Diseño completo de Placa de Orificio

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 diferentes equipos (Sistemas de refrigeración, operaciones de separación) 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 turbulencia, que genera cambios ciclicos en las tomas de presión con lo cual el sistema está sometido a ruidos de alrededor de 1 cps (1). Esta situación exige la utilización de modos de control integral proporcional, ajustados en condiciones desfavorables, 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 conIncluye estudiar aspectos como la influen- trol de flujo. 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 1. Elemento 2. 3. 4 Sensor Trcnsmiaor Controlador Eiemento Pinol Auxiliares Si Elementos t><I 04 .Flujo 'l.- Y. PJ^ DISEÑO: DIBUJO; J , A . Gomaz L. 8. M. Hernóndaz B. FACULTAD NACIONAL DE MINAS LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO ELEMENTOS EN UN DE CONTROL CICLO ESCALA: Sin escala FECHA: Septiembre L982 FIGURA Calibrar el elemento sensor usado utilizando para el 'i efecto un Instrumento indicador de flujo instantáneo. este debe incluir facilidades para ^ Estudiar la característica de flujo de la válvula de control usada.v^i. posición del vastago de la misma. • * . I> Para cumplir con los objetivos antes mencionados nara el sisteraa de control de flujo. ' . TX)der introducir perturbaciones al sistema. • ' : . 19 . esto es. abriendo o cerrando un canal adicional de flujo. Controlar mediante modos P (Proporcional ^ Integral). • • • • . Registrar el flujo para totalizarlo. - Simular caunbios de carga. lo que implica facilidad para determinar flujo a través de la válvula vs.I Tales condiciones se pueden lograr con un sistema como el mostrado en la Figura 2. ' ' • : . Q " 3 Ol •0 c o 3 O < < < O) o o ÍE n o tr o > > IO E o 03 • oc u «) F o c -o u o c < fLl ü =) O n o ü H< Z O 1- o o: hz o o Ul Q < a: O H. o •o • o . o E k. • co < X 1 d < o co -» z» m a < o UJ .</) < o O ii. * — •> o c c 3 :k Q: tu I o -J o O < t í Ui CU lll S m o c • • c o. m o • 3 C O Ol 3 k. r> < < UJ H- z ^ «i IO <S1 O o 8 •o < 1- z • E 3 a ffi o z «1 OB • E •o O 2 o o u • c «0 8 »g c X • < -« j^ Z <^ • xa R • ^* a. la cual es el fluido de trabajo seleccionado por su disponi':ilidad. facilidad de manejo y seguridad. se escogió la disposición mostrada en la Figura 3. • :>• 30 .Para facilitar la instalación. la medición y loarar un circuito cerrado para economizar agua. la cual también involucra economía de espacio. Gómez L. DIBUJO: J. ESCALA f'ECHA I : 25 Septiembre 1. LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO SISTEMA DE CONTROL DE FLUJO DISPOSICIÓN G.FACULTAD NACIONAL DE MINAS DiSEfio. M Hernández B.982 FIGURA . A. 1. Por razones de exactitud. venturis.1 Elemento primario: Entre los elementos primarios usados para control de flujo. que aunque dinaunicamente presenta comportaraiento no lineal. De ellos el más económico (por menor costo de inversión) y el más flexible.5.2 Cálculo y Selección de instrumentos y equipos.2. se encuentran disponibles en el mercado para líquidos: Rotámetros. para bajas presiones de trabajo. medidores sónicos. es el medidor de orificio. se recomienda su uso para flujos líquidos en tuberías hasta de mínimo 2 pulgadas de diámetro nominal. se ha constituido en el medio más usado industrialmente para la medición de flujos. medidores magnéticos. medidores tipo vórtice de líquido y medidores de bola oscilante. medidores de turbina. se calcularon y seleccionaron los demás componentes. orificios.1. Para realizar estos cálculos se buscó como punto de partida el cálculo del elemento sensor de flujo (primario) y a partir de el y con base a la distribución mostrada en la Figura 3. 5. 21 . Por tal razón se seleccionó como elemento primario para ser usado en el laboratorio. asumiendo un valor de 100 pulgadas de agua para la presión diferencial en el orificio. es de 20 a 250 pulgadas de agua de presión diferencial. ^° .Dadas las pequeñas dimensiones de la instalación. es preciso seleccionar un caudal pequeño. con tomas de garganta. en instalaciones industriales es de 3 pies/segundo. Por lo tanto. 2 qc (Pa . En la literatura (2) se encuentra que la mínima velocidad razonable para transporte de líquidos no viscosos. Lo anterior es posible.B ^ 22 y " ^ . se asegura la disponibilidad del transmisor a emplear. dado que la corta logitud de tubería no implica costos muy elevados de inversión. Se asume que es posible usar un f i O % de tal velocidad. La ecuación de diseño para un orificio es: üo = —. con lo cual se disminuyen las pérdidas por fricción en el sistema. es la llamada celda de presión diferencial y un rango típico de las disponibles comercialmente. con el pronósito de disminuir los costos de bombeo. El tipo de transmisor usado en este caso. que conlleva el uso de diámetros mayores en la tubería.Pb) ' (2) \il . 4 Ibm pie =3.4 DT) P » Densidad del líquido (Ibu/ple^) (3) Para calcular B a partir del flujo másico (Ib/s) B2 .Pb)j> Válida para Nre» m « > 10000 y donde Flujo másico (Ib/s) Nr« = Número de Reynolds a través del orificio Se asumió tubería de 2" Sch 40.donde: Uo Co = Velocidad a través del orificio pies/segds.61 TT D^ \ ¡ 2gc (pa .61 para Nrco B = > 10000) Relación entre diámetro orificio (Do) a diámetro de la tubería (DT) = Do/DT Pa = Presión aguas arriba del orificio (1 diámetro de tu2 bería) Ibs/ple Ibs .067 pulgadas y su área al flujo es 0.2m4 _ 2 l e e _ ^ 0^^233 ple^ x 62. ^ " ^ 0.49 Ibm <¿^ — 23 . 2 pie Pb = Presión aguas abajo del orificio (0.0233 pie (3) m . cuyo diámetro interno es 2 2. = Coeficiente de descarga del orificio (0. 72 x 10~^ Ibm pie .07)^ x 62. pie = 100.Asumiendo Pa .J^^"^-P^g ^ 2 \ I f e f s 12 pulgs 520.41 X pie '/2 62.15 cms = 0. ple^ 24 .5 pies/s Nreo = 0.17 •) • •• Do = DT X 0.41 = 2.Pb = 100" H_0 2 = 520.07 pies Uo = m Área orificio xJ) 3.85 pulgs = 2.000 6.5 pies s x 62.4 Ibra 2 Uo = 14.14 X f 2.4 Ibm/pie^/ = 0.s Lo cual justifica el uso de 0.61 X 3.067 pulgs x 0.4 — • ' • — .07 pies x 14.41 = 0.4 9 Ibm/s 0.4 -i^ípie B = 0.067 pulgs \ ^A í2X v 32 12 .61 en la ecuación para B. se calculó B pie2 2 ^ 4 X 3.49 Ibm/s TT x (0.4 Ibm . Las tomas de presión deberán estar ubicadas 5.4) De acuerdo con la literatura las pérdidas de presión pueden estimarse como un 80% de la presión diferencial a través del orificio = Pérdida en el orificio = 3. - 25 .8 = 2.1 cms aguas abajo (5. .25 cms aguas arriba del orificio y 2.25 x 0. •í>- • • ^ • . En la Pigura 4 se muestra la forma del orificio calculado.63 psi son equivalentes a 100" de agua.9 psi donde 3.63 psi x 0. . DIBUJO: ESCALA: FECHA: J. M.A." 32 FACULTAD NACIONAL DE MINAS DISEÑO. G. I: Go'maz L. Hernández B.982 FIGURA 4 .I 1/4" Hueco poro vantllaclon d« _2. 2 LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO O R IFICIO Septiembre 1. 00371 ple^ X 62.2 Tuberías Con el propósito de mantener bajo los costos de Inversión.1.. una tubería de 1" Sch/ con 2 0.4 Ibm/ple^ - 9.3 pie/s Se toma entonces una tubería de 1" Sch 40 para el sistema.006 ple^ X 62.2.49 Ibm 8 y asumiendo una tubería de 3/4" Sch 2 40 con área al flujo 0. recomendable (1). Con m =3. 26 . para la cual la velocidad es: ü^ - ^'^' '-"^''^ 0. 15 ple/8 ' I área al flujo Se asume entonces. .006 pie . se decidió colocar tubería de 2" únicamente en el tramo recto en el que se instalará el orificio.K 5.00371 pie en la tubería se obtiene una velocidad ^ ' ^ ^ ^^/° 0. Para el resto del sis- tema se seleccionó un diámetro de tubería capaz de manejar 10 pies/segundo/ límite superior de velocidad. el cual se asegurará por el sistema de flanges.4 Ibm/ple^ demasiado alta. . 2.^ ~ ^ * t.T. . se puede construir la Tabla 1.1. las longitudes de tubería y los accesorios necesarios para el montaje.5 Ibm/s Cálculo de pérdidas en tuberías y accesorios. V «KS> t í . r i m A * río ^ ii ' 27 .I 5. De acuerdo a los consignado en la Figura 3. \«juw'.^ Vs. ^ A%-A o ^ < 6 0 %a^ . La velocidad másica es 3. V l %.3 Selección de Bomba El fluido de trabajo es agua a 22°C. en la cual se anotan. y causantes del gasto de energía en el proceso sin incluir la válvula de control. 1" Válvula compuerta 1" Orificio Cantidad 12.2 1. Pérdidas de energía en el sistema de flujo Unidad m m u u u u u u Descripción Tubería 1" Sch 40 Tubería 2" Sch 40 Codos 9O'l" Tees 1" Universal 1" Reducción 2" .8 11 3 3 2 5 1 M u Tubería 1 1/4" Sch 40 Universal 1 1/4" 1.4 1 28 .TABLA 1. 8 loo lo. no es necesario calcular ceunbio en la cabeza de presión.0085 (figura 5 .64 m Cabeza de presión: Se toma la descarga a la atmósfera y la entrada a la misraa condición.049 Nr^ = 12 ) 1.Cabeza de descarga: Cabeza estática: y (Cd) m = l. Las cabezas estática y de velocidad en la entrada al sistema pueden ser consideradas nulas.s f = 0. Pérdidas En tuberías de 1" Sch 40 diámetro interno: Estimación del factor de fannlng ( -r 1.049" X 10 X 62.048 m ) s = 4.1 0 (2) ) 29 .b2 2 m s Cabeza de velocidad: (3.9mx9.72 X 10-4 Ibm pie .4 pies X Eies ^ ^^ pie" = 8117 6. 1..2 72.0095 (Figura 5 .72 X 10-4 pie .5 Ibm 1 0.0254 x 12.41 m' s En tuberías de 1 1/4" Sch 40 diámetro interno: Estimación del factor de fanning.4 pies X pies Ibm pie 16 m 6.067" Pérdidas = 2 x 0.0095 x (1.38 X 0.4 X 62.0104 • -\ 62.s f = 0.0254 En tubería de 2" Sch 40 diámetro interno: 30 .6 m s Nre 1.38 12 X 5. .05) 1.6)^ x 1..39 pies . 8 1.4 = .38" Velocidad =3.0085 X (3. 1.1 0 (2) ) 2 / ra y 2 s 2.4 Ibm pie" " 5.94 1.2 f V^ L Pérdidas 2 X 0.049 X 0. 0. — . 2 2 s 2 x 0.067 X 0.014 (Figura 5 .048)^ 138.014 x (0.0254 Pérdidas En accesorios.05 x (0.73) 2.0085 x (3.013 ra 8 x 60 •f 3 X 60 -^ 5 X 7 'J 31 .8 _ « . b / 2 m 2 Por contracción Pérdidas = 0. expansión y contracción Según Tabla 1 Cap 13 Peter (tln)(a) Según Tabla 1 (1) Por expansión de 1 a 2" pérdidas « (3.s .73) 2 Por accesorios Pérdidas = 2 x 0. ^ = 3838 pie 6.20 m 2 Según (1) Til 2 y » 0.73) —I —.4 pies X £ies ^ _ ^ ^ s Ibra pie .22 X 10-4 f = 0.04 .2.= ¿.067 Nr = 12 X 2.4 X 62.10) Pérdidas = (2) x 1. . 78 9.88 24.75 Accesorios Cambios sección Orificio Total 140.^ m. Energía requerida por kilogramo Causa Cabeza estática Cabeza velocidad Ttiberías Energía consumida (m2/s2) 18.9 263.8 = _ 2 6.78 Cabeza requerida por el slste/na en metros de agua = -^——— 263.62 4.64 74. se resumen los resultados.En la Tabla 2. TABLA 2.^ p „ " ~ ^ 32 . / . para la energía total requerida a la bomba por unidad de masa de agua que cruza el sistema. 62 = 245.16 0. diámetro Rotor: Potencia: 2 HP. Inc. c ic oi TO ™2 245. 3530 RPM.75 2 8 .18.72 m ^2 i_ o J J Pérdida de cabeza = 81.6" Lo anterior Implica el cambio a 1 1/2" Sch 40 de la tubería de succión a la bomba. es prudente escoger un 25% sobre pérdidas dinámicas totales en el sistema.16 = 81.78 . .33). 5.23 m de agua (26.Asumiendo el flujo de diseño.72 9. (1) como las pérdidas a través de la válvula de control.16 m Pérdida en válvula = 245. 33 .8 Debido a la dificultad para hallar. Se escogió una bomba centrífuga tipo D820 1 1/2 X 1 X 6. como flujo máximo de operación del sistema. Para la selección de la bomba se usó el Pump Selector for Industry de Worthlgton Pump. información técnica sobre bombas en unidades SI.9 GPM contra una cabeza total de 35.9 f 8. Pérdida de cabeza a través de la válvula de control: Pérdidas dinámicas = 263. es necesario establecer que se requiere una bomba de 24. val. la cabeza do la bomba y la cabeza disponible para la válvula de control.2 32. GPM m CA 27 m CA 37.Con tal bomba seleccionada se puede construir la Tabla 3.6 7 2% .8 P-M M 28% . la cabeza sistema. para cada uno de los flujos de interés.8 m CA 10.2 80% La Tabla 4 muestra la caída de presión a través del orificio. en la cual se muestran para el flujo normal máximo (25 GPM).^^ 25 18 11 39. 15 8 40. (P-^ Control % LLJ.6 28. Pérdidas a través de la válvula de control Flujo (F) Pérdidas del Sistema (S) Cabeza Bomba (P) Pérd. TARLA 3. flujo normal (18 GPM) y flujo normal mínimo (15 GPM). Ji /^ 34 . Caída de presión a través del orificio Flujo GPM 25 18 15 4 ¿ * f .7 Cv « 35. resulta conveniente 35 .4 Selección de la válvula de control = 25 GPM Flujo normal máximo (FNM) Caída de presión a FNM = 15.^^^ 0.7 GPM GPM (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). asl ^. (4) se calcula el Cv (coeficiente de descarga).Orificio en pulgadas agua 100 47 37 5.1.4 psi Adoptando la costumbre de permitir que el FNM. sea el 70% de la capacidad total de la válvula.2.TABLA 4.09 - 35.7 GPM \ri5'4 PSl 9. 2. 36 .seleccionar una válvula de igual porcentaje. Se escogió el Foxboro modelo 13A 5. De entre las disponibles en el mercado. se escogió el modelo (V 1400 3/4" de Foxbono). 5.6 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 5.2.5 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).1.1. • •BM o.>J.1— tn o ü LU o DC Z5 o: Z O ü UJ O O O O te 2 Ul UJ lO z o o < o p o < _J o o O ffi < o: o o QC < QC 3 < O Q 1< UJ tk O Z < < _J u. •O • 'o O « E c o ^ o^ • c w • X :É c( E < "^^8 -9 . UJ trt UJ ^06 ÓSfi •uta oos 1 J < O IO M 1Z O CB u. • co s Ul M O < i? 3 « o -1 < o < u X u. < te bJ d J M M CO I< yJ^ii^tCííiUiíiyiiCCifíhuCft'Uf'J^ r'^r'-/r. E 6 6 s o 2 . que preste servicio a toda la planta.7 Selección de controlador El modo de control más usado en sistemas de flujo es el PI. se utilizará un cronómetro y una escala graduada. y por economía se puede seleccionar un aparato de registro múltiple (3 ó 4 plumas) . 37 . con acción proporcional y de reposición o integral. 5. son estandard.2.Para calibrar el sensor. Se seleccionó el modelo 45 de Fisher & Porter. entre 20 y 100 Kpa. por lo tanto se escogerá un controlador neumático. el cual se escogió como un tanque asbestocemento de 250 litros. de los disponibles en el mercado. asi como las de salida. Para efecto de registro de la señal. colocada en el recipiente de almacenamiento. y entre los de diferente marca disponibles en el mercado se seleccionó por econoraía robustez de construcción un 43A de Foxboro. Las condiciones de entrada de señales.1. se requiere un registrador neuraático de señales. 5. para la utilización del control de nivel. incluyendo el de dos posiciones (on . ensayando para ello el efecto de los diferentes modos de control y la acción inversa en controladores y elementos finales. facilitan la representación en laboratorio de. siendo en tal caso usado en el tambor de reflujo.off) Desarrollar habilidad para control de sistemas lentos. Es importante también en reactores auímicos para mantener concentraciones y velocidades de reacción. Un sistema de control de nivel en el laboratorio debe servir para: Reconocer las características de instrumentos sensores. es mantener un suministro constante de fluido a los equipos aguas abajo del recipiente. de integración pura o como elemento de primer orden. 38 . (1) Dinámicamente es un proceso lento que puede tener características no lineales. asi como en torres de destilación. transmisores y modos de control. sistemas con o sin interacción y de sisteraas de segundo orden o aún mayor. (6) Combinaciones de recipientes.2 ''JIVEL El principal objeto en control de procesos. para mantener el balance de materiales. esta debe disponer de facilidades para: Simular sistema de primer orden. Para poder lograr los objetivos de la unidad de nivel. 3. mediante la apertura o cierre de canales adicionales. lo cual puede obtenerse colocando dos tanques por lo menos en cascada con interacción.Comprobar el comportamiento de sistemas de primer orden. Transmitir y controlar mediante acción directa e inver- sa y con modos PID. 5. tanto a la salida como en la descarga. Simular sistemas de orden mayor. 4. Medir flujos instantáneamente. puede ser un tanque con descarga por gravedad. 6. 39 . Permitir la simulación de perturbaciones. Controlar mediante modo dos posiciones (on . 7. Registrar las variaciones de nivel.off) el nivel. Comprobar el comportamiento de sistemas de elementos en cascada sin interacción. Comprobar el comportamiento de sistemas interactuantes. Observar las discrepancias entre sisteraas linealizados y su contraparte real. s do c a p a c i d a d . I. e l morcado 5e nelof^ciOif'. Con e l '>rnpósito de l(jigr¿ir iconomía de e s p a c i o de o p e r a c i ó n " (jconomlü íi<^ i'fua.r?.Las f a c i l i d a d e s a n o t a d a s so puedon ol^teror m e d i a r t o un s i s t e n a cono e l mc.stradü ir.o ^ instrun-. j .'i I'g/r^ de agua.s er.l C) S e l e c c i ó n dol r o t á m t ' t r o de e n t r a d a : como la mitad riel Asumiendo e l f l u j o de o p e r a c i ó n normal rango do v a r i a c i ó n . 2.l. í n c t r o do f P l i t r o . (•'acuidad i^o o s c o g i ó l a d i s t J o s i c i ó n 5. np r^-t á n e t r o F i s h o r & P o r t e r s e r i e lOAlOD") linsta c^ l i t r JÍÍ/ni ñuto.2.ormcí'i div<>r ..i io :. mostrada en l a F i n u r a 7. e r a c v ó n normiil "^.i rjq'iira ''. Seleccionando una t u l ) e r í a de 1" She40 se o b t i e n o una v e - •icjy l o c i d a d de apróximadamíinto 3 ¡ue.^elección de boml^a ara IOÍ: La cah^za r o q u e r i d a ] or o l sistema a f l>.2 . De ont-ro l o s dis[)onible.T/s (7) v e l o c i d a d nínima recomendada para f l u j o de l í r i u i d o s 5.1 Cálculo y selección dn n r ^ u T ^ . es p r u d e n t e ef^coger un r o t . n : .1."tra on l a ' 40 .o : c o p ' T o b a n t e s so muo.^nto^ "^e anume c o r o f'lujo do n . O < LU 2 O O U •- o o: -I <D ©" ^^^ ^ O g < cc UJ — ^ S B S If -• '^ < 3 < flc o 2 P I- O < UJ •- tn tn tf 8 «I «> 0» •f o o u E X o M •I <o < tn tn s o o u. 3 w •k. "O o u "O o xa o ao tz o ^ tti c F m o co w o c o > " o • > c 6 o -«ífO — u> l<~ oo o o . UI Ok O 3 _ k o OZ IO 1 o •^ •O F o o o. •o o o w O tz o o o *.UJ o LU Z O O . c > o o fO •> « O • •o o •» • k. o o. I: 25 FECHA Septiembre 1982 FIGURA . A . LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL DISPOSICIÓN oibujo: ESCALA: 6. Gómez L. M.FACULTAD NACIONAL DE MINAS DISEÑO: J . Hernondez B. (p¡s i ) » i De entre las bombas disponibles en el mercado se selecciona una IHM de 1/2 HP. Descarga: 1" 0 rotor = 4 " Succión: 1 1/4" 1 5.i T 0.5 m H_0 50% para la válvula de control = 4.38' = 6.5 \ 6.07 0. asumiendo la válvula lineal y trabajando al 50% de su capacidad al flujo normal (8 GPM).33. 9 5 H2O . < T T . 41 .058 0.63 0. Caída de presión en sistema de nivel ítem 1 2 3 4 5 6 7 Descripción Tubería 1 1/4 Sch 40 Rotámetro entrada Tubería 1" Sch 40 Válvula de globo Válvula compuerta Codos 90° Teí Total cabeza dinámica Cabeza estática = 2.5 0.88 0.6 m H O Total cabeza dinámica + estática = 4.87 ]p s i ( 1 .39 2.2.1.3 Selección de la válvula de control El coeficiente de descarga requerido es: Cv = 8 GPM --_ j .36 0..TABLA 5.5 H»0 • Cabeza total = 9 m H«0 Flujo equivalente : 8 GPM Car 1 dad 5 m 1 6 m 1 4 7 3 AP 0. el flujo por gravedad desde los tanques.38" Área al flujo = 0. APd = (0.1.8 generalmente bueno para el tipo de válvula seleccionada.SÍ (7) • AP en el sistema para la válvula es de 6.Pv) F = Factor de recuperación Pa = Presión de vapor del agua a temperatura ambiente. esta no presentará cavitación ni flasheo. Asumiendo una tubería de 1 1/4" Sch 4 0 í T i = 1.0.017 pie 8 2 (3) 42 .4 Determinación de elevación y capacidad de los tanques En condiciones de equilibrio (flujo estacionario).0^ Dado C7ue el TJ.0104 pies Flujo: 8*GPM = 0. para ol cálculo de ^ P disponible: AP disponible = F" (pa . 5. debe igualar al flujo desde la bomba hacia los tanques. se usa la siguiente ecuación.4 psi.2.Se selecciona una válvula Kieloy & Miller lineal serie 1400 de 3/4" Asumiendo un factor de recuperación de presión de 0.8)^ (24 psi . esto debe ser de 8 GPM.5 psi) = 15. Oimeneionee roeca- golvonlzodo. A . Todoe lae u n i o n e e d o e de h i e r r o 2 . Hernondez I: 10 FECHA: Septiembre 1982 Fl 6 URA O . Conoxio'n p a r a t u b e r í a 0 = 3/4" D. Gómez L.B. B. Conexión p o r o tuber i'a 0 = 1 lA^" C. Con«Ki<ín p o r a tuben'o 0 = l " E. LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO TANQUE DE NIVEL 300-2 G. M. en m m . Fondo d e l tanque NOTAS: 1. ELEVACIÓN PLANTA FACULTAD NACIONAL DE MINAS DISEÑO: DIBUJO: ESCALA: J . FIGURA e-A . o o Conoultan p a r o t u b e n ' a 0 = 1 1 / 4 " C o n e x i ó n pora t u b e r í a 0 = 3 / 4 * Conexlo'n para Fondo del tubería 0 = I " tanque NOTAS: 1.B. M. T o d o e loe u n i o n e e roecod o e d e t i i e r r o golvonTzodo. Gómez L. C. ELEVACIÓN o K> PLANTA \ FACULTAD NACIONAL DE MINAS DISEÑO J. Q E. Hernández B. Todoe loe dimenelones en ffl m. LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO TANQUE DE NIVEL 300-3 DIBUJO ESCALA. G.982 FECHA. 10 Septiembre 1. 2. A. -2 X 10 22ises cp ^ n.5 m „ .125 ra" _ .9 gm -a_ cms „ ir.0062 x 2.81 8 (McCabe Tabla 5.125 ra^ 2 s " ^ ^= r • ••' • 1 ^ ^ = '^f T o t a l g A Z = 0 . co „2 i. 0.017 n i e / s ' . s j. 5-5) (3) 2 hfs.035 m _ ¿ « 0.135 m X 0.2 0.Da j n — 8^ ^^s Total = 1. m s x 1000 Kq/m^ Nr = D\l/^ M 0.22 m^ 2 8 2 s7" ^^^A " (3 X 0. .5 0.0062 (McCabe Fig.Velocidad = 3 0. 2 i ^ _ = 0 .9 + 10) X 0.„ ^.j.1) (3) 2 ra 2 ^2 2 V2 2 g = 0.01 m/cm • -1^= 19444 f = 0. 2 ra + 43 .4 f _ C _ — V — : = 4 X 0.OOl Kq/g 0.0104 p i e ^ _ i co ^<^ 1 ' " . 5 0 _m. 2.1. esto es.5 Selección rotámetro de salida Este rotámetro debe tener las mismas características del de entrada. 44 . en el sisteraa de nivel. Para facilitar la utilización de un transmisor tino celda diferencial estandard. 2 (1) Dejando un margen de 15 cms en el tanoue. y aderaás los mecanismos de supresión de rango es conveniente elevar los tancfues a una altura de 70'* (1.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) . sirve el modelo 10A3000 hasta 60 litros/mln de Fisher & Porter.) La Figura 8 muestra el diagrama esquemático del tanque.8 m aprox. 5. 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. " el volÜT'. Este instrumento sirve tamhit^n para transmitir la .5.\ni:uG drbr t m n r ca acidad paro alm: cenar tros vece.sher multipunto tara! ien utilizado en los sistemas de flu^o y temperatura on el Laboratorio.. ol más conveniente para la aplicación roftuerida os decir . es el de ti'^o celda diferencial. 5. y de 3 .^umir.r-nto de 250 litros de capacidad.250" de agua a la entrada. Por lo tanto se elige la celda Foxboro modelo 13 con un rango de 20 .cle^/ador. i v e l ..f¡ . T 1 vórtices.2. y además garantizar .en de los tanc.uf.in Se selecciona un taii' uo de a3>iesto cem. nom a . roC'elección Este t.sores transmisores / controla- dor registrador.i trr.^^elección de tan^u d.señal y por lo tanto se comporta como senr-or-transmisor.1.1. De entre los sensores disi'oni^les j ara i ^ .7 Selección de son.2. en o¡>eraci'1n erjto er. 45 . ^ P por su versatilidad. rl controlador será un Foxl-mro 4 3 .15 psi a la salida. 120 litro-. El registrador será un Fi.^ara reali- zar control regulante. robustez y economía.. Un efecto importante. Por otro lado los equipos de intercambio usados en transferencia de calor constituyen un caso típico de sistemas con parámetros distribuidos. 2.5. debe permitir ' 1. Estudiar el efecto de diversos modos de control apli- cados a temperatura.3 TP^IPFRATURA La temperatura es auizá. Reconocer las características de sensores y transmiNeumáticos y electrónicos. Desde el punto de vista dinámico los procosos de temperatura son en general lentos. Prácticamente es el parámetro determinante en situaciones en que presión y flujo carecen de importancia (procesos con sólidos. la variable más controlada en procesos. 46 . ya ciue sus cambios están regidos por la capacitancia del medio para el cual se mide la temperatura y de los parámetros de transferencia de calor. por su frecuente ocurrencia y su capacidad desestabllizadora. reacciones en raedio líquido en cochada). Un sistema de control de temperatura en el laboratorio. este es particularmente importante en sistemas de control de temperatura. lo constituye el denominado Retraso de Transporte. sores de temperatura. . Controlador eléctrico y neumático. 2. 3. 6. Sistema de agua fría. Sistema para simulación de Retraso de Transporte. Sistema de calentamiento de agua. 4. El sisteraa seleccionado para tal fin se muestra en la Figura 9. 7. 4. ' ^ . Admitir la presencia de perturbaciones. Elemento final de control eléctrico y neuraático. Sensores electrónicos y neumáticos. Identificar la presencia de Retraso de Transporte y analizar su influencia en un sistema de control. Con el propósito de lograr los objetivos anotados antes el sistema de temperatura debe contar con las siguientes facilidades: . Mezclador de fluidos a diversas temperaturas. 47 . .3. ^ 5. : 1. • : . UJ o o < ot QC OC u oc UJ h.=» O < Ul 9: < ir -O tn m oS o> o o 8 E -o O -g X 0 co < o cn UJ tn o o X o o T nI í- o « 3 tr c o 1- u o x> « O o b O o a O» m ) — < O 1 o cvl O O IO O o • < . situado alrededor del tanque agitado 2 (ver Figura 9) y en donde la variable controlada es la temperatura de salida.2 Sisteraa de Retraso de Transporte Corao fuente de agua caliente. I KB 5.3.1. al usar un método de transferencia de calor. resulta conveniente el uso de un calentador de agua doraéstica. por contacto directo entre dos corrientes de agua a diferente temperatura. representar un sistema con Retraso de Transporte y un sistema de control de temperatura con retrasos siraples.3.3. 1 ^H|. es causado estrictamente por la demora de transporte entre el punto de mezcla y el de medición de temperatura. 5.1. la variable manipulada es el flujo de agua caliente y las perturbaciones.TRC . y facili- 48 . confiabilidad.m ^ 1 I I . la temperatura arabiente y la temperatura del agua caliente. el flujo de agua fría.1 Cálculo de unidades 5. con lo cual el proceso de transporte es rauy rápido y el retraso de señal. t El primer objetivo se logra.1. ^ El segundo se logra. con 60 galones de capacidad. a saber.1 Bases de diseño El objetivo del sistema mostrado en la Figura 9 es doble.1 y TCV . debido a su disponibilidad. mediante el ciclo TT-1 . T- (M_ F + 3. cuando la temperatura deseada sea de 35°C (mezcla total 11.78 litros/minuto. se considera que es necesario al menos un retardo capaz de registrarse en 1/6 de pulgada por lo tanto equivalente a 10 segundos. de agua a 70°C (8) por lote de agua calentada.5 (50) M_ r = 5.dad de instalación.25 lltros/mln Para temperatura deseada 30°C M„ =8.2 litros/rain Para temperatura deseada 45*C Mp = 3. La citada capacidad es la más grande disponible comercialraente y suministra por lo tanto 3.5) 20 = 3. Seleccionando como temperatura deseada 4 0°C. la cantidad (M ) de agua fría (20°C) necesaria para la mezcla viene daF do por.5 litros/rain / Dado que la velocidad de registro más rápida disponible comercialmente (9) es de 1 pulgada de avance/minuto.7 litros/rain) 49 . 50 . Para economizar espacio. 12. con retraso de transporte de 1/10 respecto al asociado al tramo largo. delraismodiámetro. el retraso de transporte involucrado será de 1'95 — ' = 16 segundos El cual se registraría en 7 mm de papel en el registrador. se dispondrá un tramo recto de 1. el flujo involucrado.5 m. la tubería en espiral.95 litros Si se selecciona una tubería de 3/4" B I ' 7 G No. Para permitir comparación.Esto supone un tramo de tubería con un volumen de 11. se requiere un tramo de 14 metros. resulta conveniente disponer. Si la temperatura deseada es de 45°C. usando tubería flexible de diámetro interior equivalente. entre el punto de mezcla y el de medición de temperatura.7 litros X = 1. Un rotámetro. permitirá conocer en cualquier instante. 982 FIGURA 10 ELEVACIÓN B-B . " • " ^ — P 101.H « f »- JJ 1750 2000 J PLANTA ELEVACIÓN A-A ELEVACIÓN C-C 9 -00- II—iSh-{X}- A h o í T -X•iXi- O o 200-1 300-1 FACULTAD NACIONAL DE MINAS DiSEfio: DIBUJO: J. G.M. A.I -XJli ESCALA: FECHA: 20 inri -DrenajA DE TEPERATURA (DISPOSICIÓN) Septiembre 1. Gonnez L. I : LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO SISTEMA DE CONTROL Hernández B. 2.17 (5 ^ Q^75 H 7) = 1.&r^ mm Nr = D\i¿— ^ M O 622/12 x 3.87 p i e s = 0 . 6 5 X 6 .35 x 61.5.007 (10) AH " = 4 f L D V^ = 2 = y.35) 2 X 32.8 m / s ^ - Accesorios 7 tees de 1/2" 5 codos de 1/2" Ahf (3.3.1 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 d e 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 d e 1/2" d. 2 5 K q / i J En m d e a g u a a 4 5 ' C = 4 . 2 2 s m = o 46 AP = 4 .p^. ^f.58 m / s 4535.84 _4 0 .s = 24583. 2 4. 5 8 X 9 9 0 . 5 3 ra / s 9.33 f = 0. co 2 . 7 ? X 10 Ib/pie^ lh pie .1. 5 7 m (10) 51 .34 Kgm .cd 4 0. 0135 ^ ^ .00862 h f s =• 4 x 0 .31 0.58 x 61. 5 4 X 1. con diámetro de hélice 40 cm.2 válvulas de corapuerta 2 ^^'?.01/ 0^532 12 (10) 1. . 0 0 8 6 2 X 14 0. m"^ 2 8 h f s = 3 4 .17 (2 X 0.532/12 X 4.17) = 0.1 = 37. JLÍJZ— .54 ^.Q2 2 = 34.^^ 2 X 32.99 ra^ 2 8 En m e t r o s d e a g u a = 3 .018 m (10) 14 metros de tubería de 3/4 n v J G 12 dispuesta en hélice.58 pies/s Nr® = 0.08 (18685)-°'^^ H 0. V = 4. 8 7 m 52 .72 X l O ' ^ ^ 18685 fc = 0.84 6. 37 x 61.4 m 0>622/12 X 2.27 .25 1000 ^ 35^3 .72 x lO"'* f = 0.2 m de agua (densidad 900.G 10 Flotador No. 3/4 GNSVT-56. entre el punto de descarga (2) al tanque 2 y el punto de raezcla (1) es entonces de 5. ^35^33 ^^^ ^^^^^ 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 : Velocidad =2.84 _ 3^130^ 7 6.007 53 .25 Kg/ra ) Como se descarga a presión atmosférica la presión en el punto 1 debe ser 51.37 ples/s Nr^ = 2.Rotámetro Como rotámetro conviene seleccionar un Fishor Porter modelo 10A270n de 3/4" No. de tubo F P 3/4 . con capacidad de 19. para el cual la caída de presión es de 0.29 m de agua (11).1 litro/ min. La caída de presión a 12 litros/rain.03 X 990. 5 litros/ minuto o en unidades inglesas (aún son comerciales) 18 pies de agua a 2.56 Kpa (abs) por lo tanto se requiere que suministre una cabeza de 55 Kpa con un flujo de 8. hay disponible 0. 3 tees.242 m Total pérdidas entre 1 y 4 = 0. ' En estas condiciones la bomba adecuada es una tipo regenerativa (turbina) I I I M modelo R-1/2 de 1750 RPM y 1/3 HP (12) Válvula de control Para la válvula de control.007 X — ^ .016 r.P.. — x (0. = i oo m"^ r.484 m de agua a 20° (098. 2 válvulas de compuerta 2 hfs = (2.112 m de agua a 20°C 2 codos.24 C.73 Kpa. s = 0.35 psi S4 .-V I' Ahfs = 4 x 0.13 m Total pérdidas por tubería y accesorio 1 y 4 = 0.M.37) 2 x 32.72) " 0.2 X O 17) = 0.17 j2 ^ f^^-j^ I .J .3 I .83 » 4.242 ra Más caída en válvula de control = 0. Bomba La presión de descarga de la bomba debe ser 135.73 = 140.23 Kg/m^) Equivalentes a 4. 47)^ .242 X 9 .5 litros/rain agua a 7n°c (0.04 Kpa Presión es el punto 3: 135.54 X 61..54 pies/s N^ = ".033 = 0.033 m 2 X 32. t •X ' (0.0.4. 0.17) = 0.1.4 X 6.7 \|o.72 X 10 = 0.0072 X ^ .43 0.84 ^ 14555. 8 X 0.0072 (10) •4 hfs = 4 X 0.^ ion Cv = •? 42 •^ 0.87 Kpa 55 .99823 x J .35 ) = 5.^"— (0.493/12 X 1.72 m*^ rt Accesorios 2 tees.0125 - X (n. (13) (Figura 10) tubería 3/8" Hch 40 3.04 = 136.83 » .^ — 0.17 hfs = 0. 1 codo y 1 válvula compuerta 2 ^^^ = ^^^^^.47 m/s) V = 1.106 m Equivalente a un Ap entre 1 y 3 de 1. de característica lineal Se selecciona una válvula de aguja Foxboro V4A tipo M Entre el r^unto 1 y el punto 3 Flujo: V.75 I -2I .073 + 0. Controlador Se empleará un controlador neumático tipo 43 A de Foxboro.Equivalentes a una presión manométrica estandard de 5. a la descarga del calculador. integral y derivativo. - El instrumento envía una señal de 20 . Indicador de temperatura 56 . tiene un rango 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.53 psi. Este instrumento es totalmente compensado. Sensor transmisor de temperatura Con el propósito de ilustrar al estudiante sobre los diversos sensores de temperatura se selecciona un conjunto de sensor clase IA con transmisor neumático marca Foxboro. se puede ajustar en el aparato un alcance de 24 a 46°C. presión aue puede ser suministrada por la línea del acueducto.100 Kpa y requiere 120 Kpa en aire libre de aceite. con modo proporcional. 1. conduce a la siguiente ecuación (A) V p Cp dTs ^ f-c p Cp Te + F f P CpT . se logrará un nivel de temperatura a la salida.3. 5.F s ^ CpTs .Se empleará un termómetro bimetálico de carátula con rango de 0-100°C 5. En la Figura II se muestra esquemáticamente el sistema aislado.3. V = Volumen r e t e n i d o en 2 J> = Densidad [ib/ple^] Cp « Capacidad c a l o r í f i c a [pie j F BTU 1 . el cual constituirá la variable controlada.3.Qr .1. d e En donde: > • -. Cálculo de instrumentos y equipo Un balance de energía alrededor del tanque 2 (Figura 11).1. • [ib'F J Ts « Temperatura de salida ["F1 © » Tiempo Fc » Flujo agua c a l i e n t e [pie / h r j 57 .3 Simple. Sistema de control de temperatura con retraso Este sisteraa usará agua caliente proveniente del calentador I (Figura 9) vraediantemezcla en el tanque 2 (Figura 9) con agua fría. * - OISEAO: DIBUJO: ESCALA: FECHA: a A. 6.982 FACULTAD NACIONAL DE MINAS LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO SISTEMA CON RETRASO SIMPLE PARA CONTROL DE TEMPERATURA FIGURA II . Gómez L.. • ' . Hernondez B sin escolo Septiembre 1.7 ^ TR Aguo Caliente Agua Fría Ft Tf r r z 300-1 iJL*. M. se pueden considerar constantes O y Cp. Con el propósito de determinar la dinámica del proceso entre Ts (variable controlada) y Fc (variable manipulada). Dado que la temperatura máxima disponible son 7 0 "C. • ' .Te = Temperatura agua caliente rFj -1 I T - -1 pie /hrj = 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 .77 0. de hecho son las perturbaciones que exigen compen- 58 . y.To) (15) To = Temperatura ambiente [ ' F J Para evaluar hr hr 0>61 X 0.73 BTU hr pie' 4.5 lltros/mln) y constancia en el valor de F^ Ty: y Te y To (su efecto en el valor de Ts. rcüole.18^ 158 . .173 (6.47^) —1 •F I • . es conside. se asumen pequeñas variaciones en Fc alrededor del valor normal (3. ' .77 x 4.3 J 62. •'.Ts (Pe + F^ .K^) (B) donde K. .sación. " . • • ' ' . = 0. ' JJ* I. • . 4 Ib/pie" 1 BTU 16 "F Te To = 70*C : = 20«c .'••- La ecuación (A) se escribe en términos de incrementos (14). 5 litros/min = 20*C p Cp = = 6 2 . su efecto puede ser calculado por separado y sumados para determinar el comportamiento total del sistema) F^ Tx = 8 .4 ís = Valor raedio de Ts Fc = Valor raedio de Fc .' .--3 35•C Qr Este parámetro refleja el efecto de las pérdidas por ra- 59 .y • : -J • y '. sin embargo haciendo uso del principio de superposición. quedando como: V dTs d6 Fc (T^ .Ts) .-' '^' . 05 = 1. . el volumen es: ' . 60 . • ''A' IT ' L • • • ' • "•':•* .•>• V = (7. ' • • Fc + F. la altura se lleva a 600 mm. Para facilitar el funcionamiento del sistema de retraso de transporte.) x 0. 1 • • ' - Ts = Ganancia de estado estacionario • ' " • • • ' . . considerando un área expuesta de 4.25 pie^ que pueden ser dispuestosen un recipiente de 400 mm de diámetro por 300 ram de altura.3 pie su valor puede despreciarse.••' -:. por facilidad de operación y registro.J: - Dimensiones del recipiente 2 Asumiendo corao buena T « 0.4 + 18.• " • • 1: - • • ••. ^ y por Reordenando (B) : A ^ fC + F Z d \pc • F^ ' Fe En donde Fc • ^ V FJ = Constante de tiempo (T) T.2 diación.05 hr. se realizará por una tubería de 3/4.5 litros/min Agua a 70'C.93 pies (1.4 ^ 10349 15 0.4 X 6.86 ples/s (16) 0. (16) Válvula de control Flujo: 3.622/12 x 0.79/144 Accesorios: = 0. 2 válvulas de globo longitudes equivalentes (pies) = (3 x P . 3.4 X 6.72 X 10"^ f = 0.622 ^ (Q ggj2 X 62.2 m) diámetro 1/2" Sch 40 0.86 x 62.012 psi 3 tees.4 2 X 32 = 1.s p = 62. 2 codos.81 pies/s) con una válvula de compuerta abierta 60%.4 Ib/pie^ (3) M = 0. Ib pie .La descraga del tanque 2. requiere una cabeza de 30 cms de agua.08 (3) ^^Tub ' * "^ ^^'008 X 3. ) H (2 x 10) + (2 X 900) = 1844 pies (16) 61 . la cual a 12 litros/min (1.72 X lO"^ Tubería: Velocidad: Nre = Long.93 X 12 0. 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 ) s i Flujo: 3,5/3,785 = 0,9247 galones/min c^ - j L ^ 0,6 1/24,4 = 0,31 : 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, tipo 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 naturaleza 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 destilación, operaciones de secado (en que la presión puede ser de vacío). Típicamente está asociada a fluidos compresibles o sistemas de proceso que involucren fase gaseosa. Un sistema que permita en el laboratorio, el manejo de fluidos 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 oresiones y caídas de presión, se comportan como flujo incompresible con buena aproximación (3), para altas presiones y/o caídas de presión, se diferencian netamente y deben entonces tenerse en cuenta efectos sónico, variabilidad en viscosidad, 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 menor que el 50% de la presión aguas arriba P- 64 la técnica de síntesis y monta- je de sistemas de control secuencial (estático). flujo compresible. . debe permitir: •• • 1..1 P^ < 0. . * ^ de dos posiciones (on ../- ' ..• . •«!'"=TI V.jy.- . . 5. . / • " • : ..• .p < .. . . ' _ / . .•: .•••/ • 4. ^••' 3. Identificar la dinámica de elementos sencillos con 2. • • • • • • • .off)..'-'^.'d'' : . Introducir y aplicar. Aplicar modos de control PID y analizar su efecto en ' ...53 Pj^ (19) En tal situación se establece flujo sónico en la restricción V la presión aauas abajo (P-) deja de tenor influencia sobre la intensidad del flujo^ El sistema de control de presión en el laboratorio..--. instala- ción y operación de instrumentos aplicados al flujo compresible. • •. • el control de presión.:. :". . ' ' • " . . . .. fi . .• í - '• • • ' -. . Reconocer y analizar el uso de elementos de control '" .I . .. Reconocer las earaeterlsticas de selección.•> .::. 4.1 Bases de diseño Se dispone de un compresor de 8 Scfm a 100 psi de descarga. 66 . deberá llegar una línea de conducción de aire.4. 5. Tal sistema incluye para simular el control usado en calderas pirotubulares y para realizar control proporcionante de presión.Para cumplir con estos objetivos. Se dispondrá de indicadores de flujo de aire para facilitar la identificación de dinámica. Se diseñará con una constante de tiempo teórica de mínimo 5 segundos. se diseñó ol sistema mostrado en la Figura 12. se descargará a la atmósfera. para ser empleado en el sistema de control secuencial.1. Para el sistema de control de presión proporcionante. a través de una válvula solenoide. Al tanque de presión 301-2. se usarán instrumentos comerciales.1 Cálculo de unidades 5. 1/2" -Ah -iXh V-8 V-2 302-2 ELEVACIÓN A-A ELEVACIÓN B-B FACULTAD NACIONAL DE MINAS DISEÑO DIBUJO ESCALA: j . 0--\/?.' T V-6 HXl V-4 30! V-3 ÍX}0.8 ^«^ V-l Volvula Autorreguladora V-2.V-3. Hernández B I : 20 FECHA S e p t i e m b r e 1.982 F IGUR A . M. LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO SISTEMA DE PARA CONTROL PRESIÓN 12 6. V-7. V-6. V-8 Volvulos de agujo V-4 Válvula Solenoide de compuerta l" V-2 V-9 Válvula 101 Bomba ^-^l V-8^PfV> 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 40 301-2 ^ 2. A. Gómez L. se empleó la ecuación ^'^ . ^ T AL_ 2 ge r„ PJ y se procedió a realizar un procedimiento de ensayo y error para hallar Pa .4. lo cual puede asumirse dadas la presión y la velocidad bajas necesarias. Selección de flujo normal. diseño.^ ^ ' ^ .2 Sistema de control de presión proporcionante.2 Ib /ple^ (abs) 67 .. Se usará un sistema de control de estado sólido. 5. ^ i .ln q„ Pa Pb 2 . a través de la línea de descarga. para cumplir con las bases de = Peso raolecular Ib pie "R Ro = 1545 Ibmol T = 533 °R Pb = 1771.En el sistema de simulación de la caldera se recirculará el agua.1. En la ecuación M (c) Lli y G. Suponiendo flujo isotérmico.^ ^ 2 RoT ( ^ ' . .3 psia ' V . Tubería 1/4" Sch 40 2 válvulas de aguja 3 . pa = 21. facilitando el registro de la señal se seleccionó entonces una 68 . ' : ' ' ^ ^ -^ 6 X 16.3 psia scfm Constante de tiempo = 10 s .40000 cm /rain aire a 0*y atm. m Resistencia (a flujo normal máximo) = 16. . ' . • "• ' • ^ • ' V' •' ' 1 rotámetro Rango O . • - • Intensidad de flujo normal máximo: Capacitancia = 37000 cm /min . ' .20 litros) (1) Fl sistema permite auraentar la constante de tiemi^o. ' " *>. v •••f.3 psia pb = 12. ' .7 = 0.15 pie^ (= 4. .3 X 14. ficó mediante el uso de válvulas de aguja.X 0^622 p.ge = 32 Ib pie Ib m s ^H = -i. Del trabajo anterior se obtuvo el siguiente conjunto de valores para los parámetros.^^ 4 12 Este valor se modi- AL = longitud equivalente de tubería. d '] ' ' • '. la caída de presión.166-5/35 para aire. Cv = 79. A flujo máximo. de Foxboro. ? ! m de alto. (ver Figura 12). FP-3/8 .7 = 1. el cual será alimentado por el compresor mediante válvula autoreguladora. 3 X 14. Como rotámetros se seleccionan 2 unidades del nodelo lOMOlS de Fisher & Porter de 3/8". se diseñó el tanque 301-1. ])ara lo cual el volumen del tancue 303-2 (Figura 3 2) resulta ^ " " l ' ^ ' . motor neumático de 3-3 5 psi para ^tar-intizar una presión de suministro de 26 psia. 69 . Sch No. deberá r . = "'^302 (7) Esto perm.ite seleccionar una válvula de aguja tipo V4A modelo F.constante de tiempo de 2 min. Válvula do control.2 1360 \i-^^^^ K 5 X 21.3 m de diámetro y n.8 pie-' (= 51 litros) Se disponen entonces en un recipiente cilindrico c*e 0. e r asumida esencialmente por la válvula de control. 70 . miniaturizado de tres modos serie 45 modelo 51 Pe. (punto 5. de ajuste remoto). inyección de combustible y com. el tantiue 301-2 para presión y flujo de vapor y una serie de pilotos. neumático. Con una válvula de corapuerta en la descarga. (16) Se seleccionó una bomba centrífuga de 1/2 l í P marca IIIM.1. semiabierta.3 Sistema de control secuencial (dos posiciones) Este sistema constituido por los elementos no incluidos en el numeral anterior. mediante el tanque 302-1 para el nivel. que indican sucesivamente inyección de aire. permite simular el comportamiento de una caldera pirotubular.bustión. la cabeza requerida es de 12 m de agua. esto requiere bombear 23 galones por minuto de agua a 25*C. ignición de electrodos. 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.Fl sistema dir^eñado presenta realimentaciór unitaria y no recíuiere transmisor. y mostrados en la Figura 12. con facilidad para montar sistemas en cascada.4. Como controlador se selecciona un Fisher & Porter. Como presóstato se selecciona un A^ülCROFT modelo C/505 20 psi.r . de marca GEMS (Transamérica de Laval). y • •. La Figura 13 muestra el circuito electror. este circuito implemen tado en estado sólido será el construido. se seleccionan dos unidade. para asegurar funcionamiento normal a la bomba..rotor con diámetro 4.5". . J . ' . Como nivelostatos. succión 1 1/4" y descarga 1" El tanque 302-2 (Figura 12). 71 .T LS-1900.ecánico básico para el simulador de caldera. tiene una capacidad de 175 litros. . Go'mez L LABORATORIO DE CONTROL AUTOMÁTICO SISTEMA DE CONTROL SECUENCIAL G...ptiembre FIGURA 13 . M. — TC 60S I I Presión Mínimo Presión Máxima TI H h <z> FACULTAD NACIONAL DE MINAS DISEÑO DíBudCi ESCAiA Fttf J A. Hernández B Sin escala 1.982 v.Nivel Mínimo Nivel Máximo PI cn Aire Ul nkf Q3 Combustible H I U2 H^ T2 TA I 2S Fotocelda Combustión s.I f Solenoide Rl H h NI SI Electrodos .