Para el desarrollo de la tesis se diseñó y construyó el aparato que se muestra en la figura 3.1, el cual consta de un Ventilador de seis palas de 300mm de diámetro accionado por un motor monofásico de 0.125 H.P. y un reostato que permite regular las rpm del motor en el rango de 600 a 4800 rpm. El Ventilador, al cual se le quitaron los enderezadores de flujo se acopla con una tobera metálica a un ducto de sección transversal circular con un diámetro interno de 184 mm y 1300 mm de longitud. El ducto cilíndrico está formado por tres tramos de ductos, los dos tramos de los extremos son fijos y miden 250 mm y el tramo central que mide 750 mm tiene la posibilidad de girar accionado por un motor trifásico de 3/4 de H.P a 1740 rpm. El ducto central gira a 815 rpm. En los ductos fijos se tienen tomas de presión estática que permiten determinar la caída de presión entre ambas estaciones las cuales están separadas 840 mm. En la descarga del ducto se tiene un bastidor que permite adaptar tubos de presión total y estática con el fin de determinar la distribución de presiones en diversas estaciones en el interior del ducto. También permite adaptar un soporte para los sensores de hilo caliente con el fin de medir la velocidad.
Figura 3.1.- Equipo Experimental
3.2.- Descripción de la instrumentación empleada
La instrumentación empleada es de dos tipos: mecánica y electrónica. La instrumentación mecánica consta de tres mini-sensores de presión tipo pitot los cuales se construyeron ex profeso para la realización de este trabajo dado que el flujo en torbellino es muy sensible a las perturbaciones generadas por objetos colocados en su interior y por el alto grado de turbulencia que lleva hace que un tubo pitot convencional provoque oscilaciones notables en el manómetro que se utilize para realizar las mediciones. Los mini-sensores de presión tipo Pitot se muestran en la figura 3.2. Uno de los sensores se construyó con la finalidad de medir la presión axialmente, otro para medir la presión tangencial y otro para medir la presión estática, este no se muestra en la figura 3.2 pero es idéntico al sensor de la parte superior de dicha figura con la diferencia de que tiene tapado el extremo que se orienta en dirección del flujo y cuenta con un orificio de un milímetro de diámetro en la pared del tubo, a una distancia de dos cm del extremo tapado. Los tres sensores son de tubo de bronce de 20 cm de largo y 2mm de diámetro exterior con un soporte maquinado en aluminio el cual se acopla a un tubo de 0.375 pulg. de diámetro exterior el cual se sujeta al mecanismo
de barrido de la zona de prueba. Uno de los extremos del tubo se coloca en dirección del flujo y el otro se conecta a un manómetro mediante una manguera flexible. La operación de los mini-sensores es idéntica a la de un tubo Pitot y se rigen bajo las mismas condiciones y leyes, es decir cumplen con el Teorema de Bernoulli el cual se deduce a partir de la ley de conservación de la energía o de la conservación del momentum para un flujo unidimensional, ideal y estacionario.
Figura 3.2.- Esquema de los Mini-Sensores de Presión Tipo Pitot.
Estos mini-sensores de presión se utilizaron conjuntamente con un manómetro de agua de 36 columnas el cual tiene la posibilidad de cambiar la inclinación del mismo desde 90° hasta casi 0°.
La instrumentación electrónica utilizada consiste del sistema de anemometría de hilo caliente fabricado por Dantec denominado Streamline el cual se muestra en la figura 3.3. El sistema básico StreamLine consiste de:
Figura 3.3
• Una armadura o gabinete que contiene un transductor de temperatura ambiente y
un puerto serie de comunicación.
• Tres módulos de anemómetros de temperatura constante (CTA).
• El software denominado Stream ware.
Adicionalmente se utilizó un sistema de calibración que consiste de:
• Una unidad de flujo la cual se coloca separado del gabinete.
• Un módulo de calibración el cual se coloca dentro del gabinete.
• Un cable de conexión entre la unidad de flujo y el modulo de calibración.
También se utilizó un sistema transversal el cual sirve para mover automáticamente el sensor dentro del flujo bajo investigación denominado Lightweight Traverse System y que se conecta a la computadora que contiene el software StreamWare a través de un puerto serial.
La descripción detallada y la operación de los equipos utilizados puede verse en los manuales de instalación y guía del usuario [].
Los sensores utilizados fueron escogidos por la disponibilidad de los mismos mas que por razones técnicas, así se emplearon los sensores 55P13 y 55P14 que se muestran en la figura 3.4 los cuales son específicos para flujo unidimensional. Los sensores se colocaron de tal forma que se pudieran medir las componentes axial y tangencial del flujo.
Figura3.4 3.3.- Mediciones realizadas
Para definir la estación de medición y las velocidades de giro del ventilador se realizaron diversas observaciones y pruebas cualitativas y cuantitativas que permitieron llegar a las siguientes conclusiones:
1.- El rango de variación de la velocidad de rotación del ventilador fue limitado de 600 a 2000 rpm dado que la máxima velocidad de giro que se pudo obtener con el motor empleado es de 815 rpm y que el efecto de la rotación del ducto sobre el torbellino generado por el ventilador disminuye conforme la relación de rotación disminuye. La relación de rotación, Rrpm, se define como el cociente de las rpm del ventilador entre las rpm del ventilador.
2.- Puesto que el ducto es corto, L/D=7.34, se considera que el cambio de los perfiles de velocidad con el cambio de estación deben ser insignificantes y aunado a que la rotación del ducto induce una excesiva oscilación en la varilla utilizada para sujetar los sensores de presión y de hilo aliente, en estaciones mas cercanas al ventilador generando el riesgo de que los sensores de hilo caliente golpeen con la pared del ducto y dañarse, se determinó que las mediciones se realizaran en una sola estación, la ubicada a 250 mmm de la descarga, x/d=6.
3.- Para determinar el efecto de la rotación del ducto era necesario caracterizar tanto al torbellino del ventilador como al del ducto girando. Por lo anterior se establecieron los siguientes conjuntos de mediciones:
1.- Caracterización del torbellino generado por el ventilador.
1.a. En primer lugar se determinó la diferencia de presión estática entre las estaciones ubicadas en los tramos de ducto fijo, separadas 840 mm. Estas mediciones se realizaron con el manómetro de 36 columnas para diversas velocidades de rotación del ventilador. El ducto giratorio permaneció en reposo. Las mediciones realizadas se muestran en la figura 3.5. Dado que el tramo de ducto es corto, L/D=7.33, el flujo es no desarrollado por lo que la diferencia de presión estática no corresponde a la caída de presión, como sucede en un flujo desarrollado pero que sin embargo permite establecer un comportamiento aproximado de dicho valor.
1.b. En segundo lugar se midió el perfil de presión axial, tangencial y estática en el interior del ducto en la estación definida y para las velocidades de rotación del ventilador
predeterminadas. Esto se realizó utilizando los mini-sensores de presión tipo pitot y el manómetro de 36 columnas y manteniendo nuevamente el ducto giratorio en reposo. Las mediciones se muestran en las figuras 3.6 para 800 rpm del ventilador. Dado que la resultante de velocidad del flujo en torbellino presenta un ángulo con respecto al eje axial del ducto, los sensores de presión tipo pitot no miden la presión total cuando el extremo abierto se coloca axial o tangencialmente al flujo por lo que aquí se les denomina presión axial y tangencial únicamente. Aun cuando la presión estática tampoco se puede medir en forma exacta dado que el tubo donde se ubicó el orificio no está alineado con el flujo, por simplicidad se mantuvo dicho nombre en este trabajo.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
Revoluc iones P or M inuto del V entilador
P re s ión , c m de ag ua
P res ión E s tátic a en la P ared
O B aleros y ranuras s in c ubrir, duc to no gira
B aleros y ranuras c ubiertos , duc to no gira
* B aleros y ranuras c ubiertos , duc to gira
E s tac ión 1 E s tac ión 2 E s tac ión 2 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
Revoluc iones P or M inuto del V entilador
P res ión , c m de ag u a
Diferenc ia de P res ión E s tátic a
Dis tanc ia entre es tac iones : 84 c m
O Rpm del c ilindro:0
* Rpm del c ilindro:0
Rpm del c ilindro:817 baleros no c ubiertos
baleros y ranuras internas c ubiertas
baleros y ranuras internas c ubiertas
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -0.03 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 r/ro P res ión , c m de ag u a
V ariac ión de la P res ión A x ial, Tangenc ial y E s tátic a
P res ión A x ial
P res ión tangenc ial
P res ión E s tátic a
es tac ión x /d= 6 Rpm V entilador= 800 Rpm del c ilindro:c ero
Figura 3.6
1.c. Con ayuda del anemómetro de hilo caliente se midió los perfiles de velocidad axial y tangencial para la estación establecida en 1.b. El rango de rotación del ventilador fue de 550 a 1400 rpm con incrementos de 100 rpm. Los resultados se muestran en las figuras 3.7 y 3.8. Aunque el sistema de anemometría utilizado lo permite no se determinó la intensidad de la turbulencia debido a que la vibración debido a la rotación del ducto se transmite al soporte del sensor de hilo caliente y se considera que altera los valores de la intensidad de la turbulencia, incrementándolos en contra de lo que los reportes analizados indican.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 r/ro U, m /s
Dis tribuc ión de V eloc idad A x ial
550 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Rpm V entilador
Rpm del c ilindro:c ero E s tac ión x /d= 6
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 r/ro W, m /s
Dis tribuc ión de V eloc idad Tangenc ial
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Rpm V entilador
Rpm del c ilindro:c ero
E s tac ión x /d= 6
Figura 3.8.
2.- Caracterización del torbellino generado por el ducto giratorio.
2.a.- Dado que la instrumentación mecánica empleada no fue sensible a los cambios de presión axial y estática, aquí se midió únicamente el perfil de presión tangencial en el interior del ducto en la estación x/d=6 y para la única velocidad de rotación a la que puede girar el ducto y que es de 817 rpm. Esto se realizó utilizando los mini-sensores de presión tipo pitot y el manómetro de 36 columnas y manteniendo al ventilador en reposo. Los resultados se muestran en la figura 3.9.
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 r/ro P res ión , c m de ag u a
V ariac ión de la P res ión Tangenc ial
E s tac ión: x /d= 6 Rpm V entilador= c ero
Rpm del c ilindro:800
Figura 3.9.
2.b.- Dado que con el ventilador en reposo no existe velocidad axial en el ducto, con ayuda del anemómetro de hilo caliente se midió únicamente el perfil de velocidad tangencial en la estación indicada, el cual se muestra en la figura 3.10.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 r/ro U, m /s
Dis tribuc ión de V eloc idad A x ial
Rpm V entilador: 0
Rpm Duc to: 817
E s tac ión x /d= 6
Figura 3.10.
3.- Efecto de la Rotación del ducto en el torbellino generado por el ventilador.
Para determinar el efecto de la rotación del ducto en la diferencia de presión estática, en los perfiles de presión y en los perfiles de velocidad se realizaron las mediciones indicadas en el punto 1, caracterización del torbellino generado por el ventilador, pero ahora con el ducto girando. En la figura 3.5 se muestra la diferencia de presión entre dos estaciones separadas 84 cm cuando el ducto gira. En la figura 3.11 se muestra la variación de presión axial, en la figura 3.12 se muestra la variación de la presión estática y en la figura 3.13 se muestra la variación de la presión tangencial. En las tres figuras se incluye la variación correspondiente cuando solo gira el ventilador y poder comparar mas fácilmente el efecto del giro del ducto.
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 r/ro P res ión , c m de ag u a
V ariac ión de la P res ión ax ial
rpm c ilindro: c ero rpm c ilindro: 800
E s tac ión: x /d= 6 Rpm V entilador= 2000
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 r/ro P res ión , c m de ag u a
V ariac ión de la P res ión es tátic a
rpm c ilindro: c ero rpm c ilindro: 800 E s tac ión: x /d= 6 Rpm V entilador= 2000 Figura 3.12. -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 r/ro P res ión , c m de ag u a
V ariac ión de la P res ión Tangenc ial
rpm c ilindro: c ero rpm c ilindro: 800 E s tac ión: x /d= 6 Rpm V entilador= 2000
Figura 3.13.
En la figura 3.14 se muestra la distribución de velocidad axial y en la figura 3.15 la distribución de velocidad tangencial ambas realizadas con el sistema de anemometría de hilo caliente. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 r/ro U, m /s
Dis tribuc ión de V eloc idad A x ial
550 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Rpm V entilador Rpm del c ilindro:817 E s tac ión x /d= 6 Figura 3.14
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 r/ro W, m /s
Dis tribuc ión de V eloc idad Tangenc ial
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Rpm V entilador Rpm del c ilindro:817 E s tac ión x /d= 6 Figura 3.15
Capítulo III
Desarrollo
Experimental
En este capítulo se describe el equipo y la instrumentación utilizada para desarrollar la etapa experimental. Se describe el equipo experimental, la instrumentación empleada y los experimentos realizados. La fase experimental se desarrolló en dos etapas, una en el Laboratorio de Aerodinámica de la ESIME Ticoman en donde se realizaron las mediciones utilizando sensores tipo pitot y manómetros múltiples y la segunda en el LABINTHAP utilizando el anemómetro de hilo caliente a temperatura constante.
3.1- Descripción del Equipo Experimental
Para el desarrollo de la tesis se diseñó y construyó el aparato que se muestra en la figura 3.1, el cual consta de un ventilador de seis aspas de 300 mm de diámetro accionado por un motor monofásico de 0.125 H.P. y un reostato que permite regular las rpm del motor en el rango de 600 a 4800 rpm. El ventilador, al cual se le quitaron los enderezadores de flujo, se acopla con una tobera metálica a un tubo de sección transversal circular que tiene un diámetro interno de 184 mm y 1300 mm de longitud. El tubo circular está formado por tres tramos de tubos, los dos tramos de los extremos son fijos y miden 300 mm y 250 mm y el tramo central mide 750 mm. Este tubo tiene la posibilidad de girar apoyado en baleros de bolas de 200 mm de diámetro interior al ser accionado por un motor trifásico de 3/4 de H.P @ 1740 rpm y una reducción de poleas y banda. El tubo central gira en el rango de 800 a 818 rpm debido a las variaciones del voltaje de alimentación. En cada uno de los tubos fijos se tienen 4 tomas de presión estática igualmente espaciadas alrededor de la circunferencia que permiten
determinar la caída de presión entre ambas estaciones, indicadas con E1 y E2 en la figura
3.1.a, las cuales están separadas 840 mm. En la descarga del tubo se tiene un bastidor que permite adaptar tubos de presión total y estática con el fin de determinar la distribución de presiones en diversas estaciones en el interior del tubo. Dicho bastidor también permite adaptar un soporte para los sensores de hilo caliente con el fin de medir la distribución de velocidad.
Figura 3.1.- (a) Esquema del equipo experimental y (b) corte mostrando la separación entre el tubo giratorio y el tubo fijo.
Figura 3.1.c.- Fotografía del Equipo Experimental
3.2.- Descripción de la Instrumentación Empleada
La instrumentación empleada es de dos tipos: mecánica y electrónica. La instrumentación mecánica consta de tres mini-sensores de presión tipo Pitot los cuales se construyeron exprofeso para la realización de este trabajo dado que el flujo en torbellino es muy sensible a las perturbaciones generadas por objetos colocados en su interior y por el alto grado de turbulencia que tiene, hasta 38 %, provoca que un tubo Pitot de tamaño convencional genere oscilaciones notables en el manómetro que se utilice para realizar las mediciones. Los mini- sensores de presión tipo Pitot se muestran en la figura 3.2. Uno de los sensores se construyó con la finalidad de medir la presión axial, otro para medir la presión tangencial y otro para medir la presión estática, este no se muestra en la figura 3.2 pero es idéntico al sensor de la parte superior de dicha figura con la diferencia de que tiene tapado el extremo que se orienta en dirección del flujo y cuenta con un orificio de un milímetro de diámetro en la pared del tubo, a una distancia de dos cm del extremo tapado. Los tres sensores son de tubo de bronce de 20 cm de largo y 2 mm de diámetro exterior pegados a un soporte de aluminio maquinado el cual se acopla a un tubo de 9.5 mm de diámetro exterior y que sirve para sujetarlo al mecanismo de barrido de la zona de prueba. Uno de los extremos del tubo se coloca en dirección del flujo y el otro se conecta a un manómetro mediante una manguera flexible. La
operación de los mini-sensores es idéntica a la de un tubo Pitot por lo que se rigen bajo las mismas condiciones y leyes, es decir cumplen con el Teorema de Bernoulli.
Los mini-sensores de presión se utilizaron conjuntamente con el manómetro de agua de 36 columnas que se muestra en la figura 3.1.c. Este manómetro tiene la posibilidad de cambiar su inclinación desde 90° hasta casi 0°. Dado que el flujo generado por el ventilador en el rango de 600 a 2000 rpm es relativamente bajo, con el fin de incrementar la sensibilidad del manómetro se le dio una inclinación de 2° respecto a la horizontal.
Figura 3.2.- Esquema de los Mini-Sensores de Presión Tipo Pitot.
La instrumentación electrónica utilizada consiste del sistema de anemometría de hilo caliente a temperatura constante denominado Streamline el cual se muestra en la figura 3.3. El sistema básico StreamLine consiste de:
• Una armadura o gabinete que contiene un transtubor de temperatura ambiente y un
puerto serie de comunicación.
• Tres módulos de anemómetros de temperatura constante (CTA por sus siglas en
inglés).
• El software denominado Stream ware.
Adicionalmente se utilizó un sistema de calibración que consiste de:
• Una unidad de flujo la cual se coloca separado del gabinete.
• Un módulo de calibración el cual se coloca dentro del gabinete.
• Un cable de conexión entre la unidad de flujo y el modulo de calibración.
La descripción detallada y la operación del sistema de anemometría puede verse en los manuales de instalación y guía del usuario [18].
Los sensores empleados, 55P13 y 55P14, se muestran en la figura 3.4. Los sensores son ideales para medir flujo unidimensional por lo que se colocaron de tal forma que las componentes de la velocidad no interfirieran entre si. Para medir la componente axial del flujo se utilizó el sensor 55p14 y el sensor 55p13 para medir la componente tangencial.
Figura 3.3.- Sistema StreamLine
3.3.- Mediciones Realizadas
Para definir la estación de medición y las velocidades de giro del ventilador se realizaron diversas observaciones y pruebas cualitativas y cuantitativas que permitieron establecer las siguientes condiciones experimentales:
a. El rango de variación de la velocidad de rotación del ventilador fue limitado de 600 a
2000 rpm dado que la máxima velocidad de rotación del tubo que se pudo obtener con
el motor y la reducción empleada es de 818 rpm además de que el efecto de la rotación
del tubo sobre el torbellino generado por el ventilador disminuye conforme la relación
de rotación disminuye. La relación de rotación, Rrpm, se define como el cociente de
las rpm del ventilador entre las rpm del tubo.
b. Se comprobó que el cambio en los perfiles de velocidad con el cambio de estación es
insignificante (para un tubo relativamente corto como el utilizado) y que la rotación del tubo induce una excesiva oscilación en la varilla utilizada para sujetar los sensores de presión y de hilo caliente, sobre todo en estaciones mas cercanas al ventilador generando el riesgo de que los sensores de hilo caliente golpeen con la pared del tubo y se dañen. Por tal razón se determinó que las mediciones se realizaran en una sola