tes equipos (Sistemas de refrigeración, operaciones de … · tes equipos (Sistemas de...

5. DISEÑO DE UNIDADES

5.1 FLUJO

El control de flujo es importante desde el punto de vista

industrial, para mantener en régimen de operación diferen

tes equipos (Sistemas de refrigeración, operaciones de se

paración) y para efectos contables, en los cuales importa

el suministro de ciertos fluidos (gasoductos).

Dinámicamente es un proceso especial, en que la resjjuesta

a cambios en la posición del elemento final de control

(válvula, bomba), es rápida y prácticamente depende de

las demoras en los instrumentos. (1) Otra caraterística

la constituyen las oscilaciones permanentes debidas a tur

bulencia, que genera cambios ciclicos en las tomas de pre

sión con lo cual el sistema está sometido a ruidos de al

rededor de 1 cps (1).

Esta situación exige la utilización de modos de control

integral proporcional, ajustados en condiciones desfavora

bles, para disminuir el valor de la ganancia y minimizar

las oscilaciones del instrumento sensor.

17

Un sistema de control de fliij') r ara el laboratorio de

control debe servir para:

1. Reconocer la característica de operación Je instrumen

tos sensores, transmisores, elementos finales y nodo de

control.

2 . Desarrollar capacidad para ajustar un sistema de con

trol de flujo. Incluye estudiar aspectos como la influen

cia de la ganancia y el tiempo integral sobre el .sistema

de control,

3. Reconocer las características de instalación de los sen

sores y demás instrumentos.

Un ciclo de control de flujo típico, es el mostrado en la

Figura 1. —

18

t><I 04

PJ^

DISEÑO: J , A . Gomaz L.

DIBUJO; 8. M. Hernóndaz B.

ESCALA: Sin esca la

F E C H A : Sept iembre L982

1. Elemento Sensor

2. Trcnsmiaor

3. Cont ro lador

4 E iemento Pinol

Si Elementos Auxiliares

. F l u j o

' l . - Y.

FACULTAD NACIONAL DE MINAS

LABORATORIO DE CONTROL

AUTOMÁTICO

ELEMENTOS EN UN C I C L O DE CONTROL

F I G U R A

v^i. I>

^

Para cumplir con los objetivos antes mencionados nara el

sisteraa de control de flujo, este debe incluir facilida

des para

- Estudiar la característica de flujo de la válvula de

control usada, lo que implica facilidad para determi

nar flujo a través de la válvula vs. posición del vas

tago de la misma.

- Simular caunbios de carga, esto es, TX)der introducir

perturbaciones al sistema, abriendo o cerrando un ca

nal adicional de flujo.

Calibrar el elemento sensor usado utilizando para el

'i efecto un Instrumento indicador de flujo instantáneo.

Registrar el flujo para totalizarlo.

' - . • • • • . • ' : . ' ' • : .

Controlar mediante modos P •*- I

(Proporcional - Integral).

Tales condiciones se pueden lograr con un sistema como el

mostrado en la Figura 2.

19

m • 3 C O

S m o

>

>

IO ^

« i

IO <S1

o O l 3

k .

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o o u • c

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< < o co

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2 • xa R • ^* a. • co

< X o UJ a

Para facilitar la instalación, la medición y loarar un

circuito cerrado para economizar agua, la cual es el

fluido de trabajo seleccionado por su disponi':ilidad,

facilidad de manejo y seguridad, se escogió la disposi

ción mostrada en la Figura 3, la cual también involu

cra economía de espacio.

• :>•

30

DiSEfio; J. A. Gómez L,

DIBUJO: G. M Hernández B.

ESCALA I : 25

f'ECHA Septiembre 1.982



AUTOMÁTICO

SISTEMA DE CONTROL DE FLUJO

DISPOSICIÓN

F I G U R A

5.1.2 Cálculo y Selección de instrumentos y equipos.

Para realizar estos cálculos se buscó como punto de parti

da el cálculo del elemento sensor de flujo (primario) y

a partir de el y con base a la distribución mostrada en la

Figura 3, se calcularon y seleccionaron los demás componen

tes.

5.1.2.1 Elemento primario:

Entre los elementos primarios usados para control de flujo,

se encuentran disponibles en el mercado para líquidos: Ro-

támetros, orificios, venturis, medidores de turbina, medi

dores magnéticos, medidores sónicos, medidores tipo vórti

ce de líquido y medidores de bola oscilante, para bajas

presiones de trabajo.

De ellos el más económico (por menor costo de inversión) y

el más flexible, es el medidor de orificio, que aunque di-

naunicamente presenta comportaraiento no lineal, se ha cons

tituido en el medio más usado industrialmente para la medi

ción de flujos. Por tal razón se seleccionó como elemento

primario para ser usado en el laboratorio.

Por razones de exactitud, se recomienda su uso para flujos

líquidos en tuberías hasta de mínimo 2 pulgadas de diámetro

nominal.

21

Dadas las pequeñas dimensiones de la instalación, es pre

ciso seleccionar un caudal pequeño, con el pronósito de

disminuir los costos de bombeo.

En la literatura (2) se encuentra que la mínima velocidad

razonable para transporte de líquidos no viscosos, en ins

talaciones industriales es de 3 pies/segundo. Se asume

que es posible usar un fiO% de tal velocidad, con lo cual

se disminuyen las pérdidas por fricción en el sistema.

Lo anterior es posible, dado que la corta logitud de tu

bería no implica costos muy elevados de inversión, que

conlleva el uso de diámetros mayores en la tubería.

El tipo de transmisor usado en este caso, es la llamada

celda de presión diferencial y un rango típico de las

disponibles comercialmente, es de 20 a 250 pulgadas de

agua de presión diferencial. Por lo tanto, asumiendo un

valor de 100 pulgadas de agua para la presión diferencial

en el orificio, con tomas de garganta, se asegura la dis

ponibilidad del transmisor a emplear.

La ecuación de diseño para un orificio es:

üo = —. ^° . 2 qc (Pa - Pb) ' (2)

\il - B^ y " ^

22

donde:

Uo = Velocidad a través del orificio pies/segds.

Co = Coeficiente de descarga del orificio (0,61 para

Nrco > 10000)

B = Relación entre diámetro orificio (Do) a diámetro de

la tubería (DT) = Do/DT

Pa = Presión aguas arriba del orificio (1 diámetro de tu-2

bería) Ibs/ple

Pb = Presión aguas abajo del orificio (0,4 DT) Ibs

, 2

pie

P » Densidad del líquido (Ibu/ple^)

Para calcular B a partir del flujo másico (Ib/s) B2 , ^ " (3)

0,61 TT D^ \ ¡ 2gc (pa - Pb)j>

Válida para Nre» > 10000 y donde

m « Flujo másico (Ib/s)

Nr« = Número de Reynolds a través del orificio

Se asumió tubería de 2" Sch 40, cuyo diámetro interno es <¿^— 2

2,067 pulgadas y su área al flujo es 0,0233 pie (3)

m - 2m4 _2 l ee_ ^ 0^^233 ple^ x 62,4 Ibm

pie

=3,49 Ibm

23

Asumiendo Pa - Pb = 100" H_0 = 520,4 —•'•--— , se calculó B 2 pie2

2 ^ 4 X 3,4 9 Ibm/s

0,61 X 3,14 X f 2,067 pulgs \ í 2 v 12 - " -P g

12 pulgs

pie '/2

A X 32 - J ^ \ Ifef 2 - s

520.4 -i^í- X 62,4 Ibm/pie^/ = 0,17

pie •) • ••

B = 0,41

Do = DT X 0.41 = 2,067 pulgs x 0.41 = 0.85 pulgs = 2,15 cms =

0,07 pies

m 3,49 Ibm/s Uo =

Área orificio xJ) TT x (0,07)^ x 62,4 Ibra

2 ple^

Uo = 14,5 pies/s

pies Ibm , Nreo = 0,07 pies x 14,5 s x 62,4 pie

= 100.000 6,72 x 10~^ Ibm

pie - s

Lo cual justifica el uso de 0,61 en la ecuación para B.

24

Las tomas de presión deberán estar ubicadas 5,25 cms aguas

arriba del orificio y 2,1 cms aguas abajo (5,25 x 0,4)

De acuerdo con la literatura las pérdidas de presión pue-

den estimarse como un 80% de la presión diferencial a tra

vés del orificio =

Pérdida en el orificio = 3,63 psi x 0,8 = 2,9 psi

donde 3,63 psi son equivalentes a 100" de agua.

En la Pigura 4 se muestra la forma del orificio calculado.

•í>-

• • ^ • , . . -

25

I 1/4"

Hueco poro vantllaclon d« _2."

32

DISEÑO; J . A . Go'maz L.

DIBUJO: G. M. Hernández B.

ESCALA: I : 2

FECHA: Septiembre 1.982



AUTOMÁTICO

O R I F I C I O

F I G U R A 4

, ,K

5.1.2,2 Tuberías

Con el propósito de mantener bajo los costos de Inversión,

se decidió colocar tubería de 2" únicamente en el tramo

recto en el que se instalará el orificio, el cual se ase

gurará por el sistema de flanges. Para el resto del sis

tema se seleccionó un diámetro de tubería capaz de manejar

10 pies/segundo/ límite superior de velocidad, recomenda

ble (1).

Con m =3.49 Ibm y asumiendo una tubería de 3/4" Sch

8

2 40 con área al flujo 0,00371 pie se obtiene una velocidad

en la tubería

^ ' ^ ^ ^^/° . 15 ple/8

0,00371 ple^ X 62.4 Ibm/ple^

demasiado alta.

/'I Se asume entonces, una tubería de 1" Sch con área al flujo 2

0,006 pie , para la cual la velocidad es:

ü^ - ^'^' '-"^''^ - 9,3 pie/s

0,006 ple^ X 62,4 Ibm/ple^

Se toma entonces una tubería de 1" Sch 40 para el sistema.

26

I

5.1.2.3 Selección de Bomba

El fluido de trabajo es agua a 22°C.

La velocidad másica es 3,5 Ibm/s

Cálculo de pérdidas en tuberías y accesorios.

De acuerdo a los consignado en la Figura 3, se puede cons

truir la Tabla 1, en la cual se anotan, las longitudes de

tubería y los accesorios necesarios para el montaje, y cau

santes del gasto de energía en el proceso sin incluir la

válvula de control.

V l %.^ Vs. ^ A%-A o^ < 6 0 %a^ . V «K- t. * río i i * S> t í . \«juw'.T,^ ~ ^ , r i m A ^ '

27

TABLA 1. Pérdidas de energía en el sistema de flujo

Unidad

m

m

u

u

u

u

u

u

M

u

Descripción

Tubería 1" Sch 40

Tubería 2" Sch 40

Codos 9O'l"

Tees 1"

Universal 1"

Reducción 2" - 1"

Válvula compuerta 1"

Orificio

Tubería 1 1/4" Sch 40

Universal 1 1/4"

Cantidad

12,2

1,8

11

3

3

2

5

1

1,4

1

28

y

Cabeza de descarga: (Cd)

Cabeza estática: l,9mx9,8 m l o o 2 = lo,b2 m

s

Cabeza de velocidad: (3,048 m )

s = 4,64 m

Cabeza de presión: Se toma la descarga a la atmósfera y

la entrada a la misraa condición, no es necesario calcular

ceunbio en la cabeza de presión.

Las cabezas estática y de velocidad en la entrada al sis

tema pueden ser consideradas nulas.

Pérdidas

En tuberías de 1" Sch 40 diámetro interno: 1,049"

Estimación del factor de fannlng ( -r )

1,049

Nr^ = 12 X 10 X 62,4

6,72 X 10 -4

pies X Eies ^ ^ ^

pie"

Ibm

pie - s

= 8117

f = 0,0085 (figura 5 - 1 0 (2) )

29

2 f V^ L Pérdidas

2 X 0,0085 X (3,05) x 12,2

1,049 X 0,0254

72,41 m'

s

En tuberías de 1 1/4" Sch 40 diámetro interno: 1,38"

Estimación del factor de fanning.

Velocidad =3,5 Ibm 1

0,0104 62,4 Ibm

• -\ pie"

" 5,39 pies

. .8 1,6 m

s

Nr e 1,38

12 X 5,4 X 62,4

6,72 X 10 -4

pies X pies Ibm

pie

16 m

pie - s

f = 0,0095 (Figura 5-10 (2) )

Pérdidas = 2 x 0,0095 x (1,6)^ x 1,4 , .. 2 / = 1,94 ra y 1,38 X 0,0254 2

s En tubería de 2" Sch 40 diámetro interno: 2,067"

30

2,067 X 2,4 X 62,4

Nr = 12

6,22 X 10 -4

pies X £ies ^ _ ^ ^

s . ^ pie

Ibra

= 3838

pie - s

f = 0,014 (Figura 5 - 10) (2)

Pérdidas = 2 x 0,014 x (0,73) x 1,8 _ « . 2

2,067 X 0,0254 2

s

Pérdidas

En accesorios, expansión y contracción

Según Tabla 1 Cap 13 Peter (tln)(a)

Según Tabla 1 (1)

Por expansión de 1 a 2" pérdidas « (3,04 - 0,73) , ,- 2

—I —. — = ¿ , b / m

2 2

Por contracción

Pérdidas = 0,05 x (0,73)

2 » 0,013 ra

8

y

Por accesorios

P é r d i d a s = 2 x 0 , 0 0 8 5 x ( 3 , 0 4 8 ) ^ T i l x 60

2

•f 3 X 60 - 5 X 7 'J 138 ,20 m Según (1)

31

En la Tabla 2, se resumen los resultados, para la energía

total requerida a la bomba por unidad de masa de agua que

cruza el sistema.

TABLA 2. Energía requerida por kilogramo

Causa

Cabeza estática

Cabeza velocidad

Ttiberías

2 2 Energía consumida (m /s )

18,62

4,64

74,75

Accesorios 140,88

Cambios sección

Orificio 24,9

Total 263,78

Cabeza requerida por el slste/na en metros de agua =

263,78 _ ,^ p „ - ^ — — — = 2 6,^ m, /

9,8 " ~

32

Asumiendo el flujo de diseño, como flujo máximo de opera

ción del sistema, es prudente escoger un 25% sobre pérdi

das dinámicas totales en el sistema, (1) como las pérdi-

das a través de la válvula de control.

Pérdida de cabeza a través de la válvula de control:

Pérdidas dinámicas = 263,78 - 18,62 = 245,16 m

2 8

Pérdida en válvula = 245,16 -,.c ic oi TO ™2 245,16 = 81,72 m

0,75 ^2

Pérdida de cabeza = 81,72 i _ o -J-J

9,8

Debido a la dificultad para hallar, información técnica

sobre bombas en unidades SI, es necesario establecer que

se requiere una bomba de 24,9 GPM contra una cabeza total

de 35,23 m de agua (26,9 -f 8,33).

Para la selección de la bomba se usó el Pump Selector for

Industry de Worthlgton Pump, Inc.

Se escogió una bomba centrífuga tipo D820

1 1/2 X 1 X 6; 3530 RPM; diámetro Rotor: 5,6"

Potencia: 2 HP.

Lo anterior Implica el cambio a 1 1/2" Sch 40 de la tube

ría de succión a la bomba.

33

Con tal bomba seleccionada se puede construir la Tabla 3,

en la cual se muestran para el flujo normal máximo (25 GPM),

flujo normal (18 GPM) y flujo normal mínimo (15 GPM), la

cabeza sistema, la cabeza do la bomba y la cabeza disponi

ble para la válvula de control.

TARLA 3. Pérdidas a través de la válvula de control

Flujo Pérdidas del Sistema Cabeza Bomba Pérd.val. Control

(F) (S) (P) (P-^ %

LLJ. G P M m m m P-M . ^ ^

CA CA CA M

25

18

15

27

1 1

8

3 7 , 8

3 9 , 6

4 0 , 2

1 0 , 8

2 8 , 6

3 2 , 2

28%

7 2% ,

80%

La Tabla 4 muestra la caída de presión a través del orificio,

para cada uno de los flujos de interés.

Ji /

34

TABLA 4. Caída de presión a través del orificio

Flujo 4¿*f- Orificio en pulgadas agua

GPM

25 100

18 47

15 37

5.1.2.4 Selección de la válvula de control

Flujo normal máximo (FNM) = 25 GPM

Caída de presión a FNM = 15,4 psi

Adoptando la costumbre de permitir que el FNM, sea el 70% de

la capacidad total de la válvula, (4) se calcula el Cv (coe

ficiente de descarga), asl

^- ^^^ - 35,7 GPM

0,7

Cv « 35,7 GPM 9.09 GPM

\ri5'4 PSl (psi) i/2

Con el propósito de compensar la variación cuadrática de la

señal de flujo y mejorar las condiciones de control y dadas

las condiciones de alta caída de presión a bajos flujos y

baja a altos flujos (ver Tabla 3) (5), resulta conveniente

35

seleccionar una válvula de igual porcentaje.

De entre las disponibles en el mercado, se escogió el mo

delo (V 1400 3/4" de Foxbono).

5.1.2.5 Selección del transmisor

Se toma un transmisor tipo celda diferencial con rango

de 20 a 250" pulgadas de agua de presión diferencial y

rango de salida de 20 a 100 Kpa (3 a 15 psi) v suministro

de aire a 133 Kpa (20 psi).

Se escogió el Foxboro modelo 13A

5.1.2.6 Selección del sensor indicador

Se usará un manómetro de mercurio fabricado en vidrio de

1/4" y colocado sobre una lámina de madera como se indica

en la Figura 5.

36

y J ^ i i ^ t C í í i U i í i y i i C C i f í h u C f t ' U f ' J ^ r ' ^ r ' - / r ,>J.

" ^ ^ 8

< te bJ I -<

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ÓSfi •uta oos

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lO

< QC

3

t k

E 6

6 s

o 2

Para calibrar el sensor, se utilizará un cronómetro y

una escala graduada, colocada en el recipiente de alma

cenamiento, el cual se escogió como un tanque asbesto-

cemento de 250 litros, de los disponibles en el mercado.

5.1.2.7 Selección de controlador

El modo de control más usado en sistemas de flujo es el

PI, por lo tanto se escogerá un controlador neumático,

con acción proporcional y de reposición o integral.

Las condiciones de entrada de señales, asi como las de

salida, son estandard, entre 20 y 100 Kpa, y entre los

de diferente marca disponibles en el mercado se selec

cionó por econoraía robustez de construcción un 43A de

Foxboro.

Para efecto de registro de la señal, se requiere un re

gistrador neuraático de señales, y por economía se puede

seleccionar un aparato de registro múltiple (3 ó 4 plu

mas) , que preste servicio a toda la planta.

Se seleccionó el modelo 45 de Fisher & Porter.

37

5.2 ''JIVEL

El principal objeto en control de procesos, para la utili

zación del control de nivel, es mantener un suministro cons

tante de fluido a los equipos aguas abajo del recipiente.

Es importante también en reactores auímicos para mantener

concentraciones y velocidades de reacción, asi como en to

rres de destilación, para mantener el balance de materiales,

siendo en tal caso usado en el tambor de reflujo. (1)

Dinámicamente es un proceso lento que puede tener caracte

rísticas no lineales, de integración pura o como elemento

de primer orden. (6)

Combinaciones de recipientes, facilitan la representación

en laboratorio de, sistemas con o sin interacción y de sis

teraas de segundo orden o aún mayor.

Un sistema de control de nivel en el laboratorio debe ser

vir para:

Reconocer las características de instrumentos sensores,

transmisores y modos de control, incluyendo el de dos

posiciones (on - off)

Desarrollar habilidad para control de sistemas lentos,

ensayando para ello el efecto de los diferentes modos

de control y la acción inversa en controladores y ele

mentos finales.

38

Comprobar el comportamiento de sistemas de primer or

den.

Comprobar el comportamiento de sistemas interactuantes.

Comprobar el comportamiento de sistemas de elementos en

cascada sin interacción.

Observar las discrepancias entre sisteraas linealizados

y su contraparte real.

Para poder lograr los objetivos de la unidad de nivel, es

ta debe disponer de facilidades para:

Simular sistema de primer orden, puede ser un tanque con

descarga por gravedad.

Simular sistemas de orden mayor, lo cual puede obtener

se colocando dos tanques por lo menos en cascada con in

teracción,

3. Medir flujos instantáneamente, tanto a la salida como

en la descarga.

4. Permitir la simulación de perturbaciones, mediante la

apertura o cierre de canales adicionales.

5. Registrar las variaciones de nivel.

6. Transmitir y controlar mediante acción directa e inver

sa y con modos PID.

7. Controlar mediante modo dos posiciones (on - off) el

nivel.

39

Las f a c i l i d a d e s anotadas so puedon ol^teror mediar to un

s i s t e n a cono e l mc;.stradü ir. I.i rjq'iira ' ' .

Con e l '>rnpósito de l(jigr¿ir iconomía de e spac io (•'acuidad

de operac ión " (jconomlü íi< i'fua, i o oscogió la d i s t Jos ic ión

mostrada en la F inura 7.

5.2.1 Cálculo y selección dn nr uT .n:-. o instrun-.^nto^

" e anume coro f'lujo do n .eracvón normiil "^.'i I'g/r^ de agua.

Seleccionando una tu l )e r ía de 1" She40 se ob t i eno una v e -•icjy

locidad de apróximadamíinto 3 ¡ue.T/s (7) ve loc idad nínima

recomendada para f l u j o de l í r iu idos C)

5 , r ? . l . l Se lecc ión dol ro támt ' t ro de e n t r a d a :

Asumiendo e l f l u jo de operac ión normal como la mitad riel

rango do v a r i a c i ó n , es p ruden te ef^coger un ro t . í nc t ro do f P

l i t r o . s do capac idad .

De ont-ro los dis[)onible.s er. e l morcado 5e nelof^ciOif'. np r --

t á n e t r o Fishor & P o r t e r s e r i e lOAlOD") linsta c^ l i t r JÍÍ/ni ñu

t o .

j . 2 .1 .2 .^elección de boml a

La cah^za roquer ida ] or o l s is tema a f l>.i io :.ormcí'i ara IOÍ:

div<>r ;o : cop 'Tobantes so muo."tra on la '

40

©" ^

LU Z O O

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^ O g < flc o 2 P I-' < 3 ^ S B S If -•

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o

DISEÑO: J . A . Gómez L .

oibujo: 6. M. Hernondez B.

ESCALA: I : 2 5

FECHA Septiembre 1 9 8 2



AUTOMÁTICO

SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL

DISPOSICIÓN

F I G U R A

TABLA 5. Caída de presión en sistema de nivel

ítem Descripción Car

1 Tubería 1 1/4 Sch 40 1

2 Rotámetro entrada

3 Tubería 1" Sch 40

4 Válvula de globo

5 Válvula compuerta

6 Codos 90°

7 Teí

Total cabeza dinámica

Cabeza estática = 2,6 m H O

Total cabeza dinámica + estática = 4,5 m H_0

d a d

5 m

1

6 m

1

4

7

3

AP (p¡

0 , 0 7

0 , 5

0 , 3 6

0 , 6 3

0 , 0 5 8

0 , 8 8

0 , 3 9

2 , 8 7 ]

s i )

p s i

» i

.

( 1 , 9 5 H2O

50% para la válvula de control = 4,5 H»0 •

Cabeza total = 9 m H«0

Flujo equivalente : 8 GPM

De entre las bombas disponibles en el mercado se selec

ciona una IHM de 1/2 HP. Succión: 1 1/4" 1

Descarga: 1" 0 rotor = 4 "

5.2.1.3 Selección de la válvula de control

El coeficiente de descarga requerido es:

Cv = 8 GPM - - _ j - , < T T - i - T

= 6,33, asumiendo la válvula lineal 0.5 \ 6,38'

y trabajando al 50% de su capacidad al flujo normal (8 GPM).

41

Se selecciona una válvula Kieloy & Miller lineal serie

1400 de 3/4"

Asumiendo un factor de recuperación de presión de 0,8 gene

ralmente bueno para el tipo de válvula seleccionada, se usa

la siguiente ecuación, para ol cálculo de ^P disponible:

AP disponible = F" (pa - Pv) (7) •

F = Factor de recuperación

Pa = Presión de vapor del agua a temperatura ambiente.

APd = (0,8)^ (24 psi - 0,5 psi) = 15,0^ TJ.SÍ

Dado C7ue el AP en el sistema para la válvula es de 6,4 psi,

esta no presentará cavitación ni flasheo.

5.2.1.4 Determinación de elevación y capacidad de los tanques

En condiciones de equilibrio (flujo estacionario), el flujo

por gravedad desde los tanques, debe igualar al flujo desde

la bomba hacia los tanques, esto debe ser de 8 GPM.

Asumiendo una tubería de 1 1/4" Sch 4 0

íTi = 1,38"

2 Área al flujo = 0,0104 pies (3)

Flujo: 8*GPM = 0,017 pie

8

42

ELEVACIÓN

B. Conexión poro tuber i'a 0 = 1 lA^"

C. Conoxio'n para tube r ía 0 = 3 / 4 "

D. Con«Ki<ín pora tuben'o 0 = l "

E. Fondo de l tanque

NOTAS:

1. Todoe lae un ionee r o e c a -

doe de h ie r ro go lvonlzodo.

2 . Oimeneionee en mm.

PLANTA

DISEÑO: J . A. Gómez L.

DIBUJO: G. M. Hernondez B.

ESCALA: I : 10

FECHA: Sept iembre 1982



AUTOMÁTICO

T A N Q U E DE N I V E L 3 0 0 - 2

F l 6 URA O

o o

B. Conoultan pa ro tuben 'a 0=11/4"

C. Conex ión pora tuber ía 0 = 3 / 4 *

Q Conexlo'n para tubería 0 = I "

E. Fondo d e l t a n q u e

NOTAS:

1. Todoe loe un ionee roeco -

doe de t i i e r r o golvonTzodo.

2. Todoe loe dimenelones en

ffl m.

ELEVACIÓN

o K>

PLANTA

DISEÑO J. A. Gómez L.

DIBUJO G. M. Hernández B.

\

ESCALA; 10

F E C H A ; Sept iembre 1.982



AUTOMÁTICO

T A N Q U E DE N I V E L 3 0 0 - 3

F I G U R A e - A

• 1

3 V e l o c i d a d = 0 ,017 n i e / s _ i co ^<^

' ; 1 ' " . 2 i ^ _ = 0 ,50 _m. 0 .0104 p i e s j ,

Nr = D\l/^ ^ 0 ,135 m X 0 .5 m x 1000 Kq/m^ M

s

0,9 gm „ ir.-2 - a _ X 10 22ises ^ n.OOl Kq/g cms cp

• 0.01 m/cm

-1 - = 19444

f = 0,0062 (McCabe Fig. 5-5) (3) 2

hfs,j, - 4 f _C_ — V — := 4 X 0.0062 x 2,5 m „ ,„ ^.2 2 0,035 m _ 7" ¿ s

« 0,22 m^

2 8

^^^A " (3 X 0,9 + 10) X 0,125 ra" _ , co „2 - i,Da j n — (McCabe Tabla 5,1)

8^ (3)

^^s 2 Total = 1,81 ra ^ 2

^ ^ = '^f T o t a l

g

AZ = 0 ,2 ra

2 8

+

2

V2

2 g

= 0,125 ra^

2 -"- =r s • ••'

43

Considerando como aceptable una constante de tiempo en el

tanque de 8 minutos (por facilidad de obervación)

Volumen = 8 GPM x 8 min ^ ^^ galones (121 litros) (1)

. 2

Dejando un margen de 15 cms en el tanoue, sus dimensiones

son:

Altura real del tanque = 80 cm

Diámetro del tanque = 50 cm

El material de los tanques es acrílico transparente con el

propósito de elirainar la necesidad de elementos indicadores

de nivel.

Para facilitar la utilización de un transmisor tino celda

diferencial estandard, en el sisteraa de nivel, y aderaás los

mecanismos de supresión de rango es conveniente elevar los

tancfues a una altura de 70'* (1,8 m aprox.)

La Figura 8 muestra el diagrama esquemático del tanque.

5.2.1.5 Selección rotámetro de salida

Este rotámetro debe tener las mismas características del

de entrada, esto es, sirve el modelo 10A3000 hasta 60 li-

tros/mln de Fisher & Porter.

44

5.2.1.f¡ . elección de tan^u d... roC'elección

Este t.\ni:uG drbr tmnr ca acidad paro alm: cenar tros vece."

el volÜT'.en de los tanc;uf- cle /ador,, en o¡>eraci'1n erjto er.

120 litro-, y además garantizar . umir.i trr; T 1 nom a .in

vórtices. Se selecciona un taii' uo de a3>iesto cem.r-nto de

250 litros de capacidad.

5.2.1.7 Selección de son.sores transmisores / controla

dor registrador.

De entre los sensores disi'oni^les j ara i .ivel . ol más con

veniente para la aplicación roftuerida os decir . ara reali

zar control regulante, es el de ti' o celda diferencial.

Por lo tanto se elige la celda Foxboro modelo 13 con un

rango de 20 - 250" de agua a la entrada, y de 3 - 15 psi a

la salida. Este instrumento sirve tamhit^n para transmitir

la .señal y por lo tanto se comporta como senr-or-transmisor.

rl controlador será un Foxl-mro 4 3 .P por su versatilidad,

robustez y economía.

El registrador será un Fi.sher multipunto tara! ien utilizado

en los sistemas de flu^o y temperatura on el Laboratorio.

45

5.3 TP^IPFRATURA

La temperatura es auizá, la variable más controlada en

procesos. Prácticamente es el parámetro determinante en

situaciones en que presión y flujo carecen de importancia

(procesos con sólidos, reacciones en raedio líquido en co-

chada).

Desde el punto de vista dinámico los procosos de tempera

tura son en general lentos, ya ciue sus cambios están re

gidos por la capacitancia del medio para el cual se mide

la temperatura y de los parámetros de transferencia de

calor. Por otro lado los equipos de intercambio usados

en transferencia de calor constituyen un caso típico de

sistemas con parámetros distribuidos.

Un efecto importante, por su frecuente ocurrencia y su

capacidad desestabllizadora, lo constituye el denominado

Retraso de Transporte, este es particularmente importan

te en sistemas de control de temperatura. -,

Un sistema de control de temperatura en el laboratorio,

debe permitir '

1. Reconocer las características de sensores y transmi

sores de temperatura. Neumáticos y electrónicos.

2. Estudiar el efecto de diversos modos de control apli

cados a temperatura.

46

3. Identificar la presencia de Retraso de Transporte y

analizar su influencia en un sistema de control.

4. Admitir la presencia de perturbaciones.

Con el propósito de lograr los objetivos anotados antes

el sistema de temperatura debe contar con las siguientes

facilidades: ,:

1. Sistema de calentamiento de agua.

2. Sistema de agua fría.

3. Mezclador de fluidos a diversas temperaturas.

• : ; ' ^ . .

4. Sensores electrónicos y neumáticos. ^

5. Elemento final de control eléctrico y neuraático.

6. Controlador eléctrico y neumático.

7. Sistema para simulación de Retraso de Transporte.

El sisteraa seleccionado para tal fin se muestra en la Fi

gura 9.

47

UJ

o

o < QC OC

h- =» O < u oc

UJ

Ul 9:

ot

< ir

- O

tn m

8 E

-o O

o

oS

-g 0 X

o>

o

o o

co

< o cn UJ

tn

X o

o T I n í -

« o

O

-O o cvl

« 3 t r c o

1 -

1 O O IO

o x> b O

m

) — o

o u o a O» <

O

• <

m ^ 1 II .1 ^H|. I KB

5.3.1 Cálculo de unidades

5.3.1.1 Bases de diseño

El objetivo del sistema mostrado en la Figura 9 es doble,

a saber, representar un sistema con Retraso de Transporte

y un sistema de control de temperatura con retrasos siraples.

t

El primer objetivo se logra, al usar un método de transfe

rencia de calor, por contacto directo entre dos corrientes

de agua a diferente temperatura, con lo cual el proceso de

transporte es rauy rápido y el retraso de señal, es causado

estrictamente por la demora de transporte entre el punto

de mezcla y el de medición de temperatura, ^

El segundo se logra, mediante el ciclo TT-1 - TRC - 1 y

TCV - 1, situado alrededor del tanque agitado 2 (ver Figu

ra 9) y en donde la variable controlada es la temperatura

de salida, la variable manipulada es el flujo de agua ca

liente y las perturbaciones, el flujo de agua fría, la tem

peratura arabiente y la temperatura del agua caliente.

5.3.1.2 Sisteraa de Retraso de Transporte

Corao fuente de agua caliente, resulta conveniente el uso

de un calentador de agua doraéstica, con 60 galones de capa

cidad, debido a su disponibilidad, confiabilidad, y facili-

48

dad de instalación.

La citada capacidad es la más grande disponible comercial-

raente y suministra por lo tanto 3,78 litros/minuto, de agua

a 70°C (8) por lote de agua calentada.

Seleccionando como temperatura deseada 4 0°C, la cantidad

(M ) de agua fría (20°C) necesaria para la mezcla viene da-F

do por;

T-

(M_ + 3.5) 20 = 3,5 (50) F

M_ = 5,25 lltros/mln r

Para temperatura deseada 30°C

M„ =8,2 litros/rain

Para temperatura deseada 45*C /

Mp = 3,5 litros/rain

Dado que la velocidad de registro más rápida disponible co

mercialmente (9) es de 1 pulgada de avance/minuto, se consi

dera que es necesario al menos un retardo capaz de registrar

se en 1/6 de pulgada por lo tanto equivalente a 10 segundos,

cuando la temperatura deseada sea de 35°C (mezcla total 11.7

litros/rain)

49

Esto supone un tramo de tubería con un volumen de 11,7

litros X = 1,95 litros

Si se selecciona una tubería de 3/4" BI'7G No. 12, se re

quiere un tramo de 14 metros, entre el punto de mezcla

y el de medición de temperatura.

Si la temperatura deseada es de 45°C, el retraso de trans

porte involucrado será de

1'95 — ' = 16 segundos

El cual se registraría en 7 mm de papel en el registra

dor.

Para economizar espacio, resulta conveniente disponer,

la tubería en espiral, usando tubería flexible de diá

metro interior equivalente.

Para permitir comparación, se dispondrá un tramo recto

de 1,5 m, del raismo diámetro, con retraso de transporte

de 1/10 respecto al asociado al tramo largo.

Un rotámetro, permitirá conocer en cualquier instante,

el flujo involucrado.

50

H « f » -

J J

P L A N T A

9 -00- í

II—iSh-{X}-

200-1 300 -1

-X-

T

• i X i -

A h

o

O

" • " ^—P 101- I inri li

-XJ-

o

- D r e n a j A

E L E V A C I Ó N B-B

1750

2000

J

E L E V A C I Ó N A-A E L E V A C I Ó N C-C

DiSEfio: J. A. Gonnez L.

DIBUJO: G- M. Hernández B.

ESCALA: I : 20




AUTOMÁTICO

SISTEMA DE CONTROL

DE TEPERATURA (DISPOSICIÓN)

F I G U R A 10

5 . 3 . 1 . 2 . 1 S e l e c c i ó n de i n s t r u m e n t o s y ecmipos

C á l c u l o de ca'oeza o n t r e l o s n u n t o s 1 v ? ( F i g u r a 10)

T u b e r í a r e c t a de 1/2" d.cd 4 0; f.&r mm

Nr = D\i¿— ^ O 622/12 x 3 ,35 x 61 ,84 I b / p i e ^ M _4

0 ,65 X 6 ,7? X 10 l h

p i e - s

= 24583 ,33

f = 0 ,007 (10)

AH = 4 f L V^ y, co 2 , 2 " = 4 , 5 8 m / s

D 2

AP = 4 , 5 8 X 990 ,25 K q / i J = 4535 ,34 Kgm . p ^ .

2 2 s m

En m de agua a 45 'C = 4 , 5 3 ra / s = o 46

9,8 m / s ^

- Accesorios

7 tees de 1/2"

5 codos de 1/2"

A h f (3 ,35) (5 ^ Q^75 -H 7) = 1.87 p i e s = 0 ,57 m

2 X 32 ,17 (10)

51

2 válvulas de corapuerta

2 ^^'?.^^ (2 X 0,17) = 0,018 m (10) 2 X 32,17

14 metros de tubería de 3/4 nvJG 12 dispuesta en hélice,

con diámetro de hélice 40 cm.

V = 4,58 pies/s

Nr® = 0 , 5 3 2 / 1 2 X 4 , 5 8 x 61 .84 ^ 18685

6 ,72 X l O ' ^

f c = 0 ,08 ( 1 8 6 8 5 ) - ° ' ^ ^ -H 0 , 0 1 / 0^532 12

1,31

0 ,00862

(10)

h f s =• 4 x 0 ,00862 X 14 ^ , , Q 2 , ^ J L Í J Z — = 34 ,54 m"

0 ,0135 2 ^. 2 8

h f s = 34 ,54 X 1,1 = 3 7 , 9 9 ra^

2 8

En m e t r o s de agua = 3 ,87 m

52

Rotámetro

Como rotámetro conviene seleccionar un Fishor Porter

modelo 10A270n de 3/4" No. de tubo F P 3/4 - 27 - G 10

Flotador No. 3/4 GNSVT-56, con capacidad de 19,1 litro/

min, para el cual la caída de presión es de 0,29 m de

agua (11).

La caída de presión a 12 litros/rain, entre el punto de

descarga (2) al tanque 2 y el punto de raezcla (1) es

entonces de 5,2 m de agua (densidad 900,25 Kg/ra )

Como se descarga a presión atmosférica la presión en

el punto 1 debe ser

51,03 X 990,25 ^ 35^3 . ^35^33 ^^^ ^^^^^

1000

cálculo de cabeza entre los puntos 1 y 4 (Figura 10)

Entre el punto 1 y el punto 4 (Figura 10)

Tubería recta 1/2" Sch 40 : 2,4 m

Velocidad =2,37 ples/s

Nr^ = 0>622/12 X 2,37 x 61,84 _ 3 130 7

6,72 x lO"'*

f = 0,007

53

- - V I '

Ahfs = 4 x 0,007 X — ^ - J . — x (0,72) " = i oo m"

0,016 r, r,

s

= 0,112 m de agua a 20°C

2 codos, 3 tees, 2 válvulas de compuerta

2 hfs = (2,37) j2 f^^-j -I- 3 -I- 2 X O 17) = 0,13 m

2 x 32,17

Total pérdidas por tubería y accesorio 1 y 4 = 0,242 ra

Más caída en válvula de control = 0,242 m

Total pérdidas entre 1 y 4 = 0,484 m de agua a 20° (098,23

Kg/m^)

Equivalentes a 4,73 Kpa.

Bomba

La presión de descarga de la bomba debe ser 135,83 -»-

4,73 = 140,56 Kpa (abs) por lo tanto se requiere que su

ministre una cabeza de 55 Kpa con un flujo de 8,5 litros/

minuto o en unidades inglesas (aún son comerciales) 18 pies

de agua a 2,24 C.P.M. '

En estas condiciones la bomba adecuada es una tipo regene-

rativa (turbina) IIIM modelo R-1/2 de 1750 RPM y 1/3 HP (12)

Válvula de control

Para la válvula de control, hay disponible 0,35 psi

S4

, t •X '

(0 ,242 X 9 ,8 X 0,99823 x J - ^ ) ion

•? 42 Cv = •^ = 5,4, de característica lineal

0,7 \|o,35

Se selecciona una válvula de aguja Foxboro V4A tipo M (13)

Entre el r unto 1 y el punto 3 (Figura 10)

Flujo: 3,5 litros/rain agua a 7n°c tubería 3/8" Hch 40 V,

V = 1,54 pies/s (0,47 m/s)

N^ = ",493/12 X 1,54 X 61,84 14555,43 •4

0,4 X 6,72 X 10

= 0,0072 (10)

hfs = 4 X 0,0072 X ^ - ^ — X (n,47)^ 0,72 m* 0,0125 - , rt

Accesorios

2 tees, 1 codo y 1 válvula compuerta

2 ^^^ = ^^^^^.^"— (0,75 -I- 2 -I- 0,17) = 0,033 m

2 X 32,17

hfs = 0,073 + 0,033 = 0,106 m

Equivalente a un Ap entre 1 y 3 de 1,04 Kpa

Presión es el punto 3: 135,83 -»- 1,04 = 136,87 Kpa

55

Equivalentes a una presión manométrica estandard de 5,53

psi, a la descarga del calculador, presión aue puede ser

suministrada por la línea del acueducto.

Sensor transmisor de temperatura

Con el propósito de ilustrar al estudiante sobre los di

versos sensores de temperatura se selecciona un conjunto

de sensor clase IA con transmisor neumático marca Foxbo

ro.

Este instrumento es totalmente compensado, tiene un ran

go de -300 F a -f 600"'F

Alcance mínimo de 40*F (22*0

Alcance máximo de 600"F (13)

Ya que la temperatura deseada será de 35''C, se puede ajus

tar en el aparato un alcance de 24 a 46°C. -

El instrumento envía una señal de 20 - 100 Kpa y requie

re 120 Kpa en aire libre de aceite.

Controlador

Se empleará un controlador neumático tipo 43 A de Fox-

boro, con modo proporcional, integral y derivativo.

Indicador de temperatura

56

Se empleará un termómetro bimetálico de carátula con ran

go de 0-100°C

5.3.1.3 Sistema de control de temperatura con retraso

Simple.

Este sisteraa usará agua caliente proveniente del calentador

I (Figura 9) v raediante mezcla en el tanque 2 (Figura 9) con

agua fría, se logrará un nivel de temperatura a la salida,

el cual constituirá la variable controlada. En la Figura

II se muestra esquemáticamente el sistema aislado.

5.3.1.3.1. Cálculo de instrumentos y equipo

Un balance de energía alrededor del tanque 2 (Figura 11),

conduce a la siguiente ecuación

(A) V p Cp dTs ^ f-c p Cp Te + F f P CpT - Fs^ CpTs - Qr

. d e

En donde: > • - .

V = Volumen re tenido en 2 [pie j

J> = Densidad [ ib/ple^]

Cp « Capacidad ca lo r í f i c a F BTU 1 ; •

[ib'F J

Ts « Temperatura de salida ["F1

© » Tiempo

Fc » Flujo agua ca l i en t e [pie /h r j

57

Aguo Caliente

Agua Fría Ft Tf

r r

z 300-1

- 7 ^

i J L * .

T R

• ' - * -

OISEAO: a A. Gómez L.

DIBUJO: 6. M. Hernondez B

ESCALA: sin escolo




AUTOMÁTICO

SISTEMA CON RETRASO SIMPLE

PARA CONTROL DE TEMPERATURA

F I G U R A II

Te = Temperatura agua caliente rFj

I- -1 -1

pie /hrj

T = Temperatura agua fría \ ^ F \

Fs = Flujo de descarga [pie /hrj

Ts = Temperatura de salida |*FJ

Qr = Pérdidas por radiación BTU

hr pie'

y Qr = hr (ts - To) (15)

To = Temperatura ambiente ['FJ

Para evaluar hr

hr - 0>61 X 0,173 (6,18^ - 4,47^)

0,73

158 - 77

BTU

hr pie' —1 •F I

-•..-• '. y .

Dado que la temperatura máxima disponible son 7 0 "C, se

pueden considerar constantes O y Cp.

Con el propósito de determinar la dinámica del proceso

entre Ts (variable controlada) y Fc (variable manipulada),

se asumen pequeñas variaciones en Fc alrededor del valor

normal (3,5 lltros/mln) y constancia en el valor de F^ ,

Ty: y Te y To (su efecto en el valor de Ts, es conside-

rcüole, de hecho son las perturbaciones que exigen compen-

58

sación, sin embargo haciendo uso del principio de super

posición, su efecto puede ser calculado por separado y

sumados para determinar el comportamiento total del sis

tema)

F^ =8,5 litros/min

Tx = 20*C

p =62,4 Ib/pie"

Cp = 1 BTU

16 "F

Te = 70*C : • .y • : -J •

To = 20«c , ;' .

".'. ' y ' .-' '^' J J * I . - ', • • - ' . • ' . ' • • -

La ecuación (A) se escribe en términos de incrementos (14),

quedando como:

V dTs

d6

Fc (T^ - Ts) - Ts (Pe + F^ - K^) (B)

donde K. = 0,77 x 4,3 J - --3

62,4

ís = Valor raedio de Ts 35•C

Fc = Valor raedio de Fc

Qr

Este parámetro refleja el efecto de las pérdidas por ra-

59

2 diación, considerando un área expuesta de 4,3 pie y por su valor puede despreciarse. ^

Reordenando (B) :

^ f C + F Z d \pc • F^ '

A

Fe

En donde V = Constante de tiempo (T)

Fc • FJ

T, - T 1 s = Ganancia de estado estacionario

•• ' Fc + F.J: • '" • • - • ' . . ' • - •

- Dimensiones del recipiente 2

Asumiendo corao buena T « 0,05 hr, por facilidad de ope

ración y registro, el volumen es:

' • ''A' ' • • •' • " • ' : • * ••.••' ;, IT L - • "• • 1: - • • - : . • > •

V = (7,4 + 18,) x 0,05 = 1,25 pie^

que pueden ser dispuestosen un recipiente de 400 mm

de diámetro por 300 ram de altura.

Para facilitar el funcionamiento del sistema de retra

so de transporte, la altura se lleva a 600 mm.

60

La descraga del tanque 2, se realizará por una tubería

de 3/4, la cual a 12 litros/min (1,81 pies/s) con una

válvula de compuerta abierta 60%, requiere una cabeza

de 30 cms de agua. (16)

Válvula de control

Flujo: 3,5 litros/min Agua a 70'C.

(3) M = 0,4 X 6,72 X lO"^ Ib

pie - s

p= 62,4 Ib/pie^

Tubería: Long. 3,93 pies (1,2 m) diámetro 1/2" Sch 40

Velocidad: 0,86 ples/s (16)

Nre = 0,622/12 x 0,86 x 62,4 ^ 10349 15

0,4 X 6,72 X 10"^

f = 0,08 (3)

^^Tub ' -* " ^ '008 X 3,93 X 12 ^ (Q ggj2

0,622

= 1,79/144 = 0,012 psi

2 X 32

X 62,4

Accesorios: 3 tees, 2 codos, 2 válvulas de globo

longitudes equivalentes (pies) = (3 x P.) -H (2 x 10)

+ (2 X 900) = 1844 pies (16)

61

3,93

Presión a la salida del calentador: 30 psi

Caída de presión en línea - accesorios = 5,6 psi

Caída de presión para válvula control = 24,4 i)si

Flujo: 3,5/3,785 = 0,9247 galones/min

c^ - j L ^ = 0,31 : 0,6 1/24,4

Se selecciona válvula modelo V4A tipo G de aguja marca

Foxboro. Motor neumático. (13)

Transmisor de temperatura j

Se selecciona un termopar como sensor primario, ti

po j . (17) • : ^ :

Controlador indicador

Se selecciona un controlador electrónico Electromax

III de Leeds & Northrup modelo 6435 tipo ajuste de

corriente (C.A.T.). Salida de 4-20 mA. (18)

Convertidor electroneumático.

Para hacer compatible la señal eléctrica con la natu

raleza neumática tanto del motor de la válvula como

62

del registrador se selecciona un convertidor Leeds &

Northrup modelo 10970. Entrada 4 - 20 mA (18).

L

63

5.4 PRESIÓN

El control de presión es necesario, cuando la presión es

el parámetro principal para la realización del nroceso,

por ejemplo en reactores químicos, procesos de destila

ción, operaciones de secado (en que la presión puede ser

de vacío).

Típicamente está asociada a fluidos compresibles o siste

mas de proceso que involucren fase gaseosa.

Un sistema que permita en el laboratorio, el manejo de flui

dos compresibles, resulta importante en la familiarización

del estudiante con el manejo de instrumentos y equipos en

aplicaciones gaseosas.

Dinámicamente, son sistemas rápidos, que a bajas oresio

nes y caídas de presión, se comportan como flujo incompre

sible con buena aproximación (3), para altas presiones y/o

caídas de presión, se diferencian netamente y deben enton

ces tenerse en cuenta efectos sónico, variabilidad en vis

cosidad, densidad, efectos térmicos.

Bajo condiciones ordinarias de presión y temperatura, la

más importante limitación ocurre cuando la presión aguas

abajo de una restricción (válvula, orificio) (P_) es me

nor que el 50% de la presión aguas arriba P-

64

. •«!'"=TI V.--.-

; ,1

P^ < 0,53 Pj (19)

En tal situación se establece flujo sónico en la restric

ción V la presión aauas abajo (P-) deja de tenor influen

cia sobre la intensidad del flujo^

El sistema de control de presión en el laboratorio, debe

permitir:

• • • ' ' • " - - • - ; / • " • : - ::,jy,p

1. Identificar la dinámica de elementos sencillos con

flujo compresible. < ; .

2. Reconocer las earaeterlsticas de selección, instala

ción y operación de instrumentos aplicados al flujo com

presible. ..; ' • ••' :..'_ / - ' ;.

. • •.• í - - . . ' - ' ^ . ' d ' ' ..• .. • • • • • • • . . , . / - ^••'

3. Aplicar modos de control PID y analizar su efecto en

el control de presión. ' •

:".•••/ . . . .. . : . . • : - I . • > . .. •

4. Reconocer y analizar el uso de elementos de control

de dos posiciones (on - off). ' " . *

5. Introducir y aplicar, la técnica de síntesis y monta

je de sistemas de control secuencial (estático).

fi

Para cumplir con estos objetivos, se diseñó ol sistema

mostrado en la Figura 12.

Tal sistema incluye para simular el control usado en cal

deras pirotubulares y para realizar control proporcionan

te de presión.

5.4.1 Cálculo de unidades

5.4.1.1 Bases de diseño

Se dispone de un compresor de 8 Scfm a 100 psi de descar

ga.

Para el sistema de control de presión proporcionante, se

descargará a la atmósfera, se usarán instrumentos comer

ciales.

Al tanque de presión 301-2, deberá llegar una línea de

conducción de aire, a través de una válvula solenoide,

para ser empleado en el sistema de control secuencial.

Se dispondrá de indicadores de flujo de aire para facili

tar la identificación de dinámica.

Se diseñará con una constante de tiempo teórica de mínimo

5 segundos.

66

8 ^ « ^

V-2

^ - ^ l V-8^PfV>

V-l Volvula Autorreguladora

V-2,V-3, V-6, V-7, V-8 Volvulos de agujo

V-4 Válvula Solenoide

V-9 Válvula de compuerta l"

101 Bomba

201 Tablero

301-1 Tanque Pulmón

301-2 Tonque Presión

302-1 Tanque Nivel

302-2 Tanque Almacén

P L A NT A

1/4" sen 40

^

T

V-6 HXl

301-2

2.

0--\/?.' V-4

V-3 ÍX}-

3 0 2 - 2

-Ah V-2

0- 1/2" - i X h V-8

ELEVACIÓN A-A ELEVACIÓN B-B

30 !

DISEÑO j . A. Gómez L.

DIBUJO 6. M. Hernández B

ESCALA: I : 20

FECHA Sept iembre 1.982



AUTOMÁTICO

SISTEMA PARA CONTROL

DE PRESIÓN

F IGUR A 12

En el sistema de simulación de la caldera se recirculará

el agua.

Se usará un sistema de control de estado sólido.

5.4.1.2 Sistema de control de presión proporcionante.

Selección de flujo normal.

Suponiendo flujo isotérmico, a través de la línea de des

carga, lo cual puede asumirse dadas la presión y la veloci

dad bajas necesarias, se empleó la ecuación

' - ^ ^ (-' - ^^ '^ - . ^ i - ln Pa 2 . 2 RoT q„ ^ T AL_ PJ

Pb -2 ge r„

y se procedió a realizar un procedimiento de ensayo y error

para hallar Pa , Lli y G, para cumplir con las bases de

diseño.

En la ecuación (c)

M = Peso raolecular

Ro = 1545 Ib pie

Ibmol "R

T = 533 °R

Pb = 1771,2 Ib /ple^ (abs)

67

ge = 32 Ib pie

Ib m s

^H = -i- X 0^622 p,^^

4 12

AL = longitud equivalente de tubería. Este valor se modi

ficó mediante el uso de válvulas de aguja.

Del trabajo anterior se obtuvo el siguiente conjunto de

valores para los parámetros;

Tubería 1/4" Sch 40 ; , d '] ' ', '

2 válvulas de aguja ' . • "• '• ^ 3 • • ' V- ' • ' '

1 rotámetro Rango O - 40000 cm /rain aire a 0*y atm. ' V

pa = 21,3 psia ;, . v • - -• -;'

pb = 12,3 psia •••- f .

Intensidad de flujo normal máximo: 37000 cm /min

Capacitancia = , '"

Resistencia (a flujo normal máximo) = 16,3 psia

scfm

Constante de tiempo = 10 s . '.' :''

^ - ^ X 14,7 = 0,15 pie^ (= 4,20 litros) (1)

6 X 16,3

Fl sistema permite auraentar la constante de tiemi o; facili

tando el registro de la señal se seleccionó entonces una

*>, m

68

constante de tiempo de 2 min, ])ara lo cual el volumen

del tancue 303-2 (Figura 3 2) resulta

^ "" X 14,7 = 1,8 pie-' (= 51 litros)

l'',3

Se disponen entonces en un recipiente cilindrico c*e 0,3 m

de diámetro y n, ?! m de alto.

Válvula do control.

A flujo máximo, la caída de presión, deberá r,er asumida

esencialmente por la válvula de control.

Cv = 79,2

1360 \ i - ^ ^ ^ ^ = "'^302 (7) K 5 X 21,

Esto perm.ite seleccionar una válvula de aguja tipo V4A mo

delo F, de Foxboro, motor neumático de 3-3 5 psi para ^ta-

r-intizar una presión de suministro de 26 psia, se diseñó

el tanque 301-1, el cual será alimentado por el compresor

mediante válvula autoreguladora. (ver Figura 12).

Como rotámetros se seleccionan 2 unidades del nodelo

lOMOlS de Fisher & Porter de 3/8", Sch No. FP-3/8 - 16-

6-5/35 para aire.

69

Fl sistema dir eñado presenta realimentaciór unitaria y

no recíuiere transmisor.

Como controlador se selecciona un Fisher & Porter, neumá

tico, miniaturizado de tres modos serie 45 modelo 51 Pe,

con facilidad para montar sistemas en cascada. (punto

de ajuste remoto).

5.4.1.3 Sistema de control secuencial (dos posiciones)

Este sistema constituido por los elementos no incluidos

en el numeral anterior, y mostrados en la Figura 12, per

mite simular el comportamiento de una caldera pirotubu-

lar, mediante el tanque 302-1 para el nivel, el tantiue

301-2 para presión y flujo de vapor y una serie de pilo

tos, que indican sucesivamente inyección de aire, igni

ción de electrodos, inyección de combustible y com.bus-

tión; un elemento foto sensible simulará fallas en la

combustión.

La capacidad del tanque (efectiva es de 90 litros) que

se llenarán en un (1) minuto, esto requiere bombear 23

galones por minuto de agua a 25*C.

Con una válvula de corapuerta en la descarga, semiabierta,

la cabeza requerida es de 12 m de agua. (16)

Se seleccionó una bomba centrífuga de 1/2 líP marca IIIM,

70

rotor con diámetro 4,5", succión 1 1/4" y descarga 1"

El tanque 302-2 (Figura 12), tiene una capacidad de

175 litros, para asegurar funcionamiento normal a la

bomba.

Como presóstato se selecciona un A ülCROFT modelo C/505

20 psi. . J y ' . ..r . , • • .

Como nivelostatos, se seleccionan dos unidade.T LS-1900,

de marca GEMS (Transamérica de Laval).

La Figura 13 muestra el circuito electror.ecánico bási

co para el simulador de caldera, este circuito implemen

tado en estado sólido será el construido.

71

Nive l Mínimo

U l

nkf

Q3 H I H^

U2 T2

Pres ión Mínimo

N i v e l M á x i m o

P I

cn

A i re

TA I 2S

R l

H h NI

S I

TC 6 0 S

Combustible

Fotocelda

s - I

Combust ión

f So leno ide

E l e c t r o d o s ... —

I I

Pres ión Máxima

T I H h

<z>

DISEÑO J A. Go'mez L

DíBudCi G. M. Hernández B

ESCAiA Sin e s c a l a

Fttf v.ptiembre 1.982



AUTOMÁTICO

SISTEMA DE CONTROL SECUENCIAL

FIGURA 13

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