REVISTA COLOMBIANA DE FISICA, VOL.38, No.2, 2006

DISENO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DEREFRIGERACION PARA EQUIPOS DE LABORATORIO

D. Bravo-Montenegro 1, M. Lopez-Ortega 1

1Grupo DSC, Programa de Ingenierıa Fısica, Universidad del Cauca, Popayan, Colombia.Recibido xx de Feb.2006; Aceptado xx de Abr.2006; Publicado xx de Jun.2006

RESUMENEn este trabajo se muestra el diseno de un sistema de refrigeracion mediante recircu-lacion de agua para un equipo de laboratorio (destilador). El sistema de refrigeracionauxiliar se aproxima a uno de primer orden en el que se diseno un control PI el cual seencarga de mantener la temperatura del fluido refrigerante en un valor fijo. El sistemade refrigeracion principal y el sistema de refrigeracion auxiliar se implementan sobre unrecipiente contenedor de agua con las caracterısticas de un condensador evaporativo yel controlador de temperatura y de nivel se implementan en un dispositivo programablePIC18F452, los valores de las temperaturas, fecha, hora y valores de nivel (renovacion defluido refrigerante) se pueden leer directamente del dispositivo a traves de una pantallaLCD. El instrumento es totalmente automatico en las variables de llenado y vaciado deltanque, control de fugas, encendido y apagado de la recirculacion de agua, control detemperatura del agua y control de temperatura del tubo y permite un ahorro del fluidorefrigerante (agua) y tiempo de destilacion.

Palabras claves: Automatico, Control PI, Instrumento, Sistema, Refrigeracion.

ABSTRACTThis work showed the design of a refrigeration system by means of water recirculationfor a laboratory equipment (distiller). The system of auxiliary refrigeration comes nearto one of first order in which design a PI control who is in charge to maintain thetemperature of the cooling fluid in a fixed value. The main refrigeration system and thesystem of auxiliary refrigeration are implemented on a receiving water container withthe characteristics of a condenser to evaporate and the level and temperature controllerimplements itself in a programmable device PIC18F452, the values of the temperatures,date, hour and values of level (renovation of cooling fluid) can be read directly of thedevice through a screen LCD. The instrument is totally automatic in the filling variablesand drained of the tank, control of flights, ignition and extinguished of the refrigerationrecirculation, water temperature control,of the water and tube temperature and allowsto a saving of the cooling fluid (water) and distillation time.

Keywords: Automatic, PI Control, Instrument, System, Refrigeration.

1. Introduccion

En algunos laboratorios de investigacion se necesitan refrigerar diversos procesos sin lanecesidad de disminuir tanto la temperatura y de maneras mas economicas, en estoscasos se hace uso del agua como refrigerante. Una de las fallas de este tipo de sistemasde refrigeracion es la dependencia de la continua circulacion del fluido para garantizaruna temperatura fija, ya que, de recircularla, ganarıa calor, y por ende la eficienciaen el proceso se verıa reducida con el paso del tiempo. Se hace necesario implementarun proceso de control en la temperatura del fluido, para garantizar una temperaturaestable si se quiere recircular el agua; ademas se necesitarıa de otro proceso auxiliarde refrigeracion que tenga la eficiencia adecuada para remover el calor ganado por elrefrigerante y de esta manera generar un proceso contınuo y estable.En este artıculo se propone el diseno y construccion de un sistema de refrigeracion aux-iliar automatico, que tiene la capacidad de medir y evaluar las variables necesarias paraun desempeno autonomo; haciendo uso de tecnologıa accesible, a un costo menor encomparacion a un sistema de refrigeracion de compresor y de facil uso.

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2. Modelado del Sistema de Refrigeracion

Para modelar el sistema se toma al condensador como un unico sistema, en el cual secumple la primera ley de la termodinamica. Existe una superficie de frontera, la deltubo intercambiador de calor, cuyo cambio de temperatura en funcion del tiempo nosbrinda informacion sobre el proceso termico. Para el analisis de flujo de calor en estadotransitorio, asumimos que la temperatura es unicamente funcion del tiempo y que esuniforme en cualquier instante en el medio, esta suposicion es valida cuando el valor dela conductancia interna del material por unidad de longitud es mayor que diez veces elcoeficiente de transferencia de calor, esta relacion esta determinada por el numero deBiot [1], en nuestro caso tenemos Bi = 0.087, para una temperatura maxima del tubo de60 ◦C. Para el modelado del sistema auxiliar de refrigeracion tenemos lo siguiente (Fig.1):

� � �

m T (t)

Qh(t)

P (t)

�v(t)

H2O

Figura 1: Nomenclatura para el modelo del sistema de refrigeracion auxiliar.

Q + Ah[T∞ − T (t)] = mcpd

dtT (t)

En el sistema de la figura (1), el flujo de agua que sale del tanque de almacenamientoes el mismo flujo de agua que entra a el pero con una temperatura menor, debido a laaccion del ventilador axial; es evidente que la perdida de calor del agua es directamenteproporcional a la potencia suministrada al motor. Suponemos que, a flujo constante deagua, introducimos una masa de agua m1 [kg] con una temperatura T1 [◦C] a una masade agua m2 [kg], la cual se encuentra a una temperatura T2 [◦C],el sistema se describeentonces, de la siguiente manera:

Calor ganado por la masade agua m1.

= Calor perdido por la masade agua m2

Matematicamente esto esta descrito por:

m1cpdT

dt= hA(T − T2) (1)

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3. Diseno Electronico del Sistema de Refrigeracion

El sistema de refrigeracion implementado depende de una unidad central en la cual estaprogramada el algoritmo de control y de la cual se generan las senales para los actuadorescorrespondientes. La configuracion del PIC18F452 para el manejo de los sensores y losactuadores, asi como el despliegue de informacion se indica en la figura (2).

T1T2

T3Nivel

OutIn

pwmBmb

Figura 2: Diagrama esquematico simplificado del sistema de control.

El sistema dispone de tres amplificadores de instrumentacion AD620 para el acondi-cionamiento de las senales de temperatura (dos) y nivel del agua, un reloj de tiemporeal DS1302 que se encarga de entregar el patron de tiempo para los actuadores de nivel,2 sensores de temperatura LM35 encapsulado metalico, un sensor potenciometrico para elnivel, 2 electrovalvulas (actuador), una bomba de agua (actuador), un motor D.C (actu-ador), un mosfet de potencia IRF540N, un optoacoplador LTV4N35, un dipositivo paradespliegue de informacion LCD PC2004, un teclado y un Microcontrolador PIC18F452quien se encarga de implementar la accion de control PI, digitalizar las senales de en-trada y hacerles un filtrado digital (filtro pasa-bajas FIR)e implementar una senal decontrol PWM aplicada al motor.Para el modelado experimental del sistema de refrigeracion auxiliar se verifico que es deprimer orden (sec. 2) y se calculan sus parametros de tiempo de respuesta y amplitud dela senal en funcion de una exitacion tipo escalon [3]. La implementacion del control PIen el microcontrolador se realiza con el metodo de ecuaciones de diferencias, el controlPI digital genera una senal de control proporcional al ciclo util en la senal de PWM en

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un rango de 0 % a 100%, para controlar la velocidad de la helice, y por tanto regular latemperatura en el agua.

0 5 10 15 20 25 30[ t ]

[ ∆ T ]

5.3

10.6

15.9

21.2

26.5

16.5

Figura 3: Curva de respuesta de la planta (azul) y el control PI (negro) ante una entradaescalon de 16.5oC.

El sistema esta calibrado para generar una senal de control en un intervalo de 0 % a 100%con un rango de entrada de 20oC, por lo que el valor de salida de ciclo util (66.4%) en lafigura (3) ante una entrada de 16.5oC es valido para el control del motor del ventilador,el sobrepaso maximo de la senal de control es del 8.43%

4. Conclusiones

El modelo del proceso a controlar, es la parte primordial del diseno de un sistema decontrol, a partir de este es posible obtener la estrategia de control mas sencilla posibleque cumpla con los requerimientos de desempeno.Del modelado del sistema se obtuvo informacion acerca de los detalles del proceso (canti-dad de condensado, coeficiente promedio de transferencia de calor), que, de ser necesario,se pueden implementar en la visualizacion del sistema, ademas se propone un modelo parala caracterizacion de motores dc en funcion de la velocidad generada por medio de unahelice y la presion dinamica.Aprovechando el desarrollo del controlador digital, se diseno un filtro digital para eltratamiento de las senales medidas, con lo que se obtiene una mejor calidad en las vari-ables obtenidas, y se garantiza la resolucion de conversion analogica–digital de la senalmedida.

Referencias

[1] Marlekar, B. V. y Desmond, R.M. Transferencia de Calor. 2a Edicion. MexicoInteramericana, 1985.

[2] Creus, Antonio. Instrumentacion Industrial. 6a Edicion. Mexico Alfaomega, 2000.

[3] Ogata, Katsuhiko. Sistemas de control en tiempo discreto. 2a Edicion. Mexico Pear-son Educacion, 1996.

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