DISEÑO DE TOBERA CONVERGENTE-DIVERGENTE

Diseño y dimensionamiento del prototipo según la Norma ISO 9300: Medición del flujo de gas por medio de boquillas Venturi de flujo crítico. Segunda Edición. 2005-08-15.

El diseño de la estructura con forma de tobera convergente – divergente es un factor preponderante en el prototipo medidor de la calidad del aire en aplicaciones agropecuarias, pues, a través de ella circula el flujo de masa de aire a monitorear, el cual debe ser un flujo laminar, donde la presencia de posibles flujos turbulentos debe ser mínima.

El generador del flujo de masa de aire dispuesto para este prototipo es un motor eléctrico brushless que presenta un rango de velocidades dentro del cual se logra optimizar el funcionamiento del mismo.

De lo expuesto anteriormente, es posible observar que a medida que aumenta el flujo de masa de aire que circula por la tobera convergente-divergente, también incrementan las posibilidades de formación de flujos turbulentos en las diferentes zonas que conforman la estructura, por esta razón el diseño y dimensionamiento de la tobera convergente-divergente es un factor determinante que asegura el correcto funcionamiento del prototipo medidor de la calidad del aire.

La Norma Internacional ISO 9300:2005 especifica la geometría y su metodología de uso utilizado para determinar la tasa de flujo másico de un gas que fluye a través de un sistema. La misma se aplica a boquillas venturi en las cuales el flujo del gas se acelera, llegando a la velocidad critica en la zona de la garganta, donde el caudal másico del gas es el máximo posible.

Por consiguiente, aplicando los conceptos presentes en la Norma ISO 9300 en relación al diseño de boquillas venturi de garganta cilíndrica, se procedió al dimensionamiento de la tobera convergente-divergente considerando principalmente dos limitaciones relacionadas con el diseño:

 La zona divergente tendrá un diámetro de 23 cm, ya que, el mismo, coincide con el diámetro de la tapa del prototipo, en el cual se encuentra fijo el motor eléctrico brushless y su hélice correspondiente. Cabe destacar que la limitación en relación con el diámetro radica en el hecho de que la disponibilidad en relación a los tamaños de las hélices en el mercado es escaso, luego la hélice de menor tamaño que se consiguió presenta un diámetro igual a 20 cm.

 El diámetro de la zona de la garganta, pues al igual que lo ocurrido con el tamaño de las hélices, el tubo de vidrio de borosilicato resulto la mejor opción para proveer el soporte necesario para los filtros con el material adsorbente. Luego, considerando la disponibilidad y el costo, relativamente, económico del tubo en comparación con tubos de diferentes materiales, resultó la opción más apropiada.

87 De esta manera, considerando las limitaciones y aplicando las fórmulas presentes en la Norma ISO 9300 en relación al diseño y dimensionamiento de la tobera convergente-divergente, se obtuvieron los siguientes resultados:

 Geometría Tobera Convergente.-Divergente: (Figura 6.2.)

- Garganta:

Diámetro de la garganta = 5 cm. Radio de la garganta = 2.5 cm.

Longitud de la garganta = diámetro de la garganta = 5 cm.

- Región Divergente:

Diámetro de la región divergente = 23 cm. Radio de la región divergente = 11.5 cm.

Ángulo de la región divergente: αDivergente = 3° o 4°. - Región Convergente:

Longitud de la región convergente debe ser mayor o igual que el producto del diámetro de la garganta multiplicado por el número 4. Luego, la longitud de la región convergente = 20 cm.

Figura 6. 2. Dimensionamiento tobera convergente-divergente según Norma ISO 9300.

Finalizada la etapa de diseño y dimensionamiento de la estructura de la tobera convergente-divergente del prototipo medidor de la calidad del aire se procedió a la fabricación de la misma utilizando la técnica del papel maché, con el objetivo de llevar a

88 cabo mediciones de prueba con la estructura previamente diseñada, y una vez verificado su funcionamiento, realizar la impresión 3D de todo el prototipo de medición.

Cabe destacar que la técnica de papel maché se realizó, específicamente, para la fabricación de la tobera, lo cual permitió evaluar el tipo de flujo de masa de aire, como así también su velocidad en relación con el rango de funcionamiento óptimo del motor eléctrico brushless.

En las imágenes que se encuentran a continuación es posible observar el paso a paso de la construcción de la tobera convergente-divergente. En principio, se dividió el volumen en 15 discos de igual espesor, donde cada uno de ellos corresponde a una zona determinada de la tobera (Figura 6.3.). Finalizada la etapa fabricación de la tobera, se aplicó la técnica de papel maché, con la cual se cubrió la totalidad de la tobera, logrando así una estructura externa resistente con la forma y dimensiones calculadas previamente. (Figura 6.4.)

Con la estructura de papel maché se realizaron mediciones de prueba, observando el comportamiento de la tobera convergente-divergente frente a las variaciones de velocidad del motor eléctrico brushless, con la presencia y ausencia del conjunto filtro- material adsorbente-soporte del filtro, midiendo las variaciones de velocidad del aire en la entrada de la sección de la garganta de la tobera.

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Figura 6. 4. Últimos 5 pasos de la fabricación manual de tobera convergente – divergente.