 7242 7253 7264 7275 7286 7297 7308 7319 7330 7341 7352 7363 7374 7385 7396 7406 7417 7428 7439 7450 7460 7471 7482 7493 7503 7514 7525 7535 7546 7556 7567 7570 7580 7599 7610

143

.42

.43

.44

.45

.46

.47

.48

.49

.50

.51

.52

.53

.54

.55

.56

.57

.58

.59

.60

.61

.62

.63

.64

.65

.66

.67

.68

.69

.70

.71

.72

.73

.74

.75

.76

.77

.78

.79 .80

2595 2626 2656 2687 2716 2746 2775 2804 2832 2860 2888 2916 2943 2970 2997 3024 3050 3076 3102 3127 3153 3179 3204 3229 3254 3279 3303 3327 3351 3375 3398 3422 3445 3468 3491 3514 3537 3560 3582

1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29 1.30 1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.40 1.41 1.42 1.43 1.44 1.45 1.46 1.47 1.48 1.49 1.50 1.51 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58 1.59 1.60

4423 4442 4460 4478 4495 4513 4531 4549 4566 4583 4601 4619 4636 4653 4671 4688 4705 4722 4739 4756 4773 4790 4806 4823 4840 4856 4873 4889 4905 4921 4938 4954 4970 4986 5002 5018 5034 5050 5066

2.02 2.03 2.04 2.05 2.06 2.07 2.08 2.09 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.30 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 2.36 2.37 2.38 2.39 2.40

5692 5706 5720 5734 5748 5762 5776 5790 5804 5817 5831 5845 5859 5872 5886 5899 5913 5927 5940 5954 5967 5981 5994 6008 6021 6034 6047 6060 6074 6087 6100 6113 6126 6139 6152 6165 6179 6191 6204

2.82 2.83 2.84 2.85 2.86 2.87 2.88 2.89 2.90 2.91 2.92 2.93 2.94 2.95 2.96 2.97 2.98 2.99 3.00 3.01 3.02 3.03 3.04 3.05 3.06 3.07 3.08 3.09 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20

6725 6737 6749 6761 6773 6785 6797 6809 6820 6832 6844 6855 6867 6879 6890 6902 6913 6925 6937 6948 6960 6971 6983 6994 7006 7017 7028 7040 7051 7063 7074 7085 7097 7108 7119 7131 7142 7153 7164

3.62 3.63 3.64 3.65 3.66 3.67 3.68 3.69 3.70 3.71 3.72 3.73 3.74 3.75 3.76 3.77 3.78 3.79 3.80 3.81 3.82 3.83 3.84 3.85 3.86 3.87 3.88 3.89 3.90 3.91 3.92 3.93 3.94 3.95 3.96 3.97 3.98 3.99 4.00

7620 7630 7641 7652 7662 7672 7683 7693 7704 7714 7724 7735 7745 7755 7766 7776 7787 7797 7807 7817 7827 7838 7848 7858 7868 7879 7889 7899 7909 7919 7929 7940 7950 7960 7970 7980 7990 8000 8010

(SMACNA, 2007)

14

4

ANEXO 7

VAB-24F14.

CFM OV Ducted

Cone

Regain

STATIC PRESSURE IN INCHES W.G

.25 .50 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 6.0 8.0

RPM BHP RPM BHP RPM BHP RPM BHP RPM BHP RPM BHP RPM BHP RPM BHP RPM BHP

6000

7000

1852

2160

0.10

0.14

1024

1173

0.68

0.99

1101

1238

0.93

1.27

1258

1371

1.52

1.90

1412

1505

2.21

2.62

1557

1636

2.98

3.44

1883

5.26

8000

9000

10000

2469

2778

3086

0.18

0.23

0.29

1324

1476

1630

1.39

1.89

2.51

1378

1524

1674

1.69

2.22

2.87

1494

1627

1765

2.37

2.95

3.66

1611

1731

1856

3.13

3.77

4.51

1730

1833

1952

3.99

4.65

5.45

1956

2041

2139

5.90

6.64

7.52

2168

2238

2323

8.03

8.86

9.82

2669

15.0

11000

12000

13000

3395

3704

4012

0.35

0.42

0.49

1784

1939

2094

3.26

4.15

5.20

1824

1976

2129

3.66

4.58

5.66

1905

2048

2196

4.49

5.46

6.61

1990

2127

2267

5.41

6.44

7.63

2074

2202

2338

6.38

7.46

8.71

2243

2361

2482

8.52

9.70

11.0

2415

2517

2624

10.9

12.2

13.6

2740

2824

2910

16.3

17.7

19.2

3045

3114

3189

22.2

23.8

25.6

145

ANEXO 8

CONO DE ENTRADA

11

98,3

577,6

62

0

11

96

617,7

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA: 1:20

A4

C

Tol Galvanizado

NOMBRE

Campana de Entrada

"Diseño y Construcción de un Túnel de Vientopara la Calibración de Anemómetros en el INAMHI"

Belén Ortíz

Belén Ortíz

Ing. Luis HidalgoDibujado:

Verificado:Ing. Luis HidalgoAprovado:

Favricado:


147

ANEXO 9 CONO DE SALIDA

10

88,2

588,2

50

0

500

1088

,2 B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Tol Galvanizado

NOMBRE

Campana de Salida


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


149

ANEXO 10

DUCTOS DE TOL

50

0

50

1

0,5

120

0 500

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Acrílico

NOMBRE

Ductos de Tol


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


151

ANEXO 11

LAMINADOR

500mm

0,5mm

501mm

501mm

300m

m

500mm 300mm

50

1mm

Vista Frontal

Vista Lateral Vista Superior

Vista Isométrica

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Tol Galvanizado

NOMBRE

Laminador


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


153

ANEXO 12

TUBO PITOT

5

7

2,1 7

74,5

7

5

7

289

,1

299

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:5

A4

C

Acero Inoxidable

NOMBRE

Tubo Pitot


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


155

ANEXO 13

SOPORTE DE SENSORES

500

600

600 4

0

452

,5

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Acrílico

NOMBRE

Soporte de Sensores


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


157

ANEXO 14

SENSOR DE TEMPERATURA

159

ANEXO 15

HONEYCOMB

49

9

23,399

40,46

8

600

49

9

600

23,399

Vista Frontal Vista Isométrica

Vista SuperiorVista Lateral

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Tol Galvanizado

NOMBRE

Honeycomb


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


161

ANEXO 16

CÁMARA DE PRUEBAS DUCTOS LISOS

150

256,1

181

,1

800

500

50

4

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Acrílico

NOMBRE

Cámara de Pruebas Ductos Lisos


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


163

ANEXO 17

CÁMARA DE PRUEBAS CENTRO

764

504

A

100

R50 118

A (1 : 10)

VISTA INFERIOR

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Acrílico

NOMBRE

Cámara de Pruebas Centro 1


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


764

504

100

A

36

100

9

A (1 : 10)

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Acrílico

NOMBRE



Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


764

375

50

4

18

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Acrílico

NOMBRE



Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


26,30

R25

4

157,96

722

254

758

375

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Acrílico

NOMBRE

Puerta de camara de prubas


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


168

ANEXO 18

REDUCCIÓN DEL VENTILADOR.

62

0

500

483,7

50

0 618

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Tol Galvanizado

NOMBRE

Reducción del Ventilador


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


170

ANEXO 19

BASTIDOR O SOPORTE DEL TÚNEL

520

300

187

1078

520

Vista Frontal

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Correa Tipo G

NOMBRE

Bastidor Túnel 1


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


765

440

440

510

510

B

C

D

1 2

A

321 4

B

A

5 6


FIRMA FECHA

MATERIAL:

TÍTULO:

ESCALA:1:20

A4

C

Correas Tipo G

NOMBRE

Bastidor Túnel 2


Belén Ortíz

Belén Ortíz



Favricado:


173

ANEXO 20

ESTÁNDARES DE MEDICIÓN

176

ANEXO 21

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

Acrílico

Características Generales del Acrílico

Densidad PMMA ISO 1183 1,18 g/cm3

Absorción de agua DIN 53495 0,3 %

Resistencia química DIN 53476 - –

Temperatura de uso continuo -- -- --

(sin fuerte solicitación mecánica) -- -- --

límite superior – 80 °C

límite inferior – -40 °C

-- -- -- --

Tensión de fluencia ISO 527 70 MPa

Alargamiento de fluencia ISO 527 - %

Resistencia a la tracción ISO 527 72 MPa

Alargamiento de rotura ISO 527 5 %

Resistencia a golpes ISO 179 15 kJ/m2

Resiliencia ISO 179 1,5 kJ/m2

Dureza a la indentación de bola (Hk) /Rockwell ISO 2039-1 185 MPa

Resistencia a la flexión (sB 3,5%) ISO 178 125 MPa

Módulo de elasticidad ISO 527 3300 MPa

-- -- -- --

Temperatura de ablandamiento de Vicat VST/B/50 ISO 306 100 °C

VST/A/50 -- - °C

Temperatura de deformabilidad por calor HDT/B ISO 75 95 °C

HDT/A -- - °C

Coeficiente de dilatación térmica DIN 53752 0,7 K-1*10^-4

Conductibilidad térmica a 20º DIN 52612 0,19 W/(m*K)

-- -- -- --

Resistencia volúmica esp. VDE 0303 >=10^-15 Ohm*cm

Resistencia superficial VDE 0303 >=10^-15 Ohm

Constante dieléctrica relativa con 1 MHz DIN 53483 2,9 --

Factor de disipación del dieléctrico con 1 MHz DIN 53483 0,03 --

Resistencia a descargas disruptivas VDE 0303 30 kV/mm

Resistencia a las corrientes de fuga DIN 53480 KC >600 --

-- -- -- --

-- -- -- --

177

Acero.

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