Trabajo Final de Control

5/24/2018 Trabajo Final de Control

1/17

Repblica Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Defensa

Universidad Nacional Experimental Politcnica

De la Fuerza Armada Bolivariana

UNEFAExtensin Punto Fijo

Docente:

Ing. Carlos Gonzlez

CONTROL DE

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Bachilleres:

Gallardo Zailyn

Reyes Hiboryana

Rojas Robert

Serga Mara

Ing. Petroqumica B VIII Semestre

Punto Fijo; 2014


2/17

INTRODUCCION

Los intercambiadores de calor son aparatos utilizados para la transferencia de

calor entre dos o ms fluidos. La transferencia de calor se realiza a travs de una

pared metlica o de un tubo que separa ambos fluidos. Estos dispositivos sonparte esencial de los procesos industriales de ventilacin, calentamiento,

refrigeracin y asimismo de aire acondicionado, debido a su economa,

construccin y operacin.

Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben

diferentes nombres: intercambiadores de calor, condensador, enfriador,

calentador, rehervidor, vaporizador.

Los intercambiadores de calor se pueden clasificar en varias formas diferentes,

una forma consiste en basar la clasificacin en las direcciones relativas del flujo de

los fluidos calientes y fro, dando lugar a trminos como fluidos paralelos, cuando

ambos fluidos se mueven en la misma direccin; flujo encontrado, cuando los

fluidos se mueven en paralelo pero en sentido opuesto; y flujo cruzado, cuando las

direcciones de flujo son mutuamente perpendiculares.

Otro modo de clasificar los intercambiadores de calor es mediante la estructura y

uso de los mismos como: Intercambiadores de coraza y tubo, estos componen la

parte ms importante de los equipos de transferencia de calor sin combustin en

las plantas de procesos qumicos. Dentro de este tipo de intercambiadores (coraza

y tubo) dependiendo a su construccin mecnica se logra obtener diferentes tipos

como los son, de cabezal flotante, tubos en forma de U, de cabezal fijo. Cabe

mencionar que tambin pueden clasificarse segn TEMA (Tubular Exchanger

Manufactures Association) en, clase R, clase C y clase B.


3/17

CONTROL CONVENCIONAL

Basndose en el esquema de la figura 1, se puede decir que en el control de un

cambiador de calor pueden presentarse una o varias de las perturbaciones

siguientes:

Cambio en las condiciones de la corriente de proceso o producto. Esto

puede ocurrir si existen variaciones en el caudal o en la temperatura del

mismo.

Cambio en las condiciones del fluido calefactor, como pueden ser

variaciones en la temperatura, o la presin si este fluido es vapor.

Cambio en el propio proceso en s, como ocurre en un proceso de reaccin,

cuando en el circuito esta intercalado un cambiador de calor.

Cambio en el punto de consigna del propio controlador de temperatura.

Figura 1.

El control convencional de este cambiador de calor se realiza utilizando la

temperatura de salida de producto como variable controlada. La variable manipula

es el caudal del fluido calefactor. En algunos sistemas se puede eliminar el

controlador de caudal, bien por razones econmicas o por dificultad en su medida


4/17

aunque, como norma general, es preferible utilizar este controlador para obtener

mayor estabilidad en el proceso.

En caso de producirse una perturbacin brusca, por ejemplo, una variacin en el

caudal del producto o una variacin en la temperatura del fluido calefactor, seproducir un desajuste en el control de temperatura durante un periodo de tiempo

ms o menos largo. Esta perturbacin se minimiza utilizando un sistema de

adelanto o feedforward.

Elementos del sistema de control

En la deteccin de temperatura se produce un tiempo muerto debido a

circunstancias tales como la naturaleza de la variable a medir, la inercia que

produce la vaina de proteccin del sensor, as como la cmara de aire que existe

entre la vaina y el propio sensor. Por tales motivos, el sensor debe estar instalado

tan cerca como sea posible de la superficie activa del cambiador de calor. Hay que

tener en cuenta adems que, cuanto ms se aleje el punto de toma de

temperatura del rea activa del cambiador, mayor ser el tiempo de retardo

producido en la deteccin de las variaciones en la misma, ocasionando mayor

inestabilidad en el control. Este ltimo tiempo de retardo ser proporcional a la

distancia entre el rea activa del cambiador y el sensor de temperatura, as como

de la velocidad de paso del fluido. A pesar de todo lo mencionado anteriormente el

mayor tiempo de retardo lo produce realmente el propio proceso de transferencia

de calor.

Las vlvulas utilizadas en los sistemas de control de cambiadores de calor deben

estar provistas de posicionador, con el fin de que la respuesta de control sea

rpida para no aumentar la inercia propia del sistema. Por otro lado, la

caracterstica de la vlvula deber ser isoporcentual, con el fin de mantener la

ganancia del sistema constante.

Como se sabe, para que la estabilidad del proceso sea uniforme a lo largo de todo

el recorrido de apertura de vlvula automtica, la ganancia total del lazo de control

debe ser constante. La figura 2 muestra un lazo de control en el que, asumiendo


5/17

que la ganancia del transmisor (Kt) es igual a la unidad, la ganancia del lazo de

control es:

Kc * Kv * Kp = Constante

Figura 2.

Para que la ganancia del controlador (Kc) sea constante es necesario hacer que la

ganancia de la vlvula (Kv) compense la del proceso. Por tanto, la caracterstica

de la vlvula debe ser isoporcentual, tal como aparece en la figura 3.

Figura 3.

El lazo de control de temperatura suele tener un tiempo de respuesta

relativamente lento, por lo que el controlador debe tener acciones proporcional,

integral y derivativa. La ganancia proporcional depender en cada caso de la

configuracin del lazo de control y del rango de calibracin del controlador. La

accin integral tiene por objeto corregir el error permanente que produce la accin

proporcional cuando se realizan cambios en las variables de perturbacin que


6/17

afectan al control del cambiador de calor. Por ltimo, la accin derivativa es

esencial en procesos de este tipo, donde el tiempo de retardo suele ser grande

cuando se producen cambios en las variables de proceso.

Figura 4.

CONTROL FEEDFORWARD CON FEEDBACK

Para el control feedforward de un intercambiador de calor, igual que para cualquier

otro proceso, es necesario hacer uso de tres conceptos bsicos que

representamos en la siguiente figura 5.

Modelo en estado estacionario (feedforward): Se desarrolla utilizando

los balances de materia y energa, as como correlaciones empricas si son

necesarias.

Compensacin dinmica: Necesaria para equilibrar la diferencia de

respuesta, por parte de la variable controlada, ante cambios en algunos de

los parmetros del producto o del fluido calefactor, tales como caudal,

temperatura, composicin, entre otros.

Reajuste (feedback):Tiene por objeto corregir los errores que se producen

al aplicar los dos conceptos anteriores. Entre las causas del error se puede

sealar:


7/17

Inexactitud en el modelo de proceso en estado estacionario.Error de medida de los instrumentos o error en los clculos.

Falta de linealidad del proceso.

Ensuciamiento de equipos a lo largo del tiempo.

Figura 5

En la figura 1 se ha visto el control tpico de un intercambiador de calor, en el cual,

el controlador de temperatura de producto fija el punto de consigna del controlador

de caudal del fluido calefactor. Este tipo de control, para modificarla variable

manipulada, necesita detectar el error producido entre la medida de la variable

controlada y su punto de consigna. En otras palabras, se efecta el control por

reajuste o feedback.

Para efectuar el control feedforward se necesita conocer el balance de energa

que se desarrolla en el intercambiador, es decir, el modelo estacionario en estado

estacionario. Suponiendo que el fluido calefactor es vapor de agua y, basndonos

en las ecuaciones el balance es:

Qent = Ws * Hs

Qsal= Wp * Cp * (Ts Te)


8/17

Siendo:

Qent: calor aportado por el vapor (Kcal/h)

Qsal: calor transferido al producto(Kcal/h)

Asumiendo que no existen perdidas en la transferencia, el calor de entrada es

igual al calor de salida. De esta igualdad se puede obtener el caudal de vapor

necesario para conseguir la temperatura de salida del producto.

Ws = Wp *

* (Ts Te)

La figura 6 muestra el esquema de control del mismo cambiador de calor,

aplicando la ecuacin anterior. Al estar colocado el controlador de temperatura enla lnea de salida de producto, actuara con feedback, manteniendo la temperatura

Ts constante. La salida del controlador de temperatura es flotante y se escala

automticamente a grados centgrados en el sumador TX. Los valores Cp y Hs on

fijos y conocidos, por lo que se introduce en el sistema como constante K. Como

consecuencia, el sistema feedforward actuara cuando:

Se modifique la temperatura de entrada

Se modifique el caudal de producto.

Figura 6.


9/17

Tan pronto aumente el caudal de producto aumentara tambin el caudal de vapor.

Como la transferencia de calor no es suficientemente rpida, se produce descenso

en la temperatura de salida, aunque despus se recupere al cabo del tiempo.

La figura 7 muestra otro sistema de control que, conceptualmente, realiza lasmismas funciones que el de la figura 6, con la diferencia que se incluye un

controlador de calor en lugar de efectuar un clculo para obtener directamente el

caudal de vapor a introducir. Al incluir el controlador de calor se tiene una

complejidad con tres controladores en serie, lo cual aade una complejidad

adicional desde el punto de vista de ajuste de los parmetros de sintona de estos.

El sistema de la figura 7 representa el calor demandado, el cual fija el punto de

consigna al controlador de calor.

Figura 7.

Comportamiento incluyendo una funcin Lead

Si se introduce una funcin de adelanto tipo lead, como aparece en la figura 8 tan

pronto aumente el caudal de producto se producir un aumento proporcionalmente

mayor en el caudal de vapor debido al lead, disminuyendo progresivamente hasta

alcanzar el equilibrio. Lo que hace la compensacin es aadir calor en los

primeros momentos del cambio de caudal para compensar el efecto de retardo


10/17

inherente al proceso de intercambio de calor. Este aumento de calor se traduce en

una menor desviacin de temperatura con respecto al punto de consigna.

Figura 8.

Llegados a este punto es conveniente recordar el comportamiento de la funcin de

tiempo lead. La figura 9 muestra que, frente a un salto en escaln unitario a la

entrada, aumento en este caso, esta funcin produce un aumento mayor en su

salida, el cual depende de los ajustes de amplitud y tiempo. El comportamiento es

simtrico ante una disminucin en la entrada.

Figura 9.

Incluyendo la funcin lead en el sistema de control feedforward, se consigue que

la desviacin entre la temperatura deseada en la salida de producto, con respecto

al valor real de esa temperatura, sea menor que la desviacin que se produce

cuando no se incluye esta funcin, como puede apreciarse en la figura 10. En


11/17

otras palabras, ante un cambio en el caudal de producto, la temperatura de salida

se aleje menos de consigna si existe lead.

CONTROL CON VLVULAS DE TRES VAS

Existen procesos en los cuales el caudal total de producto no puede ser

modificado y, al mismo tiempo, hay que controlar la temperatura a la salida del

cambiador. En otras ocasiones es importante que la velocidad de respuesta,

durante los cambios de carga, sea suficientemente rpida para no perturbar el

control. En cualquiera de los casos es necesario bifurcar el caudal de producto en

dos caminos, uno a travs del cambiador y otro por una lnea de by pass al mismo.

Figura 10

Cuando se hace pasar el producto a travs del by pass se obtiene una alta

velocidad de respuesta en la variable controlada. Por el contrario, si se hace pasar

el fluido calefactor a travs del by pass, la velocidad de respuesta es

considerablemente ms lenta, debido a la inercia que tiene el proceso de

transferencia de calor. Los esquemas de control de los dos casos mencionados

aparecen en la figura 11.


12/17

Figura 11

Para efectuar este tipo de control, se utiliza una vlvula de tres vas o dos vlvulas

de dos vas. La vlvula de tres vas puede colocarse antes del intercambiador o

despus del mismo. En la parte superior de la figura 11 se puede ver un sistema

en el que la vlvula de tres vas se encuentra situada en la entrada del cambiador.La vlvula se denomina bifurcadora o partidora de flujo (splitter). Esta vlvula tiene

una entrada y dos salidas. El otro tipo de vlvula de tres vas es el que aparece en

la parte inferior de la figura 10, colocada a la salida del cambiador. Este otro tipo

de vlvula se denomina mezcladora, teniendo dos entradas y una salida.

Consideraciones prcticas

Aunque aqu no se trata de calcular o elegir el tipo de vlvula, es necesario

mencionar algunas particularidades que pueden afectar al control. Las vlvulas

estn conectadas por medio de tres bridas, por lo que cuando operan a

temperaturas superiores a 250 C pueden estar sujetas a unos esfuerzos

mecnicos considerables, debidos a la distinta direccin en la dilatacin de las

lneas de proceso. Por otro lado, cuando la aplicacin de la vlvula es para


13/17

mezclar dos corrientes, si la diferencia de temperatura entre estas corrientes es

superior a 150 C, se puede ocasionar una situacin similar debido a la diferencia

de dilatacin que se produce.

Por otro lado, para desmontar una vlvula de tres vas es necesario que la unidadeste parada, o disear un sistema de vlvulas de bloqueo y by pass como el que

aparece en la figura 12. Este sistema de vlvulas manuales presenta una cierta

complejidad de manejo para el operador, el cual tiene que controlar de forma

manual el proceso mientras la vlvula se encuentra en reparacin. Por otra parte,

es necesario disponer de espacio suficiente para el conjunto de todas las vlvulas.

En la figura 12 se supone que la vlvula automtica se encuentra fuera de

servicio, por lo que se encuentran cerradas las vlvulas de bloqueo y abiertas las

de by pass, con las cuales hay que mantener la temperatura de salida de producto

abriendo una de ellas y cerrando la otra para realizar la misma accin que la

vlvula de tres vas, pero esta vez de forma manual.

Figura 12.

A la vista de lo descrito, prcticamente quedan dos ventajas a favor de una vlvula

de tres vas frente a dos vlvulas de dos vas:

Seguridad en algn tipo de proceso.

Diferencia de coste econmico entre ambas posibilidades.


14/17

Con una vlvula de tres vas siempre se encuentra abierta el rea total de paso de

producto, bien a travs de uno de los pasos o de ambos simultneamente.

Cuando se utilizan dos vlvulas de dos vas existe una remota posibilidad de que

ambas vlvulas se cierren en caso de producirse averas simultneas en el

sistema de control y las vlvulas. En cualquier caso se resuelve colocando una

vlvula de seguridad adicional en el circuito.

En cuanto al componente econmico, no hay que olvidar el bajo coeficiente de

flujo de las vlvulas de tres vas. A causa de esta caracterstica, las vlvulas de

dos vas que sustituyen a una de tres vas deben ser de dimetro nominal

proporcionalmente ms pequeo, estrechando la diferencia de coste.

CONTROL CON VLVULAS DE DOS VAS

Existen casos en los que por razones tcnicas, como el exceso de temperatura,

tamao de la vlvula con relacin a la lnea donde debe estar instalada, facilidad a

la hora de ejecutar operaciones de mantenimiento, o por otras causas, en lugar de

una vlvula de tres vas se instalan dos vlvulas de dos vas, tal como muestra la

figura 12. Hay que recordar que el conjunto de dos vlvulas, igual que la vlvula

de tres vas, est diseando para controlar temperatura. El caudal de paso por el

circuito debe permanecer invariable, bifurcando parte de este por una de las

vlvulas.

Figura 13.


15/17

Entre los condicionamientos que rodean la instalacin se puede citar como mas

importantes los siguientes:

Las dos vlvulas deben tener la accin a fallo de aire opuesta, es decir, una

de ellas, a fallo debe abrir y la otra debe cerrar.

La caracterstica de ambos obturadores debe ser lineal. De esta forma

tienen el mismo comportamiento que una vlvula de tres vas en todo su

rango de trabajo. Al 50 % ambas estarn en la mitad de recorrido y caudal

de paso.

Tal como se ha dicho en el apartado correspondiente a vlvulas de tres

vas, la capacidad de una vlvula de dos vas del mismo tamao puede ser

entre 1/3 y 1/2 mayor que una de tres vas, dependiendo del modelo. Esto

significa que cuando se instalan vlvulas de dos vas, el tamao de estas es

ms pequeo, por lo que la diferencia econmica disminuye.

En general, las dos vlvulas deben tener el mismo tamao, aunque el paso

de producto que se prevea por el by pass sea menor. Si existe una

variacin en las condiciones del fluido, tal como la temperatura o duty

demandado por el cambiador, pueden existir dificultades en el sistema de

control si una de ellas es ms pequea, porque cualquiera de las dos

vlvulas debe permitir el paso total de caudal. A pesar de todo esto, como

la prdida de carga de la vlvula de by pass es menor que la

correspondiente a la vlvula de paso a travs del cambiador, se puede

hacer una excepcin a la norma general utilizando la vlvula de by pass

ms pequea cuando ambas sean de un tamao que permita esta

posibilidad.

Control con una sola vlvula en el by pass

Hasta aqu, toda la descripcin se ha hecho partiendo de la base de utilizar dos

vlvulas para el control de calentamiento en un cambiador de calor. Existe otro

sistema de control, con menos grado de utilizacin, que solamente emplea una

vlvula de dos vas en las lneas de by pass, segn puede verse en la figura 14.


16/17

Figura 14

Este sistema tiene como principal inconveniente la poca perdida de carga con la

que debe ser calculada la vlvula para compensar la del cambiador. Esto hace

que exista un margen de regulacin muy limitado, puesto que siempre hay unacantidad de producto que pasa a travs del cambiador, aun a plena apertura de la

vlvula. Tpico de este sistema de control es que la vlvula pasa de 0 a 100 %, y

viceversa, con muy poca variacin de temperatura en el producto con respecto al

punto de consigna.

Este sistema tambin suele utilizarse para controlar presin o diferencia de

presin en el condensador de cabeza en procesos de destilacin. Los

inconvenientes son los mismos que para controlar temperatura.


17/17

CONCLUSIN

La utilizacin de los intercambiadores de calor en la industria pueden ahorrar

energa lo cual implica menos costos y mantener las propiedades de tratamiento

de los fluidos los mismos que coadyuvan el optimo desempeo de las maquinas y

equipos. Existen diferentes tipos de intercambiadores (flujo y por construccin),

aplicados en instalaciones industriales, instalaciones navales, instalaciones de

climatizacin civil que nos han ayudado para los ahorros de costos energticos.

Trabajo Final de Control

Documents

Transcript of Trabajo Final de Control