Desarrollo de prototipo a escala del ventilador del túnel de viento

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(1)PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INGENI ERO MECÁNI CO. DESARROLLO DE PROTOTIPO A ESCALA DEL VENTILADOR DEL TÚNEL DE VIENTO. Autor: DIEGO FERNANDO TUNARROSA GAITÁN Asesor : ALVARO PINI LLA SEPULVEDA. UNI VERSI DAD DE LOS ANDES FACULTAD DE I NGENI ERÍA DEPARTAMENTO DE I NGENI ERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D. C. 2007.

(2) IM-2006-II-34. i.. TABLA DE CONTENIDO i.. Tabla de contenido. 2. ii.. Índice d e figura s. 4. iii.. Índice d e gra fica s. 4. iv.. Índice d e tablas. 5. v.. Lista de símbolos. 6. 1.. Introd ucción. 7. 2.. Marco teó rico. 10. 3.. 4.. Túnel de Viento • Circuito Cerrado • Circuito Abierto. 10 10 10. Elementos que componen el túnel de v ient o de circuito cerrado • Ventiladores axiales • Dif usor • Sección de Pruebas • Contracción • Sección de Calma • Pantallas • Esquinas con álabes guías. 10 11 11 12 12 13 13 13. Características Aerodinámicas Diseño del túnel de v iento de circuito c errado • Características Geométricas • Cons ideraciones del f lujo de aire • Pérdidas a lo largo del túnel • Presión dinámica a lo largo del Túnel • Cálculos de Potencia • Cálculo del ventilador según Cordier. 14 15 15 16 19 23 24 25 26. Diseño Cálculo del modelo del ventilador • Ecuaciones de dis eño • Análisis D imensional • Perfil Aerodinámic o • Modelo motor de 1200 RPM • Modelo Motor de 1800 RPM. 26 26 26 27 28 30. Modelo del ventilador • Aspas • Cubo • Ducto, soportes para el motor y el eje. 32 32 32 34. Co nstrucció n del ventilador • • •. 5.. 34. Aspas Cubo Ducto, soportes para el motor y el eje. Motor. 34 35 36 36. - 2-.

(3) IM-2006-II-34 6.. 7.. Experimentación. 36. Instrum ent o de Medición. 39. •. 39. Tubo de pit ot. Mont aje del banc o de Dat os. 39. Variables a m edir. 40. •. Caudal. 40. •. Presión est ática. 40. •. Presión dinámica. 40. •. Ef iciencia. 40. •. Pot encia. 40. Protocolo de ex perimentación. 41. Medición Pres ión dinámic a. 42. Medición de la pot enc ia. 44. Caudal contra velocidad. 45. Curvas cara cterística s. 48. Curvas no normalizadas. 49. Curvas normalizadas. 52. Modelo del ventilador, diám etro 1.5 m. 57. •. Curv as no normalizadas. 58. •. Curv as normalizadas. 59. 8.. Co nclusio nes y Recomendaciones. 61. 9.. Referencias. 64. 10.. Anexo s. 66. Coordenadas normalizadas para la superf icie s uperior e inf erior del ducto.. - 3-. 66.

(4) IM-2006-II-34 INDICE DE FIGURAS Figura 1. Diagram a v entilador ax ial c on y sin aletas guías Figura 2. Túnel de viento de circuito abiert o Figura 3. Túnel de viento de circuito c errado Figura 4. Diagram a de velocidades y f uerzas que act úan sobre el elemento del aspa Figura 5. Esquem a general túnel de v ient o dis eñado. Figura 6. Secciones del túnel de v ient o Figura 7. Geometrí a del perf il S822 Figura 8. Relación entre Cl y Cd a dif erent es Rey nolds Y Cl v s ángulo de at aque Figura 9. Diseño Aspa Figura 10. Cubo Figura 11. Elementos que constituyen el modelo Figura 12. Aspas obtenidas Figura 13. Cubo obtenido Figura 14. Elementos del v entilador. Figura 15: Ducto según norm a ANSI/AMCA 210-99 Figura 16: Sitios de m edic ión en cada plano Figura 17: Banco de Pruebas. 8 10 10 14 15 18 28 28 33 33 34 35 35 36 37 38 40. INDICE D E GR ÁFICA S Gráfica 1: Velocidad a lo largo del Túnel Gráfica 2: ∆P y Pres ión dinámica Vs longitud del túnel, según tabla 8 Gráfica 3: ∆P y Pres ión dinámica Vs longitud del túnel, según tabla 9 Gráfica 4: Distribución de la cuerda a lo largo del aspa, motor 1200 rpm Gráfica 5: Ángulo de calaje a lo largo del aspa, motor 1200 rpm Gráfica 6: Ef iciencia a lo largo del as pa, m otor 1200 rpm Gráfica 7: Distribución de la cuerda a lo largo del aspa, motor 1800 rpm Gráfica 8: Ángulo de calaje a lo largo del aspa, motor 1800 rpm Gráfica 9: Ef iciencia a lo largo del as pa, m otor 1800 rpm Gráfica 10: Caudal Vs. Velocidad, ángulo de paso 20º Gráfica 11: Caudal Vs. Velocidad, ángulo de paso 28.3º Gráfica 12: Caudal Vs. Velocidad, ángulo de paso 30º Gráfica 13: Distribuc ión de la v eloc idad, ángulo 20º Gráfica 14: Distribuc ión de la v eloc idad, ángulo 28.3º Gráfica 15: Distribuc ión de la v eloc idad, ángulo 30º Gráfica 16: ∆P Vs. Q, ángulo 20° Gráfica 17: Potencia Vs. Q, ángulo 20° Gráfica 18: η Vs. Q, ángulo 20° Gráfica 19: ∆P Vs. Q, ángulo 28.3° Gráfica 20: Potencia Vs. Q, ángulo 28.3° Gráfica 21: η Vs. Q, ángulo 28. 3° Gráfica 22: ∆P Vs. Q, ángulo 30° Gráfica 23: Potencia Vs. Q, ángulo 30° Gráfica 24: η Vs. Q, ángulo 30° Gráfica 25:. ∆P Q Vs , ángulo de paso 20° 2 ρn n. 18 24 24 29 29 30 31 31 31 45 45 46 47 47 48 49 50 50 50 51 51 51 52 52 52. Gráfica 26:. P Q Vs. , ángulo de paso 20° 3 n n. Gráfica 27: η Vs.. Gráfica 28:. 53. Q , ángulo de paso 20° n. 53. ∆P Q Vs , ángulo de paso 28.3° 2 ρn n. - 4-. 53.

(5) IM-2006-II-34. Gráfica 29:. P Q Vs. , ángulo de paso 28.3° 3 n n. Gráfica 30: η Vs.. Q , ángulo de paso 28. 3° n. 54. 54. Gráfica 31:. ∆P Q Vs , ángulo de paso 30° 2 ρn n. 54. Gráfica 32:. P Q Vs. , ángulo de paso 30° 3 n n. 55. Gráfica 33: η Vs.. Q , ángulo de paso 30° n. 55. Gráfica 34: ∆P Vs. Q, ángulo 28.3°. Diám etro 1.5 m.. 58. Gráfica 35: Potencia Vs. Q, ángulo 28.3°. Diámet ro 1. 5 m. Gráfica 36: η Vs. Q, ángulo 28. 3°. Diámetro 1.5 m.. 58 58. Gráfica 37:. ∆P Q Vs , ángulo de paso 28.3°. Diámetro 1.5 m 2 ρn n. P Q Vs. , ángulo de paso 28.3° Diámetro 1. 5 m 3 n n Q Gráfica 39: η Vs. , ángulo de paso 28. 3° Diámetro 1. 5 m n Gráfica 38:. 59. 59 59. INDICE DE TABLAS Tabla 1. Dimensiones de las s ecciones del túnel de v iento Tabla 2. Velocidad en cada s ección del túnel Tabla 3. Velocidad en cada s ección del túnel utilizando la Vventilador Tabla 4. Diám etro hidráulico Tabla 5. C oef icientes de pérdida difusores Tabla 6. C oef iciente de pérdidas de las esquinas Tabla 7. C abeza de pérdidas de v arias secciones Tabla 8. C abeza y coef icientes de pérdida. Dif erencia de presión Tabla 9. C alc ulo de ∆P s egún las ecuaciones Tabla 10. Presión dinámic a en la ent rada y salida de cada sección Tabla 11. Iteraciones para enc ontrar el diámetro según Cordier Tabla 12. Cantidades para el v entilador real y el modelo Tabla 13. Cantidades Constant es Tabla 14. Caract erísticas del perf il Tabla 15. Cálculos de la c uerda, el ángulo de calaje y la ef iciencia, motor 1200 RPM Tabla 16. Cálculos de la c uerda, el ángulo de calaje y la ef iciencia, motor 1800 RPM Tabla 17. Propiedades mecánicas del ABS Tabla 18. Configuraciones Ventilador Tabla 19. : Longitud del arc o ángulo de pas o Tabla 20. Presión dinámica en Pascales, ángulo de paso 20º Tabla 21. Presión dinámica en Pascales, ángulo de paso 28.3º Tabla 22. Presión dinámica en Pascales, ángulo de paso 30º 3 Tabla 23. Caudal en m /s, ángulo de paso 20º Tabla 24. Caudal en m3/s, ángulo de paso 28.3º 3 Tabla 25. Caudal en m /s, ángulo de paso 30º Tabla 26. Potencia, ángulo 20º Tabla 27. Potencia, ángulo 28.3º. - 5-. 15 16 17 19 19 20 20 21 22 23 25 27 27 28 29 30 35 41 41 43 43 43 43 43 44 44 44.

(6) IM-2006-II-34 Tabla 28. Potencia, ángulo 30º. 45. LISTA DE SÍMBOLOS 2. A: Área s ección transv ersal (m ) αoptimo : Ángulo de ataque óptim o B: Número de as pas β(r): Ángulo de calaje en f unción de la pos ición radial Cloptimo : Coef iciente de sustentación óptimo Cd : Coef iciente de arrastre c(r): Cuerda en f unción de la posición radial D: Diámetro del v entilador real (m) Dh : Diámetro hidráulic o ε: Rugosidad de la superf icie f: Factor de f ricción g: Gravedad ∆: Diámetro es pecífico ∆P: Dif erencia de presión d: Diámetro del cubo del v entilador real (m ) hl : Cabeza de perdida hLSD: Cabeza de perdida s egundo dif usor hLPD: Cabeza de perdida primer dif usor hLpantallas: Cabeza de perdida pantallas hLe1: Cabeza de perdida esquina 1 hLe2: Cabeza de perdida esquina 2 hLe3: Cabeza de perdida esquina 3 hLe4: Cabeza de perdida esquina 4 hLCS: Cabeza de perdida c ambio de s ección hLSP: Cabeza de perdida sección de pruebas hLTobera : Cabeza de perdida tobera. K: Coeficiente de perdida KSC: Coef iciente de perdida de la Tobera n: Frec uencia Na : Veloc idad específ ica η: Ef iciencia η(r): Ef iciencia en f unción de la posición radial Pmojado : Perímetro mojado P: Presion P2 –P1 : Aument o de presión a trav és del rotor del v entilador ρ: Densidad 3 Q: Caudal (m /s) r: Posición radial Re: Número de Reynolds U∞ : Veloc idad del f luido en el plano del rotor V: Velocidad Vv entilador: Veloc idad que entrega el ventilador ω: Velocidad angular. - 6-.

(7) IM-2006-II-34 1. INTRODUCCION Los ventiladores son aparatos cap aces de em pujar air e y otros gases. gracias a un. propulsor giratorio m ecánico. El propulsor mecán ico conform ado por las aspas trasmite ener gía desde el eje del rotor al ventilador, cr eando así un flujo de aire. Toda la en ergía se transm ite al aire a través del ventilador y se manifiesta en velocidad y presión. [3]. Los principales tipos de ventiladores utilizados en trabajo de ventilación general son: centrífugo, de hélice, flujo axial y f lujo mixto. Ventilado r Centrífugo: Los ventiladores centrífugo s constan de un rotor con un núm ero determ inado de aspas alrededor de su perif eria, rotan do en un cascaron en form a de espiral, el cual identifica a este tipo de ventilador es. Mientras el rotor se encuentra en movimiento, el aire es lanzado centrífugam ente desde la p unta de las aspas dentro del cascaron en form a de espir al (cascaron de caracol) y hacia fuera de la abertura de descar ga, y al mismo tiempo m ás aire entra a través del o jo del rotor, crean do un f lujo contin uo de aire a través del rotor y el cascaron. [2]. [3] La forma del cascaron que encierra el rotor ay uda a transform ar algo de la presión dinám ica del air e que sale del rotor en presión estática útil par a superar la resistencia del flujo de air e en el sistem a de ductos al cual vaya ser conectado. En trabajo s de ventilación norm al, un v entilador centríf ugo p uede usar se p ara presiones estáticas por encim a de 750 Pa. En este tipo de ventilador es, el flujo de aire no p uede ser rever sado. [3]. Ventilado r de hélice: Este ventilador consiste en una h élice dentro de un marco de montaje, en el cual la dir ección del aire es paralela al eje del ventilador. Se em plea este tipo de ventiladores para trasladar aire de un lugar a otro, bien sea hacia el ambiente o para introducir aire fresco. [2].. - 7-.

(8) IM-2006-II-34 Se utiliza principalm ente para mover gran des volúm enes de air e en sistem as de baja resistencia (65 Pascales aproxim adamente). P uede dar flujo de aire invertido al cam biar el sentido rotación, r educiendo la presión y la velo cidad. La potencia requerida para m anejar este tipo de dispositivo aumenta a medida que se increm enta la resistencia del flujo de aire, por lo que el m otor debe tener suf iciente potencia para manejar la máxima carga a la velocidad diseño del ventilador, p ara prevenir so brecar ga. [3]. Gener alm ente los dispositivos con poco n úmero de aspas se utilizan en aplicacion es de baja presión y los de mayor núm ero, en aplicaciones de m ayor presión. [2]. Ventilado r de flujo mixto: Este tipo de ventiladores combin a las características de m ovim iento de gran des volúm enes de aire del ventilador de hélice, con las altas presion es que maneja los ventiladores centríf ugos. El f lujo de air e no puede invertirse en dir ección y p uede operar a presiones estáticas por encima de 750 Pascales. [3]. Ventilado r de flujo Axial: Este tipo de ventiladores f unciona de m anera similar a los ventilador es de hélices, pero son m ucho m ás eficientes debido a que son de diseño aerodinám ico. Estos ventiladores se car acterizan por la forma de sus álabes, la relación aspa cubo, el ángulo de paso y el número de aspas. Estas son las var iables de diseño, las cuales son determinadas por las condicion es de servicio del v entilador. Así para equipos don de las con diciones de operación son a altas presiones, es deseable un diám etro de hélice gran de y bastantes aspas. [1]. Se p uede recurrir a aletas guías para enderezar el flujo de aire a la salida del rotor, incrementando la ef iciencia del ventilador, lo que se traduce en aum ento de la presión estática aprovechan do el componente rotativo de la corriente de air e. Este tipo de ventiladores puede f uncionar en un amplio r an go de volúm enes de aire ( Caudal), a presiones estáticas que v an de bajas a m edias. [1]. La siguiente figura ilustra el movimiento del air e en un v entilador con y sin aletas guías. - 8-.

(9) IM-2006-II-34. (a). (b). Figura 1: a) Ventilador axial. b) Ventilador axi al con aletas guía [1].. Por efecto del f lujo de aire, lo s ventilador es desarrollan una difer encia de presión total so bre las corrientes de aire de la entada y la salida. El aum ento total de la pr esión abarca do s componentes: 1) La presión estática la cual depen de del perfil del aspa, número de aspas, f uga, form a del cubo, entre otras, y 2) presión dinámica la cual se desarrolla debido a la v elocidad o ener gía cinética que se im parte a la corr iente de air e. La presión estática esta completam ente disponible para el usuario, pero algo de la presión de velocidad del ventilador se pier de inevitablem ente, aunque esta pér dida aparece como parte de la caída de presión del sistema. Paso variab le: Los v entiladores de paso v ariable proveen el aumento preciso de flujo de aire para controlar la tem peratura de varios proceso s sin gen erar aum entos considerables en la ener gía. [4]. Para el caso de un ventilador para desempeño aero dinám ico el p aso variable tam bién provee el aum ento de presión necesaria par a controlar las con diciones de la sección de pr uebas, en el caso de un tún el de viento, sin necesidad de recurr ir al aumento de la v elocidad del ventilador lo cual provoca aumento en el con sumo de ener gía. Al com binar las ventajas de tener un ventilador con paso y velocidad variable es po sible controlar de m anera precisa las condiciones a las cuales se requiere experimentar con determ inado modelo, sin sacrificar eficiencia y por tanto energía.. - 9-.

(10) IM-2006-II-34 2. MARCO TEÓRICO Túnel de viento Existen dos tipos básicos de túneles de viento, de circuito abierto y de cir cuito cerrado. Circuito Cerrado: El flujo de air e en este tipo de túneles de viento sigue un cam ino recto desde la entrada a través de una sección de contracción hasta la sección de pr uebas, seguida por un dif usor, la sección del v entilador y una sección de escape de aire. La figura 2 m uestra un diagrama de este tipo de túneles. [5] Pant allas. Sección de P ruebas Venti lador. Fl ujo. Contracci ón. Figura 2: Túnel de viento de circuito abierto.. Circuito abierto: Este tipo de túneles de viento también se cono cen com o de tipo Prandtl o Göttingen. El flujo de aire recircula continuamente sin intercam bio ; o muy pequeño, de aire con el exterior. La gran m ayoría de túneles de circuito cerrado tienen un retorno sim ple, sin em bar go se pueden con struir túneles con retornos dobles y an ulares. La figur a 3 muestra la dispo sición de esta clase de tún eles de v iento. [5].. Aletas gu ia s. Ventilador. Sección de pruebas. modelo. Figura 3: Túnel de viento de circuito cerrado .. - 10 -.

(11) IM-2006-II-34 Elem ento s q ue componen el túnel d e viento de circuito cerrado: Ventilado res axiales: Como consecuencia del am plio ran go de caudales y presiones que puede manejar los ventiladores ax iales y por la mayor ef iciencia en comparación con los sistemas anteriorm ente m encionados, el uso de estos dispositivo s en lo s túneles de viento se vuelven in dispen sables, ya que las con diciones de flujo de aire en estos sistemas deben ser controladas y monitoreada cuidado samente, para garantizar v elocidad y presión en la sección de pr uebas. La m ayoría de lo s cir cuitos de túneles de viento cerrados utiliza ventiladores axiales, los cuales producen un a presión estática, que aumenta en un p unto en el circuito, para compensar las perdidas totales de presión en el resto del circuito del túnel de viento, debido a la r ugo sidad superf icial de lo s conductos y a las per didas menores por co dos, dif usores, toberas, entre otros componentes. [6]. El diámetro del cubo central es usualmente un a pequeña fracción del diám etro del ventilador y raramente excede 0.5 a 0.6 del diám etro del ventilador. Como resultado el espacio entre aspas adyacentes, m edidas alrededor de la circunfer encia varia considerablemente desde la raíz a la p unta. La relación espacio/cuerda tipif ica la carga del ventilador, y también determina las concesiones que se harán para el efecto que realiza un aspa so bre las dem ás adyacentes. [6]. En túneles de cir cuito cerrado, los v entiladores axiales son colocado s corriente abajo de la segun da esquina, don de el área de sección transver sal es dos o m ás veces la sección de pr uebas. Esto reduce la velo cidad óptim a de la p unta del ventilador, con ducien do a m enos ruido y vibración. [6] Difusor Gener alm ente, en los tún eles de viento de circuito cerrado, se en cuentran do s dif usores, el primero se encuentra ubicado a la salida de la sección de pruebas y el segundo se encuentra conectado al v entilador. El difusor es un pasaje que gradualmente se expande, - 11 -.

(12) IM-2006-II-34 que sigue a la sección de pr uebas, en el cual la velocidad del flujo decrece y la presión aumenta. La recuperación de la presión de la ener gía cinética reduce la potencia necesaria par a oper ar el túnel. El aumento de presión es menor que el dado por la ecuación de Bernoulli, por las perdidas debidas a la fricción. [6]. La regla usual par a lo s difusores subsón ico s es que el ángulo total incluido de la porción de un cono cir cular con la m ism a relación de longit ud y ár ea, no debe exceder 5 gr ados. La regla de lo s 5 grado s fallará si la sección de pr uebas es in usualmente lar ga, de m odo que el gr ueso de la capa lím ite a la entrada del dif usor es in usualm ente grande. [5] y [6]. Secció n de Pruebas: El diseño de la sección de pr uebas o sección de trabajo esta determinado en su totalidad por los requerim ientos de cada experim ento en particular. Par a túneles en los cuales los m odelos a probar son m ontado s en la sección de pruebas, el tam año y la forma de esta es determ inada o dictada por la necesidad de m inimizar la interferencia del t únel con la forma predeterm inada del m odelo. La form a de la sección transver sal m ás utilizada en estas secciones de pr ueba es un rectán gulo de relación. 2 a 1. Si la longitud de esta. etapa es dem asiado lar ga (m ás de 3 diámetros equivalentes) el resultado es crecimiento excesivo de la capa lím ite que podría con ducir a la separación en la salida del dif usor. El inevitable crecimiento de la capa lím ite en la sección de trabajo conduce a la caída de la presión estática en la dirección axial. Cualquier increm ento en el ár ea de la sección transversal para com pensar este crecim iento de la cap a límite, usualmente es r ealizado estrechan do los filetes de las esquin as ( si están instalado s) o estrech an do directam ente las p aredes. [5] y [6].. Co ntracción: La contracción o tobera acelera el flujo desde la sección de calma hacia la sección de pruebas, es decir, es la últim a etapa antes de la sección de pr uebas, y debería reducir las variaciones de lo s componentes de la velocidad, en tiem po y en esp acio, que se crean en el circuito de retorno y son atenuadas en las pantallas y los panales. Un buen diseño de este dispositivo hace la relación entre el radio de curvatur a y el espesor del flujo casi igual en cada extremo. Sin em bar go un r adio de curvatur a demasiado gran de en el. - 12 -.

(13) IM-2006-II-34 extremo corriente arriba, conduce a la aceleración lenta y al increm ento de la tasa de crecim iento de la cap a límite. La relación del área de contracción debería ser lo m as gran de posible par a reducir la perdida total de presión a través de las pantallas.. Secció n de ca lm a: Es la etapa del túnel de v iento que contiene el pan al y /o las pantallas, por lo cual tiene la m ás gran de sección transver sal. Un panal con sus celdas alin eadas en la dirección del flujo reducirá las variaciones f luctuantes en la velocidad transver sal (dirección del flujo), con efectos p equeño s so bre la velocidad del flujo desarrollado, ya que la caída de presión a través del pan al es mínim a. [6].. Panta lla s: Debido a que en una pantalla un iforme en un pasaje de área constante, el flujo experimenta una fuerza de arrastre la cual reduce la presión total del fluido que pasa a través de esta sin alterar la v elocidad prom edio local, se esper a que las variaciones en la velocidad sean reducidas tam bién, porque la f uerza de arrastre será mayor en las regiones don de la velocidad es mayor que la v elocidad promedio, tendien do a igualar la presión total sobr e la sección transversal. [6].. Esquina s co n alabes guías: Los t úneles de circuito cerrado necesitan esquinas con alabes guías p ara desv iar el flujo sin separ ación de la capa límite que norm alm ente ocurre en todas las esquinas. El tipo de esquina m ás utilizado es el de 90 grados con alabes curvos u otro dispositivo para dir igir el flujo suav emente. Las form as de las paredes tanto internas com o externas deben ser escogidas par a encajar con los perfiles de lo s alabes internos y externos respectivamente. La forma en que gener alm ente se colocan estos alabes se conoce como cascada. [6]. Cada una de las secciones anteriormente descritas tien e asociada pér didas, en térm inos de caída de presión, bien sea por fr icción del aire con las p aredes de los ductos, o por la - 13 -.

(14) IM-2006-II-34 forma de cada uno de estos componentes. Este último tipo de per didas es conocido como perdida s m enores.. Ca racterísticas Aerodinámicas La figura número 4 muestra el diagram a de velocidades y f uerzas que actúan sobre un elemento diferencial del asp a de longit ud de cuer da c y ubicado en la posición radial r desde el eje del ventilador. Con base en este diagrama y las teorías de momentum angular y elemento del asp a se deducen las ecuaciones de diseño para el ventilador, primero al considerar la potencia entregada por el ventilador la cual equivale a la potencia mecánica repr esentada por el diferen cial de momento par multiplicada por su velocidad an gular. Las f uerzas aero dinámicas pr incip ales son la sustentación y el arr astre, las cuales se representan de form a dif erencial. Debido a que en el diseño se elige un án gulo óptimo del perfil aerodinám ico don de la relación C l/Cd alcanza su valor máxim o, el dif erencial de la fuer za de arrastre es bastante m enor por lo cual es despreciado. Entonces, del diagrama se deducen las com ponentes de la fuerza resultante tanto en la dirección tangencial p aralela al movimiento del aspa y la dirección axial par alela al eje del ventilador. Con las consideraciones anteriores, mediante un adecuado m anejo matemático se pueden deducir las ecuaciones de diseño las cuales son las ecuaciones 10 a 13.. Figura 4: Diag rama de velocid ades y fu erzas que actúan sobre el elemento del aspa.. - 14 -.

(15) IM-2006-II-34. Diseño del túnel de viento de circuito cerrado. Co nsideracio nes geométricas: La figur a 4 m uestra el diseño del t únel de v iento del n uevo edificio de in genier ía Mario. Laserna, el cual f ue propor cionado por el profesor Álvaro Pin illa. El diseño consta de do s difusores, un sector de contracción antes de la sección de pruebas, dos esquinas con aletas guías y otras dos sin aletas guías, un sector de pantallas y panal, y por últim o, dos conectores, el prim ero que une las dos esquinas con aletas guías y el segun do que cam bia la forma de la sección transver sal para acoplar una de las esquin as con aletas guías con el sector del ventilador. La siguiente tabla muestra las dimen siones de cada uno de los sectores. Sección Área in (m2 ) Área out (m2) Lo ngitud (m) Pruebas 1 1 2 Primer di fusor 1 4 5,8 Esquina 1 4 4 1,25 Conector 4 4 1 Esquina 2 4 4 1,25 Cambio de sección 4 3,14 1 Motor 3,14 3,14 2 Segundo Di fusor 3,14 9 9,5 Esquina 3 9 9 1,73 Esquina 4 9 9 1,73 Pantallas 9 9 1,78 Contracción 9 1 3 Tabla 1: Dimensiones d e las secciones del tún el de viento. Las longitudes de las esquinas, al ser codo s, f ueron tomadas com o el radio medio entre la sup erficie interior y la superficie exterior de cada una de estas secciones.. - 15 -.

(16) IM-2006-II-34. Figura 5: Esquema gen eral túnel d e vi ento.. Co nsideracio nes del flujo de a ire ( Velo cidad a lo largo d el túnel): El túnel de viento fue diseñado para que la velocidad del air e en la sección de pr uebas fuese un iform e a un valor de 30 m /s. Conociendo este valor y el área tran sver sal de la sección de pruebas, es posible calcular la velocidad de entrada y de salida de cada una de las secciones o etapas que componen el cir cuito del túnel de viento, utilizando simplemente la ecuación de conservación de la m ateria en su form a m ás simple, más conocida com o ecuación de contin uidad.. A1 .V1 = A2 .V2. (1). Los v alores encontrado s desp ués de aplicar la anterior relación se resumen en la siguiente tabla:. Sección Velocidad in (m/s ) Velocidad out (m/s) Pruebas 30 30 Primer di fusor 30 7,5 Esquina 1 7,5 7,5 Conector 7,5 7,5 Esquina 2 7,5 7,5 Cambio d e sección 7,5 9,55 Motor 9,55 9,55 Segundo Difusor 9,55 3,33 Esquina 3 3,33 3,33 Esquina 4 3,33 3,33 Pantallas 3,33 3,33 Contracción 3,33 30 Tabla 2: Velocid ad en cada sección del túnel. - 16 -.

(17) IM-2006-II-34 También se puede encontrar las v elocidades en cada un a de las secciones del t únel, conocien do adem ás la velocidad del aire que proporciona el ventilador. Esta velocidad se puede encontrar conocien do el caudal y el área efectiva del cubo. Entonces, para un ventilador con las siguientes características:. D = 1 .5m d = 0 .45 m Q = 30 m 3 / s. La velocidad que entrega esta dada por la siguiente ecuación:. Vventilador =. π 4. Q. (1.52 − 0.452 ). = 18.66 m / s. (2). La siguiente tabla resum e los valores de velocidad en cada un a de las secciones del túnel al utilizar el valor de velo cidad que entrega el ventilador y la velocidad uniforme en la sección de pruebas. Sección. Velocidad in (m/s ). Velocidad out (m/s ). Pruebas 30,00 30,00 Primer di fusor 30,00 7,50 Esquina 1 7,50 7,50 Conector 7,50 7,50 Esquina 2 7,50 7,50 Cambio de sección 7,50 9,55 Motor 9,55 16,67 Segundo Di fusor 16,67 6,51 Esquina 3 6,51 6,51 Esquina 4 6,51 6,51 Pantallas 6,51 3,33 Contracción 3,33 30,00 Tabla 3: Velocidad en cada sección d el túnel utilizando la Vven tilado r. La anterior tabla difiere de los v alores o btenido s en la tabla n úmero 2, lo cual in dica que el sistem a de ductos que componen el túnel de viento debe reducir la velocidad del aire antes de llegar a la sección de pr uebas par a o btener la v elocidad r equerida, ya que el principio de continuidad no se cum ple en la salida de la contracción y la entrada de la sección de trabajo, en donde la velocidad deber ía ser la m isma.. - 17 -.

(18) IM-2006-II-34 Para conocer como es la dismin ución de la velocidad, es necesar io conocer con detalle todos los com ponentes de las secciones, como lo son la form a y cantidad de pantallas, paneles, n úm ero de álabes en las esquinas, entre otros. Al no conocer con detalle estos aspectos importantes del t únel, se r ecurre sim plem ente a suponer que en la sección de las p antallas la velocidad disminuyó hasta el p unto en el cual la ecuación de continuidad para la salida de la contracción y la entrada de la sección de pr uebas se cumple. L a tabla 3 muestra la corrección implem entada. La siguiente graf ica m uestra la velocidad a lo largo del túnel, comenzan do desde la entrada al ventilador y finalizando en la salida del cam bio de sección transv ersal; es decir, en la entrada de la sección del ventilador.. Figura 6: Secciones d el túnel de viento.. Velocidad a lo largo del túnel 35. Velocidad (m/s). 30 25 20 15 10 5 0 0. 5. 10. 15. 20. longitud de l túne l (m). Gráfi ca 1: Velo cidad a lo largo del Túnel.. - 18 -. 25. 30. 35.

(19) IM-2006-II-34. Pérd idas a lo la rgo del túnel: Ya conocida la velo cidad a lo largo del túnel, es posible calcular las p ér didas menores y por fricción en cada una de las secciones anteriorm ente descritas. Como la mayoría de las secciones del túnel tiene área tran sversal cuadr ada es necesario calcular el diámetro hidr áulico de estas, ya que es r equisito para calcular las per didas en tuberías de sección no circular. La ecuación que defin e este diámetro es:. Dh =. 4A Pmojado. (3). A es el ár ea transv ersal de la sección y Pmojado es el per ímetro mojado. [7]. A contin uación se m uestra el diám etro hidr áulico de cada una de las secciones: Sección. Diámetro hidráulico Pruebas 1 Primer di fusor in 1 esquina 1 2 Conector 2 esquina 2 2 cambio de sección in 2 segundo di fusor in 2 esquina 4 3 esquina 3 3 Pantallas 3 Tob era in 3 Primer Di fusor out 2 Segundo Di fusor out 3 Tobera out 1 Tabla 4: Diámetro hidráulico. Al tener esta inform ación es po sible en contrar los coeficientes de per dida para cada una de las secciones al igual que la cabeza de p erdidas, medida en metros. Para hallar los coeficientes de per dida de lo s do s dif usores se r ecurrió a la gráfica Perd idas en región de expan sión g radual cónica (6.23) presente en la r eferen cia 7. Para obtener lo s coeficientes de pér dida se debe conocer el án gulo de expan sión del dif usor, los cuales se o btuvieron de lo s planos. Se utilizó la gráf ica de flujo a la entrada totalm ente desarrollado. Lo s valores o btenidos son:. - 19 -.

(20) IM-2006-II-34 Sección 2θ (grados) K Primer di fusor 9,85 0.37 Segundo difusor 12,02 0.47 Tabla 5: Co eficient es de pérdida difusores .. El coeficiente de pér dida de la tobera se calculo con la siguiente ecuación o btenida de la referencia 7.. ⎛ d2 K SC ≈ 0.42⎜⎜ 1 − 2 ⎝ D. ⎞ ⎟⎟ = 0.373333 ⎠. (4). Donde, d es el diámetro de salida de la tobera y D es el diámetro de entrada de la to bera. Estos diámetros son los hidráulico s debido a que tanto la entrada como la salida de la tobera son de sección transv ersal cuadrada. Para las 4 esquinas se utilizo la ecuación para un co do de 90º en f lujo tur bulento. [7]:. ⎛R⎞ K ≈ 0.388α ⎜ ⎟ ⎝d⎠. 0. 84. ⎛R⎞ α = 0.95 + 4.42⎜ ⎟ ⎝d⎠. Re −d 0. 17 −1. 96. (5). La tabla siguiente muestra los v alores o btenidos para cada m iem bro de la anterior ecuación: Esquinas esquina 1 esquina 2 esquina 3 esquina 4. R/d α Re(s egún D) 0,63 12,00 1000000 0,63 12,00 1000000 0,58 11,07 666666,67 0,58 11,07 666666,67 Tabla 6: Coeficient e d e pérdidas de l as esquin as. K 0,30 0,30 0,28 0,28. Para la sección del conector entre la esquin a 1 y la esquin a 2, al igual que para la sección de pr uebas y el cambio de sección, se recurrió al diagram a de Moo dy [7]., escogien do com o m aterial acero comercial, para hallar la cabeza de perdida (hL). La siguiente tabla resum e los v alores en contrados y utilizado s en este diagr ama:. - 20 -.

(21) IM-2006-II-34 Sección Pruebas conector Cambio d e sección. Ε D ε/D V(ft/s) *D(i n) f 0,000046 1 0,000046 3874,01 0,011 0,000046 2 0,000023 1937,00 0,0125 0,000046 2 0,000023 2466,45 0,0122 Tabla 7: Cabeza d e pérdidas de vari as seccion es. h(m) 1,01 0,02 0,03. Para las pantallas se utilizo un valor de K = 4. [8]. Con los coef icientes de per dida y la cabeza, se puede calcular las diferencias de presión en cada una de las secciones según las siguientes ecuacion es. [7] : 1 ρV 2 2 2 ⎛ l ⎞ ⎛ ρV ∆P = f ⎜ ⎟ ⎜⎜ ⎝ d ⎠⎝ 2 ∆P = K. ⎞ ⎟⎟ ⎠. (6). ⎛V 2 ⎞ h = K ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 2g ⎠ Las velocidades utilizadas en el cálculo de la dif erencia de presión de lo s difusores fue la de entrada y en la tober a f ue la de salida. A contin uación se o bserva los valores obtenido s para cada una de las secciones. Tam bién se muestra el cálculo de la cabeza de perdida de cada una de las secciones. Sección. K. ∆P(Pa). hl(m). Segundo di fusor 0,47 18,82 2,16 Esquina 3 0,28 1,36 0,16 Esquina 4 0,28 1,36 0,16 Pantallas 4 19,73 2,26 Tob era 0,37 149,15 17,13 Sección d e pru ebas 8,79 1,01 Primer difusor 0,37 147,82 16,97 Esquina 1 0,30 7,50 0,86 Conector 0,16 0,02 Esquina 2 0,30 7,5 0,86 Cambio d e sección 0,25 0,03 Total 362.43 41,61 Tabla 8: Cabeza y co efici entes de p érdida. Di ferencia de presión. Es po sible verificar lo s resultado s obtenido s en la tabla número 8 aplicando las siguientes ecuaciones:. - 21 -.

(22) IM-2006-II-34. P3 − P2 =. ρ. (V. 2 2. −V 32 ) + hLSD ρg. 2 P4 − P3 = h Le3 ρg P5 − P4 = h Le4 ρg. P6 − P5 = h Lpantalasρg. ρ. (V62 − V72 )+ h Ltoberaρg 2 P8 − P7 = h Lsp ρg. P7 − P6 =. P9 − P8 =. ρ. (V. 2 8. −V 92 ) + hLPD ρg. 2 P10 − P9 = hLe 1ρg. P11 − P10 = h Lconector ρg P12 − P11 = h Le2 ρg P1 − P12 =. ρ 2. (V. 2 12. − V12 ) + h Lcs ρg. Donde lo s coeficientes en las presiones y en las velocidades son lo s n úm eros correspon dientes a las secciones del túnel de viento dados en la figur a número 5. La siguiente tabla m uestra los valor es del delta de presión o btenida al aplicar las relaciones anteriores. Sección ∆P(Pa) Segundo di fusor 54,367 Esquina 3 1,36 Esquina 4 1,36 Pantallas 19,73 Tobera -245,43 Sección d e pru ebas 8,79 Primer di fusor 522,36 Esquina 1 7,50 Conector 0,16 Esquina 2 7,50 Cambio d e sección -15,26 Total 362,43 Tabla 9: Calculo de ∆P según las ecu aciones. - 22 -.

(23) IM-2006-II-34 Presió n Dinámica a lo largo del túnel:. Si un gas se encuentra en m ovim iento, la m edición de la pr esión depende de la dirección del m ovimiento. Se le da el nombr e de presión din ám ica por que es el término asociado con la velocidad del fluido. La ecuación que def ine esta propiedad de lo s fluido s en m ovimiento es:. Pdinámica =. 1 ρV 2 2. (7). La siguiente tabla m uestra lo s valores de la presión dinámica para la entrada y salida de cada una de las secciones:. Sección. Presión diná mica in Presió n di námi ca o ut (Pa) (Pa ) Pruebas 399,51 399,51 Primer di fusor 399,51 24,97 Esquina 1 24,97 24,97 Conector 24,97 24,97 Esquina 2 24,97 24,97 Cambio de sección 24,97 40,48 Ventilador 40,48 154,49 Segundo Di fusor 154,73 18,81 Esquina 3 18,81 18,81 Esquina 4 18,81 18,81 Pantallas 18,81 4,93 Contracción 4,93 399,51 Tabla 10: Presión dinámica en la entrada y s alida d e cada sección.. Las siguientes gráficas muestran la presión dinámica y el delta de presión a lo largo del túnel de viento, comenzando desde la entrada al ventilador y finalizan do en la salida del cambio de sección transversal; es decir, en la entrada de la sección del ventilador.. - 23 -.

(24) IM-2006-II-34. Delta de presión y Presión Dinámica 450 400. Presión (Pa). 350 300 250. Delta de pres ión. 200. Presión dinámica. 150 100 50 0 -50 0. 10. 20. 30. 40. Longitud (m). Gráfi ca 2: ∆P y Presión dinámica Vs longitud del túnel, según t abla 8. Delta de Presión y Presión Dinám ica 600 500 Presión (Pa). 400. Delt a de P resión P resión Dinámica. 300 200 100 0 -100 0. 10. 20. 30. 40. Longitud (m). Gráfi ca 3: ∆P y Presión dinámica Vs longitud del túnel, según t abla 9 .. Cálculos de Potencia:. Conocien do la caída de presión total debido a las pérdidas menores y por fricción en el túnel de viento, y suponien do una eficiencia del ventilador de 0.8, la potencia requerida será: Potencia =. ∆PQ. η. = 13591.27W = 18.23hp. - 24 -. (8).

(25) IM-2006-II-34. Cálculo del d iám etro d el ventilado r según el diagram a de Cord ier. [9]. Valor es iniciales:. Vpunta = 50m / s D = 1.5m Q = 30m 3 / s gh = 408.24. ω=. V punta. = 66 .67rad / s 0.75 n = 10.61Hz N a = 1.35 ∆ = 1.625 D = 1.88m. La siguiente tabla m uestra los valor es obtenidos desp ués de 8 iteraciones para calcular el diámetro del ventilador: La velocidad esp ecíf ica f ue calculada con la siguiente ecuación: N a = π 2n. Q. (gh )3 / 4. (8). El diámetro específico f ue o btenido in gresan do la velocidad esp ecíf ica en el diagr ama de CORDIER, y el diám etro del ventilador fue obtenido con la siguiente ecuación: D=. ∆ 23 / 4 Q. π 1 / 2 (gh )1/ 4. (9). La siguiente tabla m uestra los valor es obtenidos desp ués de 8 iteraciones para calcular el diámetro del ventilador: ω (rad/s) 66,67 53,22 49,42 48,86 48,59 47,72 47,52 47,39. frecuencia Velocidad diámetro Diámetro (n) (Hz) específi ca especifi co (m) 10,61 1,35 1,625 1,88 8,47 1,08 1,75 2,02 7,87 0,99 1,77 2,05 7,78 0,98 1,78 2,06 7,73 0,98 1,8125 2,10 7,59 0,96 1,82 2,10 7,56 0,96 1,825 2,11 7,54 0,96 1,825 2,11 Tabla 11: Iteracion es para encont rar el diámetro.. El diámetro del ventilador para el túnel de v iento real ser á entonces de 2.11 m etros. - 25 -.

(26) IM-2006-II-34. 3. DISEÑO Cálculo del m odelo d el ventilador Ecuaciones d e diseño. [9]. Distribución de cuer da c(r). B.c(r )Cloptimo 4π r. =. P2 − P1 2 ρ (rω ) ⎡ ⎢ P − P1 ⎢1 − 2 2 ⎢ 2 ρ (r ω) ⎢⎣. 1. 1. ⎛ ⎜ 2 + ⎧⎨U ∞ ⎫⎬ ⎩ rω ⎭ ⎜ 2 ⎜ U∞ ⎫ ⎧ + ⎜ 1 ⎨ r ω⎬ ⎩ ⎭ ⎝. 2. 2 ⎞⎤ ⎟⎥ 1 + ⎧⎨U ∞ ⎫⎬ ⎩ rω ⎭ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎠⎦. Ángulo de calaje del aspa β( r). ⎡ U∞ ⎤ ⎥ + α optimo ⎣ ωr − U t ⎦. β (r ) = arctan ⎢ Ut =. P2 − P1 2 ρrω. (11). (12). Eficiencia η(r).. η (r ) = 1 −. Ut P − P1 =1 − 2 rω 2 ρ (r ω)2. Análisis dim ensiona l: Número de Caudal Q 3 nD. (14). - 26 -. (13). (10).

(27) IM-2006-II-34 Número de presión gh (nD)2. (15). P D 5n 3. (16). Número de Potencia. Donde Q Caudal (m 3/s) D Diám etro del ventilador (m) n. Velo cidad an gular (r ev/min ó rad/s) 2 2. gh La cabeza de presión (m /s ). La siguiente tabla r elaciona las cantidades del v entilador real con las cantidades del m odelo a escala de diám etro 30 centím etros, halladas con lo s n úmeros adimensionales anteriorm ente descritos.. Ventilador Real Modelo (1) Modelo (2). 3. 2. 2. Q(m /s) n (r ev/ mi n) gh (m /s ) ∆P (Pa) P (hp) D (m) 30 450 408,24 362,43 18.23 2 0,27 1200 65.32 57.99 0.026 0.3 0.27 1800 65.32 57.99 0.089 0.3 Tabla 12: Cantidades p ara el ventilador real y el mod elo.. Re 1023024.31 61381.46 88118.52. Conocien do estas cantidades para el m odelo se p uede calcular el v entilador utilizando las ecuaciones de diseño y lo s siguientes datos: Modelo Modelo 1 Modelo 2. ω (rad/s) 125,66 188.5. ∆P (Pa) ρ (Kg/ m3 ) Q (m3 /s) D (m) 57.99 0,89 0,27 0,3 57.99 0.89 0.27 0.3 Tabla 13: Cantidades Constantes. d (m) 0,15 0.15. Cl 0,93 0.93. B 10 4. Perfil aerodinám ico: Para el diseño del ventilador se esco gió el perf il S822, debido a su r elación C l / C d alta a un número de Reyno lds tan pequeño. Este perfil tiene la siguiente geom etría y características:. - 27 -.

(28) IM-2006-II-34. Figura 7: G eometría del p erfil utilizado . [10]. α optimo 7. Cl opti mo 1. Cd Cl/cd 0,02 50 Tabla 14: Características del perfil. Re 100000. Las siguientes gráficas son las curvas utilizadas para encontrar lo s valores presentes en la tabla 14:. Figura 8: Relación entre Cl y Cd a di ferent es Reynolds y Cl vs ángulo de ataqu e. [10].. Se calcularon do s m odelos para comparar y determinar cual era el más conveniente en cuanto a eficiencia y tam año. Los parámetros de diseño que variaron entre un m odelo y el otro fueron la velocidad de giro del m otor y el n úm ero de aspas. Los valores se encuentran registrados en la tabla 12.. Modelo motor de 1200 RPM La siguiente tabla m uestra los cálculos realizados p ara el diseño: r (m) 0,075 0,0825 0,09. C(r) (m) 0,175 0,125 0,099. Ut (m/s) 3,465 3,150 2,888. - 28 -. β (º) 45,517 40,210 36,162. η 0,632 0,696 0,745.

(29) IM-2006-II-34 0,0975 0,082 2,666 32,980 0,782 0,105 0,071 2,475 30,413 0,812 0,1125 0,063 2,310 28,298 0,837 0,12 0,056 2,166 26,523 0,856 0,1275 0,051 2,038 25,012 0,873 0,135 0,047 1,925 23,708 0,887 0,1425 0,044 1,824 22,571 0,898 0,15 0,041 1,733 21,570 0,908 Tabla 15: Cálculos de la cu erda, el ángulo de calaje y la efi ciencia. Las siguientes gráf icas muestran la distribución de la cuerda y el án gulo de calaje a lo lar go de un aspa del ventilador. cuerda (m). Cuerda 0,200 0,180 0,160 0,140 0,120 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0,000 0,05. 0,07. 0,09. 0,11. 0,13. 0,15. 0,17. longitud aspa (m). Gráfica 4: Distribución d e la cu erd a a lo largo d el asp a. ángulo (grados). ángulo de calaje 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,05. 0,07. 0,09. 0,11. 0,13. 0,15. longitud aspa (m). Gráfica 5: Ángulo de calaj e a lo largo d el asp a. - 29 -. 0,17.

(30) IM-2006-II-34. eficiencia. eficiencia 0,97 0 0,92 0 0,87 0 0,82 0 0,77 0 0,72 0 0,67 0 0,62 0 0,05. 0,07. 0,09. 0,11. 0,13. 0,15. 0,17. longitud aspa (m). Gráfi ca 6: Efici encia a lo largo del aspa.. Modelo motor 1800 RPM La siguiente tabla m uestra los cálculos realizados p ara el diseño:. r (m) C(r) (m) Ut (m/s) β (º) η 0,075 0,105 2,310 28,298 0,837 0,0825 0,090 2,100 25,739 0,865 0,09 0,079 1,925 23,708 0,887 0,0975 0,070 1,777 22,055 0,903 0,105 0,064 1,650 20,681 0,917 0,1125 0,058 1,540 19,519 0,927 0,12 0,054 1,444 18,523 0,936 0,1275 0,050 1,359 17,659 0,943 0,135 0,047 1,283 16,902 0,950 0,1425 0,044 1,216 16,233 0,955 0,15 0,041 1,155 15,636 0,959 Tabla 16: Cálculos de la cu erda, el ángulo de calaje y la efi ciencia. Las siguientes gráf icas muestran la distribución de la cuerda y el án gulo de calaje a lo lar go de un aspa del ventilador. - 30 -.

(31) IM-2006-II-34. Cuerda 0,120 cuerda (m). 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 0,000 0,05. 0,07. 0,09. 0,11. 0,13. 0,15. 0,17. longitud aspa (m). Gráfica 7: Distribución d e la cu erd a a lo largo d el asp a. ángulo de calaje. ángulo (grados). 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0,000 0,05. 0,07. 0,09. 0,11. 0,13. 0,15. 0,17. longitud aspa (m). Gráfica 8: Ángulo de calaj e a lo largo d el asp a. eficiencia 1,000 eficiencia. 0,950 0,900 0,850 0,800 0,750 0,700 0,05. 0,07. 0,09. 0,11. 0,13. longitud aspa (m). Gráfi ca 9: Efici encia a lo largo del aspa.. - 31 -. 0,15. 0,17.

(32) IM-2006-II-34 Al comparar los valores obtenidos y las gr áficas de longitud de cuer da y eficiencia, se hace evidente la conv enien cia. del m odelo 2 (motor 1800 rpm.) debido a la gran. eficiencia que presenta fr ente al modelo 1, además del tamaño y número de aspas, condicion es críticas debido al m aterial y el tiem po de ejecución.. Modelo del ventilado r. Desp ués de esco ger el perf il aero dinámico, calcular el ángulo de calaje, eficien cia y longitud de la cuer da a lo largo del aspa se recurre al modelamiento del ventilador por m edio de herram ientas CAD tales como SOLID EDGE.. Aspas: Para realizar el m odelam iento tridimensional de las aspas del ventilador es necesario el boceto del perfil aerodin ám ico S822. Este se o btiene de los reportes de NREL [10], en los cuales se encuentran las coordenadas de una serie de puntos que generan las curvas de la superficie superior e infer ior del perfil. Estas coordenadas están normalizadas a la cuer da, por lo que solo es necesar io m ultiplicar cada una de estas por la lon git ud de la cuer da especificada por las ecuaciones de diseño. Se realizaron lo s bo cetos de once perfiles S822, los cuales gen eran la geometría del aspa de 7.5 centímetros de longitud. Estos bocetos se realizaron por medio de Solid edge y Excel. Gener ada la geometría del aspa, se diseño el método de sujeción de cada aspa con el cubo, el cual consta de dos tornillos de un octavo de p ulgada de diám etro y una lon gitud de tres cuartos de pulgada lo s cuales son introducido s dentro de los canales curvos que se observan en la figura 8. Estos tornillos son ajustado s al cubo por medio de tuer cas y arandelas aprop iadas. Gracias a lo s can ales curvo s las aspas pueden girar gener an do la posibilidad de variar el paso a conven iencia. La siguiente figura muestra el diseño final obtenido.. - 32 -.

(33) IM-2006-II-34. Figura 9: Diseño Aspa.. Cubo: El cubo se diseño com o un sistema de tres cilin dro s cr uzado s de 40 milím etros de diámetro, dos de lo s cuales tienen aberturas cilín dricas de acople en lo s extrem os para las asp as, al igual que pestañas con agujero s de un octavo de p ulgada para los elementos de sujeción entre el cubo y el aspa (tornillo s). El tercer cilindro ; el cual es paralelo al eje del m otor, tiene el agujero p ara el eje y la chaveta estándar de un motor eléctrico. En la figur a 9 se o bserva el diseño obtenido par a el cubo.. Figura 10: Cubo. - 33 -.

(34) IM-2006-II-34. Ducto, soportes para el motor y el eje: Todo ventilador de f lujo ax ial esta contenido en un cascaron o ducto, en el cual debe estar centrado, por lo que se h ace imprescindible el diseño de soportes que alineen el m otor y el eje con el centro del ducto. Al ser el ventilador de treinta centím etros de diámetro, el ducto se diseño de treinta y do s centímetros de diám etro. La siguiente figur a muestra lo s diferentes elementos diseñado s, incluy en do las aspas, el cubo y los elementos de sujeción entre los distintos elementos.. Figura 11: Elementos que constituyen el modelo.. 4. CONSTRUCCIÓN DEL VENTILADOR Aspas: La construcción de las asp as se llevo a cabo en la m aquina de prototipaje rápido presente en el labor atorio de ingeniería mecán ica de la Universidad de los An des. Mediante el pro gram a So lid edge se realiza el modelo anteriormente descrito, el cual se edita posteriorm ente en el pro gram a Catalyst en el que se puede definir el m odo de im presión del m aterial (vertical u horizontal), el núm ero de piezas a realizar, el tipo de pieza (sólida o esparcida) y el grosor de la cap a a im prim ir. La con strucción se realizó en dos sesion es de seis hor as y media en la que en cada una se obt uvieron do s aspas. Las aspas se con struyeron de form a esparcida, es decir que no son sólidas, lo cual las. - 34 -.

(35) IM-2006-II-34 hacen más liger as. El m aterial con el cual trabaja la m aquina de prototipaje ráp ido es el ABS el cual tiene las siguientes car acterísticas: Esfuerzo máximo a la tensión 22 MPa Modulo de tensió n 1627 MPa Elongación 6% Esfuerzo de flexión 41 MPa Modulo de flexió n 1834 MPa Sut (sentido longitudi nal) 17.6 MPa Sy (s entido lo ngitudinal) 17.1 MPa Modulo de Young (E) 3814 MPa Sut (sentido transversal) 12.1 MPa Sy (s entido trans versall) 10.7 MPa Modulo de Young (E) 3882 MPa Tabla 17: Propiedad es mecánicas del A BS.[11] y [12].. La figura 12 m uestra las aspas o btenidas.. Cubo:. Figura 12: Aspas obtenidas. La constr ucción del cubo se realizo también en la maquina de prototipaje rápido en un tiempo de 10 horas, debido principalm ente a que esta pieza es sólida y a que es la que soporta y transm ite el m ovimiento del eje del m otor al ventilador. En la figura 13 se observa el cubo o btenido.. Figura 13: Cubo obtenido. - 35 -.

(36) IM-2006-II-34. Ducto, soportes para el motor y el eje: El ducto del v entilador se r ealizó con una lámina de polietileno de calibre 20, enrollándola de tal m anera que gen erara un cilindro de 32 centím etros de diámetro. Los soportes del ducto son de MDF de 9 m ilím etros de ancho, al igual que los soportes del m otor y el eje. En el soporte del eje se incluyo un rodamiento de 16 milímetros de radio interno para evitar la excesiva fricción y por ende per didas entre el eje y el soporte. La siguiente figura muestra todos los elem entos que con stituyen el ventilador, incluyendo el motor.. Figura 14: Elementos del v entilador.. 5. MOTOR: El motor que proporciona el movim iento al ventilador es un m otor eléctrico de corriente continua General Electric, proporcionado por el laboratorio de In gen iería Mecánica. El voltaje de f un cionam iento del motor es de 120 voltio s y la corriente es de 9 amperios para desarro llar la m áxima velocidad angular y torque. La potencia máxim a calculada que p uede entregar este motor es de 1080 Watts (1.45 hp.). La alim entación del m otor se obtien e m ediante una fuente de voltaje variable de 0 a 30 voltios, la cual tam bién fue utilizada com o mecanismo de control de velo cidad al v ariar el voltaje de entrada al m otor.. 6. EXPERIM ENTACIÓN Los v entiladores utilizados para ap licacion es de desempeño aero dinámico, com o es el caso de un tún el de viento, deben ser probado s bajo la norm a ANSI/AM CA 210-99 conocida com o Laboratory Method s o f testing fan s fo r aerodynam ic perform ance rating - 36 -.

(37) IM-2006-II-34 [13]. Es posible o btener el desempeño de ventiladores de flujo axial al ser conectados a secciones como dif usores, contraccion es, pantallas, entre otros. El banco de pr uebas m ás apto debido a la dirección del flujo de aire es el siguiente.. Figura 15: Du cto según norma ANS I/AM CA 210-99. [13].. Las m ediciones deben realizar se en los p lano s in dicados anteriormente, y en cada uno de estos realizar 24 mediciones en los p untos que se in dican en la figura 16. Se r ealizan este núm ero de mediciones para determinar con m ayor precisión las cantidades de interés ya que se divide cada plano de experim entación en 5 áreas y se o btiene el prom edio de las variables con las siguientes ecuaciones, don de Pv3 es la presión dinám ica en el p lano 3, Pv3 r es la presión dinámica en el plano 3 en cualquiera de las n posiciones, V3 es la velocidad del flujo en el plano de medición, Q3 es el caudal, A3 es el área de la sección transv ersal, Ps 3 es la presión estática y Ps 3r es la presión estática en cualquiera de las n posicion es de m edición en cada plano.. - 37 -.

(38) IM-2006-II-34. ⎛ ∑ Pv 3r Pv3 = ⎜ ⎜ n ⎝. V3 = 2. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. 2. Pv3. ρ. Q3 = V3 A3. Ps 3 =. (17). (18). (19). ∑P. s 3r. n. (20). Figura 16: Sitios de medi ción en cada plano.. - 38 -.

(39) IM-2006-II-34. Instrumento de Medición: Tubo de Pito t. [5]. Este dispo sitivo es el más utilizado para determ inar la presión total o la cabeza total y la presión estática de un f lujo de aire. Consiste en un tubo delgado contenido dentro de uno m ayor, los cuales registran cada uno distintas presiones. El tubo interno registra la presión total y siempre se orienta paralelo en sentido contrario al flujo, mientras que el tubo externo registra la pr esión estática por m edio de o cho orificios igualm ente espaciado s so bre la perif eria. Si las presion es de lo s do s tubo s son conectadas por m edio de un manómetro, la dif erencia de pr esión registrada es aproximadam ente la presión dinám ica, por lo cual se puede obtener la velocidad del flujo al conocer la densidad del m ism o. Si la presión total esta def inida por PT = P +. 1 ρV 2 , don de P es la presión 2. estática, entonces la dif erencia entre las dos es la presión dinám ica definida como PT − P =. 1 ρV 2 . Conocien do la densidad se obtiene la velocidad del flujo def inida 2. como:. V=. 2 (PT − P). ρ. (21). Esta ecuación es la misma que la n úmero 18, por lo cual se aplican todas las relaciones anteriorm ente descritas y se observa la conven iencia de utilizar el tubo Pitot.. Montaje d el Ba nco de Dato s: Al tener el ducto del ventilador treinta y dos centímetros de diámetro y ya que la longitud mínima del banco de pr uebas debe ser diez veces el diám etro del ducto, el banco de pruebas se con struyo de una lon gitud total de trescientos veinte centím etros y un ducto de salida de sesenta centímetros de lon gitud, lo s do s con el m ism o diám etro del ducto del v entilador. El banco de pr uebas con sta de 6 secciones de lám inas de polietileno las cuales form an cilin dro s con soportes de MDF, com o se ilustra en la figur a 17.. - 39 -.

(40) IM-2006-II-34. Figura 17: Banco de Prueb as.. El ventilador es colocado entre el ducto que simula la salida del ventilador y el ducto de m ayor longit ud.. Va riables a m edir: La etapa de caracterización del ventilador es f un dam ental para conocer el r en dimiento del dispo sitivo al m edir las var iables de interés. Par a un ventilador de f lujo ax ial para desem peño aero dinámico las variables a est udiar son:. Ca udal: Vo lumen de aire por segundo capaz de entregar el ventilador en una sección transversal determinada.. Presió n estática: Suma de todas las resistencias o per didas del sistem a contra las cuales el ventilador debe trabajar. E s el trabajo útil requer ido por el v entilador. [14].. Presió n Dinámica: Per didas causadas por el trabajo realizado al colectar todo el air e en la entrada del ventilador. E sta basada en el ár ea libr e neta en el p lano del ventilador. [14].. Eficiencia: Eficiencia del ventilador basada en el aumento de presión y la potencia requerida por el motor, a la misma den sidad.. Potencia: La ener gía r equerida por el v entilador en las con diciones act uales para desarrollar el trabajo requerido. [14].. - 40 -.

(41) IM-2006-II-34. Proto colo de experimentación: Al conocer los valores de presión estática frente y atrás del v entilador, se obtien e el valor de presión que es capaz de sum inistrar el dispo sitivo, es decir el ∆P, valor que determina si el ventilador proporciona la en ergía suficiente par a ven cer las per didas m enores y por fricción en el ducto del túnel y por lo tanto da las condiciones deseadas en la sección de pruebas. Al ser diseñ ado el ventilador para tener paso variable al igual que velocidad variable resulta de suma importancia cuantificar las variables anteriormente mencionadas para cada configur ación. Se esco gieron 3 án gulo s distintos de paso del aspa y a cada uno de estas configuracion es se les varió la velocidad 5 veces par a po der determ inar las características del ventilador. Estas mediciones se realizaron siguiendo la norma anteriorm ente descr ita en cuatro plano s distintos, los cuales se identifican en la figura número 15 com o P.L. 1, P.L. 2 y P.L. 3. El primer plano de medición se encuentra ubicado a un a distancia de 272 centímetros del extremo del ban co de pr uebas, el segun do p lano se en cuentra al frente del ventilador, el tercer plano atrás del v entilador y el cuarto plano al fin al del ducto de salida. Lo s án gulos esco gido s y las velocidades se encuentran a contin uación:. Velocidad Áng ulo d e paso 1000 20 28,3 30 1200 20 28,3 30 1400 20 28,3 30 1600 20 28,3 30 1800 20 28,3 30 Tabla 18: Con figu raciones Ventilador.. Para garantizar el án gulo de paso se utilizó la relación de arco s = rθ , donde se conoce tanto el ángulo como el radio. La siguiente tabla resum e los cálculos o btenidos:. Radio (cm) Áng ulo (rad ) Áng ulo (º) Arco (cm) 3 0,349 20 1,047 3 0,494 28,3 1,482 3 0,524 30 1,571 Tabla 19: Longitud del arco ángulo de paso. - 41 -.

(42) IM-2006-II-34 Las longit udes del arco calculadas f ueron medidas y trazadas so bre la cir cunferencia de la base superior del asp a. Entonces para graduar el án gulo de paso, es necesario alinear la marca respectiva con los tornillo s de sujeción, los cuales sirven como referen cia. Para obtener la presión dinám ica se utilizo el t ubo pitot y la relación descrita en la ecuación 17 y la velo cidad se o btuvo de la ecuación 18 ó 21. Conocien do estas cantidades se o btuvo el caudal. La diferencia de presión estática se o btuvo con dos tubos de pitot al conectar únicamente la salida de la presión estática de cada uno al m anómetro inclinado. Estas m edicion es se tomaron en los planos correspondientes a atrás y adelante del ventilador. Para obtener la presión m áxim a desarrollada por el ventilador es necesario tapar la entrada del ducto con un dispositivo de form a cónica el cual se encuentra ilustrado en la figura 16 (Dispo sitivo sofocador). L uego se destapa el ducto pro gresivamente para ir aumentando el caudal hasta el punto en el cual la presión es mínim a y el caudal es máxim o, con dición que se lo gra ún icam ente cuando la entrada del ducto se encuentra libr e. E ste procedimiento se sigue para cada configuración del ventilador, es decir, para cada án gulo y velocidad. Para obtener la potencia se m idió el voltaje y la corriente de entrada al motor para generar la velocidad deseada, y la eficiencia se calcula con base en las mediciones de dif erencia de presión del ventilador, caudal y potencia según la r elación descrita por la ecuación num ero 8.. Medició n de Presió n Dinám ica: Para cada án gulo de paso se o btuvieron 480 mediciones de presión din ám ica, 120 en cada plano desp ués de ap licar la norma y el protocolo de exper im entación. E stas m ediciones se o btuvieron en la con dición de ducto libre. Los resultados o btenidos son:. Ángulo de pa so 20º. Velocidad 1000 1200 1400 1600. 8,5 D 1,070 1,577 2,109 2,522. Frente al ventilador 1,512 1,575 2,165 2,779. - 42 -. Atrás del ventilador 2,541 4,153 5,157 6,641. Ducto de salida 1,191 1,950 2,467 2,976.

(43) IM-2006-II-34 1800. 3,154 3,460 8,089 Tabla 20: Presión dinámica en Pascales, ángulo de paso 20 º.. 3,319. Ángulo de pa so 28.3º. Velocidad 1000 1200 1400 1600 1800. 8,5 D Frente al ventilador Atrás del ventilador Ducto de salida 1,730 1,441 4,160 1,604 2,638 2,197 5,927 2,585 3,456 3,036 8,042 3,474 4,407 3,958 10,437 4,769 5,510 5,084 13,984 6,056 Tabla 21: Presión dinámica en Pascales , ángulo de paso 28.3º .. Ángulo de pa so 30º Velocidad 1000 1200 1400 1600 1800. 8,5 D Frente al ventilador Atrás del ventilador Ducto de salida 2,021 2,253 4,339 2,070 2,981 3,389 6,299 3,185 4,178 4,490 8,586 4,244 5,744 5,834 11,811 5,786 7,177 7,500 15,557 7,383 Tabla 22: Presión dinámica en Pascales, ángulo de paso 30 º. Los resultado s o btenidos para el caudal según las tablas de presión din ám ica son: Velocidad 1000 1200 1400 1600 1800. 8,5 D 0,125 0,152 0,175 0,192 0,214. Velocidad 1000 1200 1400 1600 1800. 8,5 D 0,159 0,196 0,224 0,253 0,283. Velocidad 1000 1200 1400. 8,5 D 0,172 0,208 0,247. Frente al ventilador Atrás del ventilador 0,148 0,192 0,151 0,246 0,178 0,274 0,201 0,311 0,225 0,343 3 Tabla 23: Caudal en m /s , ángulo de paso 20 º Frente al ventilador Atrás del ventilador 0,145 0,246 0,179 0,294 0,210 0,342 0,240 0,390 0,272 0,451 3 Tabla 24: Caudal en m /s , ángulo de paso 28 .3° Frente al ventilador 0,181 0,222 0,256. - 43 -. Atrás del ventilador 0,251 0,303 0,354. Ducto de salida 0,132 0,169 0,190 0,208 0,220. Ducto de salida 0,153 0,194 0,225 0,264 0,297. Ducto de salida 0,174 0,215 0,249.

(44) IM-2006-II-34 1600 1800. 0,289 0,323. 0,292 0,415 0,331 0,476 3 Tabla 25: Caudal en m /s , ángulo de paso 30 º. 0,290 0,328. El caudal m edido al ventilador en la conf iguración de diseño (velo cidad 1800 RPM, 3. ángulo de paso 28.3º) es mayor al valor esperado, el cual es de 0.27 m /s. La configuración del ventilador que proporciona un v alor m uy cer cano al caudal deseado en el diseño es: v elocidad 1400 RPM, ángulo de paso 20º, el cual gener a un caudal atrás del ventilador de 0.274 m 3/s.. Medició n de la Potencia. Para obtener la potencia es necesario medir el voltaje y la corriente que alim enta el m otor. Estas mediciones se obtuv ieron en la con dición de ducto libre. Lo s resultados obtenido s son :. Ángulo de pa so 20º Velocidad (RPM) 1800 1600 1400 1200 1000. Voltaje (V) Corriente (A) Potencia (W) 15,4 1,7 26,18 13,3 1,61 21,413 11,6 1,53 17,748 9,8 1,44 14,112 8,3 1,37 11,371 Tabla 26: Potencia, ángulo 20º. Potencia (hp) 0,035 0,029 0,024 0,019 0,015. Ángulo de pa so 28.3º Velocidad (RPM) 1000 1200 1400 1600 1800. Voltaje (V) Corriente (A) Potencia (W) 9,6 1,5 14,4 11,4 1,61 18,354 13,5 1,75 23,625 15,5 1,88 29,14 18,2 2,03 36,946 Tabla 27: Potencia, ángulo 28.3º. Potencia (hp ) 0,019 0,025 0,032 0,039 0,050. Voltaje (V) 18,2 15,6 13,2. Potencia (hp) 0,051 0,041 0,032. Ángulo de pa so 30º Velocidad (RPM) 1800 1600 1400. Corriente (A) 2,09 1,95 1,8. - 44 -. Potencia (W) 38,136 30,469 23,715.

(45) IM-2006-II-34 1200 1000. 11,1 1,68 18,620 9,2 1,55 14,260 Tabla 28: Potencia, ángulo de paso 30º. 0,025 0,019. La potencia medida par a la configuración de diseño es menor a la potencia calculada teóricamente; es mas, ninguna de las configur acion es de velocidad y ángulo de p aso hicieron que el m otor utilizara esa cantidad de potencia.. Ca udal co ntra velocidad. Las siguientes gr áficas muestran el cam bio del caudal en los cuatro planos de m edición para las diversas configuraciones del ventilador (ducto libre). Caudal V s. Velocida d 0,4. Q (m³/s). 0,35 0,3. 8,5 D Frente al vent ilador Atrás del ventilador. 0,25. Ducto de salida. 0,2 0,15 0,1 900. 1400. 19 00. Velocidad (RPM). Gráfica 10: Caudal Vs. Velo cidad, ángulo de p aso 20º Caudal Vs velocidad 0 ,500 0 ,450. Q (m³/s). 0 ,400 8,5D. 0 ,350. Frente ventilador. 0 ,300. Atrás ventilador. 0 ,250. Ducto salida. 0 ,200 0 ,150 0 ,100 9 00. 14 00. 1900. veloc idad (rpm). Gráfi ca 11: Caudal Vs. Velocidad, ángulo de paso 28 .3º. - 45 -.

(46) IM-2006-II-34. Caudal Vs. V elocidad. 0,5 0,45. 8.5 D. Q (m³/s). 0,4 0,35. Frente al ventilador. 0,3. Atrás del ventilador Duc to de salida. 0,25 0,2 0,15 900. 1 100. 13 00. 1500. 1700. 1 900. Velocida d (RPM). Gráfica 12: Caudal Vs. Velo cidad, ángulo de p aso 30º. Las gr áficas anteriores m uestran el aum ento signif icativo del caudal atrás del ventilador. En lo s otros tres planos de m edición se observa que el caudal permanece constante, con un ligero aum ento en el ducto de salida, lo cual era de esp erar se y a que el ventilador transmite mayor velocidad al f luido en las zonas posteriores del ducto. Se esp eraba un m ayor caudal, pero al ser el m otor de gran des dimen siones el área de flujo libre se ve limitada (ver figura 17). Las siguientes f iguras m uestran la distribución de velocidad en la sección transversal del ducto en los planos de m edición para las configur acion es dadas en la con dición de ducto libre.. Ángulo de pa so 20º. Distribución de velocidad 8.5 D. Distribución de ve locidad frente al ve ntila dor. 3, 5 3, 5 3. 10 00 R PM 12 00 R PM. 2. 14 00 R PM. 1, 5. 16 00 R PM. 1. 18 00 R PM. 0, 5. Velocidad (m/s). Ve loc ida d (m /s). 3 2, 5. 100 0 R PM. 2, 5. 120 0 R PM. 2. 140 0 R PM. 1, 5. 160 0 R PM. 1. 180 0 R PM. 0, 5. 0. 0. 0. 0,05. 0,1. 0, 15. 0. Dista ncia desde la s upe rficie del ducto (m). 0,05. 0,1. 0,15. Distancia de sde la super ficie del ducto (m). - 46 -.

(47) IM-2006-II-34. Distribución de velocidad atrás del ventil ador. Dis tribución de velocidad ducto de sal ida 4 3,5. Veloc ida d (m/s). 5. 10 00 RPM. 4. 12 00 RPM. 3. 14 00 RPM. 2. 16 00 RPM. Velocidad (m/s). 6. 1000 RPM 1200 RPM. 2. 1400 RPM. 1,5 1. 1600 RPM 1800 RPM. 0,5. 18 00 RPM. 1. 3 2,5. 0 0. 0 0. 0, 05. 0, 1. 0, 15. 0,05. 0,1. 0,15. Distan cia desd e la su perficie del d ucto (m). Dista ncia d esde la s uper ficie d el d ucto (m). Grafi ca 13: Distribución de la velo cidad, ángulo 20 º. Ángulo de pa so 28.3º. Di stribución de velocida d a 8 .5 D. Distri buci ón de velocidad fre nte al ventilador. 4 4. 3. 1000 RPM. 2, 5. 1200 RPM. 2. 1400 RPM. 1, 5. 1600 RPM. 1. 1800 RPM. 0, 5. 3,5. Velo cid ad (m/S). Velo cidad (m/s). 3, 5. 10 00 RPM. 3 2,5. 12 00 RPM. 2. 14 00 RPM. 1,5. 16 00 RPM. 1. 18 00 RPM. 0,5. 0. 0 0. 0, 05. 0,1. 0. 0,15. 0,1. 0, 15. Dis tribución de velocidad ducto salida. Distribución de ve locidad atrás del ve ntila dor. 5 4,5. 7 6. 10 00 R PM. 5. 12 00 R PM. 4. 14 00 R PM. 3. 16 00 R PM. 2. 18 00 R PM. 1 0. Velocidad (m/s). 8. Velo cid ad (m/s). 0,05. Distan cia d esde la su perficie d el d ucto (m). Distan cia desde la sup erficie d el d ucto (m). 4 3,5 3. 1000 RPM 1200 RPM. 2,5 2. 1400 RPM. 1,5 1 0,5. 1800 RPM. 1600 RPM. 0. 0. 0,05. 0,1. 0,15. 0. Dis ta ncia d esd e la s upe rficie del ducto (m). 0,05. 0,1. 0,15. Distancia d esde la su perficie del du cto (m). Grafica 14: Distribución d e la velo cidad, ángulo 28 .3º. - 47 -.

(48) IM-2006-II-34. Ángulo de pa so 30º. Distribución de vel ocidad a 8.5 D. Distribuc ión de ve locidad frente al ve ntila dor. 4,5 4 ,5. 4. 4. 10 00 R PM. 3. 12 00 R PM. 2,5. 14 00 R PM. 2. 16 00 R PM. 1,5. 18 00 R PM. 1. 3 ,5. Velocidad (m/s ). Velo cid ad (m/s). 3,5. 12 00 R PM. 2 ,5. 14 00 R PM. 2. 16 00 R PM. 1 ,5. 18 00 R PM. 1. 0,5. 0 ,5. 0. 0. 0. 0,0 2. 0 ,04. 0 ,06. 0,0 8. 0,1. 0 ,12. 0. Distancia desd e la sup erfic ie del duc to (m). 0,02. 0,04. 0,06. 0, 08. 0,1. 0,12. Dis tancia desde la superficie de l ducto (m). Distribu ción de veloci dad atrás del ventil ador. Distribución de velocidad ducto de salida. 7. 6. 6. 5. 10 00 R PM. 5. 12 00 R PM. 4. 14 00 R PM 3. 16 00 R PM 18 00 R PM. 2. Velocida d (m/s). Velocidad (m/s). 10 00 R PM. 3. 10 00 R PM. 4. 12 00 R PM 14 00 R PM. 3. 16 00 R PM 2. 18 00 R PM. 1. 1 0. 0. 0. 0, 02. 0,0 4. 0,06. 0,08. 0 ,1. 0. 0,1 2. Distanc ia des de la superficie del ducto (m). 0,02. 0,04. 0,06. 0,08. 0 ,1. 0,12. Dis ta ncia desde la superfic ie del duc to (m). Grafi ca 15: Distribución de la velo cidad, ángulo 30 º. En las gráficas de distribución de velocidad atrás del ventilador y en el ducto de salida se observa la caída de velocidad debido a la presencia del motor y los soportes del m ism o. En la m ayoría de los casos se o bt uvo mayor velocidad en la posición de m edición más cercan a al ducto. En los plano s de medición adelante del ventilador se observa que la velo cidad perm anece casi constante en el p lano debido a que en estas regiones el f lujo se p uede desarrollar plenamente.. 7. CURVAS CARACTERÍSTICAS. Las curvas características del ventilador se obtuvieron al graf icar la difer encia de presión, la eficien cia y la potencia o btenidas de las pr uebas anteriorm ente m encionadas. Se realizaron do s tipos de curvas para cada un a de las variables medidas, las prim eras. - 48 -.

(49) IM-2006-II-34 m uestran la relación o btenida para las cantidades anteriormente mencionadas y el caudal, m ientras que el segun do tipo de curvas están basadas en las cantidades adimensionales de caudal, presión y potencia, por lo que las curvas características del ventilador están normalizadas a la velocidad. No se incluye el diámetro en estas curvas debido a que este permanece siempre constante. Las gr aficas normalizadas muestran una r elación clar a entre las variables de interés al ser cuantificables en un so lo n úm ero. Por otro lado permiten hacer con sider aciones acerca de mo delo s al var iar la cantidad de interés, en este caso p uede ser el diám etro del ventilador y la velo cidad. De este m odo se puede obtener la diferencia de presión, potencia y caudal para cualquier diám etro y velocidad, según la condición de trabajo necesario. La única variable que no esta relacionada con las dem ás y por en de no se puede predecir y cuantificar su total influen cia so bre el comportamiento del ventilador es el án gulo de paso, aun que las pr uebas realizadas dan una idea de su inf luencia.. Curvas no norm alizada s. Ángulo de pa so 20°. Diferencia de P resion Vs. Caudal 30 25 1800 RP M. ∆P (Pa). 20. 1600 RP M. 15. 1400 RP M 1200 RP M. 10. 1000 RP M. 5 0 0. 0,1. 0,2. 0,3. Q (m³/s). Grafi ca 16: ∆P Vs . Q, ángulo 20°. - 49 -. 0,4.

(50) IM-2006-II-34. Potenc ia Vs. Ca uda l 35. Potencia (W). 30 18 00 R PM. 25. 16 00 R PM. 20. 14 00 R PM. 15. 12 00 R PM. 10. 10 00 R PM. 5 0 0. 0,1. 0, 2. 0 ,3. 0, 4. Q (m³/s). Grafi ca 17: Potencia Vs. Q , ángulo 20° Eficienc ia Vs. Caudal 0,07 0,06 1800 RPM. 0,05. 1600 RPM. 0,04 η. 1400 RPM. 0,03. 1200 RPM. 0,02. 1000 RPM. 0,01 0 0. 0,1. 0, 2. 0,3. 0,4. Q (m ³/s). Grafi ca 18: η Vs. Q, ángulo 20°. Ángulo de pa so 28.3°. Diferencia de P resio n V s. C aud al 70 60 1800 RPM. 50 ∆P (P a). 1600 RPM 40. 1400 RPM. 30. 1200 RPM 1000 RPM. 20. punt o de diseño. 10 0 0. 0,1. 0, 2. 0,3. 0,4. 0,5. Q (m³/s). Grafi ca 19: ∆P Vs. Q, ángulo 28.3°. - 50 -.

(51) IM-2006-II-34. Potencia Vs. Caudal 40. Potem cia (W). 35 30. 1800 RPM. 25. 1600 RPM. 20. 1400 RPM. 15. 1200 RPM. 10. 1000 RPM. 5 0 0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. Q (m ³/s). Grafi ca 20: Potencia Vs. Q , ángulo 28.3° Eficiencia Vs. C au dal. η. 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04. 180 0 RPM 160 0 RPM 140 0 RPM 120 0 RPM 100 0 RPM. 0,02 0 0. 0,1. 0, 2. 0,3. 0,4. 0,5. Q (m ³/ s). Grafi ca 21: η Vs. Q, ángulo de p aso 28.3°. Ángulo de pa so 30° Disfer encia de P resión Vs. Caudal 60 50 1800 RPM. ∆P (Pa). 40. 1600 RPM 1400 RPM. 30. 1200 RPM. 20. 1000 RPM. 10 0 0. 0,1. 0, 2. 0,3. 0,4. 0,5. Q (m ³/s). Grafi ca 22: ∆P Vs . Q, ángulo 30°. - 51 -.