Metodología de calibración de anemómetros tipo copa

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

Metodología de calibración de anemómetros tipo copa

TESINA

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA TÉRMICA

PRESENTA

ING. SERGIO EDUARDO HERNÁNDEZ VILLEGAS

DIRECTOR DE TESINA:

M. EN C. GUILIBALDO TOLENTINO ESLAVA

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(3)
(4)

RESUMEN ABSTRACT

RELACIÓN DE FIGURAS

i ii iii

RELACIÓN DE TABLAS iv

NOMENCLATURA v

INTRODUCCIÓN

CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE

vi

1

1.1. Normas de calibración de anemómetros de copa 2

1.2. Calibración de anemómetros de copa en campo 4

1.3. La calibración anemométrica para el recurso eólico 7

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO SOBRE ANEMOMETROS, METROLOGIA Y FLUJO EN CONDUCTOS

10

2.1. Medición de velocidad del viento y el uso de los anemómetros de copa

11

2.1.1. Anemómetros sónicos 11

2.1.2. Anemómetro de hilo caliente 12

2.1.3. Anemómetro de propela 14

2.1.4. Anemómetro de copas 15

2.2. Concepto básicos de medición 15

2.2.1. Sistema general de medición 15

2.2.2. Conceptos de mediciones 17

2.2.3. Calibración 18

2.2.4. Error e incertidumbre en las mediciones

2.3. Análisis de flujo en conductos

2.3.1. Número de Reynolds 2.3.2. Perfiles de velocidad 2.3.3. Turbulencia

2.3.4. Ecuación de Bernoulli

2.4 Instrumentación

2.4.1.Tubo estático de Pitot 2.4.2. Manómetro inclinado

20

21

21 23 25 26

27

(5)

3.1. Descripción de la instalación experimental 30

3.1.1. Túnel de viento de velocidad baja del LABINTHAP 30

3.2. Instrumentación utilizada en la experimentación

3.2.1. Tubo estático de Pitot 3.2.2. Manómetro inclinado 3.2.3. Estación meteorológica

32

32 32 33

3.3. Metodología de calibración de anemómetro de copas 3.4. Pruebas realizadas en el laboratorio

34 35

CAPITULO 4. ANALISIS DE RESULTADOS 36

4.1 Resultados de mediciones 37

CONCLUSIONES 40

(6)

RESUMEN

    

 

En el presente trabajo se realizó una metodología para calibrar anemómetros  tipo copas en un túnel de viento de velocidad baja. La metodología consistió en  comparar las mediciones de velocidad del anemómetro de copas con las de un  tubo estático de Pitot en un intervalo definido de velocidades.  

 

El intervalo se definió de acuerdo a la norma MEASNET, la cual indica que en el  intervalo  de  4  ms‐1 a  16  ms‐1  se  abarca  el  95  %  de  la  generación  anual  de  energía en los aerogeneradores de eje horizontal. La intensidad de turbulencia  en el túnel de viento es menor a 2 % [16],  la cual es una condición imperativa  para la calibración [5]. 

 

La calibración se llevó a cabo en la zona de calibración establecida previamente  [16]. Se monto el anemómetro de copas en una base cilíndrica a la mitad de la  longitud  de  la  zona  de  pruebas,  y  20  cm  detrás  del  anemómetro  se  monto  el  tubo estático de Pitot.  

  

Los resultados obtenidos fueron la gráfica y  ecuación de regresión lineal de los  datos.  El  coeficiente  de  correlación  fue  mayor  a  0.9,  lo  que  se  considera  una  relación confiable entre la velocidad  medida por el tubo estático de Pitot y la  velocidad medida por el anemómetro de copas. 

(7)

ABSTRACT 

 

 

In  the  present  work  a  methodology  for  cup  anemometer  calibration  in  a  low  speed  wind  tunnel  was  carried  out.  The  methodology  consists  in  comparing  wind speed measurements of a cup anemometer measurements with those of a  Pitot static tube, this in a defined wind speed interval.  

 

The interval was define according to MEASNET procedure, which indicates that  the  interval  from  4  ms‐1 to  16  ms‐1 covers  the  95  %  of  the  annual  energy  production of the horizontal axis wind turbines. The turbulence intensity in the  wind tunnel es less tan 2 %[16], which is an imperious condition for carrying  out the calibration [5].  

 

The experimentation was realized in the previous established calibration zone  [16].  The  cup  anemometer  was  mounted  in  a  cylindrical  base  halfway  of  the  test  zone,  and  the  static  Pitot  tube  was  mounted  20  cm  behind  the  cup  anemometer.  

 

The  obtained  results  where  the  linear  regression  graph  and  equation  of  the  data.  The  correlation  coefficient  was  above  0.9,  which  is  a  sing  of  a  reliable  relation  between  the  velocity  measured  by  the  Pitot  static  tube  and  the  cup  anemometer. 

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NÚMERO 

TÍTULO 

 

PÁGINA 

1  Gráfica de calibración de anemómetro de copas #377,  usando el software gnuplo    6  2.a  2.b  Perfil en la zona de calibración  Perfil en zona de descarga  8  8  3  Relación de corrección K contra velocidad de  referencia   9 

4  Clasificación de anemómetros   11 

5  Anemómetro sónico  12 

6  Anemómetro de propela con veleta  14 

7  Anemómetro de copas  15 

8  Componentes de un sistema general de medición  17  9  Curva representativa de calibración estática  19  10  Distribución de errores en mediciones repetidas  21  11  Desarrollo de los perfiles de velocidad y variación de  la presión en la entrada de un conducto  24  12.a  Perfil de velocidad completamente desarrollado, flujo  laminar  24  12.b  Perfil de velocidad completamente desarrollado, flujo  turbulento  24  13.a  Definición de media y fluctuación en un flujo  turbulento, velocidad  26  13.b  Definición de media y fluctuación en un flujo  turbulento, presión  26 

14  Medición de velocidad con tubo estático de Pitot   27 

15  Manómetro de tubo inclinado  28 

16  Túnel de viento del LABINTHAP  30 

17  Sección de pruebas con instrumentos montados  31 

18  Tubo estático de Pitot  32 

19  Manómetro  inclinado utilizado en la calibración  32 

20.a  Esquema de estación meteorológica  33 

20.b  Estación meteorológica instalada en el LABINTHAP  33  21  Calibraciones de anemómetros de copas  38   

   

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NÚMERO

 

TÍTULO 

 

PÁGINA

 

1  Requerimientos del túnel de viento para norma IEC  61400‐12‐1 

2  Regímenes de flujo  22 

3  Características de la estación meteorológica  33  4  Formato para captura de datos experimentales  35  5  Condiciones atmosféricas durante la experimentación  37 

6  Resultados de mediciones  37 

7  Parámetros de regresión  39 

                     

(10)

 

SÍMBOLO  DESCRIPCIÓN   

UNIDADES 

�  Velocidad del sonido  ms‐1 

A  Constante que depende de las propiedades del fluido   

Ac  Área de la sección transversal de la tubería  m 

B  Constante que depende de las propiedades del fluido   

Ch  Coeficiente de tubo de Pitot   

d  Longitud de onda  m 

g  Aceleración  ms‐2 

I  Corriente  A 

k  Coeficiente de corrección   

K  Sensibilidad estática   

kb  Factor de corrección de bloqueo   

kc  Factor de calibración de túnel de viento   

L  Longitud característica  m 

N  Constante que depende de las dimensiones del sensor   

n  Número de muestras dentro del intervalo de muestras   

Pt  Presión total  Pa 

Pe  Presión estática  Pa 

Pd  Presión dinámica  Pa 

Pw  Presión de vapor  Pa 

p  Perímetro húmedo  m 

�  Rapidez de transferencia de calor  W 

R  Resistencia  Ω 

R0  Resistencia  de  referencia  medida  a  temperatura  de 

referencia 

Ω 

Ro  Constante de gases para aire seco  J kg‐1 K‐1 

Rw  Constante de gases para vapor de agua  J kg‐1 K‐1 

Re  Número de Reynolds  Adimensional 

T  Temperatura  °C, K 

T0  Temperatura de referencia  °C 

�  Media temporal de la velocidad en la dirección x  ms‐1 

u  Velocidad en la dirección x  ms‐1 

u’  Fluctuación de velocidad  ms‐1 

U  Velocidad del fluido  ms‐1 

V  Velocidad  ms‐1 

Vr  Velocidad de referencia  ms‐1 

�  Velocidad media  ms‐1 

!  Velocidad del viento  ms‐1 

�  Velocidad promedio  ms‐1 

z  Altura  m 

α  Coeficiente de resistividad  °C‐1 

μ  Viscosidad dinámica  kg m‐1 s‐1 

ν  Viscosidad cinemática  m2 s‐1 

ρ  Densidad  kg m‐3 

(11)

   

La energía eólica es una de las energías renovables mas competitivas, y su base es la  conversión de la energía cinética del viento en energía eléctrica. La forma de realizar  esto es mediante aerogeneradores. Estos aparatos cuentan con un rotor el cual tiene  aspas sobre las cuales el viento incide y las hace girar. Al girar las aspas, con ellas gira  el  rotor  el  cual  esta  conectado  a  un  generador,  y  así  la  electricidad  producida  es  conducida hasta un convertidor y enviada a la red eléctrica.  

 

El recurso de la energía eólica, el viento, se tiene que medir para determinar bajo que  intervalos  de  velocidad  el  aerogenerador  tendrá  su  desempeño  optimo.  Los  instrumentos para medir la velocidad del viento se llaman anemómetros, y uno de los  mas utilizados para este fin son los anemómetros de copa o cazoleta. Este ultimo debe  tener  una  calibración  adecuada  para  garantizar  confiabilidad  en  sus  mediciones.  El  procedimiento  de  calibrar  instrumentos  es  sensible,  es  necesario  llevar  un  orden  preciso  y  tener  una  estructura  definida  en  esta  actividad  para  cumplirla  satisfactoriamente.   

 

Los anemómetros de copas son dispositivos no lineales, es decir, la relación entre su  señal  de  entrada,  el  viento,    y  la  señal  de  salida  es  no  lineal  [17].    Debido  a  esto,  el  intervalo que se escoge para la calibración debe ser acotado apropiadamente, ya que  entre mas grande sea el intervalo de operación examinado, mayor será el efecto de la  no  linealidad.  En  este  sentido,  entre  mas  amplio  sea  el  intervalo  de  calibración  seleccionado,  las  características  operacionales  llevaran  a  una  mayor  incertidumbre  debido a la no linealidad. 

   

Las  turbinas  eólicas  modernas  empiezan  su  operación    a  2  ms‐1.  A  velocidades  por  debajo de 4 ms‐1 la producción de potencia es limitada, debido a la baja densidad de  potencia del flujo de viento. El desempeño optimo (mayor coeficiente de potencia) se  obtiene  en  un  intervalo  de  8  ms‐1  a  10  ms‐1.  La  potencia  de  salida  aumenta  con  la  velocidad  del  viento  hasta  que  esta  alcance  su  valor  nominal,  normalmente  establecido en un intervalo de 12 ms‐1 a 16 ms‐1. Por encima de la velocidad nominal y  la velocidad de “cut‐out”, el sistema de control de la turbina mantiene la potencia de  salida estable e independiente de la velocidad del viento. 

 

(12)

dentro del rango de 4 ms  a 16 ms  [5].   

El objetivo de este trabajo fue realizar una metodología para calibrar anemómetros de  copa  que  facilite  al  usuario  realizar  esta  técnica  de  forma  organizada.  Se  calibró  un  anemómetro de copas tomando como patrón de referencia un  Tubo de Pitot tipo L de  cabeza  elipsoidal  y  el  intervalo  de  4  ms‐1  a  16  ms‐1  .  Para  alcanzar  el  objetivo,  este  trabajo comprende 4 capítulos que se describen a continuación: 

 

El capítulo 1 describe el estado del arte que concierne a trabajos sobre calibración de  anemómetros  de  copa  con  diferentes  intervalos  de  calibración,  en  diversas  instalaciones. 

 

El  capitulo  2  comprende  un  marco  teórico  acerca  del  funcionamiento  de  distintos  anemómetros.  También  se  estudió  conceptos  básicos  de  medición  y  de  flujo  en  conductos. 

 

El capítulo 3 presenta la metodología realizada para la calibración del anemómetro de  copa.  También se describe la instalación experimental y la instrumentación utilizada  para la calibración.  

 

El  capítulo  4  muestra  el  análisis  de  los  datos  obtenidos  de  la  calibración,  y  se  presentan conclusiones finales.  

 

(13)

       

CAPÍTULO 1. 

(14)

1.1. 

Normas de calibración de anemómetros de copa 

  

 

Coquilla  (2009)  realizó  un  análisis  comparativo  sobre  varias  normas  para  la  calibración  de  anemómetros.  El  estudio  consta  de  tres  publicaciones  para  anemómetros rotatorios que presentan protocolos de prueba: ASTM D 5096‐02, ISO  17713‐1, los cuales se utilizan en aplicaciones meteorológicas, y  IEC 61400‐12‐1, el  cual  es  recomendado  para  anemómetros  utilizados  en  pruebas  de  desempeño  de  turbinas eólicas. Para anemómetros sónicos fueron analizados el ASTM D 6011‐96 y el  ISO 16622.  

   

Un punto común de todos estas normas es que la calibración debe ser realizada en un  túnel  de  viento  en  estado  estacionario,  en  donde  las  condiciones  locales  aíslen  el  desempeño del sensor de alteraciones como vibraciones y vientos fuera de ángulo. Los  procedimientos marcados en IEC 61400‐12‐1 también especifican que las velocidades  de referencia del túnel de viento se medirán usando tubos de Pitot. 

   

(15)

Gradiente  horizontal del  viento  Diferencial de presión  dinámica en el área cubierta  por el anemómetro de copas  Debe ser menor a 0.2 %   Intensidad de  Turbulencia  Cociente de la desviación  estándar de la velocidad del  viento entre la velocidad  media  Debe ser menor a 0.2 %       

La  IEC61400‐12‐1  determina  procedimientos  para  clasificar  los  anemómetros  de  copa, lo cual sirve para catalogarlos basándose en su características de desempeño en  un  ambiente  en  particular.  La  clasificación  se  basa  en  tres  tipos  de  pruebas  de  sensibilidad:  1)  respuesta  angular,  2)  efectos  dinámicos  debido  a  la  aceleración  y  desaceleración  debido  al  torque  del  rotor,  3)  torque  de  fricción  de  balero  para  un  intervalo  de  temperaturas  ambientales.  Para  la  clasificación  también  se  toma  en  cuenta el terreno, se divide en Clase A y Clase B, el último siendo más complejo.  

 

 

La ASTM (American Society for Testing Materials) definió en 1990 la norma ASTM D  5096‐02  para  probar  el  desempeño  de  anemómetros  de  copa  o  propela  utilizados  para  aplicaciones  generales  de  meteorología.  El  propósito  de  esta  norma  es  proporcionar  un  método  de  calibración  que  produzca  una  función  de  transferencia  para el anemómetro y determine ciertas características de desempeño.  

   

La  metodología  de  calibración  consta  de  20  mediciones  de  velocidad,  10  de  forma  ascendente y los 10 siguientes de forma descendente. La primera medición tendrá el 

valor  de  dos  veces  el  umbral  de  arranque  del  anemómetro  (U0),  así  hasta  llegar  a  6 

veces  el  valor  de  U0.  Las  mediciones  siguientes  tendrán  el  valor  de  0.1  veces  la 

velocidad máxima de aplicación (Umax), hasta llegar a 0.5 veces Umax. Los métodos para 

categorizar los tipos de anemómetros de acuerdo a sus características de desempeño:   

 

1) umbral  de  arranque,  es  la  velocidad  a  la  cual  el  anemómetro  comienza  a 

rotar. 

2) constante de distancia, análoga a la constante de tiempo, es la distancia que 

el aire cruza al rotor del anemómetro hasta que el anemómetro alcance la  velocidad de equilibrio. 

3) respuesta fuera del eje, el anemómetro se somete a rotaciones del ángulo 

(16)

 

La  norma  ISO  17713‐1  también  se  utiliza  para  probar  el  desempeño  de  los  anemómetros rotatorios. Ésta se basó en la ASTM D 5096‐02, con actualizaciones en  algunos  procedimientos,  mientras  que  los  requerimientos  del  túnel  de  viento  son 

similares. La resolución de medición debe ser de 0.1ms‐1  ó más alta, y los intervalos 

de velocidad se redefinieron para que cubran enteramente el intervalo de aplicación.  Esta norma, al igual que la ASTM D 5096‐02, no recomienda utilizar los resultados de  la  función  de  transferencia  de  calibración  para  extrapolar  mas  allá  del  intervalo  medido, ya que esto resultaría en incrementos de la incertidumbre de medición.    

La medición del viento en los anemómetros sónicos se determina mediante el cambio  en  la  propagación  de  ondas  de  sonido  debido  a  la  magnitud  de  un  flujo  entrante  de  viento atmosférico entre un transmisor de sonido y un receptor. Dado que estos tipos  de  sensores  son  dependientes  de  la  velocidad  del  sonido,  son  extremadamente  sensibles  a  la  densidad  atmosférica  local  y  al  ángulo  del  viento  incidente.  La  calibración  para  los  anemómetros  sónicos  es  realizada  en  una  cámara  denominada  “cero‐viento”, donde se involucra la medición de la longitud de trayectoria acústica y  tiempos  de  transición.  Para  completar  la  prueba  de  un  sensor  sónico,  es  necesario  evaluar  el  sensor  a  través  de  diversos  ambientes  de  temperatura  y  presión  en  la  cámara “cero‐viento”, y medir la respuesta del sensor en diferentes ángulos del flujo  de entrada simulado en el túnel de viento.  

   

1.2. 

Calibración de anemómetros de copa en campo 

 

 

 

En  el  artículo  publicado  por  Paulsen,    Mortensen  y  Hansen  (2010)  se  describe  el  método  de  calibración  de  anemómetros  de  copa  que  utilizaron  en  campo  y  sus  resultados.  El  arreglo  de  la  instalación  son  10  anemómetros  de  copa  a  calibrarse  montados en fila en una torre de 10 m de altura, con el instrumento de referencia en el  centro.  La  referencia  es  un  anemómetro  de  copas  calibrado  en  un  túnel  de  viento  certificado,  así  que  se  conoce  la  relación  entre  la  velocidad  del  viento  y  la  señal  de  salida del instrumento.  

 

(17)

el Cairo para la rehabilitación y recalibración de sus anemómetros para la medición  del recurso eólico en Egipto.  

 

En  la  instalación  la  torre  se  monta  perpendicular  a  la  dirección  del  viento  predominante, en este caso perpendicular a la dirección del vector de velocidad media  del viento. El terreno aguas arriba de los anemómetros debe ser tan plano y uniforme  como sea posible, preferiblemente sin obstáculos cerca de la torre.  

   

La metodología tiene 2 requerimientos importantes para proveer datos de calibración  confiables para los anemómetros:  

 

‐ La comparación debe realizarse en un periodo de tiempo largo e intervalos de 

velocidades  de  viento  tales  que  las  calibraciones  sean  estadísticamente  estables y confiables.   

‐ Los  anemómetros  deben  experimentar  las  mismas  condiciones  de  viento  en 

cada intervalo de recolección de datos, los cuales duran 10 min.   

 

Los pasos para la calibración son:    

1.Dar como resultado una serie de datos de las copas individuales. 

2.Selección de anemómetros de copa sin fallas basado en el análisis de la serie de 

datos.  

3.Procesar los archivos realizando una selección y regresión de los datos.  

4.Obtener el resultado gráfico.  

5.Evaluar  los  resultados  y  discusión  de  los  datos  atípicos  de  acuerdo  a  la 

desviación máxima de ±0.1ms‐1

6.Grafica de resultados y resumen.  

 

Hasta  el  momento  se  han  calibrado  37  anemómetros  con  esta  metodología  en  la  instalación  descrita  previamente.  Los  coeficientes  de  correlación  son  mejores  que  0.999895  (  valor  medio  )  para  anemómetros  de  copa  con  buenas  condiciones  de 

operación.  La  desviación  estándar  en  los  valores  de  ganancia  es  de  0.003  ms‐1.  La 

desviación estándar en los valores de compensación es de 0.01 ms‐1 , y a 8 ms‐1 y el 

valor del error de la velocidad media  ∆U/U es menor a 0.1 % .   

(18)

 

La metodología es lo suficientemente precisa para la calibración de anemómetros de  copa para la evaluación del recurso eólico y proporciona una aproximación simple y  confiable para la calibración de estos instrumentos en localidades con acceso limitado  a túneles de viento de calidad alta. Se debe continuar con los análisis de trazabilidad y  de las diferentes fuentes de incertidumbre. El método indica la condición técnica de  los anemómetros, lo cual puede ser útil para determinar si estos necesitan revisión o  no. La figura 1 muestra la  calibración del anemómetro #377 contra el anemómetro de  referencia #1386.  

   

(19)

1.3. 

La calibración anemométrica para el recurso eólico  

  

         

Flores  et  al.  (2009)  desarrollaron  una  metodología  para  la  calibración  de  un  anemómetro  de  copas  de  acuerdo  a  la  norma  británica  BS‐1042.  La  metodología  consiste en la caracterización del equipo de calibración, medición de las velocidades  con  un  instrumento  patrón  y  relacionarlas  con  las  del  anemómetro  para  obtener  el  factor de calibración correspondiente y el porcentaje de error de este último. 

     

Para la calibración se utilizo una instalación que consiste de un ventilador centrifugo,  una sección de pruebas en la descarga del ventilador, un motor eléctrico y un variador  de velocidad para controlar las revoluciones por minuto del motor y la velocidad de  flujo de aire. La sección de pruebas circular tiene un diámetro de 0.3 m de diámetro,  con  una  longitud  de  3.90  m.  La  zona  de  calibración  se  encuentra  a  2.82  m  de  la  descarga  del  ventilador  (9.5  diámetros)  y  1.08  m  antes  del  final  de  la  sección  de  pruebas  (3.5  diámetros).  La  zona  de  calibración  cuenta  con  una  mirilla  de  acrílico  y  tiene  dos  perforaciones  en  la  parte  superior  para  introducir  instrumentos  de  medición, tales como los tubos de Pitot. 

     

Para  efectuar  la  calibración  se  caracterizó  la  sección  de  pruebas  del  túnel  de  viento  obteniendo  los  perfiles  de  velocidad  utilizando  un  tubo  estático  de  Pitot  de  nariz  elíptica  en  la  zona  de  pruebas  y  en  la  descarga;  también  se  utilizó  un  manómetro  inclinado,  para  determinar  las  presiones  dinámicas  y  estáticas.  En  la  figura  2  se  muestran  los  perfiles  de  velocidad  en  la  zona  de  calibración  y  en  la  descarga,  los  cuales  se  muestran  uniformes  sin  distorsiones  notables,  es  decir,  las  variaciones  de 

velocidad  son  de  aproximadamente ±10  %,  siendo  esto  un  flujo  aceptable  para  la 

calibración [1].  

(20)

   

Figura 2. Perfiles de velocidad   a) Zona de calibración; b) Zona de descarga. 

   

La calibración se realizó en las velocidades 5, 10, 15 y 20 ms‐1. La velocidad promedio 

se  obtiene  al  determinar  la  presión  dinámica,  la  cual  se  utiliza  para  calibrar  el  anemómetro.  A  continuación  se  obtiene  el  coeficiente  de  corrección  k  para  las  velocidades  de  calibración,  el  cual  se  determina  del  cociente  de  la  velocidad  de  referencia  (  medida  con  el  tubo  de  Pitot  )  y  la  velocidad  de  prueba  (  medida  con  el 

anemómetro  de  copas  ).  Posteriormente  se  grafica  la  velocidad  de  referencia  (Vr) 

(21)

calibrando corregida ( anemómetro de copas ). Al final, se calcula el error relativo de  la  calibración,  el  cual  se  determina  mediante  la  diferencia  de  la  velocidad  corregida  del anemómetro y la velocidad de referencia del tubo de Pitot con respecto a la misma  velocidad de referencia.  

 

La  figura  3  muestra  la  gráfica  elaborada  utilizando  la  velocidad  de  referencia  (Vr) 

contra coeficiente de corrección (k). Además se obtuvo la ecuación de esta gráfica, la  cual se muestra en la figura 7, así como el factor de correlación. Con esta ecuación se  obtiene  el  factor  k  corregido,  el  cual  se  aplica  a  la  velocidad  del  anemómetro.  La  calibración  de  los  anemómetros  analizados  se  define  mediante  las  ecuaciones 

obtenidas de las graficas de tendencia, donde la velocidad de referencia Vr es un factor 

determinante  para  calibrar  únicamente  en  los  intervalos  de  medición  realizados,  es  decir, únicamente para interpolar y no para extrapolar. 

     

  Figura 3. Relación del factor de corrección k contra velocidad de referencia. 

   

     

(22)

 

CAPÍTULO 2. MARCO 

TEÓRICO 

SOBRE 

ANEMÓMETROS, 

METROLOGÍA, 

FLUJO 

EN 

CONDUCTOS 

 

(23)

   

2.1. Medición de velocidad del viento y el uso de los anemómetros de copa 

   

El  viento  es  un  recurso  renovable,  ya  que  se  deriva  de  la  energía  solar.  Para  el  aprovechamiento de este recurso utilizando turbinas eólicas es necesaria la medición  correcta de su velocidad, específicamente la velocidad media, mediante instrumentos  llamados anemómetros. Estos instrumentos se pueden caracterizar según su principio  de  funcionamiento.  La  figura  4  muestra  un  diagrama  de  clasificación  de  algunos  anemómetros según su principio de funcionamiento: 

 

  Figura 4. Clasificación de anemómetros 

   

2.1.1. Anemómetros sónicos  

 

El  principio  de  funcionamiento  de  los  anemómetros  sónicos  (acústicos)  consiste  en  medir  con  alta  precisión  el  tiempo  que  toma  un  pulso  acústico  de  alta  frecuencia  (normalmente  100  kHz)  en  atravesar  una  trayectoria  de  longitud  conocida  en  la  dirección del viento y opuesta a ella.  El tiempo se relaciona con la velocidad del viento  a través de la ecuación (1) [6]: 

 

∆�= !!

!!�!      (1) 

 

donde:   

� = velocidad del sonido [ms‐1] 

d = longitud de onda [m] 

vd = velocidad del viento[ms‐1] 

     

Anemómetro

Acústico

Térmico

Mecánico

Copas

(24)

   

Los  anemómetros  sónicos  modernos  se  han  desarrollado  principalmente  como  una  herramienta para la investigación de la turbulencia en la capa límite atmosférica. Un  anemómetro  sónico  de  3  ejes  provee  una  medición  de  un  vector  tridimensional  de  viento con una  resolución alta [6].  La figura 5 muestra un anemómetro sónico. 

 

  Figura 5. Anemómetro sónico  

 

Los principales atributos del anemómetro sónico son su resolución y  precisión, con  los  cuales  puede  medir  el  vector  total  de  velocidad  del  viento,  además  de  brindar  mediciones confiables de flujos con ángulos incidentes. El anemómetro sónico no esta  diseñado  para  medir  la  velocidad  promedio,  una  desventaja  es  la  geometría  de  las  cabezas  sensoras  de  estos  anemómetros,  la  cual  induce  a  un  grado  de  distorsión  de  flujo el cual produce errores de medición [6]. 

 

2.1.2. Anemómetro de hilo caliente    

El  principio  de  operación  del  anemómetro  de  hilo  caliente  (AHC)  se  establece  mediante  una  relación  entre  la  resistencia  de  un  sensor  y  su  temperatura,  con  la  ecuación (2):  

 

� =�![1+�(�−�!)]      (2) 

donde:    

R0=resistencia de referencia medida a la temperatura T0  [Ω] 

(25)

T=temperatura del sensor [°C] 

T0=temperatura de referencia [°C] 

 

 Una  corriente  pasa  a  través  del  sensor  para  calentarlo  hasta  cierta  temperatura  de  referencia  deseada  más  alta  que  la  del  fluido  que  lo  rodea.  Dada  la  relación  proporcional  entre  la  temperatura  y  la  resistencia,  la  resistencia  del  sensor  se  mantiene  constante  en  el  valor  de  la  de  referencia,  y  el  sensor  se  configura  para  detectar cambios en su valor de resistencia.  

   

El fluido incide en el sensor, y según la magnitud de su velocidad habrá un cambio en  la temperatura. Al cambiar la temperatura se modifica el valor de la resistencia, y el  AHC retroalimenta esta señal enviando más o menos corriente para reajustar el valor  a  la  temperatura  y  resistencia  de  referencia.  Debido  a  que  la  corriente  enviada  al  sensor  variará  con  los  cambios  de  velocidad  del  fluido,  la  potencia  instantánea  requerida  para  mantener  la  temperatura  constante  es  equivalente  a  la  tasa  de  transferencia de calor desde el sensor. La relación entre la rapidez de transferencia de  calor  del  sensor  y  la  velocidad  del  fluido  de  enfriamiento  esta  dada  por  la  ecuación  (3):  

   

= ! = +�!       (3)      donde: 

 

�=rapidez de transferencia de calor del sensor [W] 

A = constante que depende de las propiedades físicas del fluido  B= constante que depende de las propiedades físicas del fluido  N= constante que depende de las dimensiones del sensor   I = corriente [A] 

R= resistencia del sensor [Ω] 

A, B y n se obtienen mediante la calibración. 

U=velocidad del fluido [ms‐1

(26)

2.1.3. Anemómetro de propela   

El  anemómetro  de  propela  es  un  anemómetro  de  tipo  rotatorio,  está  diseñado  para  que la tasa de rotación sea proporcional linealmente con la velocidad del viento, y éste  responde principalmente a la porción del vector de viento que es paralelo al eje del  rotor.  Este  instrumento  utiliza  una  veleta  en  la  cola,  la  cual  mantiene  la  propela  apuntando  hacia  el  viento.  Al  utilizar  este  par  de  elementos  juntos,  se  obtiene  una  unidad  que  brinda  información  acerca  de  la  dirección  y  la  velocidad  del  viento  al  mismo tiempo. La velocidad de arranque de este instrumento es muy baja debido a su   nivel alto de torque aerodinámico, esto es una ventaja sobre algunos anemómetros de  copas que tienen las mismas características.  

 

Una desventaja del anemómetro de propela con veleta es su incapacidad de seguir los  cambios de dirección de viento en un ambiente turbulento real, lo cual puede resultar  en  una  lectura  de  la  velocidad  del  viento  menor  a  la  real  debido  a  que  este  efecto  puede colocar el rotor fuera del eje del vector del viento. El uso de anemómetros de  propela  para  la  evaluación  de  desempeño  de  una  turbina,  especialmente  dentro  de  una granja eólica, no es recomendado. Las experiencias utilizando dichos equipos en  una granja eólica densamente poblada han revelado errores de medición de la porción  de la velocidad del viento paralela al eje de la propela los cuales exceden el 25 % bajo  ciertas condiciones atmosféricas de flujo [6]. La figura 6 muestra un anemómetro de  propela con veleta. 

   

(27)

   

2.1.4. Anemómetro de copas   

El  anemómetro  de  copas  es  también  de  tipo  rotatorio,  esta  integrado  por  3  copas  semiesféricas  o  cónicas  unidas  a  un  rotor  el  cual  se  ensambla  a  un  eje  que  rota,  contenido en un cuerpo cilíndrico. La parte inferior del eje esta acoplado a un pequeño  generador cuya salida análoga se convierte en datos de velocidad del viento [8]. 

El anemómetro de copas mide la velocidad de viento horizontal, es decir, √(u2 + v2,  y 

responde de igual forma al viento que corre en cualquier dirección sobre este plano.  La medición de este parámetro es clave para evaluar el potencial eólico de un sitio y  algunas características de las turbinas eólicas, es por eso que este instrumento es el  mas utilizado para estas actividades [6]. La figura 7 muestra un anemómetro de copas.   

 

  Figura 7. Anemómetro de copas 

   

2.2. Concepto básicos de medición    

2.2.1. Sistema general de medición    

Una medición es la acción de asignar un valor específico a una variable física, donde  esta  es  la  variable  medida.  Un  sistema  de  medición  es  una  herramienta  que  se  usa  para cuantificar la variable medida, y se compone de cuatro etapas generales:  

(28)

a) Etapa del sensor‐transductor: En esta etapa el sensor es un elemento físico que  utiliza algún fenómeno por el cual detecta la variable que mide; el transductor  convierte  esta  información  detectada  en  una  forma  de  señal,  puede  ser  eléctrica, mecánica, óptica o de alguna otra forma. La finalidad es transformar  esta  información  detectada  en  una  forma  que  se  pueda  cuantificar  con  facilidad.  

   

b) Etapa de acondicionamiento de la señal: El equipo de acondicionamiento de la 

señal toma la señal del transductor y la modifica en la magnitud deseada. Esta  etapa intermedia opcional puede usarse para realizar tareas como incrementar  la magnitud de la señal mediante amplificación o eliminar partes de la señal a  través de técnicas de filtrado. Esta etapa puede tener uno o mas dispositivos,  los cuales frecuentemente se conectan en serie. 

   

c) Etapa de salida: En esta fase se indica o registra el valor medido; puede ser una 

pantalla de lectura, una escala marcada o un mecanismo de registro, como la  unidad de disco de una computadora.  

   

d) Etapa  de  realimentación  y  control: Esta  integrado  por  un  controlador  que 

interpreta  la  señal  medida  y  toma  decisiones  con  respecto  al  control  del  proceso, esta decisión da por resultado una señal que cambia el parámetro del  proceso que afecta la magnitud de la variable medida; esta etapa regularmente  esta  incluida  en  los  sistemas  de  medición  involucrados  en  el  control  de  procesos. La figura 8 muestra un esquema de un sistema de medición [7].   

(29)

  Figura 8. Componentes de un sistema general de medición [7] 

         

2.2.2. Conceptos de mediciones    

Una variable es una entidad que influye en una prueba experimental, estas se pueden  clasificar de diferentes maneras. Existen variables dependientes e independientes, la  primera  es  afectada  por  cambios  en  una  o  mas  variables  involucradas  en  la  prueba,  mientras la segunda no varia independientemente del cambio en las demás variables.  Regularmente, la variable a medir esta sujeta a cambiar si cambian las variables que  controlan el proceso. 

   

Una variable se clasifica también como controlada o extraña, la primera es aquella que  se puede mantener en un valor constante o en alguna condición prescrita durante una  medición, mientras que la segunda no se puede controlar durante la medición, pero  afecta  el  valor  de  la  variable  medida.  Las  variables  extrañas  que  afectan  los  datos  medidos  pueden  describirse  como  ruido  e  interferencia;  el  ruido  es  una  variación  aleatoria del valor de la señal medida como una consecuencia de las variación de las  variables  extrañas.  Un  parámetro  es  una  agrupación  funcional  de  variables,  por  ejemplo el número de Reynolds, su valor se determina a partir de los valores de un  grupo de variables [7]. 

(30)

   

2.2.3. Calibración     

 

Se  define  como  un  procedimiento  que  utiliza  datos  conocidos  de  entrada  introduciéndolos  a  un  sistema  de  medida  para  observar  los  valores  de  salida  del  sistema y establecer una relación entre ambos. El valor conocido que se usa para la  calibración  se  conoce  como  el  estándar.  El  tipo  de  calibración  mas  frecuente  es  conocido  como  calibración  estática,  en  el  cual  un  valor  conocido  es  la  entrada  al  sistema que se calibra y la salida del sistema se registra. Los valores de estas variables  involucradas no cambian con el tiempo ni el espacio, por eso se denomina “estática”,  además  que  solo  son  importantes  las  magnitudes  de  la  entrada  conocida  y  la  salida  medida.  

   

Al  aplicar  un  intervalo  de  valores  de  entrada  conocidos  y  observar  los  valores  de  salida  del  sistema,  se  desarrolla  una  curva  de  calibración  directa  para  el  sistema  de  medición. En esta curva, la entrada “X” se grafica en la abscisa contra la salida medida  “Y”  en  la  ordenada;  regularmente  el  valor  de  entrada  es  una  variable  independiente  controlada, mientras que el valor de la salida medida es la variable dependiente de la  calibración. 

   

(31)

  Figura 9. Curva representativa de calibración estática [7]   

 

Las variables de interés pueden ser dependientes del tiempo ( o espacio ), y cuando se  necesita  este  tipo  de  información,  se  requiere  información  dinámica,  ya  que  estas  variables  son  dependientes  del  tiempo  (  o  espacio  )  en  su  magnitud  como  en  su  contenido  de  frecuencia.  Las  calibraciones  dinámicas  se  utilizan  para  determinar  la  relación  entre  una  entrada  de  comportamiento  dinámico  conocido  y  la  salida  del  sistema de medición, estas calibraciones implican la aplicación de una señal sinusoidal  o un cambio en escalón como la señal de entrada conocida. 

   

La sensibilidad estática es una medida que relaciona el cambio en la salida indicada  asociada con determinado cambio en una entrada estática. La pendiente de una curva  de  calibración  estática  proporciona  la  sensibilidad  estática  del  sistema  de  medición,  como se muestra en la figura 9, donde K ( sensibilidad estática ) en cualquier valor de  entrada estático particular se evalúa como se señala en la ecuación (4) [7]: 

   

 �=� �

! =

!" !" !

!! !

       (4) 

(32)

Una  calibración  aplica  entradas  conocidas  en  un  intervalo  desde  valores  mínimos  hasta  el  máximo,  para  los  que  se  utiliza  el  sistema  de  medición.  El  intervalo  de 

operación del sistema se define mediante límites, desde xmin hasta xmax, este intervalo 

es equivalente a especificar el intervalo de operación de salida, de ymin a ymax. Durante 

la  medición  es  conveniente  evitar  la  extrapolación  mas  allá  del  intervalo  de  la  calibración  conocida,  ya  que  el  comportamiento  del  sistema  de  medición  no  esta  registrado en estas regiones. 

 

La resolución representa el incremento mas pequeño que puede discernir en el valor  medido. En términos del sistema de medición, se cuantifica por el menor incremento  en la escala o el menos importante ( el dígito menos significativo ) del indicador de  lectura de resultados [7]. 

   

2.2.4. Error e incertidumbre en las mediciones    

 

El  error  en  la  medición  es  la  diferencia  entre  el  valor  asignado  por  la  medición  y  el  valor verdadero de la variable. El valor verdadero no se conoce, se conoce solamente  el  valor  medido,  así  que  mientras  no  se  pueda  calcular  el  error  real,  se  estima  un  intervalo del error probable de la medición que se conoce; la estimación es conocida 

como incertidumbre  en  el  valor  medido.  La  incertidumbre  establece  un  intervalo 

alrededor del valor medido dentro del cual se cree que el valor verdadero debe caer.  El  proceso  de  identificar,  cuantificar  y  combinar  los  errores  es  llamado  análisis  de  incertidumbre, y es una herramienta útil para: evaluar diferentes sistemas, métodos  de  medición,  diseño  del  plan  de  prueba  y  reporte  de  la  calidad  del  resultado  determinado. 

   

Los errores son una propiedad de la medición, y se introducen por varios elementos,  como  el  conjunto  finito  de  datos  estadísticos  o  la  aproximación  usada.  Estos  se  clasifican en 2 tipos: aleatorios y sistemático. La figura 10 muestra la relación entre el  valor verdadero y el conjunto de datos medidos con errores sistemáticos y aleatorios.  Se  visualiza  que  el  error  sistemático  aleja  la  media  de  la  muestra  de  la  media  verdadera  de  la  variable  por  una  cantidad  fija,  mientras  que  el  error  aleatorio  proporciona  una  distribución  de  valores  medidos  en  torno  a  la  media  de  la  muestra[7]. 

(33)

   

  Figura 10. Distribución de errores en mediciones repetidas [7]   

 

2.3. Análisis de flujo en conductos     

2.3.1. Número de Reynolds    

 Este parámetro adimensional caracteriza la relación entre las fuerzas de inercia y las  fuerzas  viscosas,  y  es  un  criterio  para  determinar  el  régimen  de  flujo  en  diferentes  geometrías , como se muestra en la ecuación (5) [10]: 

   

��

=

!"#$%&' !"#$!"#$%&

!"#$%&' !"#$%#&#

=

!"#

!

=

!"

!       (5)

 

 

donde:   

L = Longitud característica  [m] 

=velocidad promedio [ms‐1] 

� =densidad [kg m‐3] 

= viscosidad dinámica [kg m‐1s‐1] 

= viscosidad cinemática [m2s‐1] 

(34)

Los  valores  que  limitan  el  régimen  de  flujo  dependen  de  si  el  flujo  es  interno  o  externo, además de la geometría de la superficie, si es un cilindro o una placa plana.    

 

Para este trabajo, la sección de pruebas es un ducto rectangular, así que el número de  Reynolds se basara en el diámetro hidráulico descrito en la ecuación (6) [10]:  

     

!

=

!!!

!       (6) 

     

donde:  

AC= área de sección transversal de la tubería [m2] 

 p =perímetro húmedo [m]   

Podemos definir regímenes generales de flujo, de acuerdo a los diferentes Re que se  muestran en la tabla 2 [11] :  

     

Tabla 2. Regímenes de flujo [11] 

0  <  Re  <  1  Laminar 

Altamente viscoso 

1  <  Re  <  100  Laminar 

Fuerte dependencia de Re  100  <  Re  <  103  Laminar 

Posibilidad de usar la teoría de capa  límite 

103  Re  104  Transición turbulenta 

104  Re  106  Turbulento, dependencia moderada de  Re 

106  Re  ∞  Turbulento, leve dependencia de Re   

(35)

       

2.3.2. Perfiles de velocidad     

Las gráficas de perfiles indican cómo varía el valor de una propiedad escalar a lo largo  de una dirección deseada en el campo de flujo. Las variables que se pueden graficar  puede  ser  cualquier  variable  escalar  (  presión,  temperatura,  densidad,  etc.  ).  La  velocidad es una cantidad vectorial, debido a esto normalmente se traza la grafica de  la magnitud de la velocidad o de una de las componentes del vector velocidad como  función de la distancia en alguna dirección deseada [10]. 

   

La instalación que se utilizará para la calibración es de flujo interno, ya que el túnel de  viento  confina  el  flujo.  En  la  figura  11  se  muestra  una  descripción  grafica  de  la  evolución del flujo desde la entrada del ducto hasta una distancia suficiente para que  el flujo se desarrolle completamente. 

   

 La  región  de  entrada  se  caracteriza  debido  a  que  en  ésta  es  donde  se  empiezan  a  formar los perfiles de velocidad, tiene dos zonas, las capas límite donde se sienten los  efectos de los esfuerzos cortantes provocados por la viscosidad del fluido, y el núcleo  no viscoso, donde los efectos de fricción son despreciables y la velocidad permanece  sustancialmente constante en la dirección radial. A través de esta región, los perfiles  de velocidad van cambiando de configuración, de una forma “aplanada” hasta un perfil  completamente desarrollado, parabólico en el flujo laminar, y un poco mas plano en el  flujo  turbulento,  debido  al  movimiento  de  vórtices  y  a  una  mezcla  mas  viva  en  la  dirección radial.  

   

El punto donde se unen las capas limite es donde el flujo y el perfil de velocidad pasan  de  estar  en  desarrollo  a    completamente  desarrollado.  El  perfil  de  velocidad  desarrollado permanece constante aguas abajo a partir de este punto, debido a que el  esfuerzo  en  la  pared  es  constante  y  la  presión  disminuye  linealmente  en  dirección  axial,  en  flujo  laminar  y  turbulento.  En  la  figura  11  y  12  se  muestra  lo  explicado  anteriormente [11]. 

(36)

  Figura 11. Desarrollo de los perfiles de velocidad y variación de la presión en la entrada de un conducto. 

[11]   

 

  Figura 12. Perfiles de velocidad completamente desarrollados: 

a) Flujo laminar b) Flujo turbulento. [11]   

(37)

2.3.3. Turbulencia     

En  los  fenómenos  cotidianos,  la  mayoría  de  los  flujos  son  de  régimen  turbulento.  A  diferencia  del  flujo  laminar,  donde  las  líneas  de  corriente  se  visualizan  de  forma  ordenada , el flujo turbulento es fluctuante, debido a esto sus propiedades (velocidad,  presión) tienen varias componentes y estos varían rápida y aleatoriamente en función  de la posición y el tiempo. En general, lo relevante de las propiedades es conocer sus  valores  medios  en  los  flujos  turbulentos,  esto  llevo  a  Osborne  Reynolds  en  1895  a  reescribir las ecuaciones de continuidad y cantidad de movimiento en términos de las 

medias temporales de las diversas variables turbulentas. La media temporal � de una 

función turbulenta u( x, y, z, t) se define partir de la ecuación (7)[11]:    

 

=

!

!

 

��

!

!       (7) 

 

donde: 

 T = periodo de promedio que debe ser mayor que cualquier periodo significativo de  las fluctuaciones.  

u = media temporal de u [ms‐1] 

u =velocidad en la dirección x [ms‐1

   

En  la  figura  13  se  muestran  los  valores  medios  de  la  velocidad  y  la  presión.  La 

fluctuación u’ se define como la desviación de � de su valor medio, presentada en la 

ecuación (8)[11]:   

´

=

 

 

 

 

 

 

 

(8) 

donde:    

u’ = fluctuación de velocidad [ms‐1

u = media temporal de u [ms‐1] 

u =velocidad en la dirección x [ms‐1

 

Una medida de la intensidad de la turbulencia es el cuadrado de la media, que se  muestra en la ecuación 9:  

 

´

!

=

! !

´

!

��

!

!

0

      (9) 

(38)

  Figura 13. Definición de media y fluctuación en un flujo turbulento: 

a) velocidad; b) presión [11]   

 

Por  lo  tanto,  la  turbulencia  en  la  componente  a  lo  largo  del  flujo  se  define  en  la  ecuación 10 [11]:  

 

��

=

!´!

!

  

 

 

 

 

 

 

(10) 

   

2.3.4. Ecuación de Bernoulli    

La ecuación de Bernoulli es una simplificación de la ecuación de momento lineal, como  se muestra en la ecuación (11), tomando en cuenta las siguientes consideraciones[9]:   

• Flujo permanente 

• Flujo incompresible ( densidad constante )  

• Flujo no viscoso  

• Flujo a lo largo de una línea de corriente 

 

!!

!

+

!!

!

+

��

=

���������

    

 

 

  (11) 

 

donde:   

Pe = presión estática [Pa] 

ρ = densidad[kg m‐3]  

(39)

g = gravedad [m s‐2

z = altura [m]   

2.4 Instrumentación    

2.4.1.Tubo estático de Pitot    

El  tubo  estático  de  Pitot  mide  la  presión  de  estancamiento  y  la  estática.  La  presión  estática es aquella que actúa normal a un elemento de superficie paralelo al flujo en un  fluido en movimiento; cuando un flujo incide perpendicularmente en un elemento de  superficie,  además  de  estar  presente  la  presión  estática,  surge  la  presión  dinámica  debido  al  impacto  en  la  superficie.  La  presión  dinámica  es  característica  del  movimiento  del  fluido,  y  depende  de  la  velocidad  y  de  la  densidad  del  fluido.  La  presión  total  o  de  estancamiento  es  aquella  que  se  presenta  cuando  un  fluido  en  movimiento se lleva al reposo en un proceso sin fricción, y es la suma de la presión  dinámica y la estática. El orificio de la punta del tubo de Pitot mide la presión total,  mientras que los orificios que están en el borde miden la presión estática. En la figura  14 se muestra un esquema de un tubo de Pitot estático. [12] 

   

   

Figura 14. Medición de velocidad con tubo de Pitot estático [13]   

(40)

   

=

!∗(!!!!!)

!

=

!∗(!!)

!

   

 

 

(14) 

donde: 

 

v =velocidad  

Pt=presión total 

Pe=presión estática 

Pd=presión dinámica 

 

2.4.2. Manómetro inclinado    

El manómetro es un instrumento utilizado para medir la presión diferencial basada en  la  relación  entre  la  presión  y  la  carga  hidrostática  equivalente  del  fluido.  Este  instrumento es muy parecido a un manómetro de tubo U, pero con un pie inclinado a 

un  ángulo �,  variando  desde  10  hasta 30° en  relación  con  la  horizontal.  Como  se 

muestra en la figura 15, un cambio de presión equivalente a una deflexión de altura H  en  un  manómetro  de  tubo  U  provoca  un  cambio  en  posición  del  menisco  en el tubo  inclinado según la ecuación 15[7]: 

 

�=� sen�      (15) 

 

donde:    

L=altura de líquido [m]  H=altura de menisco [m]   

 

(41)

 

CAPÍTULO 

3. 

METODOLOGÍA 

EXPERIMENTAL 

(42)

3.1. Descripción de la instalación experimental    

3.1.1. Túnel de viento de velocidad baja del LABINTHAP    

La calibración del anemómetro de copas se realizó en la sección de pruebas del túnel  de  viento  de  velocidad  baja  del  Laboratorio  de  Ingeniería  Térmica  e  Hidráulica  Aplicada (LABINTHAP), el cual se muestra en la figura 16 [18]:  

   

  Figura 16. Túnel de viento del LABINTHAP [18] 

   

El  flujo  de  aire  en  el  túnel  se  genera  mediante  un  ventilador  centrifugo  de  presión  media, de la marca VENTURI, modelo CIMO‐9X‐125 con un rodete de 9 alabes rectos 

inclinados hacia atrás con descarga a 0° , carcasa bipartida y transmisión de bandas en 

V  con  una  relación  de  velocidades  de  3:1,  accionado  por  un  motor  trifásico  jaula  de  ardilla, marca SIEMENS de 74.6 kW a 1775 RPM [16]. 

     

El  motor  eléctrico  se  controla  mediante  un  variador  de  velocidad  marca  EMERSON,  modelo LASER 3 de 55.95 kW de potencia de salida a par variable, 74.6 kW de salida  con  par  constante  y  frecuencia  de  salida  de  60  Hz,  la  cual  se  puede  variar  con  incrementos  de  1  Hz.  El  variador  permite  generar  diferentes  velocidades  en  las  secciones de pruebas del túnel de viento [16]. 

       

(43)

evitar la perturbación del flujo antes de que este entre en la cámara estabilizadora. La  cámara estabilizadora se fabrico de madera y mide 1.764 m de alto, 2.388 m de ancho  y  1.565  m  de  largo,  su  función  es  mejorar  la  calidad  de  flujo  mediante  paneles  hexagonales y mallas  [16]. 

   

La contracción fue hecha de madera con una relación de áreas de 9:1, y su función es  aumentar  la  velocidad  del  flujo  y  reducir  las  fluctuaciones  de  velocidad  como  las  variaciones  de  la  velocidad  promedio.  La  sección  de  pruebas  de  succión  esta  construida  de  acrílico  de  0.01  m  de  espesor  y  3  módulos  de  1  m  de  longitud.  Los  módulos tienen una sección transversal de 0.6 m por 0.8 m; esta sección alcanza una 

velocidad  máxima  de  65  ms‐1  y  esta  reforzada  con  solera  de  hierro  de  0.003  m  de 

espesor.  La  sección  de  pruebas  con  la  instrumentación  utilizada  se  muestra  en  la  figura 17.  

 

  Figura 17. Sección de pruebas con instrumentos montados 

(44)

 

3.2. Instrumentación utilizada en la experimentación    

3.2.1. Tubo estático de Pitot   

El tubo estático de Pitot tipo L es un tubo con una perforación concéntrica para medir  la  presión  total  y  siete  perforaciones  normales  al  tubo,  para  registrar  la  presión  estática, obteniéndose por diferencia de presiones, la presión dinámica. 

 

  Figura 18. Tubo estático de Pitot, tipo L de nariz elipsoidal  

 

3.2.2. Manómetro inclinado   

 

Para  medir  las  presiones  estática  y  dinámica  con  el  tubo  de  Pitot  se  utilizo  un  manometro inclinado que muestra la figura 19. El manometro de la marca AIRFLOW  tipo 4 posee dos columnas para medir intervalos de presión desde 0 Pa a 2 500 Pa y  de 0 Pa a 5 000 Pa respectivamente. La columna utilizada fue la columna que mide de  0 Pa a 5 000 Pa. 

   

  Figura 19. Manómetro inclinado utilizado en la experimentación  

(45)

   

3.2.3. Estación meteorológica    

Una  estación  meteorológica  es  una  instalación  escogida  apropiadamente  para  situar  los  distintos  instrumentos  que  permiten  medir  las  distintas  variables  que  afectan  al  estado  de  la  atmosfera.  Estos  instrumentos  pueden  estar  al  aire  libre,  mientras  que  otros  están  protegidos  en  una  garita  meteorológica,  que  es  una  casilla  donde  se  instalan los aparatos del observatorio meteorológico que se deben proteger. La tabla 3  muestra las características de la estación meteorológica en las variables de humedad  relativa, temperatura y presión barométrica. La figura 20 muestra un diagrama de una  estación  meteorológica  y  una  fotografía  de  la  estación  meteorológica  Digiquartz®  MET 3, instalada en el LABINTHAP [15].

 

Tabla 3. Características de la estación meteorológica [15]   

Variable  Intervalo de medición  Precisión 

Presión [hPa]  620 a 1100   ±0.08  

Humedad relativa [%]  0 a 100    ±2 

Temperatura [°C]  ‐50 a +60    ±0.5 °C 

   

  a)       b) 

Figura 20. Estación meteorológica a) Esquema de estación meteorológica [15]; b) Estación  meteorológica instalada en el LABINTHAP 

(46)

     

3.3. Metodología de calibración de anemómetro de copas   

1. Verificar  la  estación  meteorológica  para  obtener  y  registrar  la  densidad, 

presión atmosférica y humedad relativa.    

2. Ensamblar el anemómetro de copas en su base, de forma que el plano del rotor 

quede  paralelo  al  flujo,  en  el  centro  de  la  sección  de  pruebas.  Posicionar  el  brazo mecánico  aproximadamente 60 cm aguas abajo del punto donde esta el  anemómetro,  y  colocar  el  tubo  de  Pitot  en  el  brazo  mecánico.  Tener  cuidado  que la punta del tubo de Pitot quede a 10 cm de la pared superior de la sección  de pruebas y que la punta del tubo este alineada con el flujo. 

 

3. Preparar  el  manómetro  inclinado  para  su  uso,  verificando  que  este  llenado 

apropiadamente, y que el fluido del manómetro no este contaminado.   

4. Conectar  mangueras  plásticas  del  tubo  de  Pitot  al  manómetro  inclinado. 

Nivelar  el  manómetro  e  inspeccionar  las  conexiones  para  verificar  si  existen  fugas. 

 

 

5. Encender  el  anemómetro  y  sellar  los  orificios  de  la  sección  de  pruebas. 

Accionar el túnel de viento y dejar funcionar por 5 minutos el anemómetro a 

10 ms‐1 para evitar el efecto de la temperatura en la fricción mecánica de los 

baleros del anemómetro.   

6. Accionar el túnel de viento a 4 ms‐1 , y esperar 30 segundos para que el flujo se 

estabilice. Tomar la lectura del manómetro y del anemómetro, y registrarla en  la tabla de datos.  

 

7. Repetir el paso 6, incrementando el valor de velocidad en 2 ms‐1, hasta 16 ms‐1 .  

 

8. Accionar el túnel de viento a 15 ms‐1 , y esperar 30 segundos para que el flujo 

se estabilice. Tomar la lectura del manómetro y del anemómetro, y registrarla  en la tabla de datos. 

 

9. Repetir el paso 8, disminuyendo el valor de velocidad en 2 ms‐1, hasta 5 ms‐1 

 

10.Realizar  un  análisis  de  regresión  lineal  por  mínimos  cuadrados  de  los  datos 

(47)

      11.Sustituir un valor de x ( velocidad de anemómetro ) en la ecuación de la línea  de ajuste para obtener la velocidad del calibrando corregida.      3.4. Pruebas realizadas en el laboratorio     La tabla 4 muestra el formato de la hoja de datos utilizada para obtener los datos  experimentales antes de analizarlos.        Tabla 4. Formato para captura de datos experimentales        Formato calibración anemómetro de copas 

Fecha  Hora de inicio  Hora de terminación 

14‐Sep‐12  16:34 h  17:24 h 

Temperatura Ambiente  [K]  Presion Atmosférica  [kPa]  Humedad Relativa  [%] 

293.8  78.42  56.3 

Frecuencia Túnel de Viento  [Hz]  Lectura de manómetro inclinado  [kPa]  Velocidad del anemometro  [m/s] 

4  0.11  4.4 

6  0.23  6.4 

8  0.41  8.5 

10  0.68  10.8 

12  0.89  12.2 

14  1.31  14.5 

16  1.65  16.75 

15  1.54  15.75 

13  1.11  13.5 

11  0.79  11.5 

9  0.53  9.4 

7  0.31  7.2 

5  0.16  5.3 

(48)

           

 

CAPÍTULO 4. 

ANÁLISIS DE 

RESULTADOS 

 

(49)

      4.1.Resultados de mediciones     La tabla 5 presenta las condiciones atmosféricas de  2 calibraciones realizadas.   Estas condiciones se obtuvieron de la estación meteorológica.    Tabla 5. Condiciones atmosféricas  31 octubre 2012 

  Media  Mínimo  Máximo 

Temperatura [C]  23.05  22.9  23.2 

Presión atmosférica 

[kPa]]  77.18  77.9  78.04 

Humedad relativa [%]  31.8  31.4  32.2 

Densidad del aire [kg m‐3 0.92  0.92  0.92 

16 noviembre 2012 

  Media  Mínimo  Máximo 

Temperatura [C]  22.9  22.8  23.0 

Presión atmosférica  [kPa]] 

78.25   

78.2  78.3 

Humedad relativa [%]  32.1  31.2  33 

Densidad del aire [kg m‐3 0.92  0.92  0.92 

  La duración de la calibración variaba entre 30 y 40 minutos. En este lapso de tiempo la  variación de la densidad del aire que se registro no fue más del 1%, esto descarta el  efecto que una variación significativa de la densidad pudiera tener en el cálculo de la  velocidad del aire con el tubo estático de Pitot.    La tabla 6 muestra los resultados de las mediciones realizadas en 2 calibraciones:    Tabla 6. Resultados de mediciones  31 octubre 2012  Frecuencia de túnel de viento  [Hz] 

Velocidad anemómetro [ms‐1 Velocidad referencia [ms‐1

4  3.5  3.9 

6  5.6  5.8 

8  7.2  7.94 

10  8.9  9.94 

12  10.6  11.9 

14  12.2  13.7 

16  13.8  15.89 

15  13  14.72 

13  11  12.85 

11  9.5  10.89 

9  7.8  8.87 

7  6  7.02 

5  4.2  4.9 

(50)

 

 

16 noviembre 2012  Frecuencia de túnel de viento 

[Hz]  Velocidad anemómetro [ms

‐1 Velocidad referencia [ms‐1

4  3.4  3.90 

6  5.5  5.89 

8  7.1  7.93 

10  8.9  9.99 

12  10.6  11.97 

14  12.3  13.89 

16  14.1  15.93 

15  13.2  14.88 

13  11.4  12.92 

11  9.7  10.92 

9  7.9  8.96 

7  6.2  7.06 

5  4.3  4.88 

   

La  figura  21  muestran  las  últimas  2  calibraciones  realizadas,  donde  en  el  eje  de  las  abscisas se encuentra la señal salida del anemómetro y en el eje de las ordenadas la  velocidad medida con el tubo estático de Pitot.  

   

 

   

 

Figure

Tabla 1. Requerimientos del túnel de viento para IEC 61400‐12‐1 

Tabla 1.

Requerimientos del túnel de viento para IEC 61400‐12‐1 p.14
Figura 1. Calibración de anemómetro de copas #377, usando el software gnuplo 

Figura 1.

Calibración de anemómetro de copas #377, usando el software gnuplo p.18
Figura 2. Perfiles de velocidad  

Figura 2.

Perfiles de velocidad p.20
Figura 3. Relación del factor de corrección k contra velocidad de referencia. 

Figura 3.

Relación del factor de corrección k contra velocidad de referencia. p.21
Figura 4. Clasificación de anemómetros 

Figura 4.

Clasificación de anemómetros p.23
Figura 5. Anemómetro sónico  

Figura 5.

Anemómetro sónico p.24
Figura 6. Anemómetro de propela con veleta 

Figura 6.

Anemómetro de propela con veleta p.26
Figura 7. Anemómetro de copas 

Figura 7.

Anemómetro de copas p.27
Figura 8. Componentes de un sistema general de medición [7] 

Figura 8.

Componentes de un sistema general de medición [7] p.29
Figura 9. Curva representativa de calibración estática [7] 

Figura 9.

Curva representativa de calibración estática [7] p.31
Figura 10. Distribución de errores en mediciones repetidas [7] 

Figura 10.

Distribución de errores en mediciones repetidas [7] p.33
Tabla 2. Regímenes de flujo [11] 

Tabla 2.

Regímenes de flujo [11] p.34
Figura 12. Perfiles de velocidad completamente desarrollados: a) Flujo laminar b) Flujo turbulento. [11] 

Figura 12.

Perfiles de velocidad completamente desarrollados: a) Flujo laminar b) Flujo turbulento. [11] p.36
Figura 11. Desarrollo de los perfiles de velocidad y variación de la presión en la entrada de un conducto. [11] 

Figura 11.

Desarrollo de los perfiles de velocidad y variación de la presión en la entrada de un conducto. [11] p.36
Figura 13. Definición de media y fluctuación en un flujo turbulento: a) velocidad; b) presión [11] 

Figura 13.

Definición de media y fluctuación en un flujo turbulento: a) velocidad; b) presión [11] p.38
Figura 14. Medición de velocidad con tubo de Pitot estático [13]  

Figura 14.

Medición de velocidad con tubo de Pitot estático [13] p.39
Figura 15. Manómetro de tubo inclinado [7] 

Figura 15.

Manómetro de tubo inclinado [7] p.40
Figura 16. Túnel de viento del LABINTHAP [18] 

Figura 16.

Túnel de viento del LABINTHAP [18] p.42
figura 17.   

figura 17.

p.43
Figura 18. Tubo estático de Pitot, tipo L de nariz elipsoidal  

Figura 18.

Tubo estático de Pitot, tipo L de nariz elipsoidal p.44
Figura 19. Manómetro inclinado utilizado en la experimentación  

Figura 19.

Manómetro inclinado utilizado en la experimentación p.44
Figura 20. Estación meteorológica a) Esquema de estación meteorológica [15]; b) Estación meteorológica instalada en el LABINTHAP 

Figura 20.

Estación meteorológica a) Esquema de estación meteorológica [15]; b) Estación meteorológica instalada en el LABINTHAP p.45
Tabla 3. Características de la estación meteorológica [15] 

Tabla 3.

Características de la estación meteorológica [15] p.45
Tabla 4. Formato para captura de datos experimentales 

Tabla 4.

Formato para captura de datos experimentales p.47
Tabla 5. Condiciones atmosféricas 

Tabla 5.

Condiciones atmosféricas p.49
Tabla 6. Resultados de mediciones 

Tabla 6.

Resultados de mediciones p.49
Figura 21. Calibraciones de anemómetros de copas  

Figura 21.

Calibraciones de anemómetros de copas p.51
Tabla 7. Parámetros de regresión  

Tabla 7.

Parámetros de regresión p.51

Referencias