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Universidad del Valle de Guatemala Departamento de Ingeniería Mecánica Sistemas de Control

Proyecto

Control de Temperatura para un Calentador de Agua Cerrado por Vapor

Nikkos Papadopolo 09255 15/11/2013

Contenido

Introducción ............................................................................................................................................ 3 Objetivos ................................................................................................................................................. 4 Marco de Referencia ............................................................................................................................... 4 Intercambiador de Calor: Calentador de Agua Cerrado ..................................................................... 4 Sensor de Temperatura: Termocupla .................................................................................................. 6 Controlador PID................................................................................................................................... 6 Válvula de Control ............................................................................................................................... 7 Comparador de Ventana ..................................................................................................................... 8 Diagrama de Bloques Descriptivo ........................................................................................................... 9 Diagrama de Bloques con Funciones de Transferencia........................................................................... 9 Funciones de Transferencia y Ganancias ............................................................................................ 9 Diagrama de Flujo de Señal .................................................................................................................. 11 Análisis de Funcionamiento (por Bloque).............................................................................................. 12 Controlador PID................................................................................................................................. 12 Válvula de Control ............................................................................................................................. 12 Sensor de Temperatura (Termocupla) .............................................................................................. 12 Proceso (Intercambio de Calor) ......................................................................................................... 12 Comparador de Ventana ................................................................................................................... 12 Paro de Emergencia .......................................................................................................................... 12 Conclusiones.......................................................................................................................................... 13 Recomendaciones ................................................................................................................................. 13 Bibliografía ............................................................................................................................................ 14 Anexos ................................................................................................................................................... 15

Introducción

Un intercambiador de calor es un proceso para lograr una transferencia de calor y así obtener y/o mantener la temperatura del producto (en este caso agua caliente) para lo cual se debe disponer de otra variable (en este caso flujo de vapor) capaz de afectar la variable que está siendo controlada y que pueda ser manipulada por el sistema de control. Desde el punto de vista de la producción, se considera un proceso como un lugar donde se juntan materias primas y más algún tipo de energía para producir un producto deseado. Desde el punto de vista del control, el significado es más específico. Un proceso se identifica como una o más variables asociadas cuyos valores son importantes de conocer y controlar. Este tipo de sistemas se pueden aplicar para distintos procesos industriales, entre los que destacan generación de potencia, industrias químicas, alimenticias, etc. Un sistema de control, independientemente de la aplicación, conlleva tres tipos básicos de componentes: un controlador que se encarga de tomar decisiones bajo cierto escenario, un sensor de donde el controlador toma la información para decidir y un actuador que se encarga de hacer lo que le indique el controlador, para lograr el estado que se desea. La metodología básica para poder diseñar el sistema de control que a continuación se presenta fue una investigación del proceso y los componentes necesarios para implementar el sistema de control, la obtención de funciones de transferencia y por último la realización de diagramas de bloque y de flujo para poder visualizar cómo funciona el mismo.

Objetivos -

Diseñar y analizar el sistema de control de un calentador de agua abierto, para controlar la temperatura del agua a calentar, por medio de la variación de flujo de vapor que transferirá el calor a la misma.

-

Establecer el método a utilizar para obtener un sistema de control adecuado para el proceso a controlar.

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Determinar los componentes básicos necesarios para poder diseñar el sistema de control propuesto.

Marco de Referencia Intercambiador de Calor: Calentador de Agua Cerrado Un calentador de agua cerrado en una planta de generación es un equipo auxiliar de la misma que ayuda a mejorar la eficiencia. A rasgos grandes se trata de un intercambiador de calor, un dispositivo que toma el calor de un fluido y lo transfiere a otro. La transferencia de calor se puede dar directa o indirectamente. En el primer caso, la transferencia se da directamente entre los dos fluidos, mientras que en el segundo caso se utilizan materiales adicionales para la trasferencia de calor, como los intercambiadores de concha y tubo.

Figura No.1 Diagrama de Calentador de Agua. Un calentador de agua cerrado, específicamente, se utiliza en los sistemas de calderas de centrales generación para precalentar el agua de alimentación de caldera utilizando vapor, extrayendo el mismo de las turbinas. Los calentadores de agua de alimentación se utilizan para llevar esta agua de alimentación a una temperatura próxima a la del agua de caldera, y no tener que invertir mucho combustible para llevarla a un punto cercano al de ebullición. Cada 10 °F (12 °C) de aumento de la temperatura del agua de alimentación, el rendimiento de la caldera se incrementa en alrededor de 1% debido al ahorro de combustible que sería necesario para calentar está en igual proporción.

Figura No.2 Calentador de Agua sin sistema de control. En muchos calentadores de agua se ha implementado un sistema de control de temperatura del fluido que sale del intercambiador, como forma de control para poder asegurarse del correcto funcionamiento del calentador, pero más importante aún, para saber el punto de partida del agua para llevarla a convertirse en vapor. El funcionamiento básico de un sistema de control de tal tipo, es censando la temperatura de salida del agua caliente, y por medio del cierre o apertura de la válvula de flujo de vapor al intercambiador, controlar la temperatura de la misma.

Figura No.3 Calentador de agua sin sistema de control.

Figura No.4 Diagrama de bloques general para un calentador de agua.

Los componentes básicos para este sistema de control son los siguientes:

Sensor de Temperatura: Termocupla Una termocupla es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje, basado en el efecto Seebeck, que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente y el otro "punto frío". Las termocuplas se construyen por medio de dos alambres los cuales están unidos en un extremo (soldados generalmente) y libres en el otro. Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño del orden de mili-volts el cual aumenta con la temperatura.

Figura No.5 Termocupla tipo J y sus partes.

Las termocuplas son usadas como sensores de temperatura; son económicas, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación está en la exactitud, pues es fácil obtener errores del sistema inferiores a un grado Celsius.

Controlador PID Un controlador PID es un controlador que utiliza realimentación que calcula la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener, para aplicar una acción correctora que ajuste el proceso. El algoritmo de cálculo del PID se basa en tres operaciones distintas: la proporcional, la integrativa, y la derivativa. La operación proporcional determina la reacción del error actual. La integral genera una corrección proporcional a la integral del error, esto nos asegura que aplicando un esfuerzo de control suficiente, el error de seguimiento se reduce a cero. La derivativa determina la reacción del tiempo en el que el error se produce. La suma de estas tres acciones es usada para ajustar al proceso vía un elemento de control como la posición de una válvula de control o la energía

suministrada a un calentador, por ejemplo. Ajustando estas tres variables en el algoritmo de control del PID, el controlador puede proveer un control diseñado para lo que requiera el proceso a realizar.

Figura No. 6. Funcionamiento de Controlador PID.

Figura No.7 Aspecto físico de un Controlador PID (Suma de Amp.Op.)

Válvula de Control Realiza la función de variar el caudal del fluido que pasa a través de ella. La válvula regula, o modula, su apertura para influir en el paso del fluido. Dentro de los sistemas de control, las válvulas de control tienen tanta importancia como los controladores, transmisores o sensores. Existen dos tipos de actuadores que mueven la válvula, servomotores neumáticos y servomotores eléctricos. El funcionamiento de estas válvulas tiene como principio básico que el flujo de control (caudal) es proporcional a la corriente eléctrica aplicada.

Figura No.8 Válvula de Control.

Comparador de Ventana Un comparador de ventana permite saber si una señal (en voltaje) está dentro o fuera de un límite aceptable previamente definido. Estableciendo el voltaje límite superior y el voltaje límite inferior en los terminales, se define el rango de los mismos para el cual la salida del comparador de ventana estará activa o inactiva.

Figura No.9 Comparador de ventana.

Figura No.10 Ejemplo de funcionamiento de Comparador de Ventana.

Diagrama de Bloques Descriptivo

Fig. No.11 Diagrama de Bloques descriptivo (ver Anexos para mejor resolución.)

Diagrama de Bloques con Funciones de Transferencia Para analizar el sistema y su funcionamiento se debe de considerar lo siguiente: 1. Perturbaciones a. Existe perturbación por cambios en el flujo de agua entrante al sistema (a mayor flujo de agua mayor flujo de vapor necesario para poder llegar a la temperatura deseada). b. Existe perturbación por la variación en la temperatura del agua entrante al sistema (a menor /mayor temperatura del agua entrante mayor/menor flujo de vapor necesario para llegar a la temperatura deseada). 2. Suposiciones a. El tiempo de transferencia de calor se supone corto, por lo que se desprecia el retardo que toma el sistema en alcanzar un nuevo estado. b. Las pérdidas de calor en el proceso de transferencia de calor se desprecian (no se toman en cuenta las condiciones ambientales en las que opera el mismo). c. Se desprecia la perturbación por cambio de temperatura del agua entrante al sistema, ya que los cambios que se podrían presentar son mínimos.

Funciones de Transferencia y Ganancias Ganancia Set Point

Función de Transferencia Controlador PID ( )

Ganancia Comparador de Ventana Si el valor está dentro de rango permisible: Si el valor no está dentro de rango permisible: Función de Transferencia Válvula ( ) Función de Transferencia Termocupla ( ) Función de Transferencia Proceso ( ) Función de Transferencia Perturbación ( )

Figura No.12 Diagrama de Bloques con Funciones de Transferencia

Diagrama de Flujo de Señal

Figura No. 13 Diagrama de Flujo de Señal (SFG).

De esta manera la Función de Transferencia Global es:

( )

( ) ( )

( [

(

)( )(

)( )(

) )(

)]

Por lo tanto:

Figura No. 14 Diagrama de Bloque con Función de Transferencia Global.

Análisis de Funcionamiento (por Bloque) Los bloques que conforman el sistema de control propuesto son los siguientes y tienen la función que a continuación se explica:

Controlador PID La función de este controlador dentro del sistema es recibir la señal del sensor de temperatura para luego regular el flujo de vapor entrante mandando una señal a la válvula para que esta actúe conforme a la decisión del controlador.

Válvula de Control La función de la válvula dentro del sistema es recibir la señal del controlador y actúa conforme a esta. Este componente abrirá o cerrara la válvula para regular el flujo de vapor, y así lograr la temperatura de salida del agua que se requiere.

Sensor de Temperatura (Termocupla) Este componente tiene como función tomar la medición de temperatura del agua de salida, una señal física, y convertirla a una señal eléctrica para que sea interpretada por el controlador y que este tome una decisión en base a lo medido.

Proceso (Intercambio de Calor) Este bloque representa la función del proceso, que es intercambiar calor del vapor (caliente) al agua (fría) y así lograr calendar la última respectivamente.

Comparador de Ventana Este componente tiene como función verificar que la temperatura del agua medida se encuentre dentro del rango permisible que se quiere obtener. Estableciendo el rango, si el valor está dentro del mismo, el comparador emitirá una señal al paro de emergencia. En el caso contrario, si el valor esta fuera, el comparador emitirá una señal opuesta que interpretara el paro de emergencia.

Paro de Emergencia Este componente actúa como equipo de seguridad para desactivar el sistema completo en caso el valor de temperatura no esté dentro del rango permisible. Este contactor recibe la señal del comparador de ventana y la convierte en una señal mecánica que desconecta al sistema (cierre de válvulas de entrada de agua y vapor).

Conclusiones 1. Se diseñó un sistema de control completamente genérico para un intercambiador, ya que no se cuenta con la información necesaria de cada componente para establecer sus características. 2. Para un mejor modelado de un sistema de control se debe profundizar en el análisis de perturbaciones que afecten al sistema, los tiempos de reacción de los componentes y el rango de funcionamiento de los mismos. 3. Existen varios métodos de control para un sistema de control de temperatura de agua por medio de un intercambiador de calor, por lo que se debe analizar cada uno por separado y luego compararlos para determinar cuál es el que más se acomoda al caso.

Recomendaciones 1. Tomando la función de transferencia general para un intercambiador de calor se incurre en cierto porcentaje de error, por lo que lo ideal sería analizar (prácticamente) el modelo a controlar y de ahí obtener su función de transferencia. 2. Se debe contar con datos experimentales de todos los componentes que involucra el sistema de control para poder establecer las funciones de transferencia exactas de cada uno.

Bibliografía [1] Kuo, Benjamin C. 1996. Sistema de Control Automático. 7ma Edición. México D.F., México. 897 págs. [2] Bhushan Khare, Y. 2010. PID Control of Heat Exchanger System. International Journal of Computer Applications. Department of Electrical & Instrumentation Engineering. [3]

Liptak, B.G. 2005. Heat Exchanger Control and Optimization.

[4] Smat, Ramid. 2010. Introduction to comparators, their parameters and basic applications. Obtenido el 11 de noviembre de 2013 en: http://www.st.com/st-webui/static/active/cn/resource/technical/document/application_note/DM00050759.pdf [5] Verlag Moderne Industrie. 2007. Industrial Process Control Valves. Obtenido el 11 de noviembre de 2013 en: http://www.arca.de/download/2/IndustrielleProzessregelventileengl.pdf [6] MathWorks. Estimating Transfer Function Models for a Heat Exchanger. Obtenido el 11 de noviembre de 2013 en: http://www.mathworks.com/help/ident/examples/estimating-transferfunction-models-for-a-heat-exchanger.html [7] Beltrán Provoste, C. 2005. Conceptos Básicos, Terminología Y Técnicas Para El Control De Procesos. [8] Astrom, Karl Johan. 2002. PID Control. Tomado de Control System Design, obtenido el 11 de noviembre de 2013 en: http://www.cds.caltech.edu/~murray/courses/cds101/fa02/caltech/astromch6.pdf

Anexos