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• Ronald Borda Salinas

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Diplomado en Ingeniería y Tecnología de Transporte, Almacenamiento y Distribución de Hidrocarburos

Operación y Monitoreo por Sistema SCADA de control, Instrumentación y Automatización de Lineas

Unidad 1 Variables de Control

Ing. Nelson Yañez

IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES DE CONTROL OPERATIVO 1. Presión de Operación 2. Temperatura de Operación 3. Estados de las válvulas 4. Operación de Actuadores 5. Válvulas de Control 6. Medición de Caudal 7. Alarmas 8. Análisis cromatográfico 9. Medición de Nivel 10. Controladores de lazo 11. Equipos 12. Motores 13. Fuentes Auxiliares

DIAGRAMAS PFD E P&ID Diagramas de Flujo en Bloque Diagramas de Flujo de Proceso Diagramas de Tuberías e Instrumentos

DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUE PARA LA PRODUCCIÓN DE BENCENO

1. Las operaciones se muestran mediante bloques 2. La mayoría de las líneas de flujo se representan con flechas que van en dirección del flujo 3. La dirección del flujo es de izquierda a derecha mientras sea posible 4. Las corrientes ligeras (gases) van por el tope mientras que las corrientes pesadas (líquidos y sólidos) van por el fondo 5. Se suministra únicamente información crítica del proceso 6. Si las líneas se cruzan, la línea horizontal es continua y la vertical se corta

 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO PARA LA  PRODUCCIÓN DE BENCENO

1. Todos los equipos principales en el proceso se presentarán en el diagrama con una descripción. 2. Cada equipo tendrá asignado un número único y un nombre descriptivo 3. Las corrientes de flujo de proceso están representadas por un número. 4. Se incluye una descripción de las condiciones de proceso y la composición química de cada corriente. Estos datos se presentan directamente en el PFD o se incluyen en una tabla. 5. Se muestran todas las corrientes de servicios que se suministran a los equipos principales o que brindan una función en el proceso. 6. Lazos de control básicos, que ilustren la estrategia de control usada para que el proceso opere dentro de condiciones normales

 P&ID PARA LA DESTILACIÓN DE BENCENO EN  LA HIDRODEALQUILACIÓN DEL TOLUENO

1. Los sistemas de control de procesos se representan en diagramas de tuberías e instrumentos (P&ID) utilizando símbolos normalizados. 2. Se representan: Instrumentación, tuberías, bombas, motores y otros elementos auxiliares. 3. Los instrumentos del lazo de control se representan por un círculo con las letras de designación del instrumento así como el número identificativo del lazo de control al que pertenecen (Norma ISA-S5.1)

NOMENCLATURA NORMALIZADA ISA (SOCIEDAD INSTRUMENTACIÓN, SISTEMAS, Y AUTOMATIZACION)

Las normas ISA son las guías generalmente más aceptables para desarrollar simbolismo para instrumentación y sistemas de control en: las industrias químicas y petroquímica, generación de energía, pulpa y papel, refinación, metales, aire acondicionado, etc. y pueden ser utilizadas en procesos continuos, por lotes y discretos. NORMAS APLICABLES:

• ANSI/ISA-S5.1-1984 (R1992), Identificación y símbolos de instrumentación. • ANSI/ISA-S5.2-1976 (R1992), Diagramas lógicos binarios para operaciones de proceso. • ISA-S5.3-1983, Símbolos gráficos para control distribuido, • instrumentación de desplegados compartidos, sistemas lógicos y computarizados. • ANSI/ISA-S5.4-1991, Diagramas de lazo de instrumentación. • ANSI/ISA S5.5-1985, Símbolos gráficos para desplegados de proceso.

OTRAS NORMAS DE SIMBOLOGÍA:

• • • • •

ASA Y32.11-1961 – Símbolos gráficos para diagramas de flujo de proceso en las industrias del petróleo y química (ASME). ASA Z32.2.3-1949 – Símbolos gráficos para accesorios de tubería, válvulas y tubería (ASME) ANSI Y14.15.a-1971 Sección 15-11 Interconexión de diagramas (ASME) • IEEE Std 315-1975 (ANSI Y32.2 1975) (CSA Z99 1975) Símbolos • gráficos para diagramas eléctricos y electrónicos (IEEE) • ANSI/IEEE Std 315A-1986 (IEEE)

NOMENCLATURA NORMALIZADA ISA (SOCIEDAD INSTRUMENTACIÓN, SISTEMAS, Y AUTOMATIZACION)

DIAGRAMAS DE PROCESO (P&ID)

EJEMPLOS DE INSTRUMENTOS

Instrumentos más Utilizados

¿Qué es la instrumentación? ¿Porqué es importante? ¿Qué relación guarda con el control de un proceso? ¿Cuáles son las características básicas de un instrumento? ¿En que influye la selección correcta de un instrumento?

1. 2. 3. 4. 5.

Sensores de presión Transmisores de presión Sensores de temperatura Transmisores de temperatura Multivariables

El Lazo de control

El elemento primario de medición, detector o sensor es un instrumento, que puede formar parte de un lazo de control, que primero detecta o sensa el valor de la variable de proceso y que asume un estado o salida legible, correspondiente y predeterminado. Contempla generalmente dos partes: un sensor o elemento primario de medición que mide la variable controlada c(t), a la que se llamará más adelante como variable de proceso PV, y la transforma a un tipo diferente de energía.

Sensores de Presión

Tipos de Presiones • Presión absoluta: Presión que se mide a partir de la presión cero de un vacío absoluto.

• Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra (barométrica) sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella.

• Presión relativa (manométrica): Presión mayor a la presión atmosférica, es la presión medida con referencia a la presión atmosférica, conocida también como presión relativa o presión positiva.

• Presión diferencial: Es la diferencia entre dos presiones. • Vacío: Presión menor a la presión atmosférica, medida por abajo de la presión atmosférica. Cuando el vacío se mide con respecto a la presión atmosférica se le conoce como presión negativa, el vacío también puede medirse con respecto al "cero absoluto" como una presión absoluta menor a la presión atmosférica.

Transmisores de Presión

Sensores de Temperatura

Transmisores de Temperatura

Transmisores de Temperatura

Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que ante un aumento de temperatura haya un aumento de la resistencia eléctrica que presentan. Un termopar es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basadas en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.

Multivariables

Uso de la medición de temperatura La detección, medición y control de temperatura en procesos industriales es deseada en los siguientes casos: • En operaciones que involucran transferencia de calor, como los intercambiadores de calor, hornos, rehervidores, evaporadores o calderas. • Control de reacciones químicas sensibles a la temperatura. • Operación de equipos, como torres de destilación, tanques de almacenamiento, torres de enfriamiento, mezcladores, cristalizadores, etc. • Monitoreo del funcionamiento de equipo rotatorio, para prevenir calentamiento, como turbinas, compresores, bombas y motores en general. • Control de temperatura de productos y límites de planta.

Multivariables

Multivariables

Diplomado en Ingeniería y Tecnología de Transporte, Almacenamiento y Distribución de Hidrocarburos

Operación y Monitoreo por Sistema SCADA de control, Instrumentación y Automatización de Líneas

Unidad 1 Redes

Ing. Nelson Yañez

Instrumentación y Control de Procesos Unidad 1  Introducción  Redes Neumáticas  Redes Analógicas  Redes de Campo  Redes Hart  Modbus  Redes FieldBus  Redes ProfiBus PA  Ethernet Industrial  Profinet  Redes Inalámbricas

Introducción Ingeniería de Control El control retroalimentado tiene una larga historia, que empezo con el deseo de los humanos de dominar el uso de los materiales y las fuerzas de la naturaleza para su beneficio. Tenemos algunos ejemplos de algunos mecanismos de control por medio de relojes como algunos otros que se utilizaban para apuntar los molinos de viento hacia el viento. En la actualidad existen plantas que no podrían funcionar sin sus sistemas sofisticados de control.

Introducción Un sensor es un dispositivo que se usa en las plantas industriales para convertir una variable física (al estilo de presión, caudal, nivel) en una variable de otro tipo (eléctrica, neumática o hidráulica).

Las primeras “redes” de información, fueron los tubos que llevaban una presión neumática proporcional al valor leído.

Las redes neumáticas tuvieron su momento de gloria que comenzó en los años 40 y que decayó a mediados de los 60´s. En la actualidad sobreviven los sistemas de control neumático principalmente en instalaciones antiguas y en instalaciones de control de pozos petroleros donde hay abundancia de gas para utilizar como alimentación del sistema neumático. La red neumática transmite la información de la medición o de control, mediante una presión que varia en un rango de 3-15 libras de presión.

Introducción Los sistemas neumáticos de control se caracterizan por el trabajo mecánico de precisión que es necesario realizar para la manufactura de los componentes de control.

En los 60´s aparecio una mejora a la señal neumática, a saber la señal de corriente continua en el rango de 4 a 20 mA. La señal de 4 a 20 mA fue el primer intento de “estandarizar” las señales de campo que generaban los sensores., con la señal de 4 a 20 mA se logra que el sensor de la marca A, se entienda con el controlador de la marca B, y que este controle el actuador de la marca C.

A partir de los 80´s, hacen su aparición dentro del mundo de control las transmisiones de datos digitales. La idea de las redes digitales era enviar MÁS información por los mismos 2 cables. Lo cual era una buena idea. A no ser por un detalle: cada uno de los constructores hablaba un lenguaje propio y nadie se entendía. Cada fabricante de equipos decidió inventar su propio dialecto para su red, de tal manera que podía fabricar lo que se llego a conocer como “redes propietarias”. Usted podía extraer muchos datos de su equipo, pero tenia que comprar el sensor y todo el resto de equipos que forman parte del sistema del mismo fabricante.

Tipo de Variable

TIPOS DE VARIABLES DE ACUERDO A SU COMPORTAMIENTO EN EL TIEMPO

Tipo de Señal Señal Analógica

Señal Digital

Redes de Campo • Redes de dispositivos de campo • Redes de proceso

Redes de dispositivos de campo En una red de dispositivos, la mayoría son discretos. Las redes de dispositivos de campo se comunican con dispositivos de bajo nivel como botones e interruptores de final de carrera entre otros, los cuales transmiten información acerca del estado de la señal (encendido/apagado) y su estado de operación. Estas redes generalmente procesan desde unos cuantos bits hasta muchos bytes al mismo tiempo. Existen redes de dispositivos de campo que pueden manejar elementos discretos y analógicos. Aquellas que pueden manejar dispositivos analógicos se las llama redes bytewide. Las que sólo manejan dispositivos discretos se las llama redes bit-wide. Ninguno de los dos tipos de redes de campo tiene estándares de protocolo plenamente establecidos, aunque existen muchas organizaciones trabajando en el desarrollo de especificaciones.

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Aunque no existe un estándar proclamado para las redes de dispositivos, han estado emergiendo algunos estándares de facto. Los fabricantes de las redes proporcionan sus especificaciones a los fabricantes de dispositivos con el objeto de crear una arquitectura abierta.

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Uno de estos estándares de facto es DeviceNet, originalmente creada por Allen Bradley y ahora en manos de una asociación llamada Open DeviceNet Vendor Association.

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Otra es SDS (Smart Distributed System) creada por Honeywell. Ambas están basadas en la red de área local denominada CANbus, desarrollada originalmente para la industria automotriz.

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La red InterBus-S de Phoenix Contact es otro estándar de facto para redes byte- wide.

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Los estándares de facto para redes bit-wide incluyen Seriplex desarrollada por Square D y ASI (Actuator Sensor Interface) desarrollada por un consorcio de empresas europeas.

Interbus Loop

Redes Bit-Wide

Asi

Seriplex

Interbus - S

Redes Byte-Wide SDS

DeviceNet

CAN-Bus

Buses de altas velocidad y baja funcionalidad: Están diseñados para integrar dispositivos simples como finales de carrera, fotoceldas, relevadores y actuadores simples, funcionando en tiempo real y agrupados en una pequeña zona de la planta, típicamente en una PC. Algunos ejemplos son:

CAN: Diseñado originalmente para aplicación en vehículos. SDS: Bus para la integración de sensores y actuadores basado en CAN. ASI: Bus serie diseñado por Siemens para la integración de sensores y actuadores. Buses de alta velocidad y funcionalidad media: Son capaces de soportar comunicaciones a nivel planta industrial. Aunque se basan en buses de alta velocidad, algunas presentan problemas debido a la sobrecarga excesiva para alcanzar las características funcionales y de seguridad que les exigen. Algunos ejemplos son:

DeviceNet: utiliza como base el bus CAN con una capa de aplicación orientada a objetos (Allen-Bradley). LONWorks: Red desarrollada por Echelon. BitBus: Red desarrollada por Intel. DIN MessBus: Norma alemana de bus de instrumentación basado en comunicación RS232. BitBus: Norma alemana de bus usado en aplicaciones medias.

Redes de proceso En una red de procesos, la mayoría de los dispositivos son analógicos. Las redes de procesos se conectan con dispositivos de alto nivel como válvulas inteligentes y medidores de lujo entre otros, que son comúnmente empleados en aplicaciones de control de procesos. Las redes de procesos manejan grandes cantidades de información que consiste en datos del proceso así como de los dispositivos de campo propiamente.

Son redes de comunicación de alto nivel, abierta y digital que se emplean para conectar dispositivos analógicos a un sistema de control. Estas redes son utilizadas en aplicaciones de procesos, donde los sensores y actuadores analógicos responden más lentamente que los de las aplicaciones discretas. El tamaño de los paquetes de información es grande, debido a la naturaleza de la información que se recolecta y transfiere. Las dos redes de procesos más comunes son Fieldbus y Profibus. Aunque esas redes pueden transmitir información hasta velocidades de 1 a 2 mega bits por segundo, su tiempo de respuesta es considerado de bajo a mediano debido a la cantidad de información transferida. Sin embargo, esta velocidad es adecuada para las aplicaciones de proceso, ya que estos no responden instantáneamente como lo hacen los controles discretos.

Aunque las redes de dispositivos normalmente se conectan con elementos discretos, y las de procesos con elementos analógicos, ambas transmiten información digitalmente. De hecho, la necesidad de información digital, fue el principalmente motivo por el cual se desarrollaron las redes de campo. Las comunicaciones digitales permiten que más de un dispositivo esté conectado a un cable, gracias a las capacidades de direccionamiento y la habilidad de los dispositivos para reconocer información. En la comunicación digital, una serie de unos y ceros son transmitidos serialmente proporcionando información del proceso, la máquina y del dispositivo de campo, en formato digital. Esas señales digitales son menos susceptibles a degradación ocasionada por interferencia electromagnética y radio frecuencias generadas por equipos electrónicos analógicos ubicados en un ambiente industrial. Adicionalmente, un controlador en un bus de campo realiza un mínimo de conversiones analógico-digital y digital-analógico ya que los dispositivos suministran digitalmente a través del bus. Otra ventaja de la comunicación digital está en que gracias a la inteligencia de los dispositivos de campo, estos suministran información proporcional a la variable del proceso, eliminando la necesidad de linealización o escalamiento de la señal. Una final ventaja está en la reducción de la cantidad de cableado necesaria, lo que proporciona ahorros importantes.

Redes HART El protocolo HART es uno de los primeros protocolos implementados y permite la comunicación bi-direccional con instrumentos inteligentes superponiendo la señal digital en la analógica sin afectarla, transmitiendo simultáneamente por el mismo alambrado. HART modula la corriente de 4-20mA con un bajonivel de frequency-shiftkeyed (FSK) señal sinoidal, sin afectar la señal promedio analógica. HART usa una baja frecuencia (1200Hz and 2200 Hz) para tratar con cables malos, su tasa es de 1200 Bd – pero suficiente.

HART (Highway Addressable Remote Transducer) fué desarrolado por Fisher-Rosemount para reforzar las redes de transmisores 4-to-20mA con comunicación de datos de modo digital.

HART usa la tecnología mode Bell 202, la tecnologia ADSL no fue disponible el 1989, cuando el HART fue diseñado

Redes HART

Multidrop Punto a punto Terminal universal hand-help

Tomado de: www.hartcomm.org

Redes HART El Protocolo Hart Hart se comunica punto a punto, bajo un control de un maestro, ej. Un hand-held device

Master

Slave Indication

Request

time-out

Response Confirmation

Hart frame format (character-oriented): preamble

start

5..20 (xFF)

1

address command bytecount [status]

1..5

1

1

data

data

[2] 0..25 (slave response) (recommended)

checksum

1

1

Bus de campo Modbus Modbus (1979) es un protocolo que trabaja en la capa de aplicación nivel 7 del modelo OSI que proporciona comunicación cliente servidor entre dispositivos conectados en diferentes tipos de buses o redes. Modbus es un protocolo de petición/respuesta y comúnmente se utiliza en: • TCP/IP sobre Ethernet. Internet puede accesar Modbus en un puerto de sistema reservado 502 en el stack o pila TCP/IP. • Transmisión asíncrona serie sobre una amplia variedad de medios (EIT/TIA-232-E, EIA-422, EIA/TIA-485-A, fibra óptica, radio, etc). • Modbus plus, una red token passing de alta velocidad.

Modbus permite una fácil comunicación con diferentes tipos de arquitecturas de red:

Redes Field Bus

Foundation Fieldbus es todo digital, serial, sistema de comunicación de 2 vías, que se interconecta equipos de campo tales como sensores, actuadores y controladores. Fieldbus es una LAN (Local Area Network) para instrumentos utilizados tanto en procesos como en automatización de manufactura con capacidades internas propias para distribuir el control a través de la red.

Redes Field Bus

La estrategia de control esta distribuida entre todos los dispositivos de campo. Esto es posible porque además de tener bloques de funciones en sus microprocesadores, ellos tienen la habilidad de comunicarse rápido y fiablemente entre ellos mediante el bus de comunicación. De alli viene la fantástica flexibilidad de su tecnología. Los equipos pueden ser conectados a la red y ser configurados de acuerdo a las necesidades del usuario, posibles de ser acomodados en pequeños sistemas o en plantas enteras.

Redes Field Bus

El Fieldbus permite conectarse a varios equipos con un cable de un simple par. Esto resulta en menos cable para su instalación, menor cantidad del uso de barreras para equipos intrínsicamente seguros, y menor cantidad de cables que ordenar en los gabinetes.

Redes Field Bus En sistemas tradicionales de automatización, la cantidad de información disponible para el usuario no iba mas allá de las variables de control, en Foundation Fieldbus, la cantidad es mucho mayor, debido principalmente a las facilidades de la comunicación digital. Además de eso, Fieldbus ha incrementado su resolución sin distorsión (no hay conversión de A/D ó D/A) el cual da mayor fiabilidad al control. Todo esto aumentado al hecho de que el control depende del mejor resultado obtenidos por sus dispositivos en lazo con menor distorsión. El Fieldbus permite traer varias variables de un solo dispositivo en el sistema de control para archivar, graficar, procesar estudios de optimización, y generación de reportes.

Redes Field Bus El auto comprobación y las habilidades de comunicación de los microprocesadores de los equipos basados en fieldbus ayudan a reducir paradas y mejoran el performance de una planta. A la detección de una condición anormal o la necesidad de un mantenimiento preventivo, el personal de la planta y el de mantenimiento es notificado. Esto permite una acción correctiva pueda ser iniciada rápida y segura.

Redes Field Bus

Interoperativilidad Foundation Fieldbus es también un protocolo abierto, lo que significa el cualquier fabricante certificado de Foundation Fieldbus esta libre de proveer dispositivos que trabajen con otros dispositivos de otros fabricantes certificados. Esta habilidad de operar diferentes dispositivos, independientemente del fabricante en el mismo sistema, sin la mas mínima perdida de funcionalidad es llamada interoperatividad. Esta flexibilidad de escoger el proveedor, sabiendo que todos trabajaran juntos es un hecho fantástico y victorioso de todos los usuarios.

“Unnecessary” journeys to the Field – Avoided Through Remote Diagnostics

63% 50% 40%

35%

28%

30%

20%

20%

6%

10%

6%

4%

0%

Routine Check

No Problem

Calibration Shift

Zero Off

Plugged Lines

Source: Dow Chemical Company

Failed Instrument

FF Integrated Architecture HSE – Subsystem Integration

High Performance Control Backbone (100 Mbit/s) Standard Ethernet Equipment and Wiring Standard Function Blocks PLUS Flexible Function Blocks for Discrete/Batch/PLC Redundant HSE Interfaces and Devices Linking Devices (LD) Integrate H1 HSE Provides the Open Interface for Data Servers

MIS

APPLICATION PACKAGES

Data Servers

HSE – High Speed Control and Integration Backbone

LD

P

LD

P L

P L

P L

L

SIS – Open Fieldbus Solution Operation

Engineering

Proprietary Network

Operation

Total Asset Management

Engineering

HSE Linking Device

SIS Logic H1

Ethernet Switch

....

Linking Device

H1

Hardwired

SIS FF Devices

Non-SIS FF Devices

Redes Profibus

Redes Profibus

Redes Profibus

Industrial Ethernet

Rédes Inalámbricas

Diplomado en Ingeniería y Tecnología de Transporte, Almacenamiento y Distribución de Hidrocarburos

Operación y Monitoreo por Sistema SCADA de control, Instrumentación y Automatización de Líneas

Unidad 3 Caudalímetros y flujómetros

Ing. Nelson Yañez

Instrumentación y Control de Procesos Unidad 3 » » » » » »

Placas de orificio Dispositivos basados en Venturis Medidor de turbina Desplazamiento Positivo Medidores ultrasónicos Medidor Másico de Efecto Coriolis

Placas de Orificio

Los Dispositivos basados en Placas Orificio Deducen el Flujo midiendo la Caída de Presión generada en la Restricción

Dispositivos basados en Venturis

Venturis

Toberas

Los Dispositivos basados en Venturis / Toberas Deducen el Flujo midiendo la Caída de Presión generada en la Restricción

Medidor de Turbinas para Gas

La Turbina Deduce el Flujo midiendo la Velocidad del Rotor

Medidor de Turbinas para Líquidos

La Turbina Deduce el Flujo midiendo la Velocidad del Rotor

Medidor de Turbinas para Líquidos Bajas Viscosidades

Vmax

Flujo Turbulento o tipo “Tapón”

Q = Vavg x A si A permanece constante

⇒ Q ∝ Vavg

Vavg

(Re > 10,000) Mayores Viscosidades

Vmax Flujo Laminar (Re < 4,000)

Vavg

si Vf = Vavg

⇒ Q ∝ Vrotor

2214 x Flujo (BPH) Re =

Diámetro x Viscosidad (in) (cSt)

Medidor de Turbinas para Líquidos

Imán

Botones de Material Magnético

Buje

Rotor con Aro

Bobina Captadora

Preamplificador Entrada

Salida

150 mV

0-5V

Medidor de Turbinas para Líquidos

Turbina Convencional VENTAJAS •Costo Inicial •Bajo Mantenimiento •Maneja Altos Flujos

DESVENTAJAS - Maneja Bajas Viscosidades - Sensible a Cambios de Viscosidad - Requiere Calibraciones Frecuentes - Requiere Flujo Turbulento - Requiere Acondicionadores de Flujo - Requiere Contrapresión Mínima

Medidor de Turbinas para Líquidos

Turbina Helicoidal VENTAJAS •Maneja Viscosidades Med. •Maneja Altos Flujos •Mecanismo Interno en Carcaza Doble •Bajo Mantenimiento

DESVENTAJAS •Las Mismas de otras Turbinas •Menor Resolución •Más Costosa que la Turbina C.

Medidor de Turbinas para Líquidos

Turbina Convencional vs. Helicoidal

Medidor de Turbinas para Líquidos Tabla de Aplicación DP / Turbinas

Viscosidad (µ) : Centipoise

1,000 300 100

Turbina Helicoidal Considerada

30

Turbina Helicoidal Mejor

DP Mejor

10 3 1

Turbina Convencional Considerada

0.3 0.1

DP Considerado Turbina Convencional Mejor