diseño y construcción de un túnel de viento con cámara de
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I
Diseño y construcción de un túnel de viento con cámara de pruebas
modular
Josué Nicolás González Camelo
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Bogotá, Colombia
2021
II
Diseño y construcción de un túnel de viento con cámara de pruebas
modular
Josué Nicolás González Camelo
Trabajo Final presentada(o) como requisito parcial para optar al título de:
Magíster en Ingeniería – Automatización Industrial
Director:
Oscar Leonardo García Navarrete
Co – director:
Robinson Osorio Hernández
Línea de Investigación:
Automatización de Procesos
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Bogotá, Colombia
2021
III
Dedico este trabajo a mi madre Mónica Elizabeth Camelo Neira y a mi hermano
Gregory Gustavo González Camelo.
IV
Agradecimientos
A Dios por la oportunidad que me dio para la realización de mis estudios.
A mi director y codirector de tesis Oscar Leonardo García Navarrete y Robinson Osorio
Hernández por todos los aportes, lineamientos y consejos para un óptimo desarrollo de
esta tesis.
A mi madre y mi hermano por todo el apoyo durante todos mis estudios.
A la Universidad Nacional de Colombia de caldas por brindarme los espacios para
desarrollar todas mis actividades académicas.
A todos los laboratoristas del departamento de mantenimiento, ingeniería y artes que
ayudaron durante el desarrollo de este proyecto.
V
Resumen
Los Túneles de Viento son una herramienta para la simulación del flujo del aire en
diferentes aplicaciones, de tal manera que se puedan realizar pruebas y simulaciones de
modelos a escala, reduciendo los costos. En este trabajo de grado se realiza el diseño y
construcción de un túnel de viento.
La metodología propuesta comienza con la identificación de los requerimientos y
restricciones de materiales, espacio y dinero por lo cual se propone un túnel de viento
subsónico de circuito abierto con cámara de pruebas modular y cámara de estabilización
con resistencia eléctrica de 2000W. Se realizan los cálculos de diseño de los diferentes
elementos que componen el túnel de viento, cálculo de pérdidas y simulación del
comportamiento del túnel utilizando dinámica de fluidos computacional (DFC) con el
software CFX ANSYS y la estructura del túnel utilizando el método de elementos finitos
(MEF) en Inventor Profesional.
Se realiza la construcción del túnel en la Universidad Nacional de Colombia y se realizan
pruebas de desempeño obtenido resultados de velocidad promedio dentro de la cámara
de pruebas de 14.34m/s. Adicional dentro del diseño con la cámara de estabilización se
incorpora un sistema de calefacción para el acondicionamiento de la temperatura del viento
dentro de la cámara de pruebas del túnel, obteniendo un máximo de temperatura de 32°C
en la zona central con el ventilador a 40 Hz.
Palabras clave: Túnel de Viento, Dinámica de fluidos, Elementos finitos, Sistema modular,
Acondicionamiento aire forzado, Amplio ángulo.
VI
Abstract
Wind Tunnels are a simulation tool of air flow in different applications, in such a way that
tests and simulations of scale models can be carried out, reducing costs. This degree work
is done designing and building a wind tunnel.
The proposed methodology begins with the identification of the requirements and
restrictions of materials, space and capital, as a result it is proposed an open circuit
subsonic wind tunnel with a modular test chamber and stabilization chamber with an
electrical resistance of 2000W. The design section shows the calculations of the different
elements, losses and simulation of tunnel behavior using computational fluid dynamics
(CFD) with CFX ANSYS software and tunnel structure using Finite Element Method (FEM)
Inventor Professional.
The construction of the tunnel is carried out at Universidad Nacional de Colombia and
performance tests are carried out, obtaining results of average speed within the test
chamber of 14.34m/s. Additionally within the design with the stabilization chamber, a
heating system is incorporated for conditioning the wind temperature inside the wind tunnel
test chamber, obtaining a maximum temperature of 32 ° C in the central zone with the fan.
working at 40 Hz.
Keywords: Wind tunnel, Fluid dynamics, Finite elements, Modular system, Forced air
conditioning, Wide angle.
VII
Contenido
1. Introducción ............................................................................................................... 11
1.1 Identificación del problema .................................................................................. 12 1.2 Objetivo general ................................................................................................... 12 1.3 Objetivos específicos ........................................................................................... 12 1.4 Metodología .......................................................................................................... 13
2. Marco teórico ............................................................................................................. 14
2.1 Características de un túnel de viento .................................................................. 14 2.1.1 Clasificación según el diseño ........................................................................... 14 2.1.2 Clasificación según la velocidad ...................................................................... 15 2.1.3 Túnel de viento de circuito abierto ................................................................... 16 2.1.4 Elementos de Túnel de viento circuito abierto ................................................. 17
3. Diseño ......................................................................................................................... 18
3.1 Requerimientos .................................................................................................... 18 3.2 Diseño túnel de viento .......................................................................................... 19
3.2.1 Sección cámara de pruebas............................................................................. 19 3.2.2 Selección del ventilador ................................................................................... 20
3.3 Difusor de amplio ángulo ..................................................................................... 22 3.4 Sección de calentamiento aire ............................................................................. 22 3.5 Zona de estabilización ......................................................................................... 23 3.6 Diseño tobera de contracción .............................................................................. 24 3.7 Diseño mallas ....................................................................................................... 25
4. Cálculo de pérdidas .................................................................................................. 26
4.1 Pérdidas Generales del sistema .......................................................................... 26 4.2 Sección de difusor de amplio ángulo ................................................................... 26 4.3 Tobera de contracción ......................................................................................... 27 4.4 Panel .................................................................................................................... 28 4.5 Malla ..................................................................................................................... 30 4.6 Sección de pruebas ............................................................................................. 32 4.7 Pérdidas totales .................................................................................................... 33
5. Simulación computacional ....................................................................................... 34
5.1 Calidad de malla................................................................................................... 34 5.2 Simulación ............................................................................................................ 36
VIII
5.3 Resultados Túnel de viento ................................................................................. 37
6. Componentes electrónicos ...................................................................................... 42
6.1 Control de velocidad ............................................................................................ 42 6.2 Resistencia eléctrica ............................................................................................ 43
7. Construcción del túnel y estructura ....................................................................... 44
7.1 Construcción de elementos del túnel de viento ................................................... 44 7.2 Estructura ............................................................................................................. 44
7.2.1 Primer modulo .................................................................................................. 45 7.2.2 Segundo modulo .............................................................................................. 47
7.3 Difusores, cámara de estabilización y tobera ...................................................... 49 7.4 Panel y mallas de estabilización .......................................................................... 50 7.5 Cámara de pruebas ............................................................................................. 51 7.6 Ensamble del túnel de viento ............................................................................... 51
8. Pruebas de funcionamiento ..................................................................................... 54
8.1 Velocidad del aire ................................................................................................. 54 8.2 Temperatura del aire ............................................................................................ 58 8.3 Comparación con otros autores ........................................................................... 59
9. Conclusiones ............................................................................................................. 60
10. Trabajos futuros ........................................................................................................ 61
Bibliografía ........................................................................................................................ 62
Anexos ............................................................................................................................... 66
IX
Lista de figuras
Figura 1. Esquemas túnel de viento (a) de circuito abierto y (b) de circuito cerrado [5][6]15
Figura 2. Partes características de un túnel de viento de tipo abierto. a) circuito abierto de
Succión [15], b) Túnel de viento de circuito abierto Soplador [16] .................................... 16
Figura 3. Diseño cámara de pruebas ................................................................................. 20
Figura 4. Perfil de velocidad ventilador centrífugo [21] ...................................................... 21
Figura 5. Elementos de ventilador centrífugo .................................................................... 21
Figura 6. Difusores de amplio ángulo a) primer difusor y (b) segundo difusor. ................ 22
Figura 7. Resistencia eléctrica helicoidal ........................................................................... 23
Figura 8. Diseño Tobera ..................................................................................................... 24
Figura 9. Malla PVC ............................................................................................................ 25
Figura 10. Malla para la simulación del túnel de viento. .................................................... 36
Figura 11. Dominio del modelo del túnel de viento ............................................................ 37
Figura 12. Perfiles de velocidad dentro del túnel de viento para cada modelo de malla (a)
5mm, (b) 4mm, (c) 2mm, (d) 1mm...................................................................................... 39
Figura 13. Perfiles de velocidad sección cámara de pruebas para cada modelo de malla
(a) 5mm, (b) 4mm, (c) 2mm, (d) 1mm. ............................................................................... 41
Figura 14. Sistema de arranque y variador ........................................................................ 42
Figura 15. Diagrama de conexión del sistema de control de velocidad y arranque del
ventilador ............................................................................................................................. 43
Figura 16. Piezas base para construcción de Módulos ..................................................... 44
Figura 17. Modulo uno soldado .......................................................................................... 45
Figura 18. Desplazamiento del módulo uno ....................................................................... 46
Figura 19. Desplazamiento del módulo dos ....................................................................... 48
Figura 20. Modulo dos y difusores soldados ...................................................................... 50
Figura 21. Parámetros y panel de operación cortadora láser............................................ 51
Figura 22. Conexión control de velocidad ventilador ......................................................... 52
Figura 23. Ensamble modulo uno y conexiones eléctricas ................................................ 52
Figura 24. Ensambles difusores y Resistencia eléctrica ................................................... 53
Figura 25. Ensamble del túnel ............................................................................................ 53
Figura 26. Ubicación puntos de medida dentro de cada zona .......................................... 54
Figura 27. Valores de velocidad en el contorno de velocidad ........................................... 56
Figura 28. Temperatura dentro de la cámara de pruebas ................................................. 59
X
Lista de tablas
Tabla 1. Especificaciones generales de túneles de vientos existentes. ............................ 15
Tabla 2. Parámetros zona de estabilización ...................................................................... 24
Tabla 3. Resumen pérdidas totales del sistema ................................................................ 33
Tabla 4. Parámetros para la simulación computacional. ................................................... 34
Tabla 5. Parámetros Fijos de malla .................................................................................... 35
Tabla 6. Métricas en estudio de independencia................................................................. 35
Tabla 7. Fuerza de reacción en restricciones modulo uno ................................................ 46
Tabla 8. Modos de frecuencia de la estructura modulo uno. ............................................. 47
Tabla 9. Fuerza de reacción en restricciones modulo dos ................................................ 49
Tabla 10. Modos de frecuencia de la estructura modulo dos. ........................................... 49
Tabla 11. Resultados velocidad a 60 Hz ............................................................................ 55
Tabla 12. Resultados velocidad a 50 Hz ............................................................................ 55
Tabla 13. Resultados velocidad a 40 Hz ............................................................................ 56
Tabla 14. Contornos de velocidad túnel ............................................................................. 57
Tabla 15. Resultados medición de temperatura ................................................................ 58
Tabla 16. Revisión túneles de viento de circuito abierto ................................................... 59
11
1. Introducción
El análisis del comportamiento de diferentes cuerpos debido a las características del medio
ambiente circundante ha tenido un papel importante tanto en el desarrollo de la academia
como de la industria. Para este caso el medio es el aire, su movimiento, y sus efectos.
Debido a que para el análisis de estos comportamientos es necesario someter los equipos
o cuerpos a evaluar a esas condiciones, esto es bastante difícil por razones económicas,
técnicas, logísticas, etc. Por lo anterior, para estos análisis usualmente se utilizan equipos
para simular fenómenos de transporte los cuales permiten obtener resultados cercanos a
la realidad por medio de análisis dimensional de la situación requerida a una escala
reducida; los datos experimentales obtenidos tienen un alto grado de veracidad además
que pueden ser validados por medio de datos a escala real, y a su vez, pueden servir para
validar modelos numéricos y computacionales.
Estos equipos son los túneles de viento, los cuales son equipos que generan una corriente
de aire a través de un conducto de dimensiones y condiciones específicas con el fin de
llevar este flujo a una cámara de pruebas, lugar donde se analizan los fenómenos de
transporte asociados a la corriente de aire para diferentes aplicaciones [1]. Para que estas
pruebas tengan una validez en los modelos a escala, se requiere además del análisis
dimensional, ciertos parámetros aerodinámicos como el número de Mach (M) y el número
de Reynols (Re), los cuales definen en un primer nivel el tipo de túnel de viento el cual es
por circulación y velocidad del flujo del aire [2], entre estos está el Subsónico con número
de Mach entre los 0 - 0.7, el Transónico con Mach entre 0.7 - 1.2, Supersónico con Mach
entre 1.5 - 5 y el Hipersónico con Mach mayor a 5. Estos a su vez por su arquitectura
pueden ser catalogados como túneles de viento abiertos donde el aire se toma de la
atmósfera pasa a través del equipo y vuelve nuevamente a ella, o cerrados donde el equipo
tiene una cámara cerrada de tal manera que el aire circula varias veces el mismo [3].
12
1.1 Identificación del problema
Debido a la importancia de los estudios derivados se realizar pruebas para diversas
aplicaciones de dentro de la académica o en el sector industrial, y más específicamente en
los sectores agrícola, pecuario y agroindustrial, donde un factor de influencia dentro de los
procesos es la velocidad del aire y su comportamiento. El desarrollo de pruebas para
evaluar el comportamiento de estructuras, personas, animales, plantas, semillas, entre
otros, ante fenómenos de este tipo donde se tiene la necesidad de utilizar túneles de viento
como método más económico y seguro, hace que estos equipos sean bastante útiles.
Actualmente la Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá cuenta con algunos
túneles de viento en diferentes departamentos, los cuales tienen aplicaciones específicas
y su uso limitado o restringido a algunos proyectos, sumado a que los costos de un túnel
de viento pueden llegar a ser altos, y para expandir la cámara de pruebas a mayores
aplicaciones se deben adquirir varios equipos adicionales, lo cual incrementa aún más el
costo del equipo para aplicaciones en biosistemas. Se identifica la oportunidad de realizar
la construcción de un túnel de viento de cámara modular, el cual permita que se cuente
con una mayor gama de usos para aplicaciones investigativas de laboratorio, y para
docencia, con la posibilidad de que se utilicen los equipos sin necesidad de afectar el
progreso de un proyecto específico, o trabajar en varios proyectos al tiempo (uno por cada
módulo).
1.2 Objetivo general
Diseñar e implementar un túnel de viento modular de circuito abierto.
1.3 Objetivos específicos
• Construir un túnel de viento modular de circuito abierto.
• Realizar pruebas de funcionamiento del túnel de viento de cada módulo propuesto.
• Validar y ajustar el túnel de viento de acuerdo con los resultados de las pruebas con
modelos matemáticos o trabajos de otros autores.
13
1.4 Metodología
Este trabajo de grado se divide en cuatro fases. En la primera fase investiga los elementos
y características de diseño que componen de manera más común un túnel de viento, para
lo cual se hará uso de bibliografía especializada en temas relacionados, restricciones de
disposición física de lugar de ubicación, y trabajos de otros autores.
La segunda fase consiste en el diseño del túnel con cada uno de sus elementos, tanto de
manera matemática para el cálculo de parámetros encontrados en la fase uno, como
modelado en software CAD para realizar pruebas por métodos de modelación matemática
(Elementos Finitos y CFD) para análisis estructurales y de dinámica de fluidos. En esta
etapa también se realizará el diseño de los sistemas de control para las cámaras, el manejo
de equipos que las componen, y los dispositivos electrónicos inteligentes (IEDs) utilizados
para la adquisición de datos.
Además, con la herramienta CAD también se diseñaron los planos constructivos en detalle,
los cuales facilitaron la tercera fase la cual se enfocó en la construcción del túnel y los tres
módulos con los materiales, dimensiones, y equipos definidos en la segunda fase.
Por último, en la cuarta fase, se realizaron pruebas de funcionamiento con modelos para
evaluar el desempeño del túnel de viento, y los módulos construidos, con los resultados
obtenidos se realizó un informe en el cual se realizó una comparación con resultados
teóricos o de otros autores.
14
2. Marco Teórico
El túnel de viento es un dispositivo que se utiliza para investigar la interacción entre
cuerpos sólidos y flujos de un fluido dentro de él. Con el fin de realizar un monitoreo de los
fenómenos de flujo físico laminar, turbulento, flujos de separación, vórtice, y onda de
choque, a través de la medición de cantidades aerodinámicas como presión, fricción,
elevación, arrastre y momentos.
2.1 Características de un túnel de viento
La clasificación de los túneles de viento se pude realizar de varias maneras, siendo la
clasificación por diseño del túnel y velocidad del aire, las más comunes.
Estas se complementan con otras características como su aplicación, tipo de cámara de
pruebas, dimensiones máximas, presión del aire, etc.
2.1.1 Clasificación según el diseño
Según el diseño del túnel de viento, estos pueden ser de tipo abierto o cerrado. Los túneles
de tipo abierto tienen un ingreso de aire del exterior, y este fluye a través del túnel por
mecanismos de succión o soplado. Este tipo tiende a ser utilizado es espacios reducidos,
tienen una fácil construcción y menores costos que los de tipo cerrado, en los cuales el
aire recircula a través del túnel, donde no hay intercambio con el exterior. [4]
15
a) b)
Figura 1. Esquemas túnel de viento (a) de circuito abierto y (b) de circuito cerrado [5][6]
2.1.2 Clasificación según la velocidad
Según la velocidad del aire pueden ser clasificados en subsónicos, transónico,
supersónicos e hipersónicos. En los túneles de tipo subsónico, la velocidad en términos de
número de Mach esta alrededor de los 0.6 o menor, en el tipo transónico esta velocidad
haciende a un máximo de 1 Mach. Estos son muy utilizados en la industria aeronáutica.
Para los túneles de viento en el rango de velocidad supersónicas la velocidad esta entre 1
a 5 Mach, y por último cuando la velocidad es mayor a 5 Mach, están los túneles
hipersónicos utilizados en pruebas de aviones ultra rápidos y vehículos espaciales. [4]
En la Tabla 1, especificaciones generales de túneles de viento realizados por algunos
autores.
Autores Velocidad Tamaño de la cámara de
prueba Arquitectura
Cámara de
pruebas
modular
[1] Subsónico 30 cm x 30 cm x 50 cm Abierto No
[7] Subsónico 50 cm x 50 cm x 100 cm Cerrado No
[8] Super Sónico 12 cm x 25 cm x 46 c, Abierto No
[9] Subsónico Circular 30 cm x 35 cm Abierto No
[10] Super Sónico Circular 7.62 cm x 5 cm Cerrado No
[11] Subsónico 22 cm x22 cm x450 cm Cerrado No
Tabla 1. Especificaciones generales de túneles de vientos existentes.
16
En la Tabla 1, Se observa que el diseño de túneles de viento tiende a ser de arquitectura
abierta, sin cámaras de pruebas modulares. No obstante, en cuanto al tamaño de la
cámara de pruebas se encuentra que esta varía bastante encontrando algunos con diseños
circular, cuadrados o rectangulares y con diferentes longitudes.
Los estudios más comunes se refieren a estudios de presión y líneas de flujo, también se
encuentran estudios de aspersión, psicrometría, y enfriamiento evaporativo con estos
equipos [12], [13],[14].
2.1.3 Túnel de viento de circuito abierto
Como se mostró en la sección 2.1.1, los túneles de viento de circuito abierto tienen un flujo
libre del fluido. Para producir los flujos de viento dentro del túnel los ventiladores pueden
ser de tipo soplador (presión positiva) o de succión (presión negativa). La Figura 2 muestra
los dos diseños típicos del túnel de viento en succión y soplador.
a)
b)
Figura 2. Partes características de un túnel de viento de tipo abierto. a)
circuito abierto de Succión [15], b) Túnel de viento de circuito abierto Soplador
[16]
17
2.1.4 Elementos de túnel de viento circuito Abierto
Los elementos básicos de un túnel de viento y las funciones de estos son las siguientes:
• Sección de Pruebas o Cámara de pruebas: Es el elemento donde van los modelos que
se quieren estudiar y sensores para medir las variables que se necesiten.
• Ventilador: Es una turbo máquina que transmite energía para generar la presión
necesaria con la que se mantiene un flujo continuo de aire.
• Tobera de contracción: Tiene como función realizar un incremento de la velocidad del
flujo manteniéndolo ordenado y uniforme, para ingresar a la sección de pruebas. En
los túneles de presión negativa se encuentra en la parte inicial del túnel de viento, y en
los túneles de presión positiva se encuentra después del difusor de amplio ángulo.
• Zona de estabilización: Usualmente constituida por mallas o rejillas. Tiene como
función ordenar el flujo y evitar la aparición de vórtices.
• Difusor de amplio Angulo: Elemento utilizado en los túneles de viento de presión
positiva, con el fin de aumentar la presión y disminuir las pérdidas al pasar por la zona
de estabilización.
• Difusor cónico: El difusor cónico se encuentra a la salida del sentido del flujo. Presenta
un aumento de sección lo que produce una disminución en la velocidad del fluido y
aumento en la presión estática.
• Ventilador: Es el dispositivo que se encarga de crear el flujo de viento dentro del túnel
de viento con una velocidad determinada. Estos pueden ser Axiales o centrífugos.
18
3. Diseño
Para iniciar la etapa de diseño, se definieron las restricciones y requerimientos principales
de mayor interés para el túnel de viento. Siendo estos los que van a definir condiciones de
dimensionamiento y equipos.
3.1 Requerimientos
Los requisitos principales para este túnel de viento son baja velocidad (subsónica) túnel
de viento para fines educativos y de investigación, circuito abierto, y sección de pruebas
modular. Los criterios de diseño se han establecido para permitir mediciones precisas de
flujo constante, o inestable con baja intensidad de turbulencia para facilitar el estudio de
los fenómenos físicos de interés.
De acuerdo con estos requisitos, las principales características del túnel de viento se
definieron como:
• Túnel de viento de circuito abierto con aproximadamente 2.0 m de largo, y 0.6 m
de ancho.
• Una cámara de pruebas modular del orden 0.15 m x 0.15 m x 0.2 m.
• La velocidad máxima aproximada del aire en la cámara de prueba debe alcanzar
los 15 m/s, aproximadamente un número de Mach de 0.044.
• La cámara de prueba debe tener acceso a través de puertas acrílicas.
19
3.2 Diseño túnel de viento
Para realizar el diseño del túnel de viento soplador, este capítulo detalla el proceso de
diseño de cada una de las secciones del túnel de viento, la selección del ventilador,
estructura y componentes electrónicos, para cada una se desarrolla el diseño de tal
manera que cumpla con los requerimientos.
3.2.1 Sección cámara de pruebas
Debido a que se considera como requerimiento las dimensiones de la cámara de pruebas,
se elige material para su construcción el acrílico, debido a que es un material transparente
ideal para poder observar los diversos fenómenos que se presentan en los experimentos,
además es duro y fácil de cortar.
Las dimensiones deseadas para la cámara de pruebas son de 0.15 m x 0.15 m x 0.2 m, lo
cual se obtuvo una sección transversal de trabajo de 0.0225 m2 y un perímetro mojado de
0.6 m. Como la sección de la cámara de pruebas es cuadrada, el diámetro hidráulico es
igual uno de sus lados. [17]
Debido a que se requiere que el flujo dentro de la cámara de pruebas sea de tipo laminar
este debe cumplir con la condición de manejar un número de Reynolds menor a 2300.
𝑅𝑒 =𝑣 𝐷ℎ 𝜌
𝜇 (1)
Donde:
𝑣 Velocidad del fluido.
𝐷ℎ Diámetro hidráulico.
𝜌 Densidad del fluido.
𝜇 Viscosidad de fluido.
Para el caso de Bogotá la temperatura promedio durante el año es de 14.98°C, densidad
del aire de 0.895 kg/m3 y viscosidad dinámica del aire 1.74x10-5 Kg/ms. [18], [19] Aplicado
la ecuación 1, con las características del aire para Bogotá se encuentra que la velocidad
de aire dentro de la cámara de pruebas a una velocidad máxima de 15 m/s se obtiene un
20
número de Reynolds de 115071,42 por lo cual para cumplir con el requerimiento de flujo
laminar es necesario incluir etapas de acondicionamiento del flujo con ayuda de mallas y
paneles de estabilización .
Para cumplir el requerimiento de modularidad de la cámara de pruebas, esta se diseña de
tal manera que puede ser acoplada y desacoplada del difusor, tobera, otra cámara o
elemento adicional diseñado para poder ser unido. A través de láminas de acople
horizontal con una serie de tuercas y tornillos. En la Figura 3, se observa el diseño de la
cámara de pruebas.
El diseño preliminar de la cámara de pruebas se realiza de tal manera que se pueda
acceder al interior de la cámara a través de dos tapas, una inferior y una superior
removibles, las cuales serán fiadas al cuerpo de la cámara de pruebas con un ajuste tipo
cierre hebilla pestillo.
Figura 3. Diseño cámara de pruebas
3.2.2 Selección del ventilador
Como equipo de ventilación, se selecciona un ventilador tipo centrífugo, debido a que este
presenta una estabilidad y eficiencia mejor en diferentes condiciones de flujo, debido a que
todo el tramo de la cuchilla opera nominalmente con el mismo coeficiente de elevación. El
ruido y las pulsaciones generadas también son bajos. [4]
En la Figura 4 se ilustra que, para lograr un perfil de velocidad uniforme en ventiladores
centrífugos, los cuales en su mayoría tienen una aleta en la salida del aire, se debe utilizar
una longitud de conducto 100% efectiva. Para calcular la longitud efectiva se recomienda
21
utilizar 2.5 diámetros hidráulicos de la sección del ventilador.[16][17]. En algunos
ventiladores para evitar esta longitud extra se utiliza carcaza de lámina doblada de tal
manera que no presente esta atleta.
Figura 4. Perfil de velocidad ventilador centrífugo [21]
Con las dimensiones de la cámara de prueba establecidas se define el valor del diámetro
hidráulico el cual será necesario en secciones posteriores. Como resultado de la velocidad
dentro de la cámara de pruebas se requiere calcular el caudal de aire necesario. Debido a
las aplicaciones del túnel de viento se propone una velocidad de 15 m/s dentro de la
cámara de pruebas.
𝑄 = 𝑣 𝐴 = 15𝑚
𝑠∗ 0.0225 𝑚2 = 0.337
𝑚3
𝑠≈ 714 𝐶𝐹𝑀 (2)
Definido el caudal del ventilador se busca de manera comercial uno que cumpla con las
condiciones, debido a con las limitaciones comerciales y de presupuesto se seleccionó el
ventilador centrífugo comercial con las siguientes características y componentes:
• Rodete de 17.5 cm de diámetro.
• Caudal de 635 CFM.
• Salida rectangular de 10 X 8 cm
• Motor Trifásico Siemens a 3600 rpm 1 HP. REF.100422027
Figura 5. Elementos de ventilador centrífugo
22
3.3 Difusor de amplio ángulo
Para que el flujo de aire del ventilador llegue a la cámara de pruebas, se debe acondicionar
primero para que el flujo de aire se encuentre en un régimen laminar, para acondicionar el
flujo este se expande para entrar en una zona de estabilización, a través de un difusor de
amplio ángulo y una malla. Como material se utiliza lámina de acero estructural HR calibre
18.
Para la fabricación del difusor, se utilizan dos difusores debido a que entre ambos se pone
una malla de material plástico la cual ayuda a la estabilización de fluido. El primer difusor
realiza una expansión con relación de aproximadamente 11 veces de la sección
rectangular de salida del ventilador centrífugo a una sección cuadrada de dimensiones
0.3m. Para el segundo difusor este continua con la expansión pasando la sección a una
sección cuadrada de 0.45m. Generando una expansión de aproximadamente 25 veces la
sección de salida del ventilador. En la b)
Figura 6 se observan los difusores de amplio ángulo.
a) b)
Figura 6. Difusores de amplio ángulo a) primer difusor y (b) segundo difusor.
3.4 Sección de calentamiento aire
Para poder realizar el condicionamiento del aire a diferentes condiciones de temperatura,
se diseña una sección de calentamiento del aire antes de pasar por la zona de
estabilización. En esta sección se ubica una resistencia eléctrica de 2000W a 220V la cual
23
realizará el calentamiento del aire (de ser requerido) antes de ingresar a la cámara de
pruebas. Para mantener la resistencia en el túnel, se fabrica una caja con el uso de lámina
de acero estructural HR calibre 18. En la
Figura 7, se muestra la resistencia eléctrica de tipo aletada helicoidal en M. Esta resistencia
alcanza una temperatura máxima de 200°C con una velocidad del aire de 4 m/s.
Figura 7. Resistencia eléctrica helicoidal
3.5 Zona de estabilización
Usualmente diseñado para el acondicionamiento del viento dentro de los túneles, se ubica
una malla de estabilización del flujo, la cual puede tener una sección de celda cuadrada,
circular o en forma hexagonal. Esta sección debe tener una longitud de la celda entre 6 y
8 veces su diámetro hidráulico, y 150 celdas por el diámetro de la cámara de estabilización,
es decir, la cantidad de celdas del panel de abeja para un diámetro hidráulico de zona de
estabilización de 0.45 m, debe ser de aproximadamente 6750 celdas.
En la Tabla 2, se resumen los parámetros de la zona de estabilización. Donde el diámetro
hidráulico de celda es de 3.5 mm, con un espaciamiento de 1.5 mm entre celdas,
obteniendo un total de 6561 celdas en la zona de estabilización, para el diámetro hidráulico
de celda definido la longitud de la celda será de 21mm. El material seleccionado para
realizar la zona de estabilización es MDF de 3 mm de espesor, debido a la facilidad de
realizar las celdas utilizando corte láser.
24
Parámetro Valor
Diámetro hidráulico de celda 3.5 mm
Número de celdas 7225
Longitud 21 mm
Tabla 2. Parámetros zona de estabilización
3.6 Diseño tobera de contracción
La sección de contracción tiene como objetivo acelerar el flujo hacia la cámara de pruebas
y que este llegue con un perfil uniforme. La parte final de la sección debe tener la misma
forma y dimensiones de la cámara de prueba.
Usualmente la sección de contracción se realiza con una tobera convergente con un
polinomio de quinto orden,[22] debido a limitaciones dentro de los procesos de fabricación
se realiza un difusor de contracción lineal, con una reducción de sección transversal de 9
veces el área de entrada. Valor dentro del rango de 6 a 10, para la reducción de una tobera
de túnel de viento. Al realizar este cambio de polinomio de quinto orden por lineal la
velocidad de viento en los bordes al ingreso de la cámara de pruebas será menor que si
se utilizara un polinomio de 5 orden. Como material se utiliza lámina de acero estructural
HR calibre 18.
Figura 8. Diseño Tobera
25
3.7 Diseño mallas
Para ayudar a la estabilización del flujo del aire dentro del túnel de viento se recomienda
poner mallas entre la zona de ingreso del fluido y zonas de cambio de sección para evitar
el desprendimiento de capa límite.[19] Es recomendable utilizar mallas con un coeficiente
de porosidad entre 0.5-0.8.
Por lo tanto, se decide utilizar de una malla cuadrada en PVC (Figura 9), con diámetro
hidráulico cuadrado de 0.75mm. Se utilizan dos mallas una en la zona inicial del túnel con
área de 8cm X 10 cm, y otra entre los difusores de expansión con área de 30cm X 30xm.
Se calcula el coeficiente de porosidad definido como la relación de área abierta sobre área
total.[23]
𝑀𝑎𝑙𝑙𝑎1 =45 𝑐𝑚2
80 𝑐𝑚2 = 0.5625
𝑀𝑎𝑙𝑙𝑎2 =506.5 𝑐𝑚
900 𝑐𝑚= 0.5627
Figura 9. Malla PVC
26
4. Cálculo de pérdidas
4.1 Pérdidas generales del sistema
Las pérdidas generales del sistema pueden ser calculadas con la ecuación de longitud
equivalente.
𝑃𝑒 = 𝑘 ∗𝑉2
2 ∗ 𝑔 (3)
Donde
Pe Pérdidas sección
𝐾 Factor de pérdidas que dependen de cada sección
𝑉 Velocidad
𝑔 Aceleración de la gravedad
De manera detalla para cada sección del túnel de viento se realiza un cálculo de pérdidas
a continuación.
4.2 Sección de difusor de amplio ángulo
Para realizar el cálculo de las pérdidas del difusor de amplio ángulo, se utiliza de las
fórmulas para pérdidas en tuberías con expansión gradual teniendo en cuenta el ángulo
de apertura de los difusores.[24] Se realizan dos cálculos de pérdidas debido que en el
diseño del túnel de viento se cuenta con dos difusores y entre ambos una malla de
estabilización.
27
𝑃𝑑 = 𝜃 ∗ (1 − (𝑑ℎ 𝑖𝑛𝑑ℎ 𝑜𝑢𝑡
)2
)
2
(4)
Donde:
𝜃 Coeficiente de ángulo del difusor.
𝑑 Diámetro hidráulico de entrada y salida del difusor
Aplicando la ecuación 4, se tiene que el diámetro hidráulico en el primer difusor de amplio
ángulo, teniendo como diámetro hidráulico de entrada para 0.0888m, diámetro de salida
de 0.3m y ángulo de apertura es de 67.38°. En el caso del difusor dos el diámetro hidráulico
de entrada es de 0.3 m, 0.45 m a la salida y ángulo de apertura de 53.13°.
Para el primer difusor se obtiene unas pérdidas de 0.6014 m y 0.166 para el segundo
difusor.
𝑃𝑑1 = 0.72 ∗ (1 − (0.088
0.3 )2
)
2
= 0.6014 𝑚
Para el Segundo difusor se obtiene unas pérdidas de 1.018 m.
𝑃𝑑2 = 0.54 ∗ (1 − (0.3
0.45)2
)
2
= 0.166 𝑚
4.3 Tobera de contracción
En el caso de la tobera de contracción el diámetro hidráulico de entrada es 0.45 m,
diámetro de salida 0.15 m y ángulo de contracción de 41.11° teniendo un coeficiente de
pérdidas de 0.04 se utiliza la ecuación 3.
𝑃𝑑2 = 0.04 ∗(15
𝑚𝑠)2
2 ∗ 𝑔= 0.458 𝑚
28
4.4 Panel
Esta sección debe tener una longitud de la celda entre 6 y 8 veces su diámetro hidráulico,
y 150 celdas por el diámetro de la cámara de estabilización, es decir, la cantidad de celdas
del panel debe ser de aproximadamente 6750 celdas. Se utilizarán celdas cuadradas ya
que son más económicas y con mayor disponibilidad en el mercado local.
Las pérdidas generadas en esta zona dependen de las dimensiones del material utilizado
en la malla, la porosidad y el número de Reynolds de la celda. La siguientes expresiones
matemáticas expresan las pérdidas en el panel [16]:
𝐾𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 = 𝜆ℎ (𝐿ℎ𝐷ℎ+ 3) (
1
𝛽ℎ)2
+ (1
𝛽ℎ− 1)
2
(5)
Donde:
𝐾𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 Pérdidas en el panel
𝜆ℎ Coeficiente por espesor de la celda
𝐿ℎ Longitud de la celda
𝐷ℎ Diámetro hidráulico de la celda
𝛽ℎ Porosidad de la malla
Para el espesor por celda se utiliza:
𝜆ℎ =
{
0.375 (
Δ
𝐷ℎ)0.4
∗ 𝑅𝑒Δ0.1 𝑅𝑒Δ ≤ 275
0.214 (Δ
𝐷ℎ)0.4
𝑅𝑒Δ > 275
(6)
Donde:
Δ Espesor del material de la celda
𝑅𝑒Δ Número de Reynolds de la celda
Para calcular el número de Reynolds de la celda;
𝑅𝑒Δ = 𝑅𝑒𝐷ℎ ∗Δ
𝐷ℎ∗ (𝑓
8)
0.5
(7)
29
𝑅𝑒Dh =𝜌 ∗ 𝑉𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 ∗ 𝐷ℎ
𝜇 (8)
𝑓 =1
(1.8 ∗ log (6.9𝑅𝑒𝐷ℎ
+ (Δ
3.7𝐷ℎ)1.11
) )
2 (9)
𝐵ℎ = (1 −𝐷ℎΔ)2
(10)
Donde:
𝜇 Viscosidad del aire
𝑅𝑒𝐷ℎ Número de Reynolds del diámetro hidráulico de la celda
Aplicando las ecuaciones anteriores para el cálculo de las perdías, se comienza calculando
el número de Reynolds de la celda:
𝑅𝑒Dh =0.895 ∗ 1.46 ∗ 0.0035𝑚
1.74𝑥10−5= 261.04
Se calculan los coeficientes de porosidad y f del panel por medio de las siguientes
expresiones:
𝐵ℎ = (1 −0.0035
0.0015)2= 1.777
𝑓 =1
(1.8 ∗ log (6.91969
+ (0.0015
3.7 ∗ 0.0035)1.11
) )
2 = 0.3577
Se calcula el Reynolds de la celda para poder seleccionar la ecuación para el cálculo del
coeficiente de espesor de la celda:
30
𝑅𝑒Δ = 261.04 ∗0.0015
0.0035∗ (0.35775
8)0.5
= 23.65
𝜆ℎ = 0.375 (Δ
𝐷ℎ)0.4
∗ 𝑅𝑒Δ = 0.3666
Se calcula el coeficiente de pérdidas para el panel:
𝐾𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 = 0.3666 (0.021
0.0035+ 3) (
1
1.777)2
+ (1
1.777− 1)
2
= 1.236
Finalmente se calcula las pérdidas en el panel:
𝑃𝑒 = 1.236 ∗1.46 2
2 ∗ 𝑔 = 0.1346 𝑚
4.5 Malla
Con el propósito de ayudar a la estabilización del flujo del aire se recomienda poner mallas
entre la zona de ingreso del fluido y zonas de cambio de sección para evitar el
desprendimiento de capa límite [25].
𝐾𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 = 𝐹𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 ∗ 𝐾𝑅𝑒 ∗ 𝜎 +𝜎
𝛽𝑝2 (11)
Donde:
𝐾𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 Pérdidas en la malla
𝐹𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 Factor de malla
𝐾𝑅𝑒 Factor de Reynolds
𝜎 Factor de solidez
𝛽𝑝 Porosidad de la malla
Para calcular los factores en el cálculo de pérdidas se utilizan las siguientes ecuaciones:
31
𝛽𝑝 = (1 − 𝐷𝐴 ∗ 𝑝𝐴 )2 (12)
𝜌𝐴 =1
𝐴𝐴 (13)
𝜎 = 1 − βp (14)
Donde:
𝐷𝐴 Diámetro del alambre de la malla
𝜌𝐴 Densidad de la malla
𝐴𝐴 Ancho de la celda de malla
Para el cálculo del factor de Reynolds en la malla este depende de:
𝐾𝑅𝑒 = {0.785 ∗ (
𝑅𝑒𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎241
+ 1)−4
+ 1.01 𝑅𝑒𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 < 400
1 𝑅𝑒𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 > 400
(15)
Para calcular el número de Reynolds de las mallas, primero se encuentra el diámetro
hidráulico debido a que las mallas son de sección cuadrada, el diámetro hidráulico es de
0.0015 m. La primera malla se encuentra en la zona justo en la entrada del aire por lo cual
la velocidad de la malla es aproximadamente 37 m/s. Para el caso de la segunda malla
esta se encuentra en medio del difusor de expansión.
𝑅𝑒Malla 1 =0.895 ∗ 37 ∗ 0.0015𝑚
1.74𝑥10−5= 2854.74
𝑅𝑒Malla 2 =0.895 ∗ 3.2 ∗ 0.0015𝑚
1.74𝑥10−5= 246.89
Se calculan los factores de porosidad y solidez para cada malla.
32
𝛽𝑝 𝑀𝑎𝑙𝑙𝑎 1 = (1 − 𝐷𝐴 ∗ 𝑝𝐴 )2 = (1 − 0.0008 ∗
1
0.008)2
= 0.81
𝛽𝑝 𝑀𝑎𝑙𝑙𝑎 2 = (1 − 𝐷𝐴 ∗ 𝑝𝐴 )2 = (1 − 0.0008 ∗
1
0.09)2
= 0.98
𝜎𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 1 = 0.19
𝜎𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 2 = 0.02
𝐾𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 1 = 0.5625 ∗ 1 ∗ 0.19 +0.19
0.812= 0.39 𝑚
𝐾𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 2 = 0.5625 ∗ 1.056 ∗ 0.02 +0.02
0.982= 0.032 𝑚
Con los coeficientes de cada malla se procede a calcular las pérdidas de la sección de
mallas.
𝑃𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 1+𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 2 = 0.39 ∗372
2 ∗ 9.81+ 0.032 ∗
3.282
2 ∗ 9.81 = 27.23 𝑚
4.6 Sección de Pruebas
Se utilizó la ecuación de Darcy-Weisbach (ecuación 16) para el cálculo de las pérdidas
para la sección de pruebas [26].
.
𝑃𝑃 = 𝑓 ∗𝐿
𝐷ℎ∗𝑉2
2𝑔 (16)
Donde:
𝑃𝑝 Pérdidas en la sección de pruebas
33
𝑓 Factor de fricción
𝐿 Longitud
𝐷ℎ Diámetro hidráulico
V Velocidad del flujo
𝑔 Gravedad
Para calcular el valor del factor fricción de Darcy este tiene una dependencia del tipo de
régimen del fluido, como el flujo debe llegar en régimen laminar a la cámara de pruebas,
se utiliza la siguiente ecuación:
𝑓 =64
𝑅𝑒 (17)
Se obtiene de utilizar la ecuación anterior un factor de fricción de 0.041. Con el resultado
obtenido se calcula las pérdidas utilizado la ecuación 18:
𝑃𝑃 = 0.041 ∗0.20𝑚
0.15𝑚∗(20𝑚
𝑠)2
2𝑔= 1.1145 𝑚 (18)
4.7 Pérdidas totales
En la Tabla 3, se encuentra el resumen de las pérdidas de cada sección y las pérdidas
totales del sistema.
Elemento Pérdidas (mH2O) Pérdidas (Pa)
Difusores 0.7674 7525.62321
Panel 0.1346 1319.97509
Mallas 27.23 267035.0795
Tobera contracción 0.458 4491.4457
Cámara de pruebas 1.45 11228.1425
Pérdidas totales 29.35 291600.7378
Tabla 3. Resumen pérdidas totales del sistema
34
5. Simulación computacional
Para verificar los datos obtenidos se realizó una verificación por medio de un software de
análisis de dinámica de fluidos computacional CFD. Para la creación de la geometría, se
utilizó el software CAD Inventor, en el cual se realizó un modelado del túnel y se exporta
en formato STEP, para poder ser utilizado en el software ANSYS ICEM para la generación
de la malla computación, como paso previo al preprocesamiento del modelo en ANSYS
CFX. Para la simulación en ANSYS CFX, se utilizaron los siguientes parámetros como
condición de contorno:
Parámetros Valor
Fluido Aire
Temperatura 19°C
Presión Atmosférica Bogotá 560 mmHg
Velocidad entrada 37 m/s
Tabla 4. Parámetros para la simulación computacional.
5.1 Calidad de malla
La calidad de la malla utilizada para la simulación afecta a la velocidad de los resultados
obtenidos, por lo cual para garantizar resultados óptimos se debe contar con una malla con
ciertas características. Las características de medida básicas para la calidad de la malla
incluyen agrupamiento, suavidad, asimetría y relación de aspecto.[27]
Para revisar la calidad de la malla de la simulación del túnel de viento, se tienen en cuenta
la asimetría a través de la modificación del tamaño de elemento.
35
Para las simulaciones se realizaron 4 mallas diferentes, modificando el tamaño de los
elementos de 5mm a 1mm. Como parámetros de enmallado se utilizaron los presentados
en la Tabla 5.
Parámetros de malla Valor
Función Curvatura
Angulo 18°
Tasa de crecimiento 1.2
Tipo de transición Fina
Tabla 5. Parámetros Fijos de malla
En la Tabla 6, se muestran las métricas que se obtuvieron de las mallas utilizadas. Siendo
la malla 1 la que tiene el tamaño de elemento más grande, y la malla 4 la más fina. Dentro
del rango de calidad según la asimetría para una malla en 3D estos valores deben estar
por debajo del 0.4 para que se consideren de una calidad buena, siendo valores entre (1-
0.9) calidad mala, (0.9 - 0.75) pobre, (0.75 - 0.4) regular, (0.4 - 0.25) buena y menor a 025
excelente.[28]
N de malla
Tamaño
mínimo de
elemento
Asimetría # de
elementos
Calidad de la
malla
1 5mm 0.4172 438814 Regular
2 4mm 0.4145 442362 Regular
3 2mm 0.4007 474593 Buena
4 1mm 03409 710919 Buena
Tabla 6. Métricas en estudio de independencia
En la Figura 10 se muestra cada una de las mallas, creadas para los parámetros evaluadas
desde (a) hasta la (d) se evidencia el refinamiento y la densificación del mallado.
36
a) Malla 5mm
b) Malla 4mm
c) Malla 2mm
d) Malla 1mm
Figura 10. Malla para la simulación del túnel de viento.
5.2 Simulación
Se aplicó el código CFD comercial para calcular el Navier-Stokes tridimensional
promediado por Reynolds (RANS) así como la ecuación de continuidad. Además, la
simulación numérica se realizó principalmente sobre la base del estándar del modelo k-ε
para el tipo de flujo.
Se empleó el modelo de todo el túnel de viento como se muestra en la Figura 11, se
definieron como límites las paredes del túnel de viento, además de incluir la resistencia
eléctrica para calefacción, las mallas y panel de estabilización. El ingreso y salida del fluido
de acuerdo con la tabla de condiciones.
Se incluye la forma de la resistencia eléctrica, debido a que en dentro de la construcción
del túnel este queda fijo, por lo cual hace parte dentro del modelo a simular.
37
Figura 11. Dominio del modelo del túnel de viento
5.3 Resultados Túnel de viento
Se realiza la simulación para cada malla, con el fin de realizar un análisis de independencia
de malla. En la Figura 12, se observan los perfiles de velocidad en el centro del túnel de
viento de cada malla.
La primera diferencia visible es la calidad con la que se muestra el perfil de velocidad,
siendo en el caso de la malla con tamaño 1mm (d), más refinada y no se alcanza a ver la
forma poligonal de los resultados a diferencia del perfil con malla 5mm (a) o 4mm (b).
Para los cuatro casos al realizar la simulación del comportamiento del fluido dentro del
túnel de viento se observa que en la zona inicial la velocidad de 37 m/s se mantiene
constante, con un leve incremento en los bordes del cambio de sección lo cual se debe a
la malla puesta. Durante el primer difusor se observa una leve expansión del perfil, aunque
debido a que la velocidad de entrada inicial es tan alta, el perfil no se puede desarrollar en
su totalidad en este recorrido por lo cual la mayor cantidad se mantiene en el centro del
túnel. En este caso la simulación con malla de 1mm presenta un desarrollo de la expansión
del perfil de manera más pronunciada que en los demás.
38
Continuando al ingreso del segundo difusor nuevamente el viento pasa por otra malla que
ayuda a la expansión, estabilización del flujo reduciendo un poco la velocidad. Al terminar
este difusor el viento llega a la cámara de estabilización donde primero pasará a través de
la resistencia eléctrica. En esta sección el viento rodea a la resistencia mientras aumenta
su temperatura en el caso que esta esté encendida. Terminada la sección de
estabilización, pasa por el panel final y entra en la zona de contracción, donde aumenta y
unifica la velocidad del aire para entrar a cámara de pruebas donde finaliza el túnel de
viento.
a)
b)
39
c)
d)
Figura 12. Perfiles de velocidad dentro del túnel de viento para cada modelo de
malla (a) 5mm, (b) 4mm, (c) 2mm, (d) 1mm.
.
En la figura 13, se observa los perfiles en la zona inicial de la cámara de pruebas, en cada
una de las simulaciones se obtiene un perfil casi homogéneo con mayor velocidad en la
zona central.
40
a)
b)
41
c)
d)
Figura 13. Perfiles de velocidad sección cámara de pruebas para cada modelo de malla
(a) 5mm, (b) 4mm, (c) 2mm, (d) 1mm.
42
6. Componentes electrónicos
6.1 Control de velocidad
Para realizar el control de velocidad del túnel de viento, se utilizó un variador de frecuencia
trifásico V20. Junto con un sistema arranque CHINT. EL sistema de protección y conexión
se realizó dentro de una caja eléctrica de 20 cm X 20 cm. En la Figura 14, se presenta el
sistema de arranque y el variador.
Figura 14. Sistema de arranque y variador
Se realizó la conexión del sistema de control de velocidad al motor como se muestra en el
diagrama de la Figura 15, donde el sistema al arranque se le incluye un sistema de
protección constituido por 2 breakers de 6-10 A, dentro del sistema CHIT este cuenta con
un contactor y relé térmico.
43
Figura 15. Diagrama de conexión del sistema de control de velocidad y arranque del
ventilador
6.2 Resistencia eléctrica
En la sección 3.4 se indica que se utilizara una resistencia de calentamiento de aire forzado
de 200W a 220V, debido a restricciones del laboratorio no se cuenta con una toma bifásica
y la toma trifásica está siendo utilizada por el variador para la alimentación del motor, por
lo tanto, para la conexión de la resistencia eléctrica se utilizó de una conexión a una toma
monofásica de 110V. Como sistema de protección se conectó un breaker de 6 A, al cual
además se utiliza como interruptor.
44
7. Construcción del túnel y estructura
7.1 Construcción de elementos del túnel de viento
Para realizar el túnel de viento se utilizó lámina de acero, perfiles acero, MDF, PVC y
acrílico. Los elementos se modelaron en el software Autodesk Inventor Profesional 2020.
7.2 Estructura
Debido al espacio disponible y los requerimientos de diseño, la estructura del túnel de
viento se dividió en módulos, para facilitar el transporte y adición de nuevos componentes
en el futuro. La Figura 16. Piezas base para construcción de módulos muestra el corte de
los perfiles metálicos para construcción de los módulos.
Figura 16. Piezas base para construcción de módulos
45
7.2.1 Primer modulo
Se construyó el módulo de tal manera que la altura aproximada de la estructura fuera de
1.0 m por cuestiones de ergonomía. El primer módulo se diseñó con la finalidad de brindar
soporte a los siguientes componentes:
• Ventilador Centrífugo
• Difusor de amplio ángulo
• Cámara de estabilización
• Sistema de control de velocidad
En la Figura 17 se observa el diseño de la estructura, el cual se compone por una base
rectangular de 60X65 cm, y un soporte del motor de 30X30 cm. Para la fabricación de la
estructura se utilizó perfiles rectangulares y cuadrados de calibre 16 y 14 respectivamente,
se realizaron cortes a 45° para la unión de los perfiles rectangulares, con el fin de soportar
mejor los esfuerzos sobre la estructura. Las uniones de soldadura se realizaron con SMAW
utilizando electrodos 6013 de 3/32 de diámetro.
Figura 17. Modulo uno soldado
Se realizó la simulación computacional para por el entorno de simulación de elementos
finitos (FEM) de Inventor profesional 2020 el cual utiliza un algoritmo solucionador discrete
46
singular convolution (DSC), con el objetivo de evaluar el comportamiento de la estructura
antes las cargas a soportar y los modos de frecuencia. Para los resultados obtenidos por
el desplazamiento en la Figura 18, debido a las cargas se encontró que la deformación
máxima del módulo fue de 0.1069 milímetros.
Para el transporte del módulo, se colocan ruedas de goma las cuales soportan 30Kg
máximo o 294.3 N. Adicional estas cuentan con un sistema de freno para poder evitar el
movimiento del equipo en el lugar de trabajo y recubrimiento de goma el cual ayuda a
mitigar los efectos de las vibraciones sobre la estructura. Para revisan que las ruedas sean
óptimas para su uso se revisa las reacciones perpendiculares al plano de restricción (eje
Z) en los puntos de apoyo de la estructura Tabla 7. Esta simulación tiene en cuenta un
equivalente del peso de los equipos a soportar por la estructura además del peso de esta.
Nombre Restricción Fuerza de reacción (N)
Restricción 1 136,340
Restricción 2 91,075
Restricción 3 91,849
Restricción 4 55,22
Tabla 7. Fuerza de reacción en restricciones modulo uno
Figura 18. Desplazamiento del módulo uno
47
Todas las estructuras poseen frecuencias naturales y modos de vibración, que dependen
básicamente de la masa y de la rigidez de la estructura. En la Tabla 8 muestra los modos
de vibración para el módulo uno. Analizando los resultados obtenidos se observa un valor
de frecuencia alto en su mayoría debido a la rigidez estructural del módulo dada por las
columnas de la estructura las cuales son de acero calibre 14.
En los primeros dos modos de frecuencia los valores son cercanos debido a la similitud
geométrica y a que la deformación actuaria en la dirección de menor rigidez lo cual ocurre
de manera horizontal. La unión del motor a la estructura se realiza a través de tornillos y
una lámina de poliuretano para reducir la vibración que pueda producir del motor del
ventilador a la estructura. Al eje del motor se conecta con unión acuñada al rotor del
ventilador y este se alinea adecuadamente a la brida del motor con el fin de mitigar las
vibraciones por desbalance y alineación. Reduciendo el riesgo de resonancia.
Tabla 8. Modos de frecuencia de la estructura modulo uno.
7.2.2 Segundo modulo
El segundo modulo sirve de soporte para:
• Difusor de contracción
• Cámara de pruebas
• Equipos de medición
En la figura 19, se observa el diseño de la estructura, la cual posee una base rectangular
de 60X120 cm. Para la fabricación de la estructura se utilizaron perfiles rectangulares y
Modo Frecuencia (Hz)
1 56.48
2 56.77
3 88.74
4 206.29
5 275.44
6 309.47
7 44114
8 464.68
48
cuadrados de calibre 16 y 14 respectivamente, se realizaron cortes a 45° para la unión de
los perfiles rectangulares, con el fin de optimizar la resistencia a los esfuerzos que se
generen sobre la estructura. Las uniones de soldadura se realizaron con SMAW utilizando
electrodos 6013 de 3/32 de diámetro.
Nuevamente se realiza la simulación de desplazamiento de acuerdo con las cargas y a los
modos de frecuencia. En la
Figura 19 se observa las zonas con mayor desplazamiento o deformación debido a las
cargas que puede soportar el túnel. De acuerdo con este análisis, el desplazamiento
máximo del módulo es de 0.08522 milímetros en cual se encuentra en la zona central sobre
la barra que soportaría al túnel en caso de que este se coloque módulos adicionales y
equipos de medición. Esta simulación tiene en cuenta un equivalente del peso de los
equipos a soportar por la estructura además del peso de esta.
Figura 19. Desplazamiento del módulo dos
Al igual que en el módulo uno, revisan las fuerzas de reacción de las restricciones para
verificar que se puedan utilizar ruedas de goma para su transporte. En la Tabla 9 se
presentan los valores de las restricciones nuevamente cumpliendo con los requerimientos.
Nombre Restricción Fuerza de reacción (N)
49
Restricción 1 127.044
Restricción 2 133.435
Restricción 3 85.212
Restricción 4 85.212
Tabla 9. Fuerza de reacción en restricciones modulo dos
Para realizar un análisis de modos de operación del túnel, se necesita determinar las
frecuencias naturales y modos de vibración de la estructura, este se obtiene por el método
de los elementos finitos, y nuevamente se utilizan el software Inventor. Se obtienen los
valores para los primeros 8 modos de frecuencia. En la Tabla 10, se muestran los modos
de vibración para el módulo dos, estos valores se encuentran acorde a lo esperado debido
a la rigidez de la estructura. La segunda estructura soportara la sección media del túnel de
viento a través de un soporte de base niveladora, equipos de medición y adicionales en
los niveles.
Tabla 10. Modos de frecuencia de la estructura modulo dos.
7.3 Difusores, cámara de estabilización y tobera
Para la fabricación de los difusores, se utilizó de lámina calibre 18 de acero cold roll. Para
cada difusor al ser de sección cuadrada o rectangular, se imprimió un plano de una cara
del difusor en escala 1:1, para utilizarla como guía para marcar la lámina y después realizar
el corte.
Modo Frecuencia (Hz)
1 57.96
2 63.78
3 86.04
4 130.78
5 174.14
6 199.55
7 248.99
8 448.61
50
Figura 20. Modulo dos y difusores soldados
Después de tener las piezas cortadas, las uniones de soldadura fueron realizadas con
SMAW utilizando electrodos 6013 de 3/32 de diámetro y la técnica de punteo. En la Figura
20 se observan los difusores y cámara de estabilización soldados sobre el módulo dos
7.4 Panel y Mallas de estabilización
Como se indicó en la sección 3, para la fabricación del panel de estabilización, el material
utilizado fue de MDF de 3mm. Se realizó el diseño del panel en software CAD, el cual se
convirtió a formato admitido por la máquina de corte láser. Como parámetros se utilizó una
velocidad de 100mm/s y una potencia de 90%. El tiempo aproximado para el corte láser
indicado en el software es de entre 3 a 5 horas, el tiempo real de corte fue de 4 horas 23
minutos y 5 segundos (Figura 21. Parámetros y panel de operación cortadora láser). Para
las mallas se utilizó una malla de PVC de diámetro hidráulico de 1.5 mm, la malla fue
cortada con tijera.
51
Figura 21. Parámetros y panel de operación cortadora láser
7.5 Cámara de pruebas
Para realizar la cámara de pruebas como se indicó en la sección de diseño y los
requerimientos 3.2.1, el material utilizado fue acrílico. Se realizó el diseño de software
CAD, y se realizó el corte láser para las piezas. Para realizar la unión de estas se utilizó
Cloruro de Metileno, el cual funciona como adhesivo para la unión de material acrílico con
acrílico, el cloruro de metileno funciona como un fundente, debido a que realiza una unión
química entre ambas capas del acrílico haciendo que ambas piezas que se desean pegar
queden unidas al secarse en poco tiempo. Para realizar la unión de los pestillos que
permiten el acceso y posicionamiento de los elementos dentro de la cámara de pruebas
se utilizaron tornillos M3.
7.6 Ensamble del túnel de viento
Se inició el ensamble del túnel de viento realizando las conexiones del control del ventilador
(según lo establecido en la sección 6.1), en un tablero eléctrico de 20 X 20 cm de tal
manera que se tenga fácil acceso y se protejan las conexiones (Figura 22). Se ajustó el
52
relé térmico a una corriente de 6 A. De igual manera se realizó de acuerdo con la sección
6.2 la conexión para el breaker que controlara la resistencia eléctrica.
Figura 22. Conexión control de velocidad ventilador
Luego se instaló el motor sobre el módulo uno, y se realizó la conexión al tablero principal,
la cual se encuentra al lado lateral inferior del ventilador (Figura 23), la conexión entre la
toma trifásica y el tablero eléctrico del control de velocidad se realizó con cable de 3 hilos
calibre 10, sin embargo, solo se utilizaron dos, debido a que el variador solo necesita dos
fases y genera la tercera internamente.
Figura 23. Ensamble modulo uno y conexiones eléctricas
Al tener el ventilador fijo, se acopló cada uno de los difusores utilizando unión de tuerca,
tornillo y arandela, comenzando con el difusor 1, colocando una malla entre la unión de
este con el ventilador. Luego se instaló la siguiente malla con el difusor dos con una salida
53
de 45 X 45 cm, donde comienza la cámara de estabilización y calentamiento del aire al
pasar a través de la resistencia eléctrica. (Figura 24)
Figura 24. Ensambles difusores y resistencia eléctrica
Se continuó con la instalación del panel de estabilización a la salida de la cámara y se
ensambló la tobera de contracción, además se colocaron los soportes que de sustento del
túnel sobre la estructura del módulo 2 (Figura 25)
Figura 25. Ensamble del túnel
54
8. Pruebas de funcionamiento
Para probar el correcto funcionamiento del túnel de viento se realizaron dos pruebas. La
primera fue de medición de la velocidad del aire dentro de la cámara de pruebas, para
realizar la segunda prueba fue del valor de temperatura del aire máxima alcanzada dentro
de la cámara de pruebas. A continuación, se detallan las pruebas y los resultados
obtenidos.
8.1 Velocidad del aire
Para medir la velocidad del aire se utilizó un anemómetro digital marca UNI-T UT363, se
tomaron 9 medidas de velocidad del aire dentro de la cámara de pruebas, para el ventilador
trabajando a tres frecuencias 60 Hz, 50 Hz y 40 Hz.
En la Figura 26, se indica los puntos dentro de la cámara de pruebas que fueron utilizados
para realizar las mediciones, debido a que es una cámara de pruebas de sección cuadrada
se divide en 9 puntos para realizar las mediciones. El muestreo de los 9 puntos de medida
se realiza en tres zonas en la entrada de la cámara después de la tobera de contracción
(Zona 1), en la zona central de la cámara (Zona 2) y por último en la salida de la cámara
(Zona 3).
1 2 3
4 5 6
7 8 9
Figura 26. Ubicación puntos de medida dentro de cada zona
55
A continuación, se presenta los resultados obtenidos de la medición de velocidad.
En la Tabla 11 se muestra las velocidades a 60Hz, donde se encuentra que la velocidad
promedio dentro de la cámara de pruebas es de 15.875 m/s en la zona 1, 14.34 m/s en la
zona 2 y 14.21 m/s en la zona 3. La diferencia de velocidad entre la zona 1 a la zona 2 es
de 1.535 m/s y de la zona 2 a la zona 3 es de 0.13 m/s, de manera similar en cada punto
de medición a la entrada de la cámara de pruebas la velocidad es aproximadamente entre
1 a 1.5 m/s mayor que la zona 2. Por lo cual es recomendado que al evaluar un modelo
este se posicione en la zona 2.
En la Tabla 12 se muestra las velocidades a 50Hz, se encuentra que la velocidad promedio
dentro de la cámara de pruebas es de 13.2 m/s en la zona inicial, 12.53 m/s en la zona
media y 12.5 m/s en la salida. Las diferencias de velocidad de velocidad entre la zona de
medición y la anterior es de 0.67m/s (zona1-zona 21) y 0.03m/s (zona 2- zona3). AL igual
que en la prueba a 60 Hz la zona 1 presenta una velocidad de viento mayor, la cual
disminuye y es aproximadamente igual entre la zona 2 y 3.
Por último, en Tabla 13 se muestra las velocidades a 40Hz, se encuentra que la velocidad
promedio dentro de la cámara de pruebas es de 10.28 m/s en la zona inicial, 10.2 m/s en
la zona media y 10.02 en la salida. Para este caso la diferencia de las velocidades
promedio no difiere entre la zona 2 y la zona 3. En cuanto a la diferencia entre la zona 1 y
2 esta es de 0.26m/s.
Frecuencia Velocidad Zona 1 (m/s) Velocidad Zona 2 (m/s) Velocidad Zona 3 (m/s)
60 Hz
16,1 15,7 16,2 14,4 14,1 14,1 14,2 14,2 14,2
16 15,8 15,7 14,6 14,5 14 14,3 14,1 14,3
15,7 15,1 16,4 14,4 14,5 14,5 14,3 14,2 14,1
Promedio 15,875 14,34 14,21
Tabla 11. Resultados velocidad a 60 Hz
Frecuencia Velocidad Zona 1 (m/s) Velocidad Zona 2 (m/s) Velocidad Zona 3 (m/s)
50 Hz
13,3 13,1 13,3 12,6 12,4 12,6 12,5 12,6 12,3
13,3 13,1 13,1 12,8 12,6 12,5 12,8 12,8 12,6
13,3 13,1 13,2 12,8 11,9 12,6 12,5 12,2 12,2
Promedio 13,2 12,53 12,5
Tabla 12. Resultados velocidad a 50 Hz
56
Frecuencia Velocidad Zona 1 (m/s) Velocidad Zona 2 (m/s) Velocidad Zona 3 (m/s)
40 Hz
10,2 10 10,4 10 9,9 9,9 9,9 9,9 10
10,6 10,2 10,4 10,2 10,2 10,4 10,2 10,1 10,4
10,2 10,3 10,3 9,8 9,9 9,9 9,9 9,9 9,9
Promedio 10,28 10,02 10,02
Tabla 13. Resultados velocidad a 40 Hz
Para comparar los resultados con el modelo utilizado en la simulación computacional
realizada de la Sección 5.5, se realiza un plano corte del contorno de las velocidades en
cada una de las zonas de la cámara de pruebas. En la Figura 27, se muestra la barra con
los valores según el color presente en el contorno de velocidad de la zona, se utilizan 11
contornos para diferencial el rango de velocidades dentro de la cámara de pruebas.
Figura 27. Valores de velocidad en el contorno de velocidad
De las simulaciones realizadas se observan en la Tabla 14 los contornos de velocidad de
dentro de la cámara de pruebas, teniendo en cuenta los valores de acuerdo con los colores
de los contornos Figura 27. Se registran un valor más alto en la parte central inferior de
cada zona, siendo este valor mayor a los obtenidos en las pruebas entre el punto de
muestreo número 5 y 8, esta diferencia es de aproximadamente 1m/s. Valor el cual está
dentro del rango esperado debido a que el modelo computacional no tiene en cuenta las
pérdidas por conexiones. Al observar los contornos externos de cada zona se observa que
hacia las paredes la velocidad es del orden de entre los 6-8 m/s, estas medidas cercanas
57
a las paredes de la cámara de pruebas ocurren por la fuerza de fricción que realizan las
paredes con el flujo lo cual es correcto y debido a las dimensiones de la sección de
captación del aire en el anemómetro las velocidades en la zona junto a las paredes no
alcanzan a ser medidas. El valor de velocidad en las paredes se espera que sea mucho
menor que el de la posición central, por lo cual siempre se sugiere que el modelo este
alejado de las paredes para recibir todo el flujo desarrollado.
Hz Velocidad Zona 1 (m/s) Velocidad Zona 2 (m/s) Velocidad Zona 3 (m/s)
60
50
40
Tabla 14. Contornos de velocidad túnel
58
8.2 Temperatura del aire
Para realizar la medición de la temperatura se enciende la resistencia eléctrica y el
ventilador, inicia el conteo del tiempo que toma hasta llegar a una temperatura estable
realizando medición intermedia en ciertos intervalos de tiempo.
Se realizan mediciones de temperatura para tres frecuencias 60Hz, 50 Hz y 40 Hz. En la
Tabla 15, se presentan los resultados de temperatura del aire, para realizar cada prueba
se esperó a que la temperatura inicial fuera 19° C, se utilizó un multímetro UT-107 con una
termocupla tipo K T-01, lo cual permite medir temperatura de entre -40°C y 100°C con una
resolución de 1°C. La medición fue tomada en la zona central de la cámara de pruebas.
Tiempo 0 30” 1’00” 1’45” 2’30” 3’30” 4’30” 6’00” 7’20” 10’00”
Temperatura 60 Hz (°) 19 20 21 22 23 24 25 26 27 27
Temperatura 50 Hz (°) 19 20 21 23 24 26 27 29 29 29
Temperatura 40 Hz (°) 19 20 22 23 25 26 28 30 31 32
Tabla 15. Resultados medición de temperatura
En la Figura 28, se observa la curva de temperatura dentro de la cámara de pruebas para
las 3 frecuencias, ya que se espera a que el túnel este en temperatura ambiente todas
comienzan en 19°C. al pasar 30 segundos en los tres casos la temperatura aumento 1
grado y al minuto en el caso de 60 y 50 Hz subió a 21°, mientras que trabajando a 40Hz
subió 2 grados a 22°. Gradualmente continúa subiendo, siendo la frecuencia de 60 Hz la
que menos aumenta la temperatura, lo cual se debe a que la velocidad del viento el cual
ingresa con una temperatura ambiente de 19°C y se desplaza a una mayor velocidad
dentro del túnel lo cual hace que a menor velocidad se puede alcanzar una temperatura
mayor. Un a un poco más de los 8 minutos ya se empieza a estabilizar la temperatura y se
toma como punto final los 10 min donde a 60 Hz la temperatura máxima es de 27°C, a 50
Hz 29 °C y a 40 Hz llega a 32°C. Teniendo en cuenta que la constante de tiempo es el
tiempo que tarda el sistema en alcanzar el 63.2% de su cambio total y el tiempo de
establecimiento es 4 veces la constante de tiempo. Tomando como valor final la
temperatura a los 10 minutos, se aproxima que el tiempo de establecimiento es de 842
segundos para el ventilador trabajando a 60 Hz, 729 segundos para el ventilador
trabajando a 50 Hz y 967 segundos para el ventilador trabajando a 40 Hz.
59
Figura 28. Temperatura dentro de la cámara de pruebas
8.3 Comparación con otros autores
En la Tabla 16, se realiza un resumen de las características del túnel de viento desarrollado
en este trabajo final junto con otros túneles de circuito abierto y sus aplicaciones según los
autores. De la tabla se puede observar el túnel propuesto tiene una velocidad baja en
comparación con otros, pero es el único presenta un acondicionamiento la temperatura del
viento dentro del diseño.
Autores Ubicación Tipo
ventilador
Velocidad Aire Cámara de pruebas
(m/s)
Acondicionamiento adicional del aire
Propio Bogotá,
Colombia Centrífugo 10-14,3
Si, Aumento de la temperatura
[29] Illinois, Estados
unidos Centrífugo 274.4 No
[30] Pune, India Axial 5,39 Si, Equipo de humo para
visualizar flujo
[31] Bangkok, Tailandia
Centrífugo 30 No
[32] Beringen, Bélgica
Axial 30 No
[33] Bagdad, Irak Axial 70 No
[34] Virginia,
Estados unidos Centrífugo 30 No
Tabla 16. Revisión túneles de viento de circuito abierto
60
9. Conclusiones
• En la construcción del túnel de viento, uno de los inconvenientes más importantes, fue
el corte y soldadura de las láminas para los difusores, debido a que no se contaba con
una máquina de doblado o corte láser para metal y de soldadura SMAW, con la cual
se hubiera podido realizar un cordón de soldadura continúo, reduciendo así las
pérdidas.
• Al realizar las pruebas de funcionamiento, se observó una disminución de la velocidad
del túnel en la zona baja del mismo, lo cual se debe a las pérdidas y a que en la zona
inferior se encuentra la conexión de la resistencia eléctrica con el exterior. Dentro de
los cálculos realizados el valor numérico de estas pérdidas es de 0.2916 MPa,
asumiendo que no hay pérdidas en las conexiones por lo cual las pérdidas reales
pueden ser mayores ya que se evidencio en algunas uniones de los difusores una fuga
de aire.
• Se confirma la correcta operación del túnel de viento, y se considera que cumple con
la posibilidad de modificar e intercambiar la cámara de pruebas con el fin de ampliar el
rango de aplicaciones y experimentos permitidos en el túnel de viento.
• Para reducir el espacio necesario para la implementación de un túnel de viento, el uso
de ventilares centrífugos y disposición del túnel de viento de circuito abierto, reduce
considerablemente la longitud final del túnel al no requerir recuperación de presión
después de la cámara de pruebas.
61
10. Trabajos futuros
• Se recomienda la instalación de un sistema de adquisición de datos para facilitar la
toma de datos o medición de parámetros de las pruebas realizadas dentro del túnel de
viento.
• Implementar una nueva cámara de estabilización de flujo de aire acondicionándola
para permitir el enfriamiento del viento, de tal forma que se permita aumentar el rango
de aplicaciones.
• Mejorar las uniones de los elementos del túnel para reducir las pérdidas de presión y
realizar un estudio de la influencia de esta mejorar sobre el desempeño del túnel de
viento.
62
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66
Anexos
1. Guía de apoyo en operación y mantenimiento del túnel de viento
2. Plano Ensamble general
3. Plano Difusor 1
4. Plano Difusor 2
5. Plano Cámara de estabilización
6. Plano Panel
7. Plano Tobera Contracción
8. Plano Panel de estabilización
67
Guía de apoyo en operación y mantenimiento del túnel de viento
Josué Nicolás González Camelo
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Bogotá, Colombia
2021
68
Contenido
1. Objetivo....................................................................................................................... 69
2. Normas Generales de seguridad ............................................................................. 69
2.1 Seguridad Área de trabajo ................................................................................... 69 2.2 Seguridad Eléctrica .............................................................................................. 70 2.3 Seguridad Personal .............................................................................................. 70
3. Detección de Problemas ........................................................................................... 71
4. Parámetros del variador Sinamics V20................................................................... 72
5. Instalación y operación ............................................................................................ 73
6. Mantenimiento Preventivo y transporte ................................................................. 74
7. Manejo de Desechos ................................................................................................. 75
Guías de referencia .......................................................................................................... 76
69
1. Objetivo
El presente manual tiene como finalidad informar el funcionamiento, mantenimiento,
reparación y manejo de piezas del Túnel de viento subsónico de circuito abierto,
perteneciente al departamento de ingeniería agrícola.
El contenido de este manual debe ser leído en su totalidad y solo debe ser utilizado para
el uso del túnel de viento descrito con el fin de evitar errores en aplicación del contenido
presente en otras máquinas y preservar la seguridad del equipo y operarios. De ser
necesario pueden agregarse recomendaciones y comentarios a este manual ya que
la máquina es un prototipo y está en constante mejora.
2. Normas generales de seguridad
Lea y comprenda todas las instrucciones. El incumplimiento de todas y cada una de las
instrucciones enumeradas debajo puede provocar descarga eléctrica, incendio o lesiones
personales graves.
2.1 Seguridad área de trabajo
• NO manipule la máquina si no está calificado para hacerlo.
• Este equipo incluye piezas bajo tensión peligrosa y controla órganos mecánicos en
rotación potencialmente peligrosos. Lea las instrucciones de manejo contenidas en
la manual de instalación operación y funcionamiento.
70
• Mantenga limpia despejada el área de trabajo. El desorden o una iluminación
deficiente en las áreas de trabajo pueden provocar accidentes.
• Mantenga las medidas mínimas de instalación. Mantener una distancia prudente
entre máquinas es fundamental para su correcto manejo, manipulación y
prevención de riesgos.
• Manténgase cerca del tablero de control. En caso de riesgo, o evento inesperado
presione el botón para detener la máquina.
• Familiarícese con el código de alarma y fallo del del variador de frecuencia Siemens
SINAMICS. Lea los manuales de variador, esto puede ser de gran utilidad en la
prevención de fallas de funcionamiento y posible daño del equipo.
2.2 Seguridad eléctrica
• El enchufe de la máquina eléctrica debe corresponder a la toma de corriente
utilizada. asegúrese que la toma es de la tensión y corriente adecuada para reducir
el riesgo de una descarga eléctrica.
• Evite que caiga líquidos en el tablero eléctrico. Existe el peligro de recibir una
descarga eléctrica si penetran ciertos líquidos en el tablero o motor eléctricos
• En el circuito intermedio de todos los módulos del variador de frecuencia Siemens
SINAMICS permanece un nivel de tensión peligroso durante 5 minutos tras que
hayan sido desconectadas todas las tensiones. NO manipule el equipo antes de
este tiempo. Lea las instrucciones de uso del variador Siemens antes de
manipularlo
2.3 Seguridad personal
• Esté atento a lo que hace y emplee la máquina con prudencia. No la utilice si
estuviese cansado, ni tampoco después de haber consumido alcohol o drogas. El
no estar atento durante su uso provocarle serias lesiones.
• Utilice equipos de protección personal. Lleve siempre protección auditiva. Los
equipos de protección, utilizados en condiciones adecuadas, contribuyen a reducir
las lesiones personales.
• Evite una puesta en marcha involuntaria. Asegúrese de nadie esté manipulando la
tolva cuando se presione el interruptor de encendido.
71
• Asegúrese que el ventilador, difusores, tobera y cámara de pruebas se encuentren
asegurados. La adecuada manipulación de la máquina reduce riesgos de lesiones.
• Asegúrese de desenchufar la máquina en acciones de mantenimiento. Asegurar la
seguridad en operaciones de mantenimiento previenen accidentes.
3. Detección de Problemas
Problema Causa Posible Solución Posible
La máquina no enciende
Cable desenchufado Enchufe la máquina a un tomacorriente energizada. NO utilice extensiones.
Disparo del interruptor automático.
Reinicie el interruptor automático. (Si el producto provoca que el interruptor automático se dispare, interrumpa su uso de inmediato y llévelo al centro de mantenimiento)
Interruptor o cable dañado Desconecte la máquina y compruebe continuidad en el cable de potencia. y compruebe el funcionamiento del interruptor con un multímetro (si el producto muestra el correcto funcionamiento en estos dos elementos, llévelo al centro de mantenimiento)
El ventilador gira a una velocidad diferente a la establecida por norma
Se desconfiguro el variador o se cambió la polaridad
Verifique la frecuencia mínima en el variador de frecuencia Siemens SINAMICS. Verifique todos los parámetros. Esto es beneficioso si percibe usted problemas de funcionamiento y desea volver a arrancar.
72
4. Parámetros del variador Sinamics V20
En esta sección se presenta el manejo básico del variador sinamics V20 y los parámetros
preestablecidos para el trabajo del túnel de viento. Si requiere más información del ajuste
de parámetros avanzados diríjase al manual del variador.
Figura 1. Panel de trabajo variador sinamics V20.
P0003 1 Acceso a parámetros nivel estándar
P0100 1 Selección sistema de unidades Potencia Nominal
P0304 220 Tensión Nominal del motor (V)
P0305 3.4 Corriente nominal del motor (A)
p0307 1 Potencia nominal del motor (Hp)
p0310 60 Frecuencia nominal del motor (Hz)
P0311 3600 Velocidad nominal del motor (rpm)
P0700 0 Fuente de órdenes por terminales
P1000 1 Selección consigna de frecuencia (sin consigna principal)
P1080 40 Frecuencia min del motor (Hz)
P1082 65 Frecuencia máxima (Hz)
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P1120 5 Tiempo de aceleración (s)
P1121 2.5 Tiempo de deceleración (s)
P3900 1 Fin puesto en servicio con cálculo de motor
5. Instalación y operación
Para la correcta manipulación y operación del túnel de viento es necesario dejar un espacio
prudente. para ello se recomienda planear un área de 1.2m de ancho por 2m de largo. Con
ello se permite que la persona que lo opere tenga el suficiente espacio para manejar la
cámara de pruebas y el panel de control. Al terminar de posicionar el túnel baje el seguro
a todas las ruedas para evitar el movimiento del túnel durante operación.
Para la operación de la máquina asegúrese de tener los sensores y modelos dentro de la
cámara de pruebas posicionados y asegurados. A continuación, realice los siguen los
siguientes pasos.
1. Realice la conexión al tomacorriente trifásico de 220V el cable que alimenta a la
caja de control del ventilador.
2. Conectar al tomacorriente de 110V el cable que alimenta el circuito de la
resistencia.
3. Permita el paso de la corriente presionando el botón verde del arrancador.
4. Encienda el variador presionando el botón verde de encender
5. Espere a que inicie el variador de frecuencia y verifique que indique 60 Hz (esto
indica que están bien los parámetros del variador de frecuencia).
6. Realice la toma de medidas y anote los resultados.
7. Apague el variador presionando el botón rojo.
8. Retire el modelo de la cámara de pruebas.
9. Repita el procedimiento desde el punto 4 al 8 si se desea realizar otro ensayo.
10. Si va a finalizar el uso del túnel de viento. Presione el pulsador rojo del tablero
eléctrico para des energizar la máquina y el variador de frecuencia. (NO manipule
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ningún elemento eléctrico antes de pasados 5 minutos como se indica en las
normas de seguridad de la máquina y del variador de frecuencia Siemens).
11. Desconecte los cables de poder de los tomacorrientes de 220V (sistema eléctrico)
y 110V (sistema de resistencia eléctrica)
Nota1: Si no va a utilizar la máquina por mucho tiempo, abra la coja de control del
variador y baje los breakeres de las fases.
Nota 2: Cuando se desee utilizar la resistencia eléctrica, esta se encenderá subiendo el
breaker de control en el paso 5 y se esperara a que la temperatura se estabilice para
continuar con el paso 6.
6. Mantenimiento preventivo y transporte
Para realizar el transporte del túnel de viento, se debe desarmar en las secciones del túnel
y solo se puede dejar el ventilador sobre el módulo uno. A continuación, se indican las
herramientas necesarias para los mantenimientos y retiro de piezas:
Llave Allen 3/16 Prisionero eje ventilador
Llave mixta 5/16 Tornillos base llantas y difusores
Llave mixta 9/16 Tornillos soporte base Ventilador
Destornillador PH#2 Tornillos sujeción
En la siguiente tabla se presentan las piezas, material y al final del manual se anexan los
planos respectivos.
Pieza Material Cantidad
Difusor #1 Acero 1
Difusor # 2 Acero 1
Cámara estabilización Acero 1
Tobera contracción Acero 1
Cámara de pruebas Acrílico 1
Malla plástica PVC 2
Panel MDF 2
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7. Manejo de Desechos
Esta máquina no debe desecharse ni parcial ni total con la basura normal. Si llega el
momento de reemplazar Máquina o ésta ha dejado de tener utilidad para usted, no lo
deseche con la basura normal. Asegúrese de que este producto se deseche por separado.
La separación de desechos de productos usados y embalajes permite que los materiales
puedan reciclarse y reutilizarse. La reutilización de materiales reciclados ayuda a evitar la
contaminación medioambiental y reduce la demanda de materias primas.
• La máquina está fabricada en mayor proporción de acero el cual es 100%
reutilizable o reciclable, lo cual permite ser llevado a centros de chatarrización.
• Los productos eléctricos y electrónicos como contactores, relés térmicos, breaker,
variador de frecuencia entre otros pueden ser reutilizados. Si estos ya no funcionan
deben ser llevados a centros municipales de recogida de desechos electrónicos.
• Si la máquina deja de ser útil para usted puede separar el ventilador para ser
reutilizado en otros proyectos
• Los paneles y mallas son de madera y plástico por lo cual separe correctamente
estos elementos.
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Guías de referencia
1. Manual Convertidor SINAMICS V20
2. American Welding Society (AWS) Welding Handbook