INFORME FINAL ESTABLECIMIENTO DEL PATRON PRIMARIO DE VELOCIDAD DE

GASES EN EL LABINTHAP DE LA SEPI-ESIME ZACATENCO

DIRECTOR DEL PROYECTO

M. EN C. GUILIBALDO TOLENTINO ESLAVA

FEBRERO 2005-ENERO 2006

RESUMEN Se realizaron los procedimientos técnicos, de calidad y administrativos por medio de un Manual de Calidad para establecer en la ESIME Zacatenco los laboratorios primario y secundario de medición de velocidad de aire, en un intervalo de 5-30 m/s; empleando como instalaciones experimentales un túnel de viento de velocidad baja y un ventilador centrífugo-ducto de trabajo; así como un anemómetro láser Doppler y un tubo Pitot tipo L como instrumentos de referencia de calibración. Se desarrollaron procedimientos técnicos para caracterizar las instalaciones experimentales en función de los perfiles de velocidad, crecimiento de capa límite y nivel de turbulencia, empleando para esto un anemómetro de hilo caliente. Estos procedimientos se aplicaron para diferentes velocidades de flujo de aire en un intervalo desde 5 m/s hasta 30 m/s. Además de desarrollar metodologías para calibrar instrumentos de medición de velocidad de aire como son tubos Pitot tipo L y S, anemómetros tipo copa, propela y térmicos industriales. De los procedimientos anteriores, actualmente se da el servicio de calibración a la industria nacional en la calibración de los instrumentos mencionados anteriormente y se esta en la etapa de solicitar el acreditamiento antela EMA del laboratorio secundario. Por otro lado, respecto al patrón primario, se esta ensamblando todo el sistema que comprende la sección de calibración, el disco giratorio y el ALD para establecer el patrón primario de velocidad de aire en esta escuela. INTRODUCCION El propósito del proyecto 20050917 fue establecer en la ESIME Zacatenco el patrón primario de velocidad de aire en un intervalo de velocidad de 5-30 m/s. Derivado de este propósito también se contempló la acreditación ante la EMA del laboratorio secundario en calibración de tubos Pitot tipo L y S, anemómetros de propela, térmicos industriales y de copas. Uno de los problemas abordados en este proyecto es que actualmente el CENAM y México no tiene un patrón nacional de velocidad de aire. Para esto se firmó un convenio específico entre el CENAM-División de Flujo y Volumen y la ESIME Zacatenco para desarrollar y establecer este patrón. Este patrón primario dará el servicio a los laboratorios secundarios en la calibración de instrumentos de velocidad de aire. También aprovechando la infraestructura este proyecto permitió el desarrollo de un laboratorio secundario en la calibración de estos instrumentos.

El problema que se resuelve con la metrología de velocidad de aire, es que toda la industria de procesos de combustión, sistemas de ventilación, de aire acondicionado, generación eólica, etc., necesita medir velocidad de aire en diversas situaciones y debe hacerlo con instrumentos calibrados. Es aquí donde la ESIME brinda este servicio por medio de la aplicación de los resultados obtenidos en este proyecto. Como laboratorio secundario actualmente se esta en trámites ante la EMA para acreditar al LABINTHAP como laboratorio secundario. Con respecto al patrón primario, se esta ensamblando todo el sistema y después se deben desarrollar las pruebas experimentales definitivas para asegurarse que se cumple con lo normatividad internacional, sobre todo en nivel de turbulencia e incertidumbre. Logrado esto, se debe hacer una cadena de intercomparaciones a nivel internacional y manifestar el patrón primario de la ESIME ante la DGN. El trabajo desarrollado en este proyecto ha permitido realizar investigación en metrología de velocidad de aire y mecánica de fluidos, ya que se tuvieron que realizar estudios de capa límite y turbulencia en ductos de diversas geometrías. Además de que la caracterización del túnel de viento permite realizar investigación en turbomaquinaria, principalmente en álabes de compresor y turbina de gas, aerodinámica de diferentes geometrías, mecánica de fluidos, etc. METODOS Y MATERIALES El proyecto se divide para su alcance en dos etapas: 1) Laboratorio secundario, y 2) Laboratorio primario de velocidad de aire. La descripción técnica es la siguiente: LABORATORIO SECUNDARIO Se estableció el intervalo de calibración de acuerdo a la norma ASTM D 3796 90 y las necesidades de medición de velocidad de aire en los procesos industriales. Se caracterizó la instalación experimental en función de los perfiles de velocidad para el intervalo de 5-30 m/s, teniéndose datos para 5, 10, 15, 20, 25 y 30 m/s, empleando tubo Pitot y sonda de hilo caliente.. Se mandó a calibrar al NIST un tubo Pitot tipo L de nariz elipsoidal, para servir como instrumento de comparación.

Se implementó la metodología marcada en la norma ASTM para calibrar tubos S, además de desarrollar metodologías para calibrar tubos L, y anemómetros propela, térmicos y de copas. Para cada metodología se desarrollo un análisis para estimar la incertidumbre en la calibración de cada instrumento. Paralelo a las actividades anteriores, se desarrolló y redactó el Manual de Calidad. Documento que exige la EMA para iniciar el procedimiento de acreditamiento de un laboratorio secundario. LABORATORIO PRIMARIO Se firma un convenio específico con el Centro Nacional de Metrología. Se define junto con el CENAM el intervalo de velocidad de aire del patrón primario, así como los mecanismos primarios de calibración. Disco giratorio para el intervalo de 5-15 m/s y tubo Pitot calibrado por el NIST para los restantes valores. Se calcula y construye la sección de calibración. Además se caracteriza esta sección en función de los perfiles de velocidad, capa límite y nivel de turbulencia; empleando anemometría de hilo caliente. Se desarrollan metodologías para calibración del anemómetro láser Doppler empleando el disco giratorio así como el tubo Pitot. Se prueban diferentes métodos de inyección de partículas para medir con el láser Doppler. Actualmente se esta ensamblando todo el conjunto para tener la caracterización final y observar que se cumpla con la normatividad internacional en este tipo de metrología. RESULTADOS Instalación secundaria Consiste en el desarrollo y caracterización de esta instalación para calibrar instrumentos de velocidad de aire.

Disco giratorio Consiste en tener un disco giratorio caracterizado en función de las rpm para poder calibrar el ALD convirtiendo la velocidad angular en velocidad lineal. Sección de calibración primaria Se caracterizó esta sección en función del comportamiento del flujo en los intervalos definidos con anterioridad. Esto para cumplir principalmente con el nivel de turbulencia. Patrón primario de velocidad de aire Finalmente se ensambla todo el sistema que consiste de la sección de pruebas, el anemómetro láser Doppler y el instrumento a ser calibrado. IMPACTO El impacto de este proyecto es la utilidad que tienen las instalaciones experimentales para calibrar instrumentos de velocidad de aire, ya que la velocidad se ha convertido en una variable de medición fundamental sobretodo en los procesos industriales donde existe combustión. Por otro lado, México no cuenta con laboratorios de velocidad de aire, y queremos ser los pioneros y especialistas en este tipo de metrología. Además este proyecto ha permitido establecer contacto con aproximadamente 20 empresas que requieren el servicio de calibración, teniéndose como resultado una buena relación escuela-industria. El desarrollo de las instalaciones experimentales descritas a lo largo de este Informe, no únicamente tienen su aplicación en la metrología, sino también en diversas áreas de la Energética como son turbomaquinaria, dinámica de fluidos, transferencia de calor y aerodinámica. Además de haber tenido la experiencia de compartir en cursos de Licenciatura y Posgrado las técnicas de medición modernas como son la anemometría de hilo caliente y láser Doppler. Finalmente la formación de recursos humanos es importante en el desarrollo del proyecto, ya que se ha graduado un alumno de Posgrado, 3 de posgrado en proceso de graduación así como alrededor de 5 tesis de licenciatura.

DESARROLLO DEL PROYECTO LABORATORIO PRIMARIO TÚNEL DE VIENTO El túnel de viento de velocidad baja del Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) tiene dos secciones de pruebas rectangulares, una en la succión y otra en la descarga del ventilador que genera el flujo de aire, el cual es accionado por un motor eléctrico. La velocidad máxima en las secciones de pruebas es de 70 m/s y 36 m/s en la succión y descarga respectivamente. El flujo de aire en el túnel de viento se genera por medio de un ventilador centrífugo de presión media, marca VENTURI, con un rodete de 9 álabes inclinados hacia atrás con una descarga a 0º, 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 (100 HP) a 1775 RPM. El motor eléctrico es controlado mediante un variador de velocidad, marca EMERSON, modelo LASER 3. El variador permite generar diferentes velocidades en las secciones de prueba del túnel de viento. La sección de pruebas de succión es de 0.60 m por 0.80 m, de longitud variable (hasta 4.00 m); la velocidad máxima que se alcanza es de 70 m/s. La sección de pruebas de presión en la descarga del túnel de viento es de 1.00 m por 1.25 m con una longitud de 5.20 m. Al final de la sección de pruebas se tiene una compuerta de 4 álabes horizontales opuestos, para variar el flujo del ventilador a RPM constantes. La velocidad máxima en esta zona es de 36 m/s. Modificaciones en la Sección de Pruebas de Succión La sección de pruebas de succión del túnel de viento, se empleará como instalación experimental para establecer el patrón nacional de velocidad de gases en un intervalo de 5 m/s a 30 m/s. Este patrón permitirá calibrar diferentes instrumentos de medición de velocidad como son tubos Pitot tipo L, anemómetros tipo propela, anemómetros térmicos de uso industrial, etc. Por lo que las modificaciones propuestas en este proyecto se realizarán únicamente en la sección de pruebas de succión del túnel de viento. Las modificaciones en el túnel de viento desarrolladas en este proyecto, se basan en las recomendaciones propuestas en los siguientes artículos: The Desing of Low Speed Wind Tunnels [Bradshaw P. y Pankhurst R. C., 1964] y Desing Rules for Small Low Speed Wind Tunnels [Metha R. D. y Bradshaw P., 1979]. Estas modificaciones son la implementación de una cámara estabilizadora con una

sección transversal de 1764 mm por 2388 mm, en la que se instalarán un panal de geometría hexagonal y cinco mallas estabilizadoras, una contracción de sección transversal rectangular con relación de áreas de 9:1 y una entrada acampanada que se colocará al inicio de la cámara estabilizadora para uniformizar el flujo a la entrada de la misma. Esta modificaciones tienen como finalidad reducir la turbulencia en la sección de pruebas a menos del 0.5%. Mallas y panales La reducción de las fluctuaciones de velocidad y en consecuentemente de la turbulencia en la sección de pruebas de un túnel de viento, se realiza mediante la instalación de panales y mallas o una combinación de ambos, en una sección corriente arriba de la contracción llamada cámara estabilizadora. Las mallas reducen en mayor grado la turbulencia en la dirección axial (u) que en la dirección lateral (v), de acuerdo a los coeficientes de las ecuaciones 1 y 2 (Batchelor, 1993):

12 'uK1K1'u ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+α+α−α+

= (1)

12 'vK1

1.1'v+

= (2)

Las mallas y los panales, además de reducir las fluctuaciones de la velocidad y en consecuencia la turbulencia en la dirección axial, también reducen la desviación del flujo. Ambos, elementos reducen el ángulo de incidencia del flujo (α) cuando este pasa a través de ellos. El coeficiente de deflexión del flujo α es la relación entre el ángulo de salida del flujo φ y el ángulo de entrada θ [Barlow J. B., et al. 1999], para ángulos pequeños la relación entre estos se puede escribir como:

θα=φ (3) El valor del coeficiente de deflexión α de la ecuación anterior se encuentra entre 0 y 1; por lo tanto, el ángulo del flujo a la salida de la malla se reducirá al pasar a través de una malla o un panal. Schubauer G. B., et al (1950), determinaron una ecuación empírica para el ángulo de deflexión α, el cual depende del coeficiente de caída de presión K como se muestra en la siguiente ecuación.

K11.1+

=α (4)

El coeficiente de caída de presión (K) [Barlow J. B., et al. 1999], depende de dos parámetros que caracterizan a cualquier malla. Estos son, la porosidad β y el número de Reynolds (Rew) en función del diámetro del alambre de la malla. La porosidad, es función del diámetro del alambre (dw) y de la longitud de abertura (M) de la malla y se define como la relación entre el área total abierta y el área total de la malla y se calcula con la ecuación 5. Otro parámetro complementario de

la porosidad y que en ocasiones se emplea, es la solidez (σ) de la malla, la cual se calcula con la expresión 6.

2w

Md1 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=β (5)

β−=σ 1 (6) Bradshaw P. y Pankhurst R. C. (1964), sugieren el empleo de mallas con una porosidad β > 0.57, debido a que las mallas con β menores producen inestabilidades ya que el flujo a través de las aberturas provoca la aparición de chorros que colisionan entre sí formando vórtices en la dirección del flujo, los cuales persisten a través de la contracción, teniendo como resultado fluctuaciones de la velocidad dentro de la sección de pruebas. Además sugieren que el número de Reynolds local (Relw) de los alambres; sea mayor de 80, para que la estela de los alambres sea turbulenta para que no se presenten las variaciones de velocidad en la sección de pruebas, el número de Reynolds para este caso se calcula según la siguiente ecuación.

βν= w

lwUdRe (7)

El coeficiente de caída de presión (K) de la malla es función de β y del Relw, este debe obtenerse de manera experimental bajo las mismas condiciones en las que se empleará la malla, Metha R. D. y Bradshaw P. (1979), proponen la ecuación de Wieghardt (8), para obtener una aproximación del coeficiente de caída de presión, la cual es válida para un Relw, hasta de 600.

31

lw2 Re15.6K −⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ββ−

⋅= (8)

Además, sugieren que la distancia óptima entre la última malla y la entrada a la contracción debe ser de 0.2 diámetros de la cámara estabilizadora, para que no se presenten variaciones de velocidad en la sección de pruebas del túnel de viento. Estos autores, también recomiendan que se deben instalar por lo menos cuatro mallas en la cámara estabilizadora, separadas por una distancia de 500 diámetros del alambre (dw). De acuerdo a los criterios anteriores, se sugiere para el túnel de viento del LABINTHAP una malla con las siguientes características: 20 aberturas por pulgada (M = 1.27 mm), de alambre calibre 30 (dw = 0.23 mm), con una porosidad β = 0.67 y solidez σ = 0.33. Con las características anteriores se cumple con el criterio que β ≥ 0.57 propuesto por Bradshaw P. y Pankhurst R. C. (1964), para que no se presenten inestabilidades del flujo en la sección de pruebas a causa de las mallas

Las dimensiones de la cámara estabilizadora para instalar una contracción con relación de áreas de 9:1 son 1764 mm por 2388 mm, la velocidad máxima en la cámara estabilizadora es de 7.44 m/s, para esta velocidad el número de Reynolds local para la malla es de 175, el coeficiente caída de presión para estas condiciones es de K = 1.06 y la distancia entre la última malla y la entrada de la contracción será de 500 mm, lo que cumple con el criterio de que esta distancia debe ser de 0.2 el diámetro de la cámara estabilizadora. Por otro lado, se propone instalar cinco mallas con las características antes descritas, separadas por una distancia de 120 mm (521 dw). Los panales son efectivos para remover vórtices y variaciones de la componente lateral de la velocidad (v, ecuación 3.6), debido a su longitud, para lo cual el ángulo de incidencia del flujo debe ser menor a 10° [Metha R. D. y Bradshaw P., 1979]; además tienen un coeficiente de caída de presión menor que las mallas y en consecuencia una menor influencia en la velocidad axial del flujo. La sección transversal de las celdas de los panales normalmente es hexagonal; aunque en ocasiones se emplean secciones cuadradas, circulares o triangulares, las cuales son más fáciles de construir. Los parámetros de diseño de un panal son la relación de longitud entre diámetro hidráulico de una celda y la porosidad o solidez, definidas de la misma forma que una malla. Para obtener un mejor comportamiento del panal, su longitud debe estar entre 6 y 8 veces su diámetro equivalente y se deben colocar por lo menos 25 000 celdas, aunque en algunos túneles se colocan hasta 50 000 panales. Loehrke R. I. y Nagib H. M. (1976), sugieren que la distancia entre el panal y la primera malla debe ser de 5 veces el diámetro de la abertura del panal, aunque en los túneles de viento se tiene distancias de 56 diámetros de la celda [Purtell L. P. y Klebanoff P. S., 1979] y 47 diámetros de la celda [discusión de Loehrke R. I. y Nagib H. M., 1976]. El panal que se instalará es de sección hexagonal con un diámetro equivalente de 10.5 mm, espesor de 0.2 mm y longitud de 85 mm. La separación entre el panal y la primera malla será de 500 mm (0.2 diámetros de la sección estabilizadora) equivalente a 48 diámetros de la celda del panal. Contracción y entrada acampanada La contracción es uno de los componentes más importantes en un túnel de viento, por que une las zonas de velocidad baja (sección estabilizadora) y la velocidad alta (sección de pruebas). La contracción tiene como finalidad; a) incrementar la velocidad promedio del flujo de aire, y b) reducir las variaciones de la velocidad promedio y las fluctuaciones de ésta. Metha R. D. y Bradshaw P. (1979), proponen que la relación de áreas de la contracción debe estar entre 6 y 9. En el diseño de la contracción se debe evitar la separación de la capa límite a lo largo de ésta, ya que se tienen dos regiones que son sensibles a este fenómeno; la primera es la región cóncava en el inicio de la contracción y la segunda es la parte convexa cercana a la salida de la contracción.

Por otro lado, en las secciones cuadradas y rectangulares se presenta un flujo secundario en las esquinas de la contracción, lo cual hace más propensa la separación del flujo en estas zonas. Finalmente se debe evitar una aceleración excesiva a lo largo del cono de contracción, para que no se presente una velocidad más alta cercana a la pared de la sección de pruebas [Purtell L. P. y Klebanoff P. S., 1979] como en el caso de la instalación experimental de Terao Y. et al (1994). El método empleado para diseñar el cono de contracción es el de Morel T., 1977, que considera en su análisis un flujo incompresible y sin viscosidad. En este método, el contorno de la contracción se obtiene mediante dos curvas cúbicas con sus vértices en ambos lados de la contracción unidas en un punto xm. Los cálculos obtenidos por Morel, fueron para relaciones de contracción (CR) de 2 a 8 y presentó el procedimiento y las ecuaciones para relaciones de contracción de 8 a 10, relaciones longitud de contracción y altura de entrada de la contracción (L/H1) de 0.85 a 1.5 y ubicación del punto de unión de las curvas (X=xm/L) de 0.2 a 0.85. Los dos criterios principales para diseñar a contracción por el método de Morel son: uniformidad del flujo a la salida y evitar la separación del flujo, adicionalmente se debe tener una mínima longitud de la contracción y un espesor mínimo de la capa límite en la salida de la misma. Por lo cual, este método tiene como principales propósitos prevenir la separación del flujo y producir un perfil de velocidad en la salida de la contracción con una variación definida como:

∞

−=

,2

2,c2,w2 U

UUu (9)

Los coeficientes de presión en la entrada (Cpi) y salida (Cpe) de la contracción se definen en las ecuacioes 10 y 11. En donde los subíndices i y e se refieren a los puntos de velocidad máxima y mínima en la pared, U1,∞ es la velocidad corriente libre en la entrada de la contracción.

2

,1

ipi U

u1C ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

∞

(10)

2

e

,2pe u

U1C ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= ∞ (11)

En el plano de entrada, la velocidad máxima se presenta en la parte central y la velocidad menor en las esquinas (ui); lo opuesto ocurre en el plano de descarga, en donde la velocidad mayor se tiene en las esquinas (ue) y la velocidad menor en la zona central. Las cartas de diseño presentadas por Morel, grafican los coeficientes de presión de entrada (Cpi) y de salida (Cpe), contra la relación (X) punto de unión (xm) - longitud de la contracción (L) y la relación de longitud de la contracción - altura de entrada (L/H1). Por tanto, para una relación de contracción y determinados los

valores de Cpi y Cpe, se pueden obtener la ubicación del punto de unión de las curvas y la longitud de la contracción. Morel T. (1977), recomienda un coeficiente de presión (Cpi) en la entrada de 0.42, para evitar la separación del flujo en esta zona y un coeficiente de presión en la salida (Cpe) de 0.1, este coeficiente asegura que las irregularidades en los perfiles de velocidad en la descarga serán menores de 2%. Una vez determinados los parámetros X y L/H1, se obtiene el contorno del cono de contracción en los ejes Y y Z por medio de la siguiente ecuación.

( )

( )( )⎪

⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

>+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅

−

−

≤+⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⋅−

=

XLxH

Lx1

X1HH

XLxH

Lx

X11HH

z,y

2

3

221

2

3

221

(12)

El método de Morel (1977) para diseñar contracciones bidimensionales se empleó, debido a que Batill S. M. y Nelson R. C. (1985), obtuvieron resultados satisfactorios al evaluar el comportamiento de las contracciones de sección cuadrada diseñados por este método, con relación de áreas de 75:1 y 150:1, para lo cual extrapolaron los resultados obtenidos por Morel. En el caso del túnel de viento de velocidad baja del LABINTHAP, se tiene una sección de pruebas de sección rectangular de 588mm por 796 mm, y por condiciones de espacio, se optó por una cono de contracción con una relación de áreas de 9 que cumple con la recomendación propuesta por Metha R. D. y Bradshaw P. (1979), con una longitud (L) de 1676 mm, y la ubicación del punto de unión de las curvas (X) de 0.531. Antes de la cámara estabilizadora, se propone una entrada acampanada con un radio de curvatura de 1/8 del diámetro equivalente (Deq = 2316 mm) de la cámara estabilizadora, es decir 289.5 mm, esta entrada acampanada se diseñó guardando las proporciones que indica la norma BSI 848, debido a las condiciones de espacio. En la figura 1 se muestra la disposición de los elementos diseñados en este proyecto para mejorar el comportamiento del flujo en el túnel de viento.

3530,5

1676

CAMARA ESTABILIZADORA

50085

289,5

CONTRACCION

120500

Entrada acampanada

PanalR289,5

Mallas

ACOT.: mm

Figura 1. Cámara estabilizadora, contracción y ubicación del panal y mallas.

En la figura 2, se muestra la configuración del túnel con la que llevó a cabo la etapa experimental que se presenta en el siguiente capítulo. En esta figura se aprecia la contracción con relación de áreas de 9:1, colocada al inicio de la sección de pruebas; así como los módulos que conforman el ducto de 5.00 m de longitud de esta. Posteriormente se implementarán los otros accesorios calculados en este trabajo como son el panal y las 5 mallas, con lo que se mejorará el flujo en la sección de pruebas de este túnel.

Figura 2. Túnel de viento del LABINTHAP con la contracción de relación de áreas de 9:1. Caracterización de la Sección de Pruebas Para evaluar el comportamiento del flujo en la sección de pruebas del túnel de viento, se determinaron los perfiles de velocidad en los planos de medición ubicados a 1.80 m (PM1), 2.60 m (PM2) y 3. 40 m (PM3) de la entrada del flujo a la sección de pruebas, para velocidades de 5 m/s, 15m/s y 30 m/s. Primero se midió el perfil de velocidad en el PM3 a una velocidad de 30 m/s, realizando un barrido cada 0.05 m con el sistema posicionador en Y y Z, estas mediciones mostraron que para la configuración evaluada se tiene un perfil de velocidades simétrico, por lo que los demás mediciones solo se efectuaron del centro a las paredes superior y lateral derecha. También se determinaron los perfiles de turbulencia en los planos de medición, en este caso la sonda se desplazó cada 50 mm desde la pared lateral y superior hasta el centro de la sección de pruebas. Los perfiles de velocidad y turbulencia en los plano de medición PM1 se muestra en la figura 3.

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.04.08.012.016.020.024.028.032.0

U, [m/s]

Y, [

m]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.300.01.02.03.04.05.06.07.08.0

Tu, [%]

Y, [

m]

5 m/s 15 m/s 30 m/s Tu, 5 m/s Tu, 15 m/s Tu, 30 m/s

Figura 3. Perfiles de velocidad y turbulencia en PM1, Y. Capa Límite en la Sección de Pruebas Para ubicar la zona de trabajo en la sección de pruebas del túnel, se midieron los perfiles de velocidad próximos a las paredes lateral derecha y superior para determinar el espesor de la capa límite. Las mediciones se efectuaron con la sonda 55P15 con incrementos de 5 mm desde la pared lateral derecha y superior hasta cubrir una distancia de 0.2 m. Aquí sólo se muestran en la figura 4 las mediciones de velocidad y turbulencia en la capa límite en el plano de medición PM2.

0.00

0.04

0.08

0.12

0.16

0.20

0.04.08.012.016.020.024.028.032.0

U, [m/s]

0.00

0.04

0.08

0.12

0.16

0.200.02.04.06.08.010.012.014.016.0

Tu, [%]

5 m/s 15 m/s 30 m/s Tu, 5 m/s Tu, 15 m/s Tu, 30 m/s

Figura 4. Capa límite en X = 2.60 m, eje Y.

Con estas mediciones se determinó el espesor de la capa límite en las paredes superior y lateral derecha para las tres velocidades evaluadas y determinar de esta forma las dimensiones de la zona de trabajo en la sección de pruebas del túnel. En la tabla 1, se presentan los espesores de la capa límite en las paredes superior y lateral de los tres planos de medición para las velocidades evaluadas.

Tabla 1. Espesor de la capa límite en la sección de pruebas.

U∞ = 5.5 m/s U∞ = 15.3 m/s U∞ = 30.7 m/s X [m] δY

[mm] δZ

[mm] δY

[mm] δZ

[mm] δY

[mm] δZ

[mm] 1.80 25 35 35 45 40 55 2.60 35 45 55 50 65 60 3.40 55 50 65 60 75 70

DISCO GIRATORIO Para la calibración del anemómetro láser Doppler (ALD) a velocidades menores a 15 m/s, se está desarrollando un disco giratorio, para relacionar la velocidad angular con la velocidad lineal. Esto permitirá tener trazabilidad a los patrones nacionales de longitud y tiempo que posee el Centro Nacional de Metrología (CENAM). Este sistema está integrado por los siguientes elementos (Figura 5):

• Disco giratorio • Servomotor de corriente continua. • Microcontrolador • Computadora personal.

DISCO GIRATORIO

MICRO CONTROLADOR

MOTOR DE CD

TACOMETRO

LASER

Figura 5. Disco giratorio. Este sistema logra que el operador tenga control tota sobre la velocidad del motor. Por medio de la PC se da el valor de velocidad requerida, este es enviado a un microcontrolador por medio de un puerto de comunicación serie. El microcontrolador interpreta esta entrada y la transfiere al motor de manera que este pueda interpretar dicha señal, el motor tiene un tacómetro, el cual sensa la lectura de la velocidad real del disco, la cual es enviada al microcontrolador y comparada con la respuesta esperada por el operador, para disminuir esta variación y conseguir una buena exactitud para la calibración del ALD. Disco giratorio. Se utiliza un disco de vidrio con un espesor de 1.5 cm y un diámetro de 10 centímetros. Servomotor de corriente continua. El servomotor es el modelo MT30M4-38 de corriente directa, con alcance máximo de 3700 RPM y una torque de 3.0 Nm, además de un conector tipo militar, encoder y un tacómetro.

Microcontrolador. El microcontrolador utilizado para este sistema es el MC68HC912B32 de motorola. Computadora Personal. En esta se desarrolla un interfase grafica por medio del leguaje de programación Labview, para hacer más sencilla y dinámica la operación del sistema de calibración.

INSTALACIÓN ANEMÓMETRO LÁSER DOPPLER El Anemómetro Láser Doppler está integrado por un láser, una fuente de poder, un control y la óptica necesaria para llevar el rayo láser a la zona de pruebas, como es un separador multicolor, una fibra óptica y un procesador de señales. Fuente de Poder La fuente de poder marca SPECTRA-PHYSICS modelo 2550, su función es manejar las descargas de corriente en el plasma. La fuente de poder tiene una alimentación de 208 V ±10% con una frecuencia de 47 a 63 Hz; corriente y potencia nominal de 42 A y 13.5 kW. La fuente de poder es energizada por medio de un transformador trifásico enfriado por aire marca ITESA. Control El láser es operado por un control marca SPECTRA-PHYSICS, modelo 2670 conectado a la fuente de poder. El control opera el láser a corriente o potencia constante; también indica las posibles causas por las cuales el láser deja de operar. Láser El láser que emplea el anemómetro láser Doppler es de argón ionizado marca SPECTRA-PHYSICS, modelo STABILITE 2017, clase IV con una potencia de salida 4 W en modo de multilínea. Sistema Óptico y de Adquisición de Datos El ALD mide una componente de velocidad, pero puede ser expandido a dos dimensiones, este se integra por los siguientes sistemas. Un sistema óptico formado por un separador multicolor y una sonda de fibra óptica. El sistema de adquisición de datos se compone de un receptor multicolor, un procesador de señales y un software para análisis de datos.

Sistema Óptico Este se conforma por un separador multicolor modelo 9201 COLORBURST, que divide el rayo proveniente del láser en tres pares de rayos (violeta, azul y verde); uno de los rayos en cada par está desplazado por una frecuencia de 40 MHz; después cada haz es llevado a la sonda de fibra óptica por medio de las conexiones correspondientes. Con la sonda de fibra óptica modelo 9800 se enfoca los haces para formar el volumen de medición, la luz dispersada por las partículas que pasan a través de éste es recolectada por una lente receptora que se encuentra dentro de la sonda, esta luz es enfocada hacia otra fibra óptica que la envía al receptor multicolor. Este sistema se muestra en la figura 6.

Figura 6. Sistema óptico del LDA. Sistema de Adquisición de Datos Dentro de este sistema el receptor multicolor COLOR LINK, modelo 9230 convierte la luz dispersada por las partículas en señales eléctricas, las cuales son enviadas al procesador de señales, que proporciona la frecuencia de cambio, es decir, la frecuencia Doppler. El procesador de señales modelo IFA 650; extrae la información de la frecuencia Doppler y la envía en un formato digital al software del LDA. Finalmente, el software de Representación Visual de la Información del flujo (Flow Information Display, FIND) analiza los datos de entrada y proporciona un análisis estadístico de los datos desplegados en una computadora.

Sistema de Enfriamiento El sistema de enfriamiento que emplea el LDA, es un circuito cerrado de enfriamiento para aprovechar al máximo el agua que utiliza el sistema, la cual debe contar con las características de la tabla 2. Para cubrir las características físicas y químicas del agua del sistema de enfriamiento se empleó agua destilada.

Tabla 2 Características físicas y químicas del agua de enfriamiento.

CARACTERÍSTICAS DEL AGUA DE ENFRIAMIENTO Flujo de agua mínimo 8.4 LPM (2.2 GPM) Temperatura de entrada máxima 35 °C (95 °F) Diferencia de presión mínima* 172 kPa (25 psi) Presión de entrada máxima 690 kPa (100 psi) Dureza máxima < 100 ppm calcio Nivel de pH 7.0 a 8.5 Tamaño de partículas máximo < 200 µ de diámetro Disipasión de calor 15 kW (850 BTU/min)

• Diferencia de presión entre la entrada a la fuente de poder y salida de láser.

Intercambiador de Calor El intercambiador de calor se seleccionó de acuerdo a la capacidad del sistema de enfriamiento que pide el fabricante del láser. Este es un intercambiador agua-aire de flujo transversal sin mezclarse, marca HANKISON INTERNATIONAL, modelo ACH-150, con una presión máxima de trabajo de 1725 kPa (250 psi) y temperatura máxima de operación de 175 ºC (350 ºF), capacidad nominal de 150 CFM. Circuito Hidráulico El circuito hidráulico es de tubería de hierro galvanizado de 25.4 mm de diámetro y esta compuesto por un depósito de agua con capacidad de 450 L, un filtro para impurezas de 25 µm y una bomba centrífuga de 0.573 kW (0.75 HP). El flujo de agua es suministrado por una bomba centrífuga marca SIEMENS, modelo IRF3 255-2YC44, accionada por un motor monofásico abierto a prueba de goteo de uso continuo de 0.573 kW (0.75 HP) de potencia, con alimentación de 127 V/220V y 11.6 A/5 A a 60 Hz, con una velocidad de 3550 RPM y una eficiencia nominal de 62 %. La figura 7 presenta el diagrama del sistema de enfriamiento del LDA.

1

245

6 7

3

FPTT P

1 Válvula de globo2 Bomba3 Filtro4 Fuente de poder5 Láser

6 Intercambiador de calor7 DepósitoF RotámetroP ManómetroT Termómetro

Figura 8. Diagrama del sistema de enfriamiento del LDA.

Instrumentación del Sistema de Enfriamiento Los instrumentos de medición empleados (figura 10) en el sistema de enfriamiento del LDA, para monitorear las principales variables del sistema como son presión, temperatura y flujo son: 2 manómetros tipo Bourdon, colocados en la entrada de la fuente poder y salida del láser; 2 termómetros, colocados en las mismas posiciones que los manómetros y un rotámetro. Mesa Óptica El montaje y la alineación del sistema de anemometría láser Doppler se realizó sobre una mesa holeográfica de 2.44 m por 1.22 m (8 ft por 4 ft) de la marca KINETIC SYSTEMS, INC, modelo 5704-4896-21. Esta mesa tiene una serie de 4185 barrenos de 6.35 mm (1/4 plg) cada 25.4 mm (1 plg); estos permiten sujetar cada uno de los componentes del sistema de anemometría láser. La mesa está

montada sobre una estructura de ángulo de 76.2 mm (3 plg) por 6.35 mm (0.25 plg), además, esta base cuenta con seis niveladores. LABORATOIRO SECUNDARIO INSTALACIÓN PARA CALIBRAR TUBOS PITOT TIPO S La calibración de tubos Pitot tipo S, anemómetros de propela, anemómetros térmicos industriales y tubos de Pitot tipo L, se calibraran en una instalación que cumple con los requisitos que pide la norma ASTM D 3796 – 90 (Reapproved 1998) Standard Practice for Calibration of Type S Pitot Tubes. Para lo esto, se emplea un un banco de pruebas de ventiladores centrífugos, formado por un ventilador de álabes curvados hacia atrás, un ventilador de álabes inclinados y un ventilador de álabes radiales. En la figura 9 se muestra la instalación experimental empleada para calibrar tubos de Pitot tipo S. El ventilador que se emplea es el de álabes curvados hacia atrás (centro).

Figura 9. Instalación experimental para calibrar tubos de Pitot tipo S. El ventilador es accionado por un motor eléctrico de 15 HP, el cual es controlado por un variador de frecuencia, para generar diferentes velocidades en el intervalo de 5,08 a 25,4 m/s tal como lo establece la norma ASTM D 3796. Además, en este ventilador se cambio el ducto de descarga para que cumpliera con los 305 mm de diámetro, 8 diámetros corriente arriba y 2 diámetros corriente abajo del sitio de calibración como lo marca la norma mencionada.

Durante el desarrollo de es proyecto se determinó la ubicación del sitio de calibración de tubos Pitot tipo S, de acuerdo al comportamiento del flujo en función de los perfiles de velocidad en el ducto de descarga de un ventilador centrífugo de álabes inclinados hacia atrás (ventilador central en la figura 1). Para determinar el sitio de calibración se midieron los perfiles de velocidad a 1, 3, 5, 7 y 9,5 diámetros de la descarga del ventilador, empleando un tubo de Pitot tipo L de nariz elipsoidal calibrado en el NIST de Estados Unidos en un intervalo de 3,96 m/s a 35,8 m/s, dos manómetros inclinados para medir la presión dinámica y la presión estática; además, de un barómetro, un termómetro y un higrómetro para determinar la densidad del aire en el ducto. Los perfiles de velocidad mostraron que se tiene un flujo desarrollado en el plano ubicado a 9,5 diámetros de la descarga del ventilador. Actualmente se están realizando mediciones de la turbulencia que se tiene en el sitio de calibración empleando un anemómetro de hilo caliente, con lo que se tendrá el sitio de calibración completamente caracterizado, lo cual es necesario para el acreditamiento como laboratorio secundario. BIBLIOGRAFÍA 1. ASTM D 3796 – 90 (Reapproved 1998) Standard Practice for Calibration of Type S

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