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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIRÍA CAMPUS GUANAJUATO

Carrera: Ingeniería industrial Materia: Distribución de planta y manejo de materiales. Grupo: 6IV1

Práctica: Fluidos en movimiento dentro de un proceso Lugar de realización: Laboratorio de Celda de Manufactura, Laboratorio Pesados 1

Alumnos: Solano Leaños Pavel Arturo Dominguez Tello Miguel Angel Rosillo García Rodolfo Alejandro García Inda Alonso Cynthia González Cabrera Carlos Arturo

Docente: Karlo Antonio Flores Nieto

Fecha: Miércoles 13 de Marzo del 2019; León, Gto. Reporte Grupal.

Objetivo El estudiante conoce, analiza, calcula y visualiza el comportamiento de un fluido en operaciones de trasvase y mezclado.

Introducción En la siguiente practica conocimos la celda del control para líquidos IPC 200 la cual es un conjunto de sistemas en los cueles podemos observar ejemplos básicos y muy prácticos de las formas de instrumentar procesos controlando variables como, temperatura, presión y flujo, a través de dispositivos como sensores, controlando el procesos mediante un tipo de SCADA, que nos permite transportar líquidos de las tres maneras más usuales en la industria que son, el uso de bomba, por cambio de presión y por caudal controlado para comparar las aplicaciones y beneficios que nos ofrece cada uno de los métodos d3e transporte de líquidos.

1.2 Material a Emplear. 

Celda de control de proceso para líquidos (IPC200).



Agua destilada.



Laptop con SCADA y software de programación.



Cable de comunicación.



1 Cronómetro



1 Escalímetro o regla para efectuar mediciones



1 Vernier

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1.3 Marco Teórico Número de Reynolds (Re) Es un número adimensional utilizado en mecánica de fluidos, diseño de reactores y fenómenos de transporte para caracterizar el movimiento de un fluido. Este número recibe su nombre en honor de Osborne Reynolds (1842–1912), quien lo describió en 1883. Relaciona la densidad, viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos. Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar (número de Reynolds pequeño) o turbulento (número de Reynolds grande).

Donde: : densidad del fluido : velocidad característica del fluido : diámetro de la tubería a través de la cual circula el fluido o longitud característica del sistema : viscosidad dinámica del fluido : viscosidad cinemática del fluido

Re y el carácter del flujo: Además el número de Reynolds permite predecir el carácter turbulento o laminar en ciertos casos. En conductos o tuberías (en otros sistemas, varía el Reynolds límite): Si el número de Reynolds es menor de 2000 el flujo será laminar y si es mayor de 3000 el flujo será turbulento. El mecanismo y muchas de las razones por las cuales un flujo es laminar o turbulento es todavía hoy objeto de especulación. Según otros autores: 

Para valores de el flujo se mantiene estacionario y se comporta como si estuviera formado por láminas delgadas, que interactúan sólo en función de los esfuerzos tangenciales existentes. Por eso a este flujo se le llama flujo laminar. El colorante introducido

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en el flujo se mueve siguiendo una delgada línea paralela a las paredes del tubo. 

Para valores de la línea del colorante pierde estabilidad formando pequeñas ondulaciones variables en el tiempo, manteniéndose sin embargo delgada. Este régimen se denomina de transición.



Para valores de , después de un pequeño tramo inicial con oscilaciones variables, el colorante tiende a difundirse en todo el flujo. Este régimen es llamado turbulento, es decir caracterizado por un movimiento desordenado, no estacionario y tridimensional

Control de Proceso Tiene como objetivo corregir las desviaciones surgidas en las variables de proceso respecto de unos valores determinados, que se consideran óptimos para conseguir las propiedades requeridas en el producto producido. El sistema de control nos permitirá una operación del proceso más fiable y sencilla, al encargarse de obtener unas condiciones de operación estables, y corregir toda desviación que se pudiera producir en ellas respecto a los valores de ajuste. Las principales características que se deben buscar en un sistema de control serán: 1. 2. 3. 4.

Mantener el sistema estable, independiente de perturbaciones y desajustes. Conseguir las condiciones de operación objetivo de forma rápida y continua. Trabajar correctamente bajo un amplio abanico de condiciones operativas. Manejar las restricciones de equipo y proceso de forma precisa.

La implantación de un adecuado sistema de control de proceso, que se adapte a las necesidades de nuestro sistema, significará una sensible mejora de la operación. Principalmente los beneficios obtenidos serán:        

Incremento de la productividad Mejora de los rendimientos Mejora de la calidad Ahorro energético Control medioambiental Seguridad operativa Optimización de la operación del proceso/ utilización del equipo Fácil acceso a los datos del proceso

Control PID

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Es un mecanismo de control que a través de un lazo de retroalimentación permite regular la velocidad, temperatura, presión y flujo entre otras variables de un proceso en general. Calcula la diferencia entre nuestra variable real contra la variable deseada. En sistemas de bombeo, regularmente nos interesa mantener la presión o flujo constante, por lo tanto, el control PID mide la diferencia entre la presión en la tubería y la presión requerida y actúa variando la velocidad del motor para que podamos tener nuestra presión o flujo constante. El algoritmo de control incluye tres parámetros fundamentales: Ganancia proporcional (P), Integral (I) y Derivativo (D). El parámetro Proporcional (P) mide la diferencia entre el valor actual y el set-point (en porcentaje) y aplica el cambio. Para aplicaciones sumergibles, el valor recomendado es 50% y para aplicaciones centrífugas, el valor recomendado es 10%. El parámetro Integral (I) se refiere al tiempo que se toma para llevar a cabo acción correctiva. Mientras el valor sea más pequeño, el ajuste es más rápido pero puede causar inestabilidad en el sistema, oscilaciones, vibración de motor y de la bomba. El valor recomendado para aplicaciones sumergibles es de 0.5 segundos y para aplicaciones centrífugas es de 1 segundo. El parámetro Derivativo (D) emite una acción predictiva, es decir, prevé el error e inicia una acción oportuna. Responde a la velocidad del cambio del error y produce una corrección significativa antes de que la magnitud del error se vuelva demasiado grande. La correcta sintonización o programación de estos parámetros nos ayuda a controlar de manera efectiva nuestra presión o flujo deseado. Si no programamos adecuadamente estos parámetros, el sistema puede quedar inestable y el motor y la bomba pueden comenzar a vibrar y dañarse. Transductor EP Diseñado para monitoreo de líneas neumáticas, salida de 4 a 20mA ó 0 a 5/10VCD seleccionables por el usuario, los rangos de operación van de 3 a 115PSI ó 0 a 20PSI, display integrado para lecturas directas en campo, salida a contacto para detectar perdida de presión además de leds para conocer el estado del transductor; control a base de un microcontrolador con lo que la mediciones son de gran exactitud, no consume aire de la línea por lo que no se desestabiliza el sistema. Caudalímetro Un caudalímetro es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico. Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido. También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros.

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Válvula proporcional de caudal Las válvulas proporcionales son válvulas de infinitas posiciones, en las que la magnitud (presión, caudal, etc.) es proporcional a la señal de entrada. El principal elemento que posibilita este tipo de uso en la hidráulica es el solenoide proporcional, que es capaz de crear una fuerza proporcional al valor de la corriente o de la tensión (existen ambas versiones) aplicada sobre él. Esta fuerza enfrentada sobre un muelle calibrado, da como resultado una posición concreta o una variación de la fuerza que ejerce el muelle, posición que puede ser calculada previamente conociendo la fuerza que se ejercerá y la constante del muelle. Habitualmente el rango del valor de tensión de funcionamiento de las solenoides es de +/- 10 voltios. Para controlar este valor de tensión se suele usar un amplificador intermedio, posibilitando el uso de tensiones de mando inferiores.

1.4 Equipo de seguridad requerido: Bata de Laboratorio, zapatos, lentes de seguridad.

1.5 Planteamiento: Realiza el análisis de un sistema de control de proceso para manejo de líquidos.

El manejo de líquidos en la industria a veces juega un papel muy importante en los procesos ya que en muchas ocasiones los líquidos deben de tener cuidados especiales en la manera en la que se manejan y transportan durante el proceso es por ello que existen diferentes maneras y métodos que se han ido desarrollando a lo largo del tiempo para conseguir que los procesos no alteren las características de los productos. En la celda IPC 200 analizamos físicamente tres de los métodos más usuales de transporte de líquidos en los cuales pudimos analizar las condiciones con las que se estaban transportando los fluidos en tres diferentes contenedores

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logrando hacer variar las diferentes condiciones mediante un sistema SCADA y así mediante este software tener controlado del proceso.

1.6 Desarrollo: 1. Realiza el diagrama de flujo del sistema de control de procesos para manejo de líquidos que se encuentran en la estación 1 de la celda IPC200 del laboratorio.

INICIO 1

2

Encender el sistema IPC200

Identificar que liquido es que se va controlar

Abrir la válvula del contenedor que recibe líquido.

Encender la computadora

Configurar el porcentaje de la señal.

Iniciar el programa de control en la computadora

Abrir la válvula del contenedor de donde saldrá líquido

1

2

Esperar que el líquido se pase.

FIN

Sensores T, Nivel con Display

Controlador

Entrada del operario

B

2

1 PZ

T

3 S

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Sistema de Control del equipo IPC-201C. Del cual las líneas negras indican líneas de proceso de computadora y las líneas azules donde pasa el agua. (PZ= Alimentación, T=Transductor, B=Bomba, S=Servoválvula Partes del sistema IPC200: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Depósito auxiliar Válvula 3/2, regulador Baliza Depósito izquierdo (presurizado) Depósito central (con agitador/sin presurizar) Botonera Depósito derecho (presurizado) Display de presión PLC Display de variables

10 9

7

1

6 2

5 8 3

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2. Identifica y elabora un diagrama para el llenado de cada uno de los contenedores desde el suministro exterior de la misma estación. LLENADO DEL 2 APARTIR DEL 1 INICIO

Activar señal de aire con el porcentaje deseado

Abrir valvula que permite al paso al contenedor 2

Temperatura Señal 2 Señal aire Presion Flujo Tempretarura

Abrir valvula que permite drenar al contenedor 1

No

La direccion de flujo es correcta ?

SÍ

Señal 3 Señal aire Presion Flujo Temperatura

Esperar a que el contenedor llegue al nivel deseado

Detener flujo en nivel deseado

FIN

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LLENADO DEL 1 APARTIR DEL 2 INICIO

Activar señal de potencia de bomba con el porcentaje

Abrir valvula que permite al paso al contenedor 1

Señal bomba Presion Flujo Tempretarura

Abrir valvula que permite drenar al contenedor 2

No

La direccion de flujo es correcta ?

SÍ

Señal 3 Señal bomba Presion Flujo Temperatura

Esperar a que el contenedor llegue al nivel deseado

Detener flujo en nivel deseado

FIN

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LLENADO DEL 2 APARTIR DEL 3 INICIO

Activar señal de avertura de servovalvula con el porcentaje deseado

Abrir valvula que permite al paso al contenedor 2

Temperatura Señal 2 Señal Avertura Presion Flujo Tempretarura

Abrir valvula que permite drenar al contenedor 3

No La direccion de flujo es correcta ?

SÍ

Señal 3 Señal Avetura Presion Flujo Temperatura

Esperar a que el contenedor llegue al nivel deseado

Detener flujo en nivel deseado

FIN

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3. Realiza la medición de diámetro y altura de los contenedores 1, 2 (tanque de mezclado) y 3, así como del diámetro y longitud de la manguera; para determinar los volúmenes y capacidades de cada elemento para la realización del cálculo. Parte medida

cm

Perimetro del tanque

39

Diametro del tanque

16

Altura del tanque

29.5

Diametro interno

13

Diametro de tuberia

0.8

Diametro interno de tuberia

0.5

4. Identifica y esquematiza la ruta de desplazamiento para el traslado del fluido: desde el contenedor 1 al 2 y desde el contenedor 3 al 2.

Para el traslado del fluido del contenedor 1 al 2 se sigue el siguiente flujo, primeramente se abre el paso del contenedor uno (1) y pasa por una válvula permitiéndole el paso a (2) para posteriormente pasar por el caudalímetro en donde se ve controlado el caudal del mismo y pasa a la parte (3) en donde continua su flujo hasta la parte (4) en donde el fluido es depositado en el contenedor 2.

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ON

4

1

ON

2

ON

3

Para el traslado del fluido del contenedor 3 al 2 se sigue el siguiente flujo, el fluido sale de (1) pasando primeramente por una válvula hasta llegar a (2) y posteriormente pasar por el caudalímetro en donde es regulado su caudal, continuando su flujo hasta llegar a (5) en donde hay una válvula previamente abierta para permitir la entrada del fluido al contenedor 2.

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ON

ON

5

4

1 2

ON

3

5. Realiza una tabla correspondiente a las condiciones iniciales, valores mínimos y máximos en cada uno de los contenedores.

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6. Realiza el traslado del fluido desde el contenedor indicado, hasta el depósito mezclador con las siguientes señales: 3-5%, 10-12%, 18-20% y 35-40%.

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AVERTURA DE SERVOVALVULA

Señal 1 Señal Avertura Presion Flujo Temperatura

4% 0.162 BAR 0.04 lts/min 25.7

Señal 2 Señal Avertura Presion Flujo Tempretarura

6% 0.162 Bar 0.06 lts/min 25.4

Señal 3 Señal Avetura Presion Flujo Temperatura

20% 0.162 Bar 0.52 lts/min 25.5

7. Realiza el DTI de la estación 1 del sistema IPC.

1.7 Cuestionario:

Teniendo esos datos se puede determinar el caudal de la tubería el cual se comprara con los resultados obtenidos del sensor de flujo del equipo IPC-201C, y así mismo para poder determinar la reología del agua y poder observar los efectos que causar el transporte de líquidos. Antes de proceder, se va a suponer que el agua está a 25°C y una 1atm, de la cual se obtiene que el valor de su densidad es de 1000 kg/m3 y su viscosidad es de 1E-3 kg/m-s, y en las subsecuentes tablas, se mostrara el paso de los fluidos en distintas configuraciones

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Como se puede ver en la tabla 2, usando el transductor de presión, tomo menos tiempo y el caudal fue menor para llenar el tanque, así mismo durante la práctica, cuando se usaba la bomba peristáltica, este generaba demasiado burbujeo, debido a efecto del esfuerzo cortante que ejercida la bomba sobre la tubería de recorrido, indicando de que o la bomba el falta mantenimiento, o es mucho esfuerzo para poco diámetro y mucha fuerza. En cuanto al llenado, se siguió tal cual se muestra, del tanque 1 al 2 y viceversa, tomando el tiempo desde que empezó a moverse el fluido hasta el completo llenado mediado por el sensor de nivel del tanque vaciado.

En la observaciones de esta prueba, en los números de prueba 1 y 5, se observó el llenado modificando el porcentaje de la Servo válvula, haciendo en una sola prueba en general, haciendo que tomara un total de 273 s o 4 min 55s, lo mismo aplico para las pruebas 8 a 10, en donde se presentó un recirculado en la prueba 9, haciendo que el tiempo en total fuera de 128 s o 2 min 13s.

1.8 Observaciones. 1.9 Conclusiones. Se concluye que se pudo observar cómo se transportan los fluidos hacia los procesos, y dándonos una idea de cómo se deberá transportar los fluidos hacia nuestros procesos y darnos una idea de cómo controlar las propiedades reoligicas y evitar daño del medio. Otra cosa observada. Para los caudales, se observa que hubo mucha diferencia, teniendo un error bastante alto, por lo cual se puede determinar que el sensor está mal calibrado y debería dársele mantenimiento además del mal estado de las mangueras ya que el sol afecta a estas. En cuanto a lo que observamos se presentó el escenario donde la bomba generaba mucho burbujeo, indicando los mismos problemas de la bomba peristáltica, determinando que para procesos biológicos no es tan útil la bomba peristáltica, ya que puede dañar la muestra.

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2 Referencias

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Laura C. (2013). Número de Reynolds. Marzo 12, 2019, de Fisica Termodinamica Sitio web: https://lauraeccifisica.wordpress.com/primercorte-2/numeros-de-reynolds/ Mavainsa. (-). Control de Procesos. Marzo 12, 2019, de Mavainsa Sitio web: https://pastranamoreno.files.wordpress.com/2011/03/control_procesosvalvulas.pdf García, P. (2013). ¿Qué es el control PID?. Marzo 12, 2019, de Franklin Electric Sitio web: https://franklinelinkmx.wordpress.com/2013/09/05/que-esel-control-pid/ SEAS. (2016). Hidraulica Proporcional. Marzo 12, 2019, de Blog SEAS Sitio web: https://www.seas.es/blog/automatizacion/hidraulica-proporcional/

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