INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÒPEZ MATEOS

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÒPEZ MATEOS MODELADO Y SIMULACIÓN DE UNA CALDERA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LAZOS DE CONTROL CON PLC TRABAJO TERMINAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN PRESENTA: AVILA REYNA ALDO PEREZ BRANDT JUAN MANUEL ASESORES: ING. HUMBERTO SOTO RAMIREZ ING. OMAR NAVA RODRIGUEZ MEXICO, D.F. 2010

2 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA UNIDAD PROFESIONAL "'ADOLFO LÓPEZ MATEOS" REPORTE TÉCNICO QUE PARA OBTENER EL TlTULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN POR LA OPCiÓN DE TITULAClÓN DEBERA(N) DESARROLLAR CURRICULAR C. ALDO A VILA REYNA C. JUAN MANUEL PÉREZ BRANTD "MODELADO Y SIMULACIÓN DE UNA CALDERA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LAZOS DE CONTROL CON PLC" LA REALIZACIÓN DEL MODELADO Y SIMULADO DE UNA CALDERA CON AYUDA DE UN SOFfWARE y EL ESTUDIO DE ALGUNAS VARIABLES DE PROCESO CON EL FIN DE ESTUDIAR Y PODER DESARROLLAR LAZOS DE CONTROL CON PLC (CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE).:. REALIZAR EL SIMULADOR DINAMICO DE UNA CALDERA EXISTENTE EN LA INDUSTRIA CON LA A YUDA DEL SOFTWARE VISUAL BASIC..:. REALIZAR LA VINCULACIÓN ENTRE VISUAL BASIC y ALLEN BRADLEY PARA OPERAR LAZOS DE CONTROL CON PLC (CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE). :. REALIZAR LA SIMULACIÓN MATEMÁTICA MEDIANTE EL USO DE LA HERRAMIENTA DE MATLAB LLAMADA SIMULlNK. MÉXICO D. F., A 16 DE AGOSTO DE ASESORES ING.H ING. OMA~A RODRiGUEZ O ESAR JE EPARTAME TO ACADÉMICO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

3 Índice Objetivo Justificación Planteamiento del problema Hipótesis Introducción Capítulo I.- Marco Teórico Introducción teórica Generalidades Caldera de vapor Breve historia de la caldera Tipos de calderas Clasificación de las calderas Según su uso Según la presión de trabajo Según su capacidad Según el material de construcción Según el tamaño Según el contenido de los tubos o diseño Caldera piro tubular o de tubos de humos Caldera acuotubular o de tubos de agua Según la forma y posición de los tubos Según la fuente de energía Según la clase de combustible Según el fluido utilizado Según el sistema de circulación Según la posición del hogar Según el tipo de hogar Según su forma general Según el nombre o marca registrada del fabricante Según el tiro de los gases Según el modo de gobernar la operación Según propiedades especiales Según su volumen Partes principales que componen una caldera Accesorios Accesorios de observación Accesorios analizadores de gases de la combustión Accesorios indicadores de temperatura Accesorios de seguridad Accesorios de alimentación de agua Accesorios de limpieza Accesorios de aumento de eficiencia Accesorios de control automático Descripción de los accesorios Ingeniería en control y automatización VIII IX X XI XII Página II

4 Accesorios de observación Accesorios de seguridad Accesorios de alimentación de agua Accesorios de limpieza Accesorios de control Control e instrumentación de la caldera Control de combustión Caudal fuel caudal aire en serie Presión vapor caudal fuel en serie / caudal aire en serie Caudal aire caudal fuel en serie Caudal aire caudal fuel en paralelo Control de nivel Método que se utilizan para el control de nivel del agua Control on / off Control modulante Utilización de controles y alarmas de agua en una caldera Control de presión Capítulo II.- Descripción De La Caldera Piro Tubular Selección de la caldera Equipamiento Ventajas de la caldera UL - S Mejoras de la caldera UL - S Características de la caldera UL - S Dimensiones de la caldera UL - S Aplicaciones de la caldera UL - S Fallas posible en la caldera Control propuesto para la caldera Elementos de control que utiliza la caldera Capítulo III.- Desarrollo De Ingeniería Selección del software y desarrollo de la simulación Desarrollo de algoritmos Ventana principal Algoritmo de ventana principal Diagrama de flujo de ventana principal Ventana menú Algoritmo ventana menú Diagrama de flujo ventana menú Ventana de simulación dinámica Algoritmo de ventana de simulación dinámica Algoritmo modo manual Diagrama de flujo modo manual Algoritmo modo automático Diagrama de flujo modo automático Subrutina de reloj de envío y recibo de datos Código y propiedades utilizadas en Visual Basic Características de los elementos de Visual Basic utilizados en el Ingeniería en control y automatización Página III

5 simulador Etiquetas (Label) Imágenes (Images) Relojes (Timer) Botones (CommandButton) Checkbox (Checkbox) Caja de texto (TextBox) Figuras (Shape) Código utilizado para la comunicación Construcción del simulador Flowmeter Bomba Sensores Tanque Quemador Llenado de agua Accidente agua y fuego Vaciado de agua 3.5- Ventana cálculos extras Implementación de lazos de control con PLC Configuración para la comunicación Control de nivel Control on / off Control de temperatura Control propuesto de la caldera Modelado de una caldera a partir de la implementación de lazos de control Modelado a bloques de una caldera a partir de la implementación de lazos de control Obtención del modelo a bloques de la caldera Capítulo IV.- Estudio de Costos Estudio de costos Actividades desarrolladas y tiempo empleado Recursos utilizados Desarrollo de ingeniería Monto por actividad Estudio financiero Conclusiones Glosario Bibliografías Referencias Anexos Ingeniería en control y automatización Página IV

6 Índice de figuras Figura 1.1 Caldera tipo piro tubular Figura 1.2 Caldera tipo acuotubular Figura 1.3 Partes de una caldera Figura 1.4 Puerta del hogar Figura1.5 Lazo de control caudal fuel caudal aire en serie Figura 1.6 Lazo de control presión de vapor caudal fuel en serie / caudal aire en serie Figura 1.7 Lazo de control caudal aire caudal fuel en serie Figura 1.8 Lazo de control caudal aire caudal fuel en paralelo Figura 1.9 Lazo de control de nivel de acuerdo a la salida Figura 1.10 Lazo de control de nivel con electro niveles Figura 1.11 Lazo de control de nivel con flotador Figura 1.12 Lazo de control de nivel con respecto a flujo en la salida Figura 1.13 Lazo de control de nivel con realimentación y relé comparador Figura 2.1 Caldera piro tubular modelo UL S / UL SX Figura 2.2 Componentes de una caldera piro tubular modelo UL S / UL SX Figura 2.3 Componentes de una caldera piro tubular modelo UL S / UL SX Figura 2.4 Tuberías internas en la caldera Figura 2.5 Caldera descrita en su forma de operación Figura 2.6 Lazo de control de temperatura propuesto Figura 2.7 Lazo de control de presión propuesto Figura 2.8 Sistema de control descrito por los lazos Figura 2.9 Sensor de electro nivel Figura 2.10 Quemador Figura 2.11 Funcionamiento del quemador Figura 3.1 Visual Basic 6.0 Figura 3.2 MatLab 7.0 Figura 3.3 Ventana de inicio del simulador Figura 3.4 Diagrama de flujo de la ventana principal Figura 3.5 Ventana menú para selección de aplicación Figura 3.6 Diagrama de flujo menú Figura 3.7 Simulador en Visual Basic Figura 3.8 Diagrama de flujo modo manual Figura 3.9 Diagrama de flujo modo automático Figura 3.10 Diagrama de flujo subrutina envío y recibo de datos Figura 3.11 Flowmeter Figura 3.12 Tubería Figura 3.13 Bomba Figura 3.14 Sensores Figura 3.15 Tanque Figura 3.16 Quemador Ingeniería en control y automatización Página V

7 Figura 3.17 Llenado de agua Figura 3.18 Accidentes de agua y fuego Figura 3.19 Formula de capacidad de producción de vapor en las calderas Figura 3.20 Ventana cálculos extra con la pestaña de capacidad de producción, activa Figura 3.21 Ventana cálculos extra con los cálculos realizados Figura 3.22 Ventana cálculos extra, errores posibles Figura 3.23 Ventana cálculos extra Figura 3.24 Ventana cálculos extra con los valores correspondientes al problema Figura 3.25 Ventana del software RsLinx Figura 3.26 Configuración del software RsLinx Figura 3.27 Configuración del driver Figura 3.28 Elección de una estación Figura 3.29 Ventana del software RsLinx Figura 3.30 Configuración del tópico Figura 3.31 Nombre del tópico Figura 3.32 Ventana simulador dinámico Figura 3.33 Ventana del software RsLogix 500 Figura 3.34 Ventana para guardar los archivos Figura 3.35 Ventana del software RsLogix 500 Emúlate Figura 3.36 Selección de la estación Figura 3.37 Ventana del software RsLogix 500 Emúlate Figura 3.38 Programa del PLC (Controlador Lógico Programable) Figura 3.39 Programa y simulación en operación Figura 3.40 Programa del PLC (Controlador Lógico Programable) Figura 3.41 Simulador en operación Figura 3.42 DTI (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) propuesto Figura 3.43 Línea 0000 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.44 Línea 0001 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.45 Lámpara verde encendida en el tablero del simulador Figura 3.46 Línea 0002 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.47 Lámpara roja encendida en el tablero del simulador Figura 3.48 Línea del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.49 Control de nivel en marcha en el simulador Figura 3.50 Linera 0004 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.51 Control de temperatura en marcha en el simulador Figura 3.52 Línea 0005 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.53 Alarma de presión alta en marcha en el simulador Figura 3.54 Línea 0006 del programa hecho en RsLogix 500 Figura 3.55 Conteo de litros en el simulador Figura 3.56 Variables no utilizadas en RsLogix 500 Figura 3.57 Modelado en MatLab del lazo de control de nivel Figura 3.58 Señal de ajuste de los sensores Figura 3.59 Ecuación del sensor Figura 3.60 Gráfica de operación de los rangos del sensor de nivel Figura 3.61 Variador de nivel del tanque Figura 3.62 Controlador On Off Figura 3.63 Función de transferencia del elemento final y de la planta Ingeniería en control y automatización Página VI

8 Figura 3.64 Gráfica de la señal de respuesta de nivel Figura 3.65 Modelo MatLab de lazo de presión Figura 3.66 Gráfica de operación de los rangos de la válvula para presión Figura 3.67 Gráfica de operación de los rangos de sensor de presión Figura 3.68 Planta en lazo abierto Figura 3.69 Retroalimentación mediante sensor de presión Figura 3.70 Gráfica de señal de respuesta de presión Figura 3.71 Modelo en MatLab del lazo de temperatura Figura 3.72 Señal de ajuste a 235 ºC Figura 3.73 Gráfica de operación de los rangos de la válvula o elemento final Figura 3.74 Gráfica de operación de los rangos de sensor de temperatura Figura 3.75 Lazo cerrado del sistema Figura 3.76 Gráfica de señal de respuesta de temperatura Figura 4.1 Actividades desempeñadas en el simulador Figura 4.2 Actividades desempeñadas en el modelado Índice de tablas Tabla 1.1 Control de agua de alimentación de acuerdo a la capacidad del tanque Tabla 2.1 Características de la caldera piro tubular modelo UL S / UL SX Tabla 2.2 Dimensiones de la caldera piro tubular modelo UL S / UL SX Tabla 2.3 Daños frecuentes en un caldera Tabla 3.1 Propiedades de las etiquetas (Label) Tabla 3.2 Propiedades de las imágenes (Images) Tabla 3.3 Propiedades de los relojes (Timer) Tabla 3.4 Propiedades de los botones (CommandButton) Tabla 3.5 Propiedades de los checkbox (CheckBox) Tabla 3.6 Propiedades de las cajas de texto (TextBox) Tabla 3.7 Propiedades de las figuras (Shape) Tabla 4.1 Recursos utilizados en el proyecto Tabla 4.2 Actividades desarrolladas en el simulador Tabla 4.3 Actividades desarrolladas en el modelado Tabla 4.4 Suma total de recursos Ingeniería en control y automatización Página VII

9 OBJETIVO La realización del modelado y simulación de una caldera con ayuda de un software y el estudio de algunas de las variables de proceso con el fin de estudiar y poder desarrollar lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable). OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar el simulador dinámico de una caldera existente en la industria con la ayuda de software Visual Basic. Realizar la vinculación entre Visual Basic y Allen Bradley para operar lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable). Realizar la simulación matemática mediante el uso de la herramienta de MatLab llamada Simulink. Ingeniería en control y automatización Página VIII

10 JUSTIFICACIÓN Brindar un concepto básico al operario sobre el control y manejo de las variables básicas presentes en una caldera y de esta manera desarrollar lazos de control por medio del modelado y simulación del proceso, también comprender el funcionamiento de un PLC (Controlador Lógico Programable). Con ello, se logra que un operario sea capaz de comprender de forma general el proceso de una caldera y las posibles fallas que pueden presentarse. Ingeniería en control y automatización Página IX

11 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Las posibles fallas que pueden presentarse dentro de la operación de una caldera, generan un mal desempeño. Por ello, se necesita de un simulador el cual ayude a observar el comportamiento y a tener una noción básica sobre el proceso en una caldera y con esto desarrollar lazos de control que permitan el control de las variables en el proceso y entender el comportamiento de un PLC (Controlador Lógico Programable). Ingeniería en control y automatización Página X

12 HIPÓTESIS La simulación de una caldera mediante una aplicación de software, ayudará a comprender de una forma más clara el funcionamiento de una caldera y además desarrollar lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable). Ingeniería en control y automatización Página XI

13 INTRODUCCIÓN Hoy en día la utilización de calderas ha crecido conforme ha evolucionado el entorno industrial y el empleo de nuevas técnicas para el control de procesos, de esta manera la implementación de una caldera depende directamente del tipo de proceso, sin embargo, las calderas son eficientes y de una rápida respuesta con lo cual se garantiza un mejor desempeño en la realización de funciones u operaciones que el proceso demande. El uso de las calderas puede ser a nivel residencial, comercial e industrial esta última toma en cuenta los tramos alimenticios, químicos, automotrices, producción de energía eléctrica entre otros. En consecuencia a ello, el uso de calderas puede generar riesgos y esto depende en gran medida de las dimensiones con las cuales pueda contar la misma, ya que el control de las variables que interviene en el desarrollo del proceso se puede ver afectado y esto puede generar perdidas o accidentes irreparables. Por lo tanto, la realización de un sistema de control permite un funcionamiento eficaz de la caldera, de sus variables y del desarrollo del proceso en el cual este interviniendo la misma. Con ello, se desea crear un simulador el cual ayudará a observar el comportamiento dinámico de una caldera en el cual se podrá desarrollar lazos de control y de igual manera contar con un modelo matemático el cual permite comprender y conocer la operación del mismo; de tal manera que sea más eficiente su funcionamiento, y así evitar riesgos. El proyecto tiene por objeto el uso de software como base para la realización de un simulador que permita desarrollar un concepto el cual se enfoque al principio de operación de una caldera y el control de sus variables de proceso y por último la realización de lazos de control los cuales aseguren un buen funcionamiento del proceso. Es por ello y de vital importancia remarcar que en este proyecto se realizo una idea que pudiera simular de forma básica las características de una caldera, con el fin de comprender de forma práctica su operación. Por consiguiente, el capítulo 1 ayuda a comprender los conceptos fundamentales con los cuales cuenta una caldera, es fundamental para su buen entendimiento; el capítulo 2 aborda la descripción de nuestra caldera, la cual para este caso, se trata de una caldera tipo piro tubular, en la cual los componentes con los que cuenta son importantes para ejecutar un sistema de control que permita realizar los lazos de control correspondientes; para el capítulo 3, se habla sobre la ingeniería empleada para poder desarrollar el proyecto, en este caso se realizo una división del trabajo en la cual el modelado y simulación se abordaron bajo conceptos entendibles para la aplicación del trabajo; y por último, el capítulo 4 nos asigna el análisis y costos del proyecto, en este punto se hace un análisis a detalle de aquellos agentes que pudieron influir en la realización del proyecto para determinar y valorar dicho trabajo. Ingeniería en control y automatización Página XII

14 CAPÍTULO I.- MARCO TEÓRICO En este capítulo se dará la teoría necesaria para comprender el funcionamiento de la caldera además de una breve historia y como se fue desarrollando conforme el paso del tiempo, de igual manera su clasificación y el control que se utiliza en las calderas. Ingeniería en control y automatización Página 2

15 1.1.- Introducción teórica Las calderas existen desde hace más de doscientos años, siendo tan confiables que la mayoría de la gente no les da mucha importancia, las podemos ver en casi cualquier lugar del mundo, transfiriendo calor del combustible al agua para calentar edificios o permitir procesos. Las calderas son simples eficientes y fiables. Ningún equipo las supera transfiriendo calor de un lugar a otro, se han utilizado para la calefacción desde antes de la guerra civil de los estados unidos, en 1861, incluso antes de esta guerra, ya las calderas se usaban en procesos industriales. Actualmente se utilizan en fabricas, planchadoras de ropa, lavaplatos, pasteurización de leche, esterilización de equipos médicos y hasta para calentar ciudades enteras, como se podrá observar sus capacidades parecen no tener fin. Sin embargo y a pesar de sus simplicidad una caldera de vapor puede representar un problema si el sistema de control no actúa correctamente, si la energía entregada a la caldera excede lo que ella puede absorber, se puede producir una rotura. Una simple válvula de seguridad de la capacidad adecuada, que proporcione alivio a la presión, protege la caldera contra una presión excesiva. Pero la sobre presión no es lo único que puede amenazar a una caldera si no también el nivel de agua, si cae demasiado, la caldera se puede quemar, y es por eso que también se debe estar siempre en guardia, sin un nivel de agua no es correcto el calor se acumula rápidamente y es por eso que necesita agua para refrescar las superficies de metal y ese calor excesivo no crea una condición de funcionamiento muy peligrosa Tradicionalmente al desarrollar el control de una caldera, las acciones de modulación de la misma se desarrollaban con equipos analógicos. Las secuencias de arranque y parada, así como los enclavamientos, son acciones digitales que implican equipos digitales. Actualmente debido a los avances en los sistemas basados en microprocesador es posible integrar estos dos sistemas en uno solo, aunque se siguen manteniendo algunos condicionantes en lo que se refiere a los equipos dedicados a la seguridad de la caldera. Para desarrollar una aplicación de control adecuadamente es necesario entender correctamente los objetivos del sistema de control, en las calderas de vapor, existen tres objetivos básicos: 1.- Hacer que la caldera proporcione un suministro continuo de vapor en las condiciones de presión y temperatura deseadas. 2.- Operar continuamente la caldera al menor coste de combustible manteniendo un alto nivel de seguridad. 3.- Arrancar y parar de forma segura, vigilar y detectar condiciones inseguras y tomar las acciones necesarias para una operación segura en todo momento. Ingeniería en control y automatización Página 3

16 Los dos primeros objetivos serán realizados por lo que tradicionalmente se conoce como sistema de control analógico, mientras que el tercero será labor del sistema de seguridad. Una caldera de vapor es una unidad de proceso de gran importancia en todo tipo de industrias. En general en una industria, el vapor se utiliza como: medio de calefacción directa o indirecta, materia prima, medio de obtención de energía eléctrica en procesos de cogeneración. Controlar de forma eficaz las condiciones de operación de una caldera es una necesidad obvia si se tiene en cuenta que las condiciones de trabajo (presiones y temperaturas elevadas) constituyen la causa principal de peligros por riesgo de explosiones. También debe tenerse en cuenta el aspecto económico, considerando no solo los costes de construcción, si no también los elevados costes de operación (grandes cantidades de combustibles quemados) y de mantenimiento relacionados con las condiciones de operación. Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. Por ello, podemos observar que el concepto general de una caldera engloba muchos otros conceptos los cuales al momento que esta operando llegan a surgir y forman parte del mismo Generalidades Una caldera es un recipiente metálico o dispositivo en el cual se calienta agua o genera vapor de agua, el cual utilizarán para diferentes aplicaciones, en otras palabras son intercambiadores de calor, que transforma la energía química del combustible en energía calorífica, además de intercambiar este calor con un fluido generalmente agua, que se transforma en vapor de agua. En una caldera se produce la combustión que es la liberación del calor del combustible y la captación del calor liberado por el fluido. Una caldera es a menudo el equipo más grande que se encuentra en un circuito de vapor. Su tamaño puede depender de la aplicación en la que se usa. En una instalación grande, donde existen cargas de vapor variables, pueden usarse varias calderas. Estas calderas se fabrican para todo tipo de combustibles: solidó (carbón o leña) líquidos (gasóleo) y gaseosos (propano, gas natural). Las calderas son la parte más importante del circuito de vapor, después de todo, es donde se crea el vapor. Es necesario saber que existen calderas de todo tamaño. Las calderas pequeñas, se utilizan exclusivamente para agua caliente sanitaria, se suelen conocer como calentadores (ej. para emplear en la ducha, en el fregadero de la cocina, etc.). Ingeniería en control y automatización Página 4

17 La caldera ideal debe poseer: Simplicidad en la construcción, excelente ejecución y materiales con buena conductividad. Diseño y construcción para ajustarse a la expansión y contracción propia de los materiales. Adecuado espacio para el agua, para el vapor, para la liberación del vapor limpio, y una buena circulación de agua. Fácil acceso para limpieza y reparación. Factores de seguridad que garanticen el perfecto desempeño del equipo Caldera de vapor Se conoce como caldera de vapor a aquella unidad en la cual se puede cambiar el estado del fluido de trabajo (agua) de líquido a vapor de agua, en un proceso a presión constante y controlada, mediante la transferencia de calor de un combustible que es quemado en una cámara conocida como "hogar". En algunos casos se puede llevar hasta un estado de vapor sobrecalentado, todo esto para una aplicación en la industria Breve historia de la caldera La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en La producción de calor fue uno de los primeros pasos del hombre en el campo de la técnica; se utilizó en forma relativamente rudimentaria hasta fechas muy recientes. Fue la utilización del vapor como fuerza motriz lo que hizo posible la revolución industrial del siglo XVIII y el desarrollo del generador de vapor de gran potencia, ha hecho surgir la era de electrificación del siglo XX. Las fábricas modernas, los grandes edificios y el confort en los hogares, son únicamente posibles gracias a la electricidad, el vapor destinado a procesos industriales y a las plantas de calefacción central. Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza etc., hasta que Papin creo una pequeña caldera llamada marmita. Se uso vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse esta dejaba de producir trabajo útil. Cuando James Watt observó que se podría utilizar el vapor como una fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias. Ingeniería en control y automatización Página 5

18 Luego de otras experiencias, James Watt completo una máquina de vapor de funcionamiento continuo que uso en su propia fabrica, ya que era un industrial ingles muy conocido. Las primeras calderas tenían el inconveniente que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se aprovechaba mal el calor del combustible. Debido a esto y posteriormente se le introdujeron tubos, para aumentar la superficie de calefacción. Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Para medir la potencia de la caldera y como dato curioso, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos libras pie / min o sea 550 libras pie/seg., valor que denomino Horse Power, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76kgm/seg. Pero la oficina internacional de peso y medidas de Paris, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar llamándolo caballo de vapor en homenaje a Watt Tipos de caldera Conforme ha transcurrido el tiempo se han hecho una serie de calderas diferentes a las cuales les ponen diferentes nombres de acuerdo a la aplicación para la que se va utilizar por ejemplo: Caldera de agua caliente: Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura inferior a 110. Caldera de agua sobrecalentada: Es toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110. Calderas de nivel definido: Son aquéllas calderas que disponen de un determinado plano de separación de las fases líquida y vapor, dentro de unos límites previamente establecidos. Calderas sin nivel definido: Son aquéllas calderas en las que no haya un plano determinado de separación entre las fases líquida y vapor. Calderas automáticas: Son aquellas calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo en su puesta inicial en servicio o en caso de haber actuado un órgano de seguridad de corte de aportación calorífica. Asimismo se considerarán como automáticas las calderas que realizan su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de una acción manual, salvo para cada puesta en marcha de su sistema de aportación calorífica después de que éste haya sufrido un paro ocasionado por la acción de alguno de sus órganos de seguridad o de regulación. Calderas manuales: Se considerará como manual cualquier caldera cuyo funcionamiento difiera del de las anteriormente definidas como automáticas. Caldera de vapor: Es toda caldera en la que el medio de transporte es vapor de agua. Ingeniería en control y automatización Página 6

19 1.5.- Clasificación de las calderas Las calderas pueden ser clasificadas basándose en distintos puntos de vista independientes entre si, de forma que uno no excluya el otro. Así los factores a considerar para clasificarlas pueden ser los siguientes: Según su uso Calderas de acuerdo a su uso, existen móviles y fijas las móviles son locomotoras, buques, portátiles, las fijas son industriales, domiciliarias, comerciales. [15] Según la presión de trabajo Según su presión de trabajo las clasificamos en baja, mediana, alta presión y súper críticas dependiendo las presiones de trabajo las cuales son: Calderas de baja presión 0 de 450 psig Calderas de mediana presión 450 a 950 psig Calderas de alta presión > 950 psig [15] Según su capacidad Según su capacidad se clasificaran por medio de categorías las cuales son: Categoría A: Aquellas que generan más de 7500 Kg. /h de vapor o que tenga una superficie de calefacción mayor a los 200 m 2. Categoría B: Las que generan más de 2000 Kg. /h de vapor o tengan más que 60 m 2 de superficie de calefacción. Categoría C: Cuando una caldera genere más de 70 Kg. /h de vapor y su superficie de calefacción sea superior a los 2m 2. Categoría D: Las calderas que generen menos de 70 Kg. /h y tengan menos de 2m 2 de superficie de calefacción. [15] Según el material de construcción Según el material de construcción del recipiente o los tubos, pueden ser de cobre, bronce, hierro, acero común, acero inoxidable, aceros especiales o aleaciones especiales. Lo más frecuente es utilizar para calderas pequeñas, acero común o aceros reforzados especiales para presiones y capacidades mayores. [15] Según el tamaño Según su tamaño o capacidad pueden ser pequeñas o livianas, medianas, grandes o industriales, esto esta asociado a la capacidad de producción de vapor de la caldera. [15]. Ingeniería en control y automatización Página 7

20 Según el contenido de los tubos o diseño En esta clasificación se definen dos tipos de calderas y las que serán más utilizadas dependiendo de las necesidades del proceso, estas dos clasificaciones son la caldera piro tubular y la caldera acuotubular será llamada así dependiendo como circule por el interior de los tubos los gases de combustión o el agua de vapor, en la actualidad esta clasificación es una de las más utilizadas. Caldera piro tubular o de tubos de humos En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados de agua como se muestra en la figura 1.1. La caldera piro tubular generalmente tienen un hogar integral (denominado caja de fuego) limitado por superficies enfriadas por agua. Esta caldera también es llamada humo tubular y manejan presiones de operación de psig., su principal uso de estas calderas es para: Instalaciones de calefacción a baja presión Producir vapor a presión relativamente baja Producción de energía Ventajas: Figura 1.1 Caldera tipo piro tubular Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño. Mayor flexibilidad de operación. Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación. Son pequeñas y eficientes. Inconvenientes: Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento. No son utilizables para altas presiones. [15]. Calderas acuotubular o de tubos de agua En las calderas acuotubulares, por el interior de los tubos pasa agua o vapor y los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa de aquellos como se muestra en la figura 1.2, en contraste con el tipo piro tubular las calderas acuotubulares son las empleadas casi exclusivamente cuando interesa obtener elevadas presiones y rendimientos, debido a que los esfuerzos desarrollados en los tubos por las altas presiones son de tracción en vez de compresión, como ocurre en los piro tubos. Estas calderas también son llamadas de tubos de agua y manejan presiones de operación de psig. Ingeniería en control y automatización Página 8

21 Fuego Agua Vapor Figura 1.2 caldera tipo acuotubular Ventajas: La caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2000 HP. La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad. El tiempo de arranque para la producción de vapor a la presión de trabajo no excede los 20 minutos. Pueden ser puestas en marcha rápidamente. Puede obtenerse mayor capacidad aumentando el número de tubos, independientemente del diámetro del calderín de vapor. La mayor ventaja es la libertad de incrementar las capacidades y presiones. Este tipo de caldera facilitan el montaje de la misma, da mayor calidad en fabricación y es más económico. Por su fabricación de tubos de agua es una caldera la cual no podrá explotar. Inconvenientes: Mayor tamaño y peso, mayor costo. Debe ser alimentada con agua de gran pureza. Son usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo. Es posible encontrar también, para bajas capacidades, calderas con tubos de humo y tubos de agua, denominadas Calderas Mixtas. [15] Según la forma y posición de los tubos Según la forma de los tubos pueden ser de tubos rectos o tubos curvos según su posición preponderante pueden ser calderas de tubos horizontales o verticales o con la probabilidad de que puedan estar inclinados. [15] Según la fuente de energía Según la fuente de energía o aporte de calor pueden tratarse de calderas de combustibles, calderas de radiación o convección, etc. [15]. Ingeniería en control y automatización Página 9

22 Según la clase de combustible Según el tipo de combustible pueden ser calderas de combustión de carbón de líquidos, de gases, calderas de combustible nuclear de combustibles especiales como bagazo o licores, calderas de recuperación de calor de gases y calderas mixtas, cuando se combinan algunos de los anteriores. Sólidos: En este tipo son un poco engorrosas de operar por la alimentación, las cenizas y suciedad que generan y el difícil control de la combustión. Líquidos: El combustible debe ser pulverizado o vaporizado para que reaccione con el aire. Gaseosos: De combustión más fácil pero más peligrosa que los líquidos. [15] Según el fluido utilizado Según el fluido utilizado pueden ser vapor de agua, de dowtherm, o mezcla de aceites, de mercurio, etc. [15] Según el sistema de circulación Según la circulación de los fluidos entre si, pueden ser en paralelo o contracorriente de un paso, de dos o varios pasos combinando circulación en paralelo y en contra corriente. [15] Según la posición del hogar Según la posición del hogar se clasifica en hogar externo o interno, refiriéndose a la posición del fuego respecto al volumen encerrado por la cámara de agua. [15] Según el tipo de hogar Según el tipo del hogar puede ser de parrilla, fija, parrilla móvil o mecanizada, de quemador de finos, o quemador de líquidos y gases. [15] Según su forma general Según su forma general son del tipo cilíndricas o de tubos, y estas con o sin domo, con uno o varios domos, que a su vez pueden ser secos, húmedos o inundados, pueden ser escocesa de retorno de llama, etc. [15] Según el nombre o marca registrada del fabricante Según la marca del fabricante pueden tratarse entre muchas otras de calderas babcoc y wilcox, heine, galloway, keeler, mellor goodwin, gonella, etc. [15]. Ingeniería en control y automatización Página 10

23 Según el tiro de los gases Según el tiro de los gases pueden ser de tiro natural, inducido, forzado o balanceado. [15] Según el modo de gobernar la operación Según el modo de gobernar o controlar la operación de las mismas pueden ser manuales automáticas o semi automatizadas. [15] Según propiedades especiales También pueden ser clasificadas por criterios particulares o especiales no detallados, tales como la instrumentación empleada, aislantes empleados, nivel de agua etc. [15] Según su volumen Con respecto al volumen de agua que contienen en relación con su superficie de calefacción: De gran volumen de agua (más de 150 litros) Por metro cuadrado de superficie de calefacción SC. De mediano volumen de agua. (entre 70 y 150 lts. por m 2 de SC) De pequeño volumen de agua. (menos de 70 lts. por m 2 de SC) Todas las calderas pueden clasificarse según las características mencionadas anteriormente. Cada fabricante ha tomado o seleccionado algunos de estos aspectos, creando tipos de calderas que se han llegado a popularizar en el ambiente industrial. Actualmente en nuestro país el 81% de las empresas de procesos utilizan generadores de vapor para satisfacer los requerimientos de los procesos que desarrollan, de las cuales el 67% utilizan equipos de tipo piro tubular y el 33% restante utilizan de tipo acuotubular. [15] Partes principales que componen una caldera. En este subtema explicaremos solo partes generales relevantes propias del diseño de las calderas. Debido a que cada caldera dispone de diferentes elementos, dependiendo del tipo, de partes y características, es muy difícil atribuir a todas ellas un determinado componente. En razón de lo anterior se analizarán las partes principales de las calderas en forma general, especificando en cada caso el tipo de caldera que dispone de dicho elemento. Para tal análisis usaremos el esquema de la caldera cilíndrica sencilla mostrada en la figura 1.3. [13]. Ingeniería en control y automatización Página 11

24 Figura 1.3 Partes de una caldera Hogar o fogón: Es el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de cámara de combustión. Los hogares se pueden clasificar en: Según su ubicación: Hogar exterior Hogar interior Según el tipo de combustible: Hogar para combustibles sólidos Hogar para combustibles líquidos y gaseosos Según su construcción. MAMPOSTER IA Hogar liso Hogar corrugado Esta clasificación rige solamente cuando el hogar de la caldera lo compone uno o más tubos a los cuales se les dan el nombre de Tubo Hogar. Puerta hogar: Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se alimenta de combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control de fuego como se muestra en la figura 1.4. En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador. [13]. Ingeniería en control y automatización Página 12

25 PUERTA DEL HOGAR Figura 1.4 Puerta del hogar Emparrillado: Son piezas metálicas en formas de rejas, generalmente rectangulares o trapezoidales, que van en el interior del hogar y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del aire primario que sirve para que se produzca la combustión. Las parrillas deben adaptarse al combustible y cumplir los siguientes requisitos: Deben permitir convenientemente el paso del aire Deben permitir que caigan las cenizas Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no se quemen o deformen Deben ser durables Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase agua para refrigerarlas y evitar recalentamientos. Hay varios tipos de parrillas las cuales se pueden clasificar de la siguiente manera. [13]. Según su instalación: Fijas o estacionarias: Son aquellas que no se mueven durante el trabajo Móviles o rotativas: Son aquellas que van girando o avanzando mientras se quema el combustible. Según su posición Horizontales Inclinadas Escalonadas Cenicero: Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión. En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua. [13]. Puerta del cenicero: Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogar. [13]. Ingeniería en control y automatización Página 13

26 Altar: Es un pequeño muro de ladrillo refractario, ubicado en el hogar, en el extremo opuesto a la puerta del hogar y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm. Los objetivos del altar son: Impedir que al avivar, cargar o atizar los fuegos tiren partículas de combustibles o escoria al primer tiro de los gases. El altar forma también el cierre interior del cenicero. Imprimir a la corriente de aire de la combustión una distribución lo más uniforme posible y una dirección ascensional vertical en todo el largo y ancho de las parrillas. Restringir la sección de salida de los gases calientes aumentando su velocidad, lo cual facilita su mezcla y contacto íntimo con el aire, haciendo así que la combustión sea más completa. [13]. Conductos de humos: Es aquella parte de la caldera por donde circulan los humos y los gases calientes que se han producido en la combustión, en estos conductos se realiza la transmisión de calor al agua que contiene la caldera. [13]. Caja de humo: Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea. [13]. Chimenea: Es el conducto de salida de los gases y humos de la combustión hacia la atmósfera, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitar perjuicios o molestias a la comunidad. Además, tiene como función producir el tiraje necesario para obtener una adecuada combustión, esto es, haciendo pasar el aire necesario y suficiente para quemar el combustible, en caldera que usan combustibles sólidos. [13]. Tapas de registro o puertas de inspección: Son aperturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos dependiendo de su tamaño: Las puertas de hombres Las tapas de registro [13]. Puertas de hombres: Como su nombre lo indica, estas puertas tienen el tamaño suficiente para permitir el paso de un hombre para inspeccionar interiormente la caldera y limpiarla. [13]. Tapas de registro: Todas las calderas tienen convenientemente distribuidas cierto número de tapas que tienen por objeto inspeccionar ocularmente el interior de las calderas o lavarlas, si es necesario extraer en forma mecánica o manual, los lodos que se hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas. [13]. Puertas de explosión: Son puertas metálicas con contrapeso o resortes, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión. Solo son utilizables en calderas que trabajen con combustibles líquidos o gaseosos. [13]. Ingeniería en control y automatización Página 14

27 Cámara de agua: Es el volumen de la caldera que esta ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivel mínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo. [13]. Cámara de vapor: Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. [13]. Cámara de alimentación de agua: Es el espacio comprendido entre los niveles máximos y mínimos de agua. Durante el funcionamiento de la caldera se encuentra ocupado por agua y/o vapor, según sea donde se encuentre el nivel de agua. [13] Accesorios Se define como accesorios aquellos elementos útiles o necesarios con que se equipan las calderas para facilitar el trabajo del operador; asegurar un buen funcionamiento del sistema y contribuir a la seguridad de la instalación. A veces una caldera necesita de algunos accesorios para tener un mejor funcionamientos, los accesorios más comúnmente usados en las calderas son los manómetros, nivel de agua, regulador de agua de alimentación, válvulas de seguridad, tapones, fusibles, purgadores, sopladores de hollín, indicadores de tiro y aparatos de control. Es importante que también cada uno de estos accesorios deben de ir instalados correctamente y en un lugar específico de la caldera como por ejemplo los niveles de agua se montan en la parte frontal del cuerpo cilíndrico de la caldera, de forma que se puedan ver desde el suelo, también un accesorio se define como aquellos elementos útiles o necesarios con que se equipan las calderas para facilitar el trabajo del operador, asegurar un buen funcionamiento del sistema y contribuir a la seguridad de la instalación. Se clasifican en: Accesorios de observación Indicadores de nivel de agua Tubo de nivel Grifos o llave de prueba Indicadores de presión Altímetros Manómetros Accesorios analizadores de gases de la combustión Indicadores de CO 2 (Oxido de carbono) Indicador de CO (Monóxido de carbono) Ingeniería en control y automatización Página 15

28 Accesorios indicadores de temperaturas Termómetro Pirómetros Accesorios de seguridad Válvula de seguridad Silbatos de alarma Tapones fusibles Accesorios de alimentación de agua Bombas centrífugas Bombas manuales Bombas de embolo Accesorios de limpieza Puertas de inspección Válvulas de extracción de fondo Sopladores de hollín Accesorios de aumento de eficiencia Economizadores Calentadores de aire Retardador Accesorios de control automático Control de presión presostato Control de temperatura termostato Control de nivel de agua Control de aire Control de la llama Control de encendido Descripción de los accesorios Accesorios de observación: Indicadores de nivel de agua: Toda caldera deberá estar provista, a lo menos, de dos indicadores de nivel de agua, independientes entre sí. Uno de ellos deberá ser de observación directa del nivel de agua, del tipo tubo de vidrio, pudiendo ser el otro formato por una serie de tres grifos o llaves de prueba. [16]. Ingeniería en control y automatización Página 16

29 Indicadores de presión: Toda caldera deberá estar provista de uno o más manómetros, que se conectarán a la cámara de vapor de la caldera mediante un tubo que forme un sello de agua. [16]. Analizadores de gases: Son aparatos que sirven para controlar la calidad de la combustión dentro del hogar, a través del análisis de los gases que salen por la chimenea. [16]. Indicadores de temperatura: Son instrumentos destinados a medir la temperatura, ya sea del agua de alimentación, del vapor, de los gases de la combustión del petróleo, etc. [16]. Accesorios de seguridad: Válvulas de seguridad: Tiene por objeto dar salida al vapor de la caldera cuando ésta sobrepasa a la presión máxima de trabajo. [16]. Tapón fusible: El tapón fusible, es un elemento que permite el paso de vapor y agua hacia el hogar, cuando el nivel de agua en la caldera baja más allá del mínimo permitido. [16]. Alarmas: Toda caldera dispondrá de un sistema de alarma, acústica o visual, que funcione cuando el nivel de agua alcance el mínimo o el máximo, deteniendo a la vez, el funcionamiento del sistema de combustión, cuando se alcance el nivel mínimo de agua. [16]. Accesorios de alimentación de agua: Bombas: Este accesorio al igual que el inyector, nos permite reponer él agua que se ha vaporizado en el interior de la caldera. Entre éstas, tenemos las Bombas Centrífugas y las de émbolo. [16]. Inyectores: Los inyectores, son dispositivos que funcionan con el mismo vapor que produce la caldera y son capaces de descargar agua a una presión mayor que la presión interna de la caldera. [16]. Accesorios de limpieza Puertas de inspección: Según sus dimensiones se llaman puertas de hombre o tapas de registro. Éstas últimas sólo permiten el paso de un brazo. Ambas puertas sirven para efectuar limpiezas o inspecciones en el interior de los colectores principales o de los tubos según sea su ubicación. [16]. Llaves de purga: Entre las llaves de purga, se pueden distinguir las válvulas de extracción de fondo y las de extracción de superficie. La primera de ellas va ubicada en las partes más bajas de la caldera y sirven para extraer los lodos o barros provenientes de la vaporización de las aguas duras y acción del uso de los desincrustantes. [16]. Ingeniería en control y automatización Página 17

30 Accesorios de control Retardadores: Consisten en una plancha lisa, del mismo ancho que el diámetro interior del tubo, torcida en forma de hélice, la que se mete en el tubo de caldera. Los gases calientes tienen ahora que recorrer un camino mayor, siendo más lento el paso de ellos por el interior de los tubos y entregando mayor cantidad de calor al agua. La eficiencia de la caldera se aumenta entre un 2 % y 8 % con el uso de retardadores. [16]. Presostatos: Son accesorios que funcionan sobre la base de la máxima y mínima presión de trabajo de la caldera. Actúan sobre el quemador, apagándolo al llegar a la máxima presión para lo cual fue regulado y encendiéndolo al alcanzar la mínima presión deseada. [16]. Termostato: Son accesorios que funcionan de acuerdo a la temperatura del agua. Apagan el quemador cuando se obtiene la máxima temperatura para la cual fue regulada. [16]. Control de nivel de agua: Los controles de nivel de agua, tienen por objeto controlar que el agua, dentro de la caldera, se mantenga en un valor o en un rango pre - determinado. [16]. Control de la llama: Mediante una celda fotoeléctrica se controla la llama (su largo) impidiendo la alimentación de combustible, en caso de que ésta no exista en el hogar. [16]. Control del encendido (chispa): Por medio de este control, se impide que salga combustible sin que exista la chispa para encender. [16] Control e instrumentación de la caldera La caldera puede ser instrumentada de varias formas dependiendo para lo que se va utilizar, y para el control que se utilizará, se instrumenta para controlar el nivel, para controlar la presión o para controlar la temperatura y para esto se manipulan la flama del quemador, el paso del gas hacia el quemador entre otras cosa, en este caso se tiene diferentes tipos de instrumentación y se tomará una en general para desarrollar un lazo de control con el PLC (Controlador Lógico Programable). Las calderas tienen un amplio uso en diferentes áreas y una de estas en donde más se utilizan es la industria, debido a que muchos procesos emplean grandes cantidades de vapor para distintas partes del proceso. La caldera se caracteriza por una capacidad nominal de producción de vapor representada en t/h (toneladas por hora) o Kg. /h (kilogramos por hora) a una presión especificada y con una capacidad adicional de caudal en puntas de consumo de la fábrica. Al tener una caldera se deben revisar varios datos los cuales dependerán de cada proceso, esto quiere decir que la caldera debe mantener una presión de trabajo constante para la gran diversidad de caudales de consumo en la fábrica, por lo cual debe ser capaz de: Ingeniería en control y automatización Página 18

31 1.- Aportar energía calorífica suficiente en la combustión del fuel oil o del gas con el aire. 2.- El nivel debe de estar controlado y mantenido dentro de unos límites. 3.- Se debe de tener una llama segura en la combustión. 4.- El sistema de control debe ser seguro en la puesta en marcha, en la operación y en el paro de la caldera. 5.- El funcionamiento de la caldera debe ser optimizado para lograr una rentabilidad y economía adecuadas, lo cual es posible con un control digital y /o distribuido que permite optimizar la combustión de tal manera que sea lo más seguro posible. Para lograr todo esto la caldera la podremos dividir en diferentes secciones las cuales podremos hacer un control más eficiente, dividiremos la caldera de acuerdo a sus partes observando que parte modifica otra parte de la caldera es por eso que aremos control para cada una de las partes como lo es el control de la combustión, control de nivel, entre otros Control de combustión La regulación de la combustión se basa en mantener constante la presión de vapor en la caldera, tomándose sus variaciones como una medida de la diferencia entre el calor tomado de la caldera como vapor y el calor suministrado. El controlador de la presión de vapor ajusta la válvula de control de combustible. La señal procedente del caudal de aire es modificada por un relé de relación para ajustar la relación entre el aire y el combustible, y pasa a un controlador que la compara con la señal de caudal de combustible. Si la proporción no es correcta, se emite una señal al servomotor de mando del ventilador o a la válvula de mariposa, de modo que el caudal de aire es ajustado hasta que la relación combustible aire es correcta. [9] En la regulación de la combustión puede darse preferencia en el mando al combustible o al aire para que la operación de la caldera corresponda a un sistema determinado de variadas características de seguridad. Estas características de combustión son las siguientes: Caudal fuel caudal aire en serie. Caudal aire caudal fuel en serie Presión de vapor caudal/fuel caudal vapor caudal aire en serie Caudal aire caudal fuel en paralelo. Ingeniería en control y automatización Página 19

32 Caudal fuel caudal aire en serie En el primer esquema de funcionamiento que puede verse en la figura 1.5 el controlador de presión ajusta el punto de consigna del controlador de caudal de fuel y esta variable actúa a través del relé de relación fuel aire, como punto de consigna del controlador de aire. Como las variaciones del caudal del fuel influyen lentamente en la señal de presión de vapor, el controlador maestro se ajusta para una respuesta rápida ante cambios en la presión. En esta disposición si varía la presión del vapor, el caudal de fuel cambia antes que el del aire de combustión. Si se limita el caudal de fuel, lógicamente quedara también limitado el caudal de aire. La desventaja principal del sistema es el riesgo de explosión que se presenta ante un fallo de aire en el punto de consigna del controlador de caudal de aire, si así ocurre no hay aire de combustión pero el fuel continua circulando. [9] Figura 1.5 Lazo de control caudal fuel caudal aire en serie Presión de vapor caudal fuel en serie / caudal aire en serie El sistema representado en la figura 1.6 se caracteriza por mantener con más seguridad la relación correcta aire fuel aunque el fuel no sea medido correctamente. El controlador de presión de vapor ajusta el controlador de caudal de fuel. El transmisor de caudal de vapor ajusta el controlador de caudal de aire al sistema de control de combustión. Aunque las variaciones de caudal de vapor sean rápidas, las fluctuaciones que experimenta no lo son tanto como la presión de la línea de vapor principal. Este sistema se emplea con preferencia en calderas de carbón pulverizado. [9] Ingeniería en control y automatización Página 20

33 Figura 1.6 Lazo de control presión de vapor caudal fuel en serie / caudal aire en serie Caudal aire caudal fuel en serie Tal como puede verse en la figura1.7, aquí la señal de aire ajusta a través del relé de relación el controlador de fuel. El sistema es más seguro que el anterior ya que elimina la posibilidad de formación de una mezcla explosiva cuando falla la señal de aire de combustión. Una variante de este sistema consiste en utilizar un controlador de carga de la caldera a la salida del maestro de presión (común a varias calderas). La salida del controlador de carga es dirigida a dos selectores de máxima y de mínima, lo que permite: ante un aumento de la demanda de vapor la señal pasa al controlador de aire, sin que el fuel o el gas aumente hasta que no lo ha hecho el aire, si la demanda de vapor disminuye, el fuel disminuye el primero y luego lo hace el aire, si la señal de aire falla, el caudal de fuel oil baja a cero automáticamente. [9] Ingeniería en control y automatización Página 21

34 Figura 1.7 Lazo de control caudal aire caudal fuel en serie Caudal aire caudal fuel en paralelo La ventaja principal de este sistema, que puede verse en la figura 1.8 es su control directo en el fuel y en el aire. De hecho, para mantener una relación correcta fuel aire conviene incorporar al sistema un relé de relación manual. [9] Figura 1.8 Lazo de control caudal aire caudal fuel en paralelo Ingeniería en control y automatización Página 22

35 Control de nivel La regulación del agua de alimentación que establece el nivel de la caldera depende de múltiples factores, del tipo de caldera, de la carga, del tipo de bomba y del control de presión del agua de alimentación. En las calderas, el nivel del líquido debe mantenerse en un punto específico para garantizar una operación segura y evitar situaciones peligrosas. Por tanto es necesaria la instalación de un control que permita ejecutar múltiples acciones bajo la dependencia de una sola variable, el nivel de agua. [9] Dentro de los diferentes tipos de control de nivel de agua se tienen los siguientes: Desplazamiento (flotador) Presión diferencial Por burbujeo Capacitivo Por ultrasonido Conductivímetro Radioactivo Por electrodos El sistema de control del agua de alimentación puede realizarse de acuerdo con la capacidad de producción de la caldera, según la tabla 1.1 que se muestra a continuación. Tabla 1.1. Control de agua de alimentación de acuerdo a la capacidad del tanque Tipo variables Capacidad de la caldera kg/h Un elemento Nivel <6000 cargas irregulares Pequeños >15000 Cargas cambios de mantenidas carga Dos Nivel caudal Cargas Cambios de Lentos elementos de vapor irregulares carga cambios de con grandes moderados carga fluctuaciones moderados Tres elementos Nivel caudal de vapor caudal de agua > En la regulación de nivel de un elemento representada en la figura 1.9 el único instrumento utilizado es el controlador de nivel que actúa sobre la válvula de agua de alimentación. El instrumento medidor de nivel puede ser del tipo desplazamiento o de presión diferencial de diafragma. [9] Ingeniería en control y automatización Página 23

36 Figura 1.9 Lazo de control de nivel de acuerdo a la salida En calderas de pequeña capacidad inferior a 1000 Kg. /h, la regulación puede ser todo nada, con dos alarmas de nivel alto y bajo que ponen en marcha la bomba de alimentación, ver en la figura 1.10 que se muestra a continuación. Figura 1.10 Lazo de control de nivel con electro niveles En calderas de capacidad media, del orden de kg/h, puede utilizarse un controlador de flotador con un reóstato acoplado eléctricamente a una válvula motorizada eléctrica. Este conjunto se ve en la figura 1.11 actúa como un control proporcional con punto de consigna el punto medio del campo de medida del nivel de flotador. [9] Ingeniería en control y automatización Página 24

37 Figura 1.11 Lazo de control de nivel con flotador La regulación de nivel de dos elementos se logra con un controlador de caudal de vapor y un controlador de nivel cuyas señales de salida se comparan en un relé de relación que actúa directamente sobre la válvula de control del agua de alimentación. En la figura 1.12 puede verse este sistema de control. De acuerdo con la demanda de caudal de vapor hay una aportación inmediata de agua de alimentación a través del controlador secundario de nivel. Este último es utilizado solamente como reajuste de las variaciones que pueden producirse con el tiempo en el nivel de la caldera. Figura 1.12 Lazo de control de nivel con respecto a flujo en la salida La regulación de tres elementos elimina el fenómeno de oscilación del nivel de agua que se produce cuando el caudal de vapor crece o disminuye rápidamente. Cuando el caudal de vapor aumenta bruscamente la presión baja con lo que se produce una vaporización rápida que fuerza a la producción de burbujas y agua, lo que da lugar al aumento aparente de nivel de la caldera. La oscilación es opuesta a la demanda y el fenómeno es importante en calderas de cierta potencia y volumen reducido, sujeta a variaciones de caudal frecuentes y rápidas. [9] Ingeniería en control y automatización Página 25

38 Las tres variables que intervienen en el sistema son: Caudal de vapor Caudal de alimentación de agua Nivel de agua Para que las condiciones de funcionamiento sean estables, el caudal de vapor y el de agua deben ser iguales y de forma secundaria, el nivel de agua debe reajustarse periódicamente para que se mantenga dentro de unos límites determinados (normalmente son de unos 50 mm por encima y por debajo de la línea central de la caldera). Manteniendo estas funciones en las tres variables, los instrumentos correspondientes pueden estar relacionados entre sí de varias formas. Las más representativas se encuentran en la figura 1.13 en las que una señal anticipativa (feedforward) del caudal de vapor, se superpone al control de nivel, y todas tienen por objeto dar prioridad a las diferencias entre los caudales de agua y de vapor frente a las variaciones del nivel que pueden producirse ante una demanda súbita, es decir el sistema de control en estas condiciones actúa obedeciendo a la diferencia relativa de caudales con preferencia a los cambios en el nivel. Figura 1.13 Lazo de control de nivel con realimentación y relé comparador Señalemos que la medida del caudal de vapor se efectúa preferentemente con una tobera porque su forma suave evita la erosión que de otra forma se producirá en una placa orificio por causa de las gotas de agua que inevitablemente arrastra el vapor. El caudal de agua de alimentación puede medirse a través de una placa de orificio o de una tobera.[9] Método que se utilizan para el control de nivel del agua El nivel de agua de la caldera se controla poniendo en marcha o parando la bomba de alimentación de agua de la caldera a unos niveles de agua determinados por una sonda y controlador (control on/off), o abriendo o cerrando progresivamente una válvula de alimentación según la demanda de vapor hace que cambie el nivel de agua casos con intervalos entre pruebas extendidos. Ingeniería en control y automatización Página 26

39 Control on / off Los sistemas de control on / off son más adecuados en instalaciones donde se puede tolerar una cierta variación en la presión de la caldera y el caudal de vapor. Por ejemplo podrían ser las calderas pequeñas con condiciones de carga estables. [3] Control modulante El control modulante proporciona una presión un caudal de vapor constante en las calderas de vapor. El caudal del agua de alimentación varia, por ejemplo a través de una válvula modulante, en respuesta a los cambios en nivel de agua. Con un control modulante la bomba de alimentación de agua de la caldera está en marcha todo el tiempo y se usa una línea de retorno al para devolver el agua sin usar al tanque. [3] Utilización de controles y alarmas de agua en una caldera Los controles ayudaran a lograr que un caudal de vapor coincida con los requisitos variables de una planta de vapor, es necesario un buen control de nivel de agua de la caldera. Con los pequeños espacios de vapor que ahora son comunes en las calderas modernas, es esencial una respuesta rápida y precisa a las variaciones en el nivel de agua. [3] Las alarmas nos ayudaran para operar de manera segura, todas las calderas de vapor necesitan un método de avisar cuando los niveles de agua están demasiado bajos o altos. En muchos países, las normativas requieren dos alarmas de nivel bajo de agua independientes. También en muchos casos se requieren alarmas independientes de nivel alto. Con la tendencia hacia la caldera sin supervisión crece la necesidad de alarmas de alta seguridad y autocontrol. Estos sistemas pueden operar en muchos casos con intervalos entre pruebas extendidos. [3] Control de presión Generalmente en las calderas de vapor, la presión del vapor de salida es la variable controlada. Esta actúa directamente sobre la operación del mecanismo que proporciona la energía, accionando dispositivos de parada o arranque dependiendo si las presiones de operación han sido o no satisfechas. El controlador de presión del vapor (presostato) puede ser uno de los dos tipos generales: de posición proporcional o proporcional mas flotación. Para calderas que operan a presiones bajas y tienen una capacidad de almacenamiento considerable de agua y vapor, un tipo de posición proporcional puede utilizarse. Ingeniería en control y automatización Página 27

40 En este controlador, el movimiento es directamente proporcional al cambio de presión (entre los limites alto y bajo). Un controlador proporcional más flotación se utiliza en calderas de presión alta y una capacidad pequeña. Los presostatos básicamente están compuestos por un diafragma, un mecanismo de transmisión de movimiento y contactos eléctricos que pueden ser platinos o bulbos de mercurio. El diafragma es un elemento que censa la presión y produce una deformación que será multiplicada y transmitida por un resorte o un mecanismo de barras al elemento que produce el contacto eléctrico. Resumen En este capítulo se tomaron en cuenta diferentes puntos como lo que es una caldera, breve historia de la caldera en donde se habla de cómo se creo la primera caldera y como fue su evolución además se habla de las partes de una caldera las cuales son las más comunes teniendo en cuenta que en el proceso de la caldera se necesitan más elementos dependiendo de que tipo de caldera, dichos elementos no son mencionados en este capítulo, de igual manera se mencionaron los accesorios que podrían utilizar las calderas para su mejor desempeño, una parte importante de la cual es necesaria tener conocimientos es de la instrumentación utilizada con base a algunas figuras mostradas de cómo se instrumenta una caldera se realizara el simulador mostrado en el capítulo de desarrollo de ingeniería. Para el desarrollo del simulador es necesario que se comprendan los conceptos y teoría mostrada en este capítulo de igual manera es necesario comprender el capítulo siguiente en el cual se describe de una forma general la caldera piro tubular. Ingeniería en control y automatización Página 28

41 CAPÍTULO II.- DESCRIPCIÓN DE LA CALDERA PIRO TUBULAR En este capítulo se habla sobre una caldera y de sus características y sus dimensiones además de sus posibles aplicaciones, se describe la caldera en una forma general, mencionando sus ventajas y desventajas en comparación de calderas anteriores fabricadas antes de su creación, además de sus posibles fallas. Ingeniería en control y automatización Página 29

42 Una gran cantidad de empresa comerciales industriales tienen la necesidad del calor es por ello que para diferentes industrias es necesaria una máquina generadora de calor, el cual ayudará a crear vapor y este vapor es el que será utilizado para diferentes procesos, por ejemplo, en las industrias alimenticias el calor se ocupa para el cocimiento, en las bebidas se utiliza para la pasteurización, en hospitales es de gran importancia como para la esterilización de instrumentos y para calentar agua, además como en los procesos de la realización de materiales de construcción se utiliza para el secado de ladrillos y también es utilizado para secar papel, en la industria de textil, cerámicos, químicos, entre otras. 2.1 Selección de la caldera Para poder simular una caldera es necesario tener un conocimiento de ella ya que existen diferentes tipos de calderas y diferentes diseños de acuerdo a los procesos en las cuales son utilizadas, se selecciona un tipo de caldera exclusivamente para poder simularla de esta manera se tendrá una idea de cómo trabaja una caldera y se podrá hacer la simulación para otros tipos de caldera ya que solo cambian algunas características. Uno de los criterios principales para escoger una u otra caldera es de saber que es una caldera muy utilizada en la industria, esta caldera tiene varias aplicaciones las cuales cambian solo los valores de vapor es por ello que se eligió esta caldera. Para la realización de la simulación de una caldera es necesario escoger una en específico ya que cada caldera es diferente, sabemos que hay un sin fin de calderas de diferentes marcas y con la posibilidad de hacer el mismo funcionamiento que es el de crear vapor a altas temperaturas. Para esto se escoge la caldera piro tubular de la empresa Loos Internacional (Nombre de la empresa), la cual tiene como nombre universal UL S / UL-SX, mostrada en la figura 2.1. Figura 2.1 Caldera piro tubular modelo UL S / UL SX Las dimensiones del hogar de combustión del haz tubular del espacio reservado al agua y del destinado al vapor se han mejorado termodinámicamente para conseguir la máxima flexibilidad de producción. Las superficies calefactores por radiación y convección trabajan conjuntamente para brindar una circulación muy rápida del agua y acelerar el desplazamiento de las burbujas de vapor hacia el espacio reservado al vapor. [8] Ingeniería en control y automatización Página 30

43 La creación de esta caldera da como resultado: Funcionamiento flexible que se adapta a las fluctuaciones de la demanda Robusta de funcionamiento seguro y diseñada para una larga vida útil Económica y con bajas emisiones Estabilidad en condiciones de altas presiones Vapor de gran calidad para usuarios exigentes Estable tanto en cargas máximas como mínimas supera fácilmente cualquier fluctuación de la demanda Adaptable a todos los sistemas de quemadores Circulación estable del agua y rápido intercambio de calor Facilidad de utilización y de mantenimiento Vapor recalentado procedente del modulo de recalentamiento y adecuado para arranques en seco Recalentador como separador de agua con temperatura no regulada del vapor recalentado Máximos niveles de disponibilidad y seguridad [6] Equipamiento La caldera viene equipada con lo siguiente: Válvula de manómetro con brida de comprobación Manómetro Transmisor de nivel (4-20 ma.) Electrodos limitadores de nivel bajo de agua Presostato de seguridad Válvula de interrupción del tubo de presostatos no precisa mantenimiento Transductor de presión (4 20 ma) Indicador de nivel de agua con protector y reflector Grifo de purga, grifo para toma muestras de agua Quemador, posibilidades de mando opcionales 2 etapas, 3 etapas totalmente modulante. Revestimiento de aislante Aislamiento Base soporte Por el otro lado de la caldera cuenta con el siguiente equipo: Válvula de salida de vapor no precisa mantenimiento Válvula de seguridad de resorte Válvula de retención del agua de alimentación Válvula de interrupción del agua de alimentación, no precisa mantenimiento Separador de agua Opciones: válvula reguladora de purga de sales, válvula de interrupción de la purga de sales, grifo de toma de muestras de agua transmisor de conductividad Mirilla del hogar Ingeniería en control y automatización Página 31

44 2º paso de los tubos de humo 1er paso del hogar 3er paso de los tubos de humo Automatismo de purga de lodos Válvula purga no precisa mantenimiento [7] Todo este equipamiento lo podemos observar en las figuras mostradas 2.2 y 2.3 en las cuales nos muestran como esta ubicado cada equipo mencionado con anterioridad. Figura 2.2 Componentes de una caldera piro tubular modelo UL-S/UL-SX Ingeniería en control y automatización Página 32

45 Figura 2.3 Componentes de una caldera piro tubular modelo UL-S/UL-SX Ingeniería en control y automatización Página 33

46 La caldera universal UL S se diseño para perfeccionar los métodos de generación de vapor saturado y recalentado, en la gama de producciones que se inicia en los 1250 Kg. /h para culminar en los Kg. /h. [5] Esta serie se beneficia del aumento de producción aportado por diversos dispositivos adicionales que refuerzan las excelentes propiedades dinámicas de la caldera universal. Control del quemador con regulación modulante de llama y regulación continúa del agua de alimentación para aumentar el equilibrio de cargas y la estabilidad de las presiones. Un ventilador del aire de combustión con motor de velocidad variable reduce el consumo de energía eléctrica auxiliar y mejora la flexibilidad del sistema de calentamiento, mediante una regulación del control de O 2. Permite compensar tanto las posibles variaciones del poder calorífico del combustible como de la temperatura del aire de combustión y de la presión del aire. Naturalmente dispone de control electrónico de la mezcla de aire y combustible para impedir la histéresis del quemador por causa mecánica. [8] Ventajas de la caldera UL S Mínimas pérdidas de gases de combustión: gracias a los módulos de recuperación de calor se consigue un optimo aprovechamiento del combustible Las pérdidas térmicas por radiación se mantienen en un nivel insignificante gracias a la calidad de los recubrimientos aislantes y de los demás materiales especiales para aislamiento. Diversas características técnicas especiales reducen el consumo del combustible Más ecológicos: el empleo de modernísimos sistemas de combustión, sumado a una óptima combinación de caldera y quemador, redunda en una notable mejora de los niveles de emisión, que quedan muy por debajo de los límites permitidos. Además constantemente se incorporan los últimos descubrimientos científicos en el sector de la reducción de emisiones a la atmosfera. [7] Mejoras en la caldera UL - S Reducida contaminación de combustión Baja emisión de ruido durante el funcionamiento Mínima carga ambiental Auditorias ecológicas satisfactorias Menor consumo de combustible Menor consumo de energía Menos pérdidas de calor Menos desgaste En consecuencia reducidos costes de funcionamiento [7] Ingeniería en control y automatización Página 34

47 Características de la caldera UL S En la tabla 2.1 mostramos las características de la caldera UL S haciendo una comparación con la caldera UL SX en donde observamos que no tienen mucha diferencia más que la temperatura y el inicio de su capacidad de vapor. [5] Tabla 2.1 Características de la caldera piro tubular modelo UL-S / UL-SX Tipo Universal UL - S UL - SX Medio calefactor: Vapor saturado alta Vapor sobre calentado presión alta presión Construcción: 3 pasos fogón técnica ígneo tubular Capacidad: 1250 hasta kg/h 2600 hasta kg/h Presión de diseño: Hasta 30 Bar Temperatura máxima: Hasta 235 ºC Hasta 300 ºC Combustible: Petróleo, Gas Dimensiones de la caldera UL S En la tabla 2.2 mostramos el dimensionamiento de la caldera de igual forma haciendo una comparación con la caldera UL SX con base a estas características y dimensionamiento escogeremos una de las dos para poder desarrollar el simulador. [5] Tabla 2.2 Dimensiones de la caldera piro tubular Modelo UL-S / UL-SX Modelo UL - S UL -SX Producción de vapor Kg./h Potencia calorífica Kw Longitud mm Ancho mm Alto mm Volumen de agua nivel medio m3 Volumen de vapor m Volumen total m Sobre presión m Peso en transporte Tn Aplicaciones de esta caldera UL - S Esta caldera se utiliza para diferentes áreas industriales así teniendo la ventaja de ver diferentes procesos con una sola caldera es importante saber que para cada proceso se requiere diferentes valores de vapor tanto en temperatura como en presión del vapor los cuales se pueden ajustar en la caldera UL S. Algunas ramas industriales donde se utiliza esta caldera son: Ingeniería en control y automatización Página 35

48 Bebidas Alimentación Textil Materiales de construcción Cerámicos Químicos Papelera En los cuales se utiliza vapor a altas presión para diferentes necesidades. [7] Fallas posible en la caldera En la caldera es muy importante la detección de fallas, porque eso permite evitar y prevenir accidentes por causa de estas. El análisis de fallas permite detectar a tiempo problemas en la cadera, tales como: defectos de diseño, fabricación o ensamble de piezas, errores en los procedimientos establecidos para el mantenimiento y servicio de los equipos, malas rutinas de mantenimiento o abuso y descuidos durante la operación, por ultimo ayuda a la selección y establecimiento de métodos no destructivos como procedimientos de inspección de las diferentes partes de la caldera. [5] En la tabla 2.3 se mencionan algunas causas en la caldera así como los daños más frecuentes. Tabla 2.3 Daños frecuentes en una caldera. Causas (%) Corrosión interna en los tubos 1.0 Corrosión externa en los tubos 3.0 Limpieza inadecuada 5.1 Materiales defectuosos 0.4 Fabricación defectuosa 0.6 Fallas en la ejecución de 28.0 mantenimiento Mala graduación del encendido 2.0 Mal control del nivel de agua 7.0 Inadecuado tratamiento de agua 26.5 Expansiones y contracciones 0.4 Fallas en obras civiles 5.0 Ingeniería en control y automatización Página 36

49 Cabe mencionar que estos datos son de años anteriores que han sucedido frecuentes en una caldera del año 2007 hacia atrás. La calidad insuficiente del agua, con efectos como corrosión o formación de sedimentos, ocupa casi el primer lugar en las estadísticas de averías. Muchas veces, la mala calidad del agua se debe a las siguientes causas: Vigilancia o control insuficiente de los parámetros prescritos del agua se muestra en la figura. [5] c) a) b) Figura 2.4 Tuberías internas en la caldera a) Hogar donde se efectúa la combustión b) Tubos por donde pasan los humos c) Cámara de vapor Control propuesto para la caldera Como parte del desarrollo del trabajo es estudiar lazos de control se realizará un lazo de control propuesto para la caldera el cual solo se basa en algunas variables como lo es presión de vapor, temperatura en el tanque, y una muy importante que es el nivel. Como parte del diseño del control de la misma se ha adoptado por colocar electro niveles para el control del nivel de la caldera, es importante usar un nivel alto y un nivel medio para la misma, cuando se quiere hacer un control on / off que en este caso es el que se propone, cabe mencionar que con la teoría que se mostró con anterioridad un control on / off y un control modulante son servibles dependiendo de las exigencias del proceso. El nivel bajo permitirá anunciar el llenado de la caldera y el nivel alto la detención del subministro mismo como se muestra en la figura 2.5. Ingeniería en control y automatización Página 37

50 Figura 2.5 Caldera descrita en su forma de operación Para el control de temperatura se ha decidido utilizar un termopar, es indispensable saber que para el control de esta variable dependerá de que el nivel del tanque este en alto, de lo contrario este procesó no se podrá empezar, cabe mencionar que existe otras variables de temperatura en este caso solo se enfoca a la temperatura del liquido de adentro del tanque es por ello que solo se ocupa un solo termopar. Con ello, el sensor permitirá controlar la apertura de la válvula tipo de on / off que suministra el gas que permitirá el encendido de la flama y por tanto el control de la temperatura dentro del tanque, con ello cuando se llegue a un nivel correspondiente o un nivel deseado, la apertura de dicha válvula permanecerá en cierto rango, un rango acorde al nivel o grado de temperatura deseado lo cual se muestra en la figura 2.6. Figura 2.6 Lazo de control de temperatura propuesto. Ingeniería en control y automatización Página 38

51 Por último el control de presión es indispensable, ya que justamente la caldera es utilizada como generadora de vapor, por lo tanto los niveles de presión a la salida del vapor son importantes y por ello el control del mismo debe ser eficiente. Por lo tanto se opto por utilizar un sensor de diafragma el cual permitirá el control de la válvula a la salida de la caldera, de tal manera que su representación en el DTI (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) es mostrada en la figura 2.7. Figura 2.7 Lazo de control de presión propuesto. Cabe mencionar que una caldera de este tipo si se quisiera alterar las condiciones de flujo, se tendrían que alterar las condiciones también de nivel y de temperatura de lo contrario se descompensaría, si dejáramos tener más flujo a la salida se tendría que tener un mismo flujo de entrada el cual no afectara el rango de nivel, así mismo el proceso de vapor se afectaría ya que la respuesta no sería con las mismas condiciones o de la manera más adecuada, por tanto es indispensable aumentar también el nivel de temperatura de forma proporcional de esta manera alcanzaría a calentar el flujo de salida de manera más rápida y el rango de presión que queramos obtener a la salida seria el mismo, teniendo como resultado el siguiente DTI (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) mostrado en la figura 2.8. Figura 2.8 Sistema de control descrito por los lazos propuestos. Ingeniería en control y automatización Página 39

52 2.3.- Elementos de control que utiliza la caldera Los controles buscan garantizar el funcionamiento de la caldera bajo las condiciones y requerimientos especificados. En las calderas pequeñas, igual que en las calderas grandes se disponen de sistemas y aparatos que permiten controlar la presión de vapor, el nivel del agua, flujo de vapor, la presencia de llama, el flujo de combustible y el flujo de aire. Válvula principal de control de gas: permite aislar los dispositivos de control de gas para facilitar las rutinas de reparación y mantenimiento. Gobernador de presión de gas: para garantizar una presión constante del gas de entrada. Presostato: es un switch de acción inversa accionado por la presión de vapor. El principio de funcionamiento del presostato se basa en el balance de fuerza entre la ocasionada por la presión de un fluido y la fuerza ejercida por un fuelle y un sistema de resortes. Cuando la presión de vapor alcanza el valor ajustado, la válvula del presostato cierra el paso de gas dejando pasar solo una pequeña cantidad suficiente para mantener la llama. De igual forma cuando la presión de vapor cae entonces se da nuevamente paso al flujo de gas por medio de la válvula del presostato. Los presostatos tienen puntos definidos para conectar (cut in) y desconectar (cut out). Es decir están ajustados para iniciar su acción cuando la presión se reduce a un valor mínimo preestablecido en el control y termina su acción cuando la presión aumenta hasta un valor máximo determinado. A la diferencia de valores entre desconectar y conectar se define como diferencial. En general, el tamaño del diferencial depende de cada caso en particular. Corte por bajo nivel de agua y alarma: el nivel de agua es controlado automáticamente por medio de un flotador el cual tiene también control sobre una válvula de gas. El switch de mercurio acoplado al flotador puede accionar una bomba de agua, activar una alarma sonora y abrir o cerrar una válvula de gas. La alimentación de agua a la caldera también puede hacerse en forma manual o por medio de un inyector. Para el control de nivel de agua también se puede emplear un sistema de electrodos que cierran un circuito por medio del agua. Si el nivel de agua cae por debajo del electrodo el circuito se abre y la válvula solenoide se cierra para así activar una alarma. Dispositivo de protección de llama: consiste en un switch termoeléctrico de falla de llama. El switch puede ser accionado manualmente por medio de un botón de reset. Dispone de una termocupla que cuando es calentada por la llama, energiza un electroimán el cual mantiene cerrado el switch. Cuando la llama desaparece el switch se abre debido a que el electroimán se desenergiza. Como este dispositivo esta en serie con la válvula solenoide esta impide el paso de gas. Válvula de corte por baja presión: en calderas que no disponen de un control eléctrico se suele utilizar una válvula de corte por baja presión justo antes de la válvula principal de gas. El corte puede realizarse por una línea que puede ser operada por el control de nivel bajo de agua. Ingeniería en control y automatización Página 40

53 Válvula reductora del quemador con enclavamiento: en calderas con ignición manual es necesario impedir que pase el gas si este no va a ser quemado. Esto puede lograrse colocando una válvula piloto de enclavamiento y una válvula principal de gas. Así la válvula piloto debe ser activada antes que la válvula principal. También se puede usar una válvula de palanca giratoria del quemador con una válvula reductora. Válvula principal de vapor: es una válvula de paso colocada directamente cerca a la parte superior de la caldera. Bomba de alimentación: puede ser operada manualmente o por medio de un control eléctrico. En este último caso el control de nivel de agua se debe ajustar para mantener el nivel en la mitad del medidor de vidrio. Transmisor de nivel (4-20 ma): La medición de nivel se realiza con dos propósitos fundamentales: control de los márgenes de operación y seguridad, y determinación de la cantidad de producto contenida en un recipiente con propósitos de inventario: Medida directa Presión hidrostática Desplazamiento Flotador Fuerza: Principio de Arquímedes Ultrasonidos Radar Electrodos limitadores de nivel bajo de agua: El electrodo de nivel detecta el nivel mínimo de llenado en un generador de vapor de acuerdo con el principio de medición conductiva. Figura Figura 2.9 Sensor de electro nivel Ingeniería en control y automatización Página 41

54 Quemador posibilidades de mando opcionales 2 etapas, 3 etapas, totalmente modulante: Los quemadores son los equipos donde se realiza la combustión, por tanto deben contener los tres vértices del triángulo de combustión, es decir que deben lograr la mezcla íntima del combustible con el aire y además proporcionar la energía de activación. Por la forma en que toman el aire de combustión se distinguen dos tipos de quemadores: Quemadores atmosféricos. Quemadores mecánicos. Figura 2.10 Quemador Figura 2.11 Funcionamiento del quemador Resumen Por lo tanto, mediante la descripción de los componentes de la caldera a utilizar, podemos adentrarnos a los principios de operación de la misma y los componentes a utilizar para poder desarrolla lazos de control para enfocarlos al uso de PLC (Controlador Lógico Programable). Por ello, el siguiente capítulo abordara el desarrollo de la ingeniería de nuestro proyecto, es decir, la descripción de cómo se desarrollo nuestro proyecto y cuáles fueron los procedimientos a tomar para poder llegar al funcionamiento del mismo. Ingeniería en control y automatización Página 42

55 CAPÍTULO III.- DESARROLLO DE INGENIERÍA En este capítulo veremos como se desarrolló el simulador dinámico y matemático dejando los algoritmos y diagramas de flujo para futuras modificaciones. También se mencionan algunas características de programación que se utilizaron para el desarrollo de este simulador y de igual manera se menciona como se configura para su uso correcto. Ingeniería en control y automatización Página 43

56 En este apartado se explicará lo que es el simulador completo dividiéndose en dos partes la simulación dinámica del sistema y la simulación matemática, para esta parte de simulaciones se utilizaron dos software uno de ellos es Visual Basic 6.0 el cual fue utilizado para hacer toda la interfaz de la simulación con la ayuda de este software se hace una simulación muy parecida a lo que es una HMI además de que se hicieron varias ventanas en las cuales nos dan información de la caldera y poder obtener datos o cálculos de otra caldera. En la parte de simulación matemática se utiliza un software el cual ayuda a simular los modelos matemáticos este software llamado MatLab y Simulink facilita obtener las respuestas en el tiempo de los modelos matemáticos que obtuvimos de la caldera así obteniendo la dinámica general de toda la caldera lo más real posible. Cabe mencionar que la simulación no hace al 100% lo que debería de hacer de un proceso real ya que hay muchas variables o perturbaciones las cuales no contamos por falta de conocimiento real sobre la caldera, pero la ventaja es que dejamos los algoritmos y diagramas de flujo para una posible modificación haciendo un simulador que se acerque más al proceso real o también para que se pueda programar en algunas otras paqueterías de software más confiables y que puedan trabajar en tiempo real, de igual manera al hacer un programa para el PLC (Controlador Lógico Programable) que en este caso utilizaremos el PLC (Controlador Lógico Programable) Micrologix 1000 porque se cuenta con el PLC (Controlador Lógico Programable) además como no se ocupan muchas variables en el simulador con este PLC (Controlador Lógico Programable) es adecuado para realizar el control del simulador y porque tenemos los programas para poderlo programar y hacer comunicación, es el motivo del porque utilizamos esto, también se deja su algoritmo y diagrama de flujo para que se pueda hacer el programa con algunas modificaciones y que se pueda cambiar por otro PLC (Controlador Lógico Programable) más conveniente para la operación de dicha caldera. Todo esto que se realiza es con fines de aprendizaje, para que el usuario en alguna práctica pueda utilizar este simulador y así obtener conocimientos de cómo programar un PLC (Controlador Lógico Programable) y también tener un conocimiento en general de cómo puede operar una caldera, obtendrá el conocimiento necesario para poder realizar un control adecuado en una caldera, sin olvidar todas las variables presentes en esta misma. Ingeniería en control y automatización Página 44

57 3.1.- Selección del software y desarrollo de la simulación Dinámica Para poder desarrollar una simulación dinámica es necesario tener conocimientos de programación ya que para realizar un simulador es necesario saber programar, para este caso podemos utilizar distintos software que nos ayudaran a simular una caldera como por ejemplo Labview, Visual Basic, MatLab, Intouch, entre otros. Nosotros seleccionaremos Visual Basic 6.0 ya que tenemos conocimientos y se nos hace más sencillo para poder hacer una interfaz en esta misma, también posee una curva de aprendizaje muy rápida, integra el diseño e implementación de formularios de Windows, el código en Visual Basic es fácilmente entendible a comparación de otros lenguajes tiene la ventaja de comunicación DDE requerida para comunicarnos con el PLC (Controlador Lógico Programable) y además es un entorno perfecto para realizar pequeños prototipos rápidos de ideas. Visual Basic 6.0 es uno de los lenguajes de programación que más entusiasmo despiertan entre los programadores de PC s, tanto expertos como novatos. En el caso de los programadores expertos por la facilidad con la que desarrollan aplicaciones complejas en poquísimo tiempo (comparado con lo que cuesta programar en Visual C++, por ejemplo). En el caso de los programadores novatos por el hecho de ver de lo que son capaces a los pocos minutos de empezar su aprendizaje. El precio que hay que pagar por utilizar Visual Basic 6.0 es una menor velocidad o eficiencia en las aplicaciones. Visual Basic 6.0 es un lenguaje de programación visual, también llamado lenguaje de 4ª generación. Esto quiere decir que un gran número de tareas se realizan sin escribir código simplemente con operaciones gráficas realizadas con el ratón sobre la pantalla. Visual Basic 6.0 también es un programa basado en objetos, aunque no orientado a objetos como C++ o Java. La diferencia esta en que Visual Basic 6.0 utiliza objetos con propiedades y métodos, pero carece de los mecanismos de herencia y polimorfismo propios de los verdaderos lenguajes orientados a objetos como Java y C++. Figura 3.1. Figura 3.1 Visual Basic 6.0 Ingeniería en control y automatización Página 45

58 También para poder desarrollar el simulador completo nos ayudaremos del software Matlab 7.0 en el cual se desarrollara el modelado y en este mismo se podrán visualizar las respuestas del sistema a diferentes entradas con la ayuda de una de sus herramientas que utiliza Matlab como lo es Simulink, el cual nos ayudara a visualizar el proceso en forma de bloques. MatLab es el nombre abreviado de MATrix LABoratory. Es un programa para realizar cálculos numéricos con vectores y matrices. Como caso particular puede también trabajar con números escalares tanto reales como complejos, con cadenas de caracteres y con otras estructuras de información más complejas. Una de las capacidades más atractivas es la de realizar una amplia variedad de gráficos en dos y tres dimensiones. Tiene también un lenguaje de programación propio. MatLab es un gran programa de cálculo técnico y científico, para ciertas operaciones es muy rápido, cuando puede ejecutar sus funciones en código nativo con los tamaños más adecuados para aprovechar sus capacidades de vectorización. Figura 3.2. Figura 3.2 MatLab 7.0 Simulink es una extensión de MatLab para la simulación de sistemas dinámicos. Al ser un entorno grafico, resulta bastante sencillo de emplear. Para ejecutar Simulink, podemos teclear Simulink desde Matlab, o bien hacer clic en el icono en la barra de herramientas de MatLab Desarrollo de los algoritmos Para poder desarrollar un programa es necesario la elaboración de algoritmos y como nuestro simulador es algo grande y complejo iremos por partes ventana por ventana y así si hubiera un error será más sencillo de detectarlo y poderlo corregir haciendo un mejor comprendimiento en el simulador y posibles simuladores en otros paquetes de programación Ventana principal Como primera ventana tenemos la ventana de inicio la cual se encarga de dar una presentación del simulador que se va a ocupar como se muestra en la figura 3.3. Ingeniería en control y automatización Página 46

59 Algoritmo ventana principal Figura 3.3 Ventana de inicio del simulador 1.- Inicio 2.- Inicia reloj 3.- Carga componentes 4.- Si carga de componentes completa ir a paso 5; si no ir paso Pasar a la siguiente ventana; Ventana Menú 6.- Fin La explicación de este algoritmo es sencillo como primer paso tenemos el inicio al momento de iniciar el programa se activa un reloj el cual estará cargando los componentes, después viene una condición la cual es si ya se cargaron todos los componentes o aun faltan si ya se cargaron todos se pasa a la siguiente ventana y si no se siguen cargando hasta cumplir con esta condición. Esto se muestra de manera gráfica en la el diagrama de flujo que se muestra en la figura 3.4. Diagrama de flujo ventana principal Inicio Inicia reloj Carga componentes No Componentes cargados? Si Pasar a la siguiente ventana; Ventana Menú Fin Figura 3.4 Diagrama de flujo de la ventana principal Ingeniería en control y automatización Página 47

60 Ventana menú Como segunda ventana tenemos una ventana la cual encontraremos las diferentes opciones para poder entrar al simulador, como lo es la simulación dinámica y la simulación matemática además de una opción más la cual es dedicada para cálculos como la eficiencia de la caldera, entre otros cálculos que se verán más adelante. La ventana menú es mostrada en la figura 3.5. Figura 3.5 Ventana menú para selección de aplicación Algoritmo ventana menú 1.- Inicio 2.- Si da clic en imagen caldera o letras sim. Din. ir a paso 6 si no ir a paso Si da clic en imagen matlab o letras sim. Mat. ir a paso 7 si no ir a paso Si da clic en imagen números o letras Calc. Ext. Ir a paso 8 si no ir a paso Si da clic en letras salir ir a paso 9 si no ir a paso Pasar a la ventana simulación dinámica 7.- Pasar a la ventana simulación matemática 8.- Pasar a la ventana cálculos extras 9.- Fin Ingeniería en control y automatización Página 48

61 Diagrama de flujo venta menú Inicio Si clic img o letras sim. din. Si Ventana Simulación Dinámica No Si clic img o letras sim. Mat. Si Ventana Simulación Matemática No Si clic img o letras Calc. Ext. Si Ventana Cálculos Extras No No Si clic letras Salir Fin Si Figura 3.6 Diagrama de flujo del menú En esta parte es fácil de comprender ya que solo el menú nos ayudara a seleccionar que simulación es la que queremos utilizar, con una serie de preguntas hacemos un ciclo el cual este repitiéndose hasta que el usuario de clic en salir es cuando acaba el ciclo, cuando inicia la ventana podemos observar que el programa se pregunta si da clic en una u otra opción si da clic en la primera opción, mandara al usuario a la simulación dinámica si da clic en la segunda opción, mandara al usuario a la ventana de simulación matemática y si da clic en la tercera opción, mandara al usuario a la ventana de cálculos extras y si da clic en la opción de salir, sacara por completo al usuario del programa. En la figura 3.6 es mostrado el diagrama de flujo de la ventana menú. Ingeniería en control y automatización Página 49

62 Ventana simulación dinámica En esta ventana es donde se puede realizar una interfaz entre la caldera real y la caldera simulada en el software. Ya que esta ventana está vinculada con RsLogix en donde el usuario podrá desarrollar programas para el PLC (Controlador Lógico Programable) Micrologix 1000 y poder controlar la caldera simulada. Esta ventana tiene varias cosas por mostrar las cuales iremos explicando paso a paso para un mejor comprendimiento de cómo funciona el simulador. Como primera parte tenemos una serie de botones los cuales uno es para reiniciar el sistema y poner en los valores iníciales la caldera por si llegara haber una falla o un mal control se da clic en el botón de reiniciar para volver a empezar. Otro de los botones que esta es el botón llamado menú este botón nos permitirá salir de la simulación dinámica y regresar al menú en donde podemos escoger otra opción como el de simulación matemática o el de cálculos extras. El siguiente botón es el que se llama Manual este botón sirve para que controlemos la cadera de forma manual es decir que activando un checkbox hará la función que tenga indicada ya sea activar la bomba para el llenado la flama o activar algún sensor. Otro botón es el que se llama automático en esta parte al presionar este botón ocultara los checkbox utilizados para hacerlo en forma manual y la única manera de controlar la cadera será de manera automática mediante el software RsLogix 500 en donde se realizara un programa para poder controlar la caldera. Y el otro botón y ultimo será el de salir en donde este solo te sacara por completo del programa. Todo esto se muestra en la figura 3.7. a) Caldera en modo automático b) Caldera en modo manual Figura 3.7 Simulador en Visual Basic Ingeniería en control y automatización Página 50

63 Algoritmo ventana simulación dinámica Para comprender un poco el funcionamiento de la simulación dinámica presentamos el siguiente algoritmo y esto se explica de manera manual ya que en modo automático su algoritmo es distinto ya que es en donde hacemos comunicación con los programas de Allen Bradley para poder desarrollar los lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable) en donde se pueden hacer distintos tipos de control como el modulante y el on / off los cuales implican un cambio en la lógica del programa del PLC (Controlador Lógico Programable). Teniendo el modo manual podremos entender el funcionamiento del simulador y poder hacer diferentes tipos de control en modo automático. Algoritmo modo manual 1.- Inicio 2.-Leer variables entradas y salidas 3.- Si entrada I:1/0=1, Botón start activado, si no Botón start desactivado 4.- Si entrada I: 1/1=1, Botón stop activado, si no botón stop desactivado 5.- Si entrada I:1/2=1, flowmeter activado mide flujo, si no flowmeter desactivado 6.- Si entrada I:1/3=1, Sensor Hi-Level activado, si no sensor Hi-Level desactivado 7.- Si entrada I:1/4=1, Sensor Lo-Level activado, si no sensor Lo-Level desactivado 8.- Si entrada I:1/5=1, Sensor Vapor activado, si no Sensor vapor desactivado 9.- Si entrada I:1/6=1, Sensor Presión activado, si no Sensor presión desactivado 10.- Si entrada I:1/7=1, Sensor Temp. activado, si no sensor Temp.. desactivado 11.- Si salida O:2/0=1, Lámpara Run activado, si no Lámpara Run desactivada 12.- Si salida O:2/1=1, Lámpara Danger activado, si no Lámpara Danger desactivada 13.- Si salida O:2/2=1, Lámpara Full activado, si no Lámpara Full desactivada 14.- Si salida O:2/3=1 Bomba activada, si no Bomba desactivada 15.- Si Salida O:2/3=1 y tanque lleno, msj. accidente si no ir a paso Si salida O:2/4=1 Flama activada, si no Flama desactivada 17.- Si salida O:2/4=1 y tanque vació, msj. accidente si no ir a paso Si salida O:2/4=1 y tanque lleno, produce vapor si no ir paso Si botón salir es pulsado ir a paso 21 si no ir a paso Si botón menú es pulsado ir a ventana menú si no ir a paso Si botón automático es pulsado ir a modo automático si no ir a paso Fin La explicación de este algoritmo es realmente sencilla ya que al iniciar el simulador dinámico se está revisando a cada rato los checkbox que son las entradas y salidas en cuanto detecta una activación de un checkbox inmediatamente hace su función como activar una lámpara o la bomba o activar los sensores si no detecta una activación y este ciclo es repetitivo hasta que es pulsado el botón de salir o el botón de menú. Para poder observarlo de manera gráfica se muestra en la figura 3.8. Ingeniería en control y automatización Página 51

64 Diagrama de flujo modo manual 2A Inicio Leer Variables de entrada Botón Start Activado No I:1/0=1? Si Botón Start Activado Botón Stop Activado No I:1/1=1? Si Botón Stop Activado Flowmeter Desactivado No I:1/2=1? Si Flowmeter Activado Sensor Hi- level Desactivado No I:1/3=1? Si Sensor Hi Level activado Sensor Lo- level Desactivado No I:1/4=1? Si Sensor Lo Level activado Sensor vapor Desactivado No I:1/5=1? Si Sensor vapor activado Sensor presión Desactivado No I:1/6=1? Si Sensor presión activado Sensor Temp. Desactivado No I:1/7=1? Si Sensor Temp. Activado Lamp. Run Desactivado No O:2/0=1? Si Lamp. Run Activado Lamp. Danger Desactivado No O:2/1=1? Si Lamp. Danger Activado Lamp. Full Desactivado No O:2/2=1? Si Lamp. Full Activado Bomba Desactivado No O:2/3=1? Si Bomba Activado 1A Ingeniería en control y automatización Página 52

65 1A O:2/3=1 y tanque lleno? Si Msj Accidente Flama Desactivada No O:2/4=1? Si Flama Activada O:2/4=1 y tanque vacío? Si Msj Accidente O:2/4=1 y tanque lleno? Si Produce Vapor 2A No Botón automático es Pulsado? Si Ir ventana automático 2A No Botón menú es Pulsado? Si Ir ventana Menú 2A No Botón salir es Pulsado? Si Fin Figura 3.8 Diagrama de flujo modo manual Ingeniería en control y automatización Página 53

66 Algoritmo modo automático 1.- Inicio 2.- Si botón start es Pulsado ir a si 4 no ir a Si botón stop Pulsado ir a 33 si no ir a Envío de datos a RsLogix 500 entrada I:0/0 5.- Inicio de relojes envío de datos (Subrutina) 6.- Inicio de relojes recibo de datos (Subrutina) 7.- Si el tanque esta vacío ir a 8 si no ir Sensor de bajo nivel manda una señal a RsLogix 9.- Si se recibe señal de RsLogix a visual de la salida O:0/3 ir a 10 si no ir a Activación de reloj llenado de agua 11.- Si sensor de alto nivel activado ir a 12 si no ir a Manda señal a RsLogix, activación del reloj envío de datos 13.- Si se recibe señal de RsLogix a Visual Basic de la salida O:0/4 ir a 14 si no ir a Activación del reloj encendido flama 15.- Activación del reloj aumento de temperatura 16.- Si la temperatura es mayor a 90 ºC si ir a 17 si no ir a Activación del reloj de vapor 18.- Activación del reloj vaciado del tanque 19.- Activación del reloj de aumento de presión 20.- Si reloj vapor activado ir a 21 si no ir a Mandar señal a la entrada de vapor 22.- Si el tanque detecta bajo nivel ir a 10 si no ir a Si reloj de presión activado ir a 24 di no ir a Aumento de presión 25.- Si presión mayor a la presión del setpoint ir a 26 si no ir a Activación reloj envío de datos 27.- Activación Válvula de alivio 28.- Si se recibe señal de salida de RsLogix de la salida O:0/0 si ir a 29 si no ir a Encendido lámpara verde 30.- Si se recibe señal de salida de RsLogix de la salida O:0/1si ir a 34 si no ir a Encendido lámpara amarilla 32.- Si se recibe señal de salida de RsLogix de la salida O:0/2 si ir a 33 si no ir a Envío de datos a la entrada I:0/ Encendido lámpara roja 35.- Si lámpara roja activada ir a 35 si no ir a desactivación de relojes 37.- si botón menú pulsado ir a 37 si no ir a Ventana menú 39.- Si botón manual pulsado entonces ir a 39 si no ir a Activación modo manual 41.- Si botón Reinicial pulsado ir a 40 si no ir a Poner en condiciones iniciales el sistema 43.- Si botón salir es pulsado ir a 43 si no ir a Fin Ingeniería en control y automatización Página 54

67 Diagrama de flujo modo automático 2F Inicio NO SI Si botón start pulsado? 2A SI NO Si botón stop pulsado? 2E Envío de datos a RsLogix Entrada I:0/0 NO Inicio de relojes envío de datos Inicio de relojes recibo de datos 2B NO Si tanque vacío? 2D SI Sensor Bajo nivel manda señal a RsLogix SI 2C Si se recibe señal de la salida O:0/3 1A Ingeniería en control y automatización Página 55

68 2C 1A 2B Activación del reloj llenado de agua Si sensor de alto nivel activado? NO 2D SI Manda Señal a RsLogix, Activa Reloj Envío de datos Si se recibe señal de la salida O:0/4 NO 2E SI Activación del reloj encendido flama Activación del reloj aumento de temperatura Si Temp. > a 90 ºC NO 2E SI Activación del reloj de vapor Activación del reloj vaciado de tanque Activación del reloj aumento de presión Si sensor de vapor activado? NO 2E SI Manda señal a la entrada vapor 2E NO Si el tanque detecta bajo nivel SI 2C 1B Ingeniería en control y automatización Página 56

69 1B Si reloj de presión activado? NO 2E Aumento de presión SI Si presión mayor a la del setpoint? SI Activación reloj envío de datos NO 2E Activación de válvula de alivio Si se recibe señal de salida O:0/0 NO 2E SI Encendido lámpara verde Si se recibe señal de salida O:0/1 SI NO 2E Encendido lámpara amarilla Si se recibe señal de salida O:0/2 NO 2E 2A SI Envío de datos a la entrada I:0/1 Encendido lámpara roja Desactivación de relojes 1C Ingeniería en control y automatización Página 57

70 1C Botón Menú pulsado? NO 2F Ventana Menú SI Botón Manual pulsado? NO 2F Ir a modo manual SI Botón Reiniciar pulsado? NO 2F SI Poner en condiciones iniciales Botón Salir pulsado? NO 2F Fin SI Figura 3.9 Diagrama de flujo modo automático La explicación este diagrama de flujo mostrado en la figura 3.9 se resume en que a cada ratito se esta activando las subrutinas de envío y recibo de datos y con base a los datos enviados o recibidos se toman acciones como el llenado de tanque, activación de sensores, activación de flama, aumento de temperaturas los cuales son datos compartidos constantemente con los dos software utilizados para el desarrollo de la simulación. Ingeniería en control y automatización Página 58

71 Subrutina de relojes de envío y recibo de datos En esta subrutina es solo para enviar o recibir datos de Visual Basic a RsLogix y viceversa es por ello que se creo un algoritmo y un diagrama de flujo exclusivo para esto el algoritmo es el siguiente 1.- Inicio 2.- Lee datos 3.- Activa reloj 4.- Abre comunicación 5.- Envía o recibe datos 6.- Cierra comunicación 7.- Se enviaron los datos correctamente si ir a 8 si no ir a Desactiva reloj 9.- Fin Es sencilla su explicación primero lee datos del la caja de textos después activa un reloj el cual ara la siguiente secuencia, primero abrirá comunicación entre Visual Basic y RsLogix 500 después enviara o recibirá datos dependiendo de lo que se quiera y una vez enviado el dato o recibido se cierra la comunicación apagando el reloj y terminando el ciclo para mayor entendimiento se muestra el diagrama de flujo mostrado en la figura Inicio Leer Datos de caja de texto Activa reloj Abre comunicación Envía o recibe datos Cierra comunicación NO Se enviaron datos correctamente? SI Desactiva Reloj Fin Figura 3.10 Diagrama de flujo subrutina envío y recibo de datos Ingeniería en control y automatización Página 59

72 3.3.- Código y propiedades utilizadas en Visual Basic Para cada ventana se utilizaron algunas características idénticas a las de alguna otra ventana, es por ello que se describirá cada elemento los cuales fueron utilizados a si mismo describiremos sus propiedades de cada elemento, cabe mencionar que algunos elementos esta lleno de propiedades con las que se puede trabajar pero algunas son innecesarias para que funcione el simulador, así que se explicaran las necesarias. La simulación se realizo basada de acuerdo a ciertos puntos o criterios los cuales si existe algún error se hace notar mediante mensajes enviados al usuario, es necesario que solo se tomaron en cuenta algunas de las variables con las cuales se podrán desarrollar algunos lazos de control si se quisiera hacer una HMI de forma real seria necesario incluir más variables y algunas perturbaciones que hacen que no trabaje de manera eficiente la caldera. Algunos puntos que debemos de tener en cuenta son los siguientes: El simulador podrá iniciarse en cualquier momento, al abrir el software realizado se tendrá la ventaja de elegir entre simulador dinámico, simulador matemático, y cálculos extras. Al seleccionar simulación dinámica se entrara en una ventana la cual estará vinculada con RsLogix 500 en la cual se podrá pulsar botones recibir y enviar señales a RsLogix 500 con un tiempo de retardo muy pequeño. Tendrá modos de alarma con lámparas las cuales serán visualizadas al recibir datos de RsLogix 500. El usuario tendrá las herramientas necesarias para poder desarrollar lazos de control con el PLC (Controlador Lógico Programable) y el simulador. La realización de la programación se realizo en Visual Basic principalmente por varios puntos los cuales son: Es sencillo de utilizar además de ser más grafico que algún otro lenguaje. Su programación es más sencilla y es menos costosa que con otros lenguajes. Su costo de licencia es más bajo a comparación de software de programación más sofisticados. Tiene compatibilidad de comunicación DDE al igual que Allen Bradley Se puede implementar una serie de interfaces de acuerdo al desarrollo del sistema. Ingeniería en control y automatización Página 60

73 Características de los elementos de Visual Basic utilizados en el simulador. Al realizar la simulación se fue creando de acuerdo a los algoritmos mostrados anteriormente, con la ayuda de los elementos de Visual Basic se fue creando dicha simulación en donde fuimos ocupando botones, imágenes, figuras, etiquetas, temporizadores, entre otros elementos. Al agregar un elemento, Visual Basic les da un nombre por default los cuales estos nombres son utilizados en el área de código para realizar alguna acción, algunos nombres de estos elementos son grandes y difícil de recordar es por ello que se abrevian de acuerdo a lo que son. Etiquetas (Label) Estas etiquetas llamadas label se utilizan para poner nombres o algún texto en el formulario o títulos los cual puede ser movibles, sus propiedades que utilizaremos de este elemento de visual Basic son los de la tabla 3.1. Tabla 3.1 Propiedades de las etiquetas (Label) (Nombre) Alignment BackColor BackStyle Caption Font ForeColor Enabled Visible Label1 2- Center &H & 0- Transparent C A L S I M Arial &H & True True Nombre es el que se le da al elemento se puede abreviar de manera lbl y poner un nombre por ejemplo lbltitulo el cual nos ayudara a referenciar al elemento y utilizar en la ventana de código para su mayor facilidad de identificación de cada elemento, la propiedad Alignment nos ayudara a alinear el texto ya sea justificado a la derecha o la izquierda o al centro, otra de las propiedades es BackColor el cual es utilizado para cambiar el color de fondo de la etiqueta y la propiedad de BackStyle se utiliza para hacer transparente u opaco el fondo de la etiqueta, la propiedad caption es utilizada para escribir lo que se quiere visualizar en la etiqueta, Font es utilizado para el tipo y tamaño de letra y para el color de la letra se utiliza la propiedad de ForeColor, para que este activada la etiqueta y se pueda utilizar al dar clic o alguna otra cosa es necesario ocupar la propiedad Enabled si esta en modo True la etiqueta estará habilitada y si esta en modo False la etiqueta estará deshabilitada, y para que se pueda ver en el formulario o poder desaparecer en algún momento dado, será necesario utilizar la propiedad Visible que al estar en modo True significa que será visible en el formulario y en modo False la etiqueta no será visualizada en el formulario. Ingeniería en control y automatización Página 61

74 Imágenes (Images) Este elemento llamado Images se utiliza para insertar imágenes dentro de los formularios ya sean imágenes de cualquier tipo por ejemplo pueden ser imágenes con extensiones como.jpg,.gif,.bmp entre otras algunas de las propiedades que utilizamos para el desarrollo del simulador con las imágenes utilizadas son las que se muestran en la tabla 3.2 Tabla 3.2 Propiedades de las imágenes (Images) (Nombre) Picture Stretch ToolTipText Visible Image1 Mapa de bits True C A L S I M True Como hemos mencionado anteriormente la propiedad nombre se utiliza para identificar de manera más sencilla a los elementos utilizados en la realización de programas, Visual Basic les da un nombre por defecto el cual a veces es demasiado grande y va con números consecutivos cuando se utilizan elementos iguales en este caso para poder abreviar Image1 se utilizara las iniciales Img y el nombre de que es la imagen por ejemplo Imginicio el cual nos ayudara a realizar de manera más sencilla el reconocimientos de las imágenes utilizadas en el simulador, la propiedad Picture es en donde seleccionaremos la imagen la cual queremos que se muestre en el formulario, para poder modificar el tamaño de esta imagen seleccionada es necesario utilizar la propiedad Stretch, esta propiedad si esta en modo True la imagen podrá cambiar su tamaño real y si esta en modo False no podrá cambiar el tamaño de la imagen, la propiedad ToolTipText se utilizara para poner una pequeña etiqueta la cual será visualizada cuando el apuntador del Mouse sea puesto encima de la imagen, y por ultimo la propiedad Visible la cual hará que la imagen sea visible o no en el formulario. Relojes (Timer) Estos relojes se utilizan para hacer funciones repetitivas como sumas secuenciales o contadores dependiendo el tiempo que se les de, estos podrán ser abreviados como Tmr y el nombre para el cual sea asignado, sus propiedades más importantes se muestran en la tabla 3.3. Tabla 3.3 Propiedades de los relojes (Timer) (Nombre) Timer1 Enabled True Interval 50 El nombre es la propiedad que tiene todos los elementos en donde se dará el nombre para reconocer más fácil a dicho elemento, la propiedad Enabled sirve para activar o desactivar el elemento y quede fuera de operación, la propiedad Interval sirve para dar un tiempo en el cual se quiere que se repita el proceso del reloj este tiempo esta dado en milisegundos y no puede ser menor a un milisegundo. Ingeniería en control y automatización Página 62

75 Botones (CommandButton) Los botones son muy utilizados en aplicaciones de Visual Basic ya que estos nos ayudaran a activar o desactivar algunos otros elementos algunas de las propiedades de las cuales podemos usar en los botones son las que se muestran en la tabla 3.4 Tabla 3.4 Propiedades de los botones (CommandButton) (Nombre) Caption Enabled Font ToolTipText Visible Command2 Menú True Arial Menú True La abreviación del Command2 se realizara con las iniciales cmd seguido del nombre de la función del botón por ejemplo cmdmenu o cmdmanual etc., la propiedad caption es para escribir lo que se quiere visualizar en el botón por ejemplo si es un botón de reinicio o de inicio o de paro el cual con estas etiquetas que se le den el usuario sabrá para que es el botón, la propiedad Enabled nos servirá para que este habilitado o deshabilitado y el usuario pueda o no pulsar el botón dependiendo la programación que se realice, la propiedad Font es para dar el tipo de letra de la etiqueta que se le dio en la propiedad caption y la propiedad ToolTipText servirá para que cuando el usuario ponga el Mouse en el botón nos de una pequeña información para que sirve el botón y por ultimo la propiedad visible es para hacerlo visible o ocultarlo en cualquier momento del funcionamiento. CheckBox (Checkbox) Estos nos ayudaran a hacer de cierta manera algunas condiciones si esta activado o no algún elemento si este checkbox su casilla esta activada con una palomita o si no esta activada con una palomita alguna de las propiedades que utilizamos son las que se muestran en la tabla 3.5 Tabla 3.5 Propiedades de los checkbox (CheckBox) (Nombre) Alignment Caption Enabled Font ForeColor Value Visible Checkbox1 0-Left Justify I:1/0 True Arial &H & 0 Unchecked True Ingeniería en control y automatización Página 63

76 Para la abreviatura de los Checkbox se utilizara chk y el nombre para que esta destinado el elemento la propiedad aligment se utilizara si se quiere que la casilla donde aparece la palomita este a la izquierda o derecha del texto, la propiedad caption se utilizara para visualizar algún texto a un lado de la casilla, la propiedad Enabled si esta en modo True estará el elemento habilitado de tal manera que se pueda dar clic y activar la casilla si esta en modo false el elemento estará deshabilitado, para poder cambiar de letra se utiliza la propiedad Font y para cambiar de color de letra se utiliza la propiedad ForeColor si se quiere que la casilla este activa desde que inicia el programa se utiliza la propiedad Value que tiene tres modos, el modo 0 para que no aparezca una palomita en la casilla, un 1 para cuando se quiere que aparezca la palomita en la casilla y la propiedad visible utilizado para ocultar o hacer visible el elemento. Caja de Texto (TextBox) Esta caja de texto es muy utilizada ya que nos sirve para meter datos o recibir datos alfanuméricos o numéricos o solamente alfabéticos para abreviar se utilizaran las iniciales txt y el nombre para lo cual esta destinada esta caja de texto, algunas de las propiedades utilizadas para este elemento son las que se muestran en la tabla 3.6. Tabla 3.6 Propiedades de las cajas de texto (TextBox) (Nombre) Alignment BackColor Enabled Font ForeColor Visible Text1 0-Left Justify I:1/0 True Arial &H & True La propiedad nombre es utilizada para identificar de una manera más sencilla cada elemento y poder trabajar más rápido en la ventana de código, al igual que otros elementos tiene propiedades para alinear el texto dentro de la caja de texto como es la propiedad Aligment para poder cambiar el color del fondo de la caja de texto es utilizada la propiedad BackColor si se quiere habilitar o deshabilitar la caja de texto se utiliza la propiedad Enabled de tal manera que se podrá introducir o no datos a la caja de texto, la propiedad Font nos ayudara a cambiar el tipo de letra de forma tal que se vea más atractivo el simulador y de igual manera cambiando el color de la letra con la propiedad ForeColor y con la propiedad Visible nos ayudara a ocultar o aparecer la caja de texto. Figuras (Shape) Los shapes son figuras geométricas las cuales con las propiedades se pueden escoger ya sea un circulo, rectángulo, o cuadrado con esquinas curveadas o con esquinas en forma de escuadra para el caso de el rectángulo y cuadrado, y para el circulo puede ser también una elipse, algunas de las propiedades que se utilizan para estas figuras geométricas son las que se muestran en la tabla 3.7. Ingeniería en control y automatización Página 64

77 Tabla 3.7 Propiedades de las figuras (Shape) (Nombre) Shape1 BorderColor &H000000C0& FillColor &H000000C0& Shape 0 - Rectangle Visible True La propiedad Nombre tiene la misma función que los otros elementos, la propiedad BorderColor se utiliza para cambiar el color del contorno de la figura, la propiedad FillColor se utiliza para cambiar el color del fondo de la figura, la propiedad Shape es utilizada para escoger la forma de la figura ya sea rectángulo círculo o cuadrado, y la propiedad Visible se utilizara para ocultar o mostrar la figura geométrica en cualquier momento Código utilizado para la comunicación El código para la comunicación es utilizando cajas de texto y botones o relojes, el código completo del simulador se muestra en los anexos, en esta parte solo se muestra el código utilizado para la comunicación con RsLogix 500. Para esto el simulador puede enviar datos a RsLogix 500 y de igual manera también puede recibir datos de RsLogix a Visual Basic. Para enviar datos se utilizara las siguientes líneas de código txtsenl.linktopic = "RsLinx caldera" txtsenl.linkitem = "I:0/4" txtsenl.linkmode = 2 txtsenl.linkpoke txtsenl.linkmode = 0 La primera línea muestra que hace una vinculación una caja de texto llamada txtsenl con la propiedad LinkTopic haciendo referencia con la comunicación con RsLinx y un tópico llamado caldera la segunda línea nos muestra que la caja de texto esta vinculada a la entrada I:0/4 en la tercera línea la propiedad LinkMode al estar igualado a 2 quiere decir que abre la comunicación la propiedad LinkPoke nos indica que enviara el dato a la entrada especificada con la propiedad LinkItem y al igualar LinkMode a cero nos indica que cierra la comunicación. Para poder recibir datos de RsLogix a Visual Basic se utiliza el siguiente código txtbomba.linktopic = "RsLinx caldera" txtbomba.linkitem = "O:0/3" txtbomba.linkmode = 2 txtbomba.linkrequest txtbomba.linkmode = 0 Ingeniería en control y automatización Página 65

78 Si nos damos cuenta no tiene mucha diferencia con el envío de datos nada más cambia después de que abrimos comunicación, en donde enseguida nos muestra la propiedad LinkRequest esto nos indica que la información del programa RsLogix 500 de la salida O:0/3 será enviada a la caja de texto llamada txtbomba terminando con la conexión igualando a 0 la propiedad LinkMode Construcción del simulador En esta parte explicaremos como fue creado el simulador dinámico con los elementos de Visual Basic explicados con anterioridad para la realización del diseño de la interfaz utilizamos los llamados shapes con diferentes figuras combinándolas hicimos los siguientes figuras mostradas Flowmeter Este elemento es el encargado de contar cuantos litros pasan al ser activada la bomba de forma tal que cuando es utilizado el flowmeter cambia de color, para observar que esta funcionando este dispositivo en nuestro simulador es creado con un shape en forma de círculo y encima de este circulo otro shape en forma de cuadrado, para lograr una figura que representa el flowmeter como se muestra en la figura Figura 3.11 Flowmeter Su funcionamiento en el simulador es sencillo ya que al ser activada la bomba y es utilizado el flowmeter este empieza a contar cuantos litros de agua esta pasando por la tubería, la cual es representada en nuestro simulador como se muestra en la figura Figura 3.12 Tubería En donde lo azul representa el agua que en Visual Basic es una línea con sus propiedades modificadas para verse de color azul y un poco gruesa dándole el efecto de que es agua. El código utilizado para hacer que el Flowmeter empiece a contar los litros de agua es realmente sencillo ya que este código es introducido en un reloj el cual se repite como si fuera un ciclo, en donde se le da un tiempo para repetirse, de esta manera hace un conteo simulando que son litros de entrada, el código utilizado es: txtflow.text = txtflow.text + 1 Ingeniería en control y automatización Página 66

79 Tenemos una caja de texto la cual la hacemos invisible al correr el programa donde empieza desde cero y cada vez que empieza el llenado de agua empieza a contar de uno en uno haciendo el efecto de cuantos litros entra a la caldera Bomba La bomba es construida de igual manera con dos shapes en donde uno es un círculo y el otro es un rectángulo combinándolos de forma tal que de un efecto de una bomba como se muestra en la figura Figura 3.13 Bomba De igual manera cuando es activada cambia de color para que el usuario se de cuenta cuando esta trabajando la bomba esta al ser activada va empezar el llenado del agua el cual el código se explicara más adelante Sensores Los sensores son representados con un shape en forma de rectángulo a los cuales los ponemos de color café y una vez que sean activados se vuelven de color amarillo como se muestra en la figura Figura 3.14 Sensores Su función es sencilla ya que estos mandan una señal al ser activados y son activados con algunas condiciones por ejemplo el sensor de alto nivel cuando el agua llega a alto nivel es detectado y cambia de color el código para simular esto es el siguiente: If agua.top <= 2400 And agua.height >= 4215 Then txtsenh.text = "1" Shape11.FillColor = vbyellow El código nos dice si el agua esta entre esos valores que son los valores de alto nivel entonces mandara un uno a una caja de textos que esta a su vez es enviada a RsLogix 500 y después el sensor llamado shape11 cambiara de color a amarillo haciendo el efecto en el simulador que se a detectado nivel alto. De igual manera así trabajan los sensores de temperatura y presión y el sensor de bajo nivel Tanque El tanque es simulado con un shape en forma de rectángulo con las esquinas curveadas en esta parte como el tanque no hace ninguna acción no hay código por mostrar, el tanque es representado como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 67

80 Figura 3.15 Tanque Quemador El quemador se representa como en la figura 3.16 de manera que es activado dependiendo del programa realizado en RsLogix 500, el simulador de Visual Basic al recibir la señal de que debe prender el quemador realiza el siguiente código. Figura 3.16 Quemador 'PRENDE LA LLAMA If txtfuego.text = "1" Then fuego.visible = True 'ACTIVA EL TIMER QUE ELEVA TEMPERATURA atemp.enabled = True 'ACTIVA CHEQUEO DE VAPOR avap.enabled = True 'DESACTIVA EL PRENDIDO DE LLAMA afuego.enabled = False Else fuego.visible = False atemp.enabled = False End If Aquí primero se hace una condición diciendo que si la caja de texto recibió señal entonces el fuego lo hace visible y empieza la simulación de aumento de temperatura que se vera más adelante también empieza a checar si puede ya producir vapor y si es que no hay señal en la caja de texto se apaga el fuego y se apaga el aumento de temperatura dándonos como efecto el trabajo que realiza la caldera Llenado de agua El llenado de agua es representado con un shape de iguales características que el tanque con la diferencia de que le ponemos un color azul de tal manera que de efecto como si fuera agua como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 68

81 Figura 3.17 Llenado de agua El código para hacer que se vea el llenado de agua esta en un reloj el cual se repite constantemente de tal manera que hace un efecto de llenado de agua en el tanque. 'SI EL DATO RECIBIDO ES 1 EMPIEZA EL LLENADO If txtbomba.text = "1" Then agua.top = agua.top - 10 agua.height = agua.height + 10 Shape14.FillColor = vbblue Shape15.FillColor = vbblue Shape16.FillColor = vbwhite Shape17.FillColor = vbwhite txtflow.text = txtflow.text + 1 txtflowmeter.text = "1" checflow.enabled = True Observamos que al ser activado el reloj hace una condición en donde dice se recibió la señal de la bomba si es cierto empieza el llenado de agua con las características de Height y el cambio de color de la bomba el conteo de litros en el flowmeter como se explico anteriormente y de esta manera se simula el llenado del tanque con liquido Accidente de agua y fuego Una de las características que tiene nuestro simulador es que también puede provocar accidentes en la caldera como es el del agua y fuego, cuando el sensor de alto nivel no es activado el tanque seguirá llenándose provocando un accidente de agua y cuando no hay nada de agua y la flama es encendida provocara un accidente de fuego de tal manera que nuestro simulador mandara el mensaje de que hemos ocasionado un accidente como se muestran en las figuras Figura 3.18 Accidentes de agua y fuego Ingeniería en control y automatización Página 69

82 El código utilizado para simular el accidente de agua es el siguiente en donde hace el mismo efecto que en el llenado de tanque pero con otro shape simulando que se a inundado fuera de la caldera después manda el mensaje y desactiva los relojes de llenado. Shape24.Top = Shape24.Top - 10 Shape24.Height = Shape24.Height + 10 If Shape24.Top <= 6720 And Shape24.Height >= 1935 Then accagua.enabled = False MsgBox "Has causado un accidente", vbquestion yagua.enabled = False accagua.enabled = False El accidente de fuego es simulado de la siguiente manera, en donde primero hace una condición de que si hay agua o no si no hay agua es enviado el mensaje del accidente de fuego. If agua.height <= 2415 And agua.top >= 4320 Then MsgBox "Has causado un sobrecalentamiento en la caldera", vbinformation, "Error" accfuego.enabled = False o24.value = 0 Else Shape7.FillColor = &H80& Shape8.FillColor = &H80& Shape9.FillColor = &H80& Shape10.FillColor = &H80& End If Vaciado de agua El vaciado de agua es muy sencillo ya que hacemos lo contrario del llenado de agua cabe mencionar que estos efectos están basados en la ley de termodinámica la cual nos dice la materia no se crea ni se destruye solo se transforma comparándola con el simulador es que cuando existe un aumento de temperatura el agua se empieza a evaporar de forma tal que el nivel del agua empieza a bajar y este efecto lo hacemos con el siguiente código. If Text4.Text >= 90 Then Image1.Visible = True vaguaa.enabled = True Shape18.FillColor = vbyellow txtvap.text = "1" Aquí nos muestra con la condición de que si la temperatura es mayor a 90 ºC entonces el vapor se hará visible y activara el reloj de vaciado de agua y además pondrá el sensor de vapor activo enviando una señal a una caja de texto. El código que se utiliza para hacer el efecto de vaciado del tanque es el siguiente. Ingeniería en control y automatización Página 70

83 'VACIA EL TANQUE agua.top = agua.top + 10 agua.height = agua.height - 10 De esta manera se creo el simulador con las operaciones básicas de aumento de temperatura de presión de nivel en el tanque y con base a esto ya es posible realizar sencillos lazos de control para el comprendimiento de el funcionamiento de la caldera como se vera más adelante Ventana cálculos extras En esta ventana se realizaran diferentes tipos de cálculos ya sea para el diseño de una caldera así como para calcular datos de una caldera ya existente, esta ventana se divide en diferentes secciones. En la primera sección mostramos los cálculos correspondientes para ver la capacidad de producción de vapor en las calderas, en la cual utilizamos cinco formulas las cuales nos indicaran la producción de la caldera, potencia de la caldera, factor de vaporización, vaporización equivalente y rendimiento del generador de vapor, estas formulas son las que se muestran en la figura Figura 3.19 Formulas de capacidad de producción de vapor en las calderas Ingeniería en control y automatización Página 71

84 La primera formula nos ayudara a indicar la producción de la caldera en Kcal. Por hora donde: Q: Producción de la caldera en Kcal. por hora ms: Peso del vapor producido por la caldera (o bien recalentado), en Kg./hr h: Entalpía del liquido de 1Kg de vapor a la presión y temperatura observados en Kcal. por Kg. hl: Entalpía del liquido de 1Kg de agua de alimentación en las condiciones en que dicha agua llega a la caldera (o economizador) en Kcal. por Kg. La segunda formula nos ayudara a determinar la potencia de la caldera medida en HP en esta formula encontramos las variables ya descritas anteriormente. La tercera formula nos indicara el factor de vaporización y la cuarta formula nos indicara la vaporización equivalente. En la quinta formula nos indicara el rendimiento del generador de vapor medido en % en donde encontramos nuevas variables que son: eb: Rendimiento del generador de vapor en % incluyendo caldera, recalentador, hogar, camisas de agua, calentador del aire y economizador. mf: Peso total de combustible quemado por hr en Kg.; m3 por hora tratándose de combustibles gaseosos. F: potencia calorífica superior del combustible quemado en Kcal. por Kg.; Kcal. por m3 tratándose de combustibles gaseosos. Ejemplo: Un generador de vapor, vaporiza Kg. de agua por hora, transformando el agua de alimentación a 105 ºC en vapor a 12.6 Kg. /cm2 de presión absoluta y titulo de 97 %. El peso de carbón quemado por hora es 2043 Kg.; su potencia calorífica superior vale 6608 Kcal. por Kg. Sabemos que la entalpía del líquido de 1 Kg. de vapor a la presión y temperatura observados es de Kcal. Por Kg. y también sabemos que la entalpía del liquido de 1 Kg. de agua de alimentación en las condiciones en que dicha agua llega a la caldera es de Kcal. Por Kg. Determinar el calor absorbido en Kcal. por hora, los HP de caldera desarrollados y el rendimiento. Para poder resolver este problema utilizaremos la ventana de cálculos extra con la pestaña de capacidad de producción de vapor de las calderas activa, en donde se introducirán los datos necesarios para hacer los cálculos correspondientes como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 72

85 Figura 3.20 Ventana cálculos extra con la pestaña de capacidad de producción activa Una vez introducidos los datos necesarios en la parte de captura de datos se seleccionara con los check box que aparecen en la parte inferior izquierda de la ventana que formulas se desea utilizar en este caso utilizaremos las cinco para ver la función de cada formula, cuando se hayan seleccionado las formulas a utilizar se dará clic en el botón llamado calcular y nos mostrara los resultados como se muestra en la figura Figura 3.21 Ventana cálculos extra con los cálculos realizados Ingeniería en control y automatización Página 73

86 Observamos que al ingresar los datos en la parte de captura de datos y seleccionar las formulas que quisiéramos utilizar en la parte de operaciones hace la sustitución con los valores correspondientes y nos muestra los resultados que en este caso tenemos que la producción de la caldera es de 9.99 x 106 Kcal. por hora, tiene hp de potencia su factor de vaporización es de 1.01 y su vaporización equivalente es de y su rendimiento del generador es del %. En esta parte de la ventana puede suceder dos errores uno de ellos es el no seleccionar ninguna formula para la realización de cálculos. Cuando el usuario no selecciona ninguna formula el programa envía un mensaje que tiene que seleccionar una formula como se muestra en la figura 3.22 (a) y el segundo error es el poner un cero en la potencia calorífica o en el peso total de combustible como se muestra en la figura 3.22 (b) el cual igual es indicado con un mensaje. (a) (b) Figura 3.22 Ventana cálculos extra, errores posibles La segunda parte de cálculos extras es la pestaña Eficiencia económica en el uso industrial de calderas en donde nos calcula la eficiencia global de acuerdo a la entrada de calor y la salida del calor con las entalpías correspondientes mediante tablas y los valores obtenidos se puede calcular la eficiencia de la caldera como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 74

87 Figura 3.23 Ventana cálculos extra Ejemplo: Tenemos una caldera que genera Kg./hora sin recalentador (a 40.8 Kg./cm2, 427ºC), con una purga de 1135 Kg./hr, el agua fresca entrando al economizador a 149 ºC. Se queman en la caldera 2705 Kg. de carbón con poder calorífico superior de 7271 Kcal./Kg.). Las entalpías correspondientes de acuerdo a las tablas de vapor son para hg= 78136, hf1=14954, hg3=0, hg2=0, hf3= Hallar su eficiencia global. Al introducir los datos correspondientes dados en el problema y pulsar el botón de calcular nos dará el resultado ya que el programa sustituye los valores capturados en la formula, haciendo los cálculos correspondientes y mostrándonos el resultado como se muestra en la figura Figura 3.24 Ventana cálculos extra con los valores correspondientes al problema Ingeniería en control y automatización Página 75

88 Al analizar el resultado nos damos que la caldera es el % eficiente lo cual nos damos cuenta que hay algunas perdidas de energía ya sea por alguna u otra razón en la caldera. Alguna de las posibles perdidas de energía puede ser por perdidas por no ajuste de la salinidad en la caldera, perdidas de combustible por baja temperatura del agua de alimentación, por perdidas por no recuperación del condensando, perdidas de calor por aislamiento de tuberías, entre otros factores los cuales también pueden ser calculados de manera matemática Implementación de lazos de control con PLC En esta sección trabajaremos el control de la caldera por partes hasta tener un control completo de la caldera en general. Dividiremos la caldera de acuerdo a las variables como lo son nivel, temperatura, presión, y flujo y el control se hará de acuerdo a los DTI (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) mostrados en el capítulo uno que son de el control de la caldera, haciendo el ultimo control en general el cual se propone en este capítulo. Para observar como trabajaría la caldera con este control se utilizara el simulador dinámico realizado en esta parte llamado Cal Sim, además para hacer el programa en PLC (Controlador Lógico Programable) se utilizara el RsLogix 500 y para la comunicación entre el simulador y el programa RsLogix 500 se utilizara el software llamado RsLinx y también el Software RsLogix Emúlate Configuración para la comunicación Primeramente utilizaremos el programa RsLinx como se muestra en la figura Figura 3.25 ventana del software RsLinx Ingeniería en control y automatización Página 76

89 Una vez abierto el programa nos iremos a la opción de Communications y elegiremos la opción de Configure Drivers como se muestra en la figura 3.26 Figura 3.26 Configuración del software RsLinx Al seleccionar esta opción nos saldrá una ventana nueva en la cual seleccionaremos la opción de SLC 500 (DH485) Emulator Driver una vez seleccionada esa opción se dará clic en el botón de Add New al dar clic aparecerá una ventana pequeña donde nos pedirá el nombre que queramos darle como se muestra en la figura Figura 3.27 Configuración del Driver Ingeniería en control y automatización Página 77

90 Una vez dándole el nombre que en este caso le dejamos el nombre que nos da por default que es EMU500-1 damos clic en OK y nos aparecerá una nueva ventana en la cual seleccionaremos la estación la que queremos utilizar en este caso elegiremos la estación 01 como se muestra en la figura Figura 3.28 Elección de una estación Pulsamos el botón de OK y después el botón de Close, dando por terminada la configuración del driver, observando en la pantalla principal del programa RsLinx que ya esta funcionando como se muestra en la figura Figura 3.29 ventana del software RsLinx Una vez terminada esta configuración ahora nos iremos a la opción de DDE/OPC en donde seleccionaremos la opción de Topic Configuration como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 78

91 Figura 3.30 Configuración del tópico Nos aparecerá una ventana en donde seleccionaremos el driver que configuramos en la parte anterior en este caso el EMU500-1, DH-485 ya teniendo seleccionado esto daremos clic en el botón de New y en donde dice NEW TOPIC lo quitaremos y daremos el nombre de caldera como se muestra en la figura Figura 3.31 Nombre del tópico Al tener todo esto hecho damos clic en el botón Done dando por terminada toda la configuración necesaria en esta parte del software, es muy importante que el nombre del tópico este bien escrito con el nombre de caldera sin combinar mayúsculas ni minúsculas si no esta bien escrito podría no comunicarse con visual Basic 6.0. Ingeniería en control y automatización Página 79

92 Una vez teniendo esta configuración correcta el siguiente paso es hacer el programa del PLC con el software RsLogix 500 y para esto empezaremos con el control de nivel minimizando la parte de RsLinx sin cerrar ya que este programa es el encargado de la comunicación entre el visual Basic y RsLogix Control de Nivel Para esta parte sabemos que existen dos tipos de control de nivel uno que es el on / off y el modulante en donde el control on / off utilizamos dos sensores y en el modulante es de acuerdo al flujo de vapor que se consume como se ha explicado anteriormente. Control On / off Para poder empezar hacer el control de nivel en la caldera es necesario tener abierto el simulador dinámico de la caldera, dando clic en el botón Automático como se muestra en la figura Figura 3.32 Ventana del simulador dinámico Observamos que tenemos dos sensores el cual nos ayudara hacer el control on / off o también llamado todo o nada. Para hacer el programa del PLC (Controlador Lógico Programable) tenemos que observar que el simulador ya nos dice el nombre de cada entrada y salida, observamos que el sensor de bajo nivel tiene la entrada I:1/4 y el sensor de alto nivel tiene asignada la entrada I:1/3. Lo que tiene que hacer el programa es que al dar clic en el botón Start que tiene designada la entrada I:1/0 encenderá la bomba que tiene la salida designada O:2/3 de esta manera llenando la caldera una vez que el liquido llegue a el sensor de alto nivel con la entrada designada I:1/3 se apague la bomba. Cuando el liquido llegue al sensor de bajo nivel con la entrada I:1/4 mande una señal la cual haga que la bomba otra vez sea encendida hasta que el nivel llegue al sensor de alto nivel con la entrada I:1/3. Ingeniería en control y automatización Página 80

93 Lo primero que se debe de realizar es abrir el programa RsLogix 500 una vez teniendo este programa abierto daremos clic en la opción de Nuevo y seleccionaremos el PLC Micrologix 1000 como se muestra en la figura Figura 3.33 Ventana del software RsLogix 500 Damos clic en aceptar y empezamos hacer el programa de acuerdo al problema planteado anteriormente con las entradas y salidas correspondientes. Una vez teniendo el programa se guarda de dos maneras diferentes una con la extensión.ach y otra de manera.rss con la opción de guardar como, esto se muestra en la figura 3.34 Figura 3.34 Ventana para guardar los archivos Ingeniería en control y automatización Página 81

94 Cabe mencionar que se puede guardar en cualquier carpeta de preferencia en el escritorio y una vez que se haya guardado de las dos formas con las extensiones.rss y.ach con el nombre cualquiera en este caso utilizamos el nombre de Nivel para guardar el archivo, es hora de utilizar el programa RsLogix Emúlate 500. En este programa daremos clic en la opción de abrir y elegiremos el archivo que guardamos con la extensión.ach como se muestra en la figura Figura 3.35 Ventana del software RsLogix 500 Emúlate Dando clic en abrir en donde nos aparecerá una nueva ventana donde seleccionaremos una estación diferente a la estación que seleccionamos en el programa RsLinx en este caso seleccionaremos la estación 02 como se muestra en la figura 3.36 Figura 3.36 Selección de la estación Ingeniería en control y automatización Página 82

95 Dando clic en Ok para que posteriormente demos en el botón de Run que aparece en la parte del programa RsLogix Emúlate 500 como se muestra en la figura Figura 3.37 Ventana del software RsLogix 500 Emúlate Una vez dando clic en Run es aquí donde se acaba el trabajo de este programa donde daremos clic en minimizar y nos iremos al programa RsLogix 500. Ya teniendo esta otra configuración en el programa RsLogix 500 nos iremos a la parte de programación en donde aremos el programa de nivel quedándonos de la siguiente manera como se muestra en la figura Figura 3.38 Programa del PLC (Controlador Lógico Programable) Ingeniería en control y automatización Página 83

96 Una vez teniendo el programa elaborado y teniendo el simulador dinámico abierto ponemos en marcha como se muestra en la figura observando el funcionamiento como se muestra en la figura Control de la temperatura Figura 3.39 Programa y simulación en operación Como podemos observar la temperatura va muy relacionada con la presión de la caldera ya que cuando aumentamos la temperatura en la caldera producirá bastante vapor haciendo que se genera una presión dentro de la caldera. En la caldera tenemos un sensor de temperatura en el cual viene con un display el valor numérico que esta de color azul es la temperatura que nosotros daremos es decir un setpoint para poder hacer el control esta temperatura no debe de exceder de los 235 ºC ya que esta caldera solo esta diseñada para trabajar con estos grados de temperatura el segundo valor numérico será la temperatura a la q esta el liquido dentro de la caldera al encender la flama el liquido empezara a aumentar hasta que llegue el valor deseado seleccionado como setpoint cuando esto llegue el sensor de temperatura mandara una señal la cual hará desactivar o activar algún otro elemento de la caldera como se vera más adelante. La parte de presión de igual manera tiene un sensor con un display el cual el valor en el cuadrito azul corresponde al valor que nosotros le demos como setpoint este valor no debe de exceder más de los 30 bar ya que es el valor de diseño que soporta esta caldera y el otro valor es de la presión q existe en la caldera. Al llegar a la presión deseada activara el sensor mandando una señal la cual servirá para activar o desactivar algún otro elemento de la caldera como se vera más adelante. Para la realización de este programa es necesario configurar de la misma manera como se ha configurado anteriormente configurando RsLinx y configurando de igual manera Emúlate 500 para poder desarrollar el programa en RsLogix 500 y poderlo probar con el simulador dinámico Cal Sim. Una vez configurando la comunicación se plantea el siguiente problema para poder desarrollar el programa con el PLC Micrologix Ingeniería en control y automatización Página 84

97 Se desea controlar la temperatura la presión y el nivel de una caldera para esto primero se tiene que llenar el tanque de la caldera hasta el nivel más alto con la entrada I:0/3. Cuando este sensor de nivel alto sea activado deberá mandar una señal el cual activara la flama que tiene como salida O:2/4 el sensor empezara a detectar un aumento de temperatura hasta que el sensor llegue a la temperatura establecida mandara una señal la cual ara desactivar la flama. Cabe mencionar que el líquido empieza a evaporar de acuerdo a la presión y algunos otros factores que son mencionados en la parte del simulador en la parte de cálculos extras. Como primero se hace el programa en RsLogix 500 quedando de la siguiente manera. Figura Figura 3.40 Programa del PLC (Controlador Lógico Programable) Ingeniería en control y automatización Página 85

98 Una vez teniendo el programa realizado en RsLogix 500 y abierto el simulador es ahora de poner en prueba como funcionaria y se vería de la siguiente manera el simulador. Figura Control Propuesto de la caldera Figura 3.41 Simulador en operación Para el control propuesto para la caldera nos guiaremos con el Dti que también fue propuesto como se muestra en la figura 3.42, como mencionamos anteriormente que este simulador fue diseñado con fines de aprendizaje se puede realizar diferentes tipos de programación en el PLC (Controlador Lógico Programable) y observar el comportamiento de la caldera. Figura 3.42 DTI (Diagrama de Tuberías e Instrumentación) propuesto Ingeniería en control y automatización Página 86

99 Como podemos observar tenemos el control de las tres variables empezando con el control del nivel, después el control de temperatura y el control de presión, en los ejercicios anteriores hemos hecho el control de nivel y de temperatura, en esta parte ocuparemos todos los componentes del simulador como lo son las lámparas para poder mandar alarmas y visualizar si esta en arranque o paro. Para poder empezar es necesario configurar la comunicación de la misma manera que lo hemos hecho anterior mente con el RsLinx y el RsLogix Emúlate 500. El problema a realizar será cuando se pulse el botón start la lámpara con salida especificada O:2/0 será encendida y empezara el control de nivel ya que la bomba con salida especificada O:2/3 será activada de tal manera que empezara a llenar el tanque de la caldera hasta que el sensor de alto nivel sea activado con entrada especificada I:1/3, en ese momento la bomba se desactivara y será activada la flama que es una salida con nombre de O:2/4, empezara a aumentar la temperatura la cual se podrá visualizar en el display. En este display de temperatura se pondrá una temperatura como setpoint de 195 ºC esta temperatura será modificada manualmente de a cuerdo a la demanda de vapor que se requiera para cualquier proceso, cuando la temperatura llegue a la temperatura del setpoint el sensor de temperatura mandara una señal de forma tal que desactivara la flama. El líquido a cierta temperatura empezara a evaporarse haciendo que el nivel disminuya, cuando el nivel disminuya y el sensor de bajo nivel detecte con entrada I:1/4 la bomba será nuevamente activada haciendo que el nivel aumente hasta su nivel alto causando una disminución de temperatura lo cual obligara a prender de nuevo la flama, la presión en este caso estará relacionada con la temperatura, al aumentar la temperatura el agua se evaporizara de una forma más rápida de tal manera que va ver una presión dentro del tanque cuando esta presión sea igual a la presión que nosotros demos en el display con entrada I:1/6 el sensor de presión mandara una señal el cual ara abrir una válvula de alivio despresurizando el tanque y disminuyendo la presión vista en el display. Cada vez que se muestre una sobre presión en la caldera será encendida la lámpara de danger con salida especificada O: 2/1 Para recolectar datos utilizaremos el flowmeter con entrada especificada I: 1/2 el cual nos dirá cuanto líquido esta entrando y para el final del día sabremos cuanto líquido se evaporo. Cuando se presione el botón stop con entrada especificada I: 1/1 la lámpara de full con salida especificada O:2/2 será encendida. En esta parte se analizara parte por parte empezando con la línea 0000 del programa en RsLogix como se muestra en la figura 3.43 Figura 3.43 Línea 0000 del programa hecho en RsLogix 500 Ingeniería en control y automatización Página 87

100 Al pulsar el botón I:0/1 es abierto el botón stop de tal manera que no habrá continuidad en la línea y hará que se desenclave la salida virtual B3:0/0, cuando es pulsado el botón start dará continuidad a la línea de tal manera que será enclavado la salida virtual la cual nos ayudara para el control de la caldera como se vera más adelante. Continuando con la línea 0001 del programa hecho en RsLogix la cual nos muestra el encendido de la lámpara verde en el simulador como se muestra en la figura Figura 3.44 Línea 0001 del programa hecho en RsLogix 500 En esta parte se muestra que al ser activada la salida virtual B3:0/0 la salida O:0/0 será activada encendiendo la lámpara verde del simulador como se muestra en la figura Figura 3.45 Lámpara verde encendida en el tablero del simulador. Continuando con la línea 0002 en la cual nos muestra el encendido de la lámpara roja que tiene como salida O:0/2 cuando es pulsado el botón stop, como se muestra en la figura Figura 3.46 Línea 0002 del programa hecho en RsLogix 500 En esta parte observamos que al ser activada la salida virtual el contacto abrirá de tal manera que será desactivada la salida O:0/2 que es la de la lámpara roja y cuando esta desactivada la salida virtual B3:0/0 el contacto cierra de tal manera que la lámpara roja es encendida como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 88

101 Figura 3.47 Lámpara roja encendida en el tablero del simulador. Continuando con la línea 0003 donde se visualiza el control de nivel, como se muestra en la figura Figura 3.48 Línea 0003 del programa hecho en RsLogix 500 En esta parte observamos que al pulsar el botón start queda enclavada la salida virtual B3:0/0 dando continuidad al detectar bajo nivel cierra el contactor que tiene como entrada I:0/4 de tal manera que activa la bomba cuando llega al nivel alto el contacto con nombre I:0/3 es abierto apagando la bomba como se muestra en la figura Figura 3.49 Control de nivel en marcha en el simulador Ingeniería en control y automatización Página 89

102 Una vez obtenido el control de nivel es necesario también controlar la temperatura y es controlada como se muestra en la línea 0004 del programa RsLogix. Figura Figura 3.50 Línea 0004 del programa hecho en RsLogix 500 Observamos que cuando el sensor de alto nivel es activado se manda una señal la cual permite encender el fuego con salida O:0/4 cuando el sensor de temperatura llega a la temperatura del setpoint manda una señal la cual permite desactivar la flama si llegara a marcar nivel bajo el sensor de alto nivel dejaría de mandar la señal protegiendo que se sobrecaliente la caldera como se muestra en la figura Figura 3.51 Control de Temperatura en marcha en el simulador Siguiendo con el programa de control de la caldera realizado con el software RsLogix 500, la línea 0005 muestra el control de presión en la caldera como se muestra en la figura Figura 3.52 Línea 0005 del programa hecho en RsLogix 500 En el simulador la presión es fijada como setpoint con el display al llegar a esta presión el sensor es activado mandando una señal la cual ara que haya continuidad en la línea encendiendo la lámpara de danger y en el simulador activando una válvula de alivio para sobre presiones arriba de la presión del setpoint como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 90

103 Figura 3.53 Alarma de presión alta en marcha en el simulador Por ultimo tenemos la línea 0006 en la cual muestra la entrada I:0/2 y un display el cual nos muestra cuanto flujo esta entrando direccionado en un contador C5:0 como se muestra en la figura 3.54 Figura 3.54 Línea 0006 del programa hecho en RsLogix 500 Como observamos aquí al ser activado el sensor del flujo hace un conteo de cuantos litros están entrando a la caldera de tal manera que en el contador podemos seleccionar un valor preseleccionado y hacer que el proceso termine cuando se haya consumido tantos litros como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 91

104 Figura 3.55 Conteo de litros en el simulador Con este programa hecho en el software RsLogix 500 al pulsar el botón start en el simulador dinámico empezará a trabajar la caldera de manera automática de tal forma que hará su proceso con los valores que le de el operador, cabe mencionar que la caldera esta con las características de la caldera descrita en el capítulo II. Algunos comandos que se pueden utilizar para un mejor control de la caldera son N7:0, N7:1, N7:2, N7:3, los cuales son los que están vinculados con los display mostrados en el simulador dinámico como se muestra en la figura 3.56 Figura 3.56 Variables no utilizadas en RsLogix Estas variables pueden ser utilizadas para el control modulante de la caldera. Ingeniería en control y automatización Página 92

105 3.7.- Modelado de una caldera a partir de la implementación de lazos de control Una manera de poder visualizar y establecer nuevo criterios para el control de las variables de un proceso es l modelo matemático, el cual permite comprender de forma metamatemática cual es el comportamiento de un sistema de control y la respuesta del mismo por medio de la señal de entrada al proceso. Un modelo matemático por lo tanto permite saber si el sistema se comportara de forma adecuada una vez que se establece una señal de entrada o comúnmente conocido como set- point (señal de ajuste), es decir, será la señal a la cual uno desea que el que el sistema se ajuste, para ello el modelado deberá comportarse bajo dicho criterio ajustando y manteniendo dicho set-point a la salida. Por lo tanto, para efectuar el análisis de un sistema, es necesario obtener un modelo matemático que lo represente. El modelo matemático equivale a una ecuación matemática o un conjunto de ellas en base a las cuales podemos conocer el comportamiento del sistema. Es necesario comentar que el modelo matemático que se desarrolla a partir de un sistema no es único, debido a lo cual se pueden lograr representaciones diferentes del mismo proceso. Estas diferentes representaciones no contradicen una a la otra. Ambas contienen información complementaria por lo que se debe encontrar aquella que proporcione la información de interés para cada problema en particular. Dentro de este contexto, por lo general se emplea la representación en "variables de estado" aunque no por ello el método de "relación entrada-salida" deja de ser interesante a pesar de proporcionar menor información de la planta Modelado a bloques de una caldera a partir de la implementación de lazos de control Una manera de poder visualizar y establecer nuevo criterios para el control de las variables de un proceso es l modelo matemático, el cual permite comprender de forma metamatemática cual es el comportamiento de un sistema de control y la respuesta del mismo por medio de la señal de entrada al proceso. Un modelo matemático por lo tanto permite saber si el sistema se comportara de forma adecuada una vez que se establece una señal de entrada o comúnmente conocido como set- point (señal de ajuste), es decir, será la señal a la cual uno desea que el que el sistema se ajuste, para ello el modelado deberá comportarse bajo dicho criterio ajustando y manteniendo dicho set-point a la salida. Por lo tanto, para efectuar el análisis de un sistema, es necesario obtener un modelo matemático que lo represente. El modelo matemático equivale a una ecuación matemática o un conjunto de ellas en base a las cuales podemos conocer el comportamiento del sistema. Es necesario comentar que el modelo matemático que se desarrolla a partir de un sistema no es único, debido a lo cual se pueden lograr representaciones diferentes del mismo proceso. Ingeniería en control y automatización Página 93

106 Estas diferentes representaciones no contradicen una a la otra. Ambas contienen información complementaria por lo que se debe encontrar aquella que proporcione la información de interés para cada problema en particular. Dentro de este contexto, por lo general se emplea la representación en "variables de estado" aunque no por ello el método de "relación entrada-salida" deja de ser interesante a pesar de proporcionar menor información de la planta. Para uniformizar criterios respecto a las denominaciones que reciben los elementos que conforman un sistema de control es necesario tener en mente las siguientes definiciones: Planta: Cualquier objeto físico que ha de ser controlado. Proceso: Operación o secuencia de operaciones, caracterizada por un conjunto de cambios graduales que llevan a un resultado o estado final a partir de un estado inicial. Sistema: Combinación de componentes que actúan conjuntamente y cumplen un objetivo determinado. Perturbación: Es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema. Servomecanismo: Sistema de control realimentado cuya salida es una posición mecánica. Obtención del modelo a bloques de la caldera Como parte del desarrollo del control de las variables presentes en el proceso que comprende una caldera, es siempre importante ver la descripción del comportamiento del mismo de manera analítica y matemática, de esta manera se podrá comprender como se comporta el mismo y cuáles son sus respuestas de acuerdo a los valores que se le puedan asignar a la entrada y de acuerdo a los disturbios que pueda presentar el mismo durante su aplicación. Para ello, el conocer cuáles son las baribales que intervienen en el mismo y cuáles serán los lazos de control que se encargaran del control de las variables es indispensable, ya que este es el punto de partida para la obtención y desarrollo de nuestro modelado matemático del sistema. Por lo tanto, las variables a controlar se describen a continuación: Nivel: esta primera variable es la que tendrá una acción de manera inmediata sobre el sistema, ya que la cadera tiene que contener cierto nivel de liquido a cierta altura puesto que el proceso lo demanda, además de que para la caldera es importante tender un control de su nivel para evitar una fuga o derrame de liquido un. Así mismo esta variable nos permitirá conocer que a una altura determinada se concentrara una capacidad de liquido en el tanque (volumen) determinada, lo que permitirá que las variable posteriores ajustadas sean las misma para dichas cantidad de concentración. Ingeniería en control y automatización Página 94

107 Presión: tal vez la variable más importante a controlar para este proceso, ya que dentro de la caldera el control de presión a la salida es importante para mantener los niveles de temperatura adecuados, es decir, que la temperatura subministrada sea la adecuada para que a nuestra salida se genere el vapor suficiente que estará demandando nuestro proceso. Por lo tanto la presión es una variable que se necesita controlar de forma inmediata al nivel del tanque, así se podrá tener una forma segura de controlar nuestro proceso. Temperatura: la temperatura para este caso puede ser manejada como un lazo de control independiente, es decir, si nosotros deseamos ajustar la temperatura adecuada lo podemos hacer, y por lo tanto las demás variables podrán ser compensadas por la misma. De otra manera, la temperatura tiene puede tener su propio set point, ya que como se menciono anteriormente, el control de la presión de nuestra caldera, controla a la vez la temperatura de la misma, por ello, el uso de un set point de temperatura tendría que ser independiente. Por lo tanto, la implementación de los lazos de control para el desarrollo del modelado es de gran importancia, ya que con este se aseguran las variables de proceso a controlar y se da una idea más clara de la descripción de los componentes a utilizar de forma tal que esto nos permite conocer si se trata de un control ON-OFF. El primer lazo de control a desarrollar es el control nivel. Este lazo de control nos determina la apertura de una válvula y el control del llenado del tanque a una señal de ajuste, por ello, se puede asegurar que el sistema contempla un control ON-OFF y que por tanto la apertura de la válvula será todo o nada. Ahora bien, la altura de nuestro tanque se encuentra alrededor de los 10 metros, una altura considerable para las dimensiones del mismo y que por lo tanto nos permitirá ajusta el nivel de nuestro tanque. Es importante mencionar que para seleccionar el nivel que deseamos ajustar en nuestro sistema o mejor dicho nuestra señal de referencia para el sistema, tenemos que tomar un punto que no contemple en su totalidad la altura real de nuestra caldera, es decir, podemos tomar 8 metros y dejar una tolerancia de 2 metros, ya que es necesario dejar una altura para que el vapor generado pueda concentrarse y no generar una presión inadecuada al sistema. Por ello, nuestro set-point o señal de ajuste se referencia a los 8 metro como nivel alto y una nivel bajo de 4 metros. El nivel bajo nos ayudara a tener una referencia para llenar el tanque a su nivel de ajuste de nueva cuenta; el nivel bajo es importante ya que no desea que el tanque se vacié por completo o se alteraría de lo contrario las variable controladas. Esto nos da por lo tanto el siguiente lazo de control descrito en diagrama a bloques y que representa un control ON-OFF se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 95

108 Figura 3.57 Modelado en MatLab del lazo de control de nivel El diseño de este modelo se realizo en MATLAB-SIMULINK puesto que tiene las herramientas suficientes como para poder desarrollar y comprender el funcionamiento y operación del mismo. el modelado se desarrollo tratando de asimilar las características del comportamiento de un controlador ON-OFF, es por ello que con la herramientas disponibles en MatLab se llego a un concepto entendible del mismo y con fines didácticos, que como ya se ha establecido nuestros simulación y modelado son con fines didácticos y de aprendizaje y por lo tanto el control de sus variables y comprendimiento de las mismas son con el fin de asimilarse a las características y comportamiento de una caldera para que el alumno pueda entender y adentrarse de manera práctica al comportamiento de una caldera en un proceso. El control ON-OFF se describe por un bloque de control IF que en cualquier programación es básico para el control de una variable, de esta manera describiremos el desarrollo del modelado por bloques. Como primer bloque se encuentran la señal de ajuste la cual se determina de manera física por los sensores y de los cuales se describe su modelo por un bloque de función como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 96

109 Figura 3.58 Señal de ajuste de los sensores Se puede apreciar en el diagrama anterior que las señales de ajuste o setpoint están descritas por las entradas nivel alto y nivel bajo, la cuales fueron establecidas a 4 (nivel alto) y 1 (nivel bajo) metro. Así mismo, la ecuación que describe el modelo de nuestros sensores se considero a partir de un bloque de función y a partir de la ecuación del sensor, la cual en modelado permite establecer el rango de operación de cualquier sensor con respecto a la señal de control que maneja, la cual en este caso es de 4-20 ma. El rango de los sensores se estableció a partir de las alturas a manejar que en este caso son de 1 y 4 metros y con ello se realizo la ecuación que describe de forma física al sensor y su operación la cual se muestra en el bloque de la figura Figura Ecuación del sensor Ingeniería en control y automatización Página 97

110 El rango con el cual operara los sensores como ya se ha mencionado es importante, así es que esta gráfica mostrada en la figura 3.60, determina los mismos, empleando los 1 y 4 metros como rangos de manejo se podrá decir que ambos sensores estarán midiendo esas operaciones. 20mA 4mA 1m 4m Figura 3.58 Gráfica de operación de los rangos de sensor de nivel Con ello, se puede determinar el rango sobre el cual operara el sensor y determinar así mismo mediante el uso de la siguiente ecuación la función del sensor: Ahora es conveniente comprender que cuando nosotros tenemos un nivel bajo, la válvula se abrirá permitiendo el suministro de flujo en este caso liquido para que él se alcance la altura deseada de 4 metros, sin embargo durante este llenado, el nivel va subiendo alcanzando valores distintos hasta llegar al set-point, por lo tanto es necesario usar un elemento que pueda describir de forma matemático dicha operación física, es por ello que se ocupo otra entrada escalón, la cual describe el nivel de liquido que sube antes de llegar set-point y el cual se va sumando con la señal base, de 1 metro que teníamos en el sensor de nivel bajo. De esta manera se podría decir que los 3 litros restantes se suman al litro de nivel bajo para alcanzar los 4 litros y que nuestro controlador pueda describir el criterio ON-OFF. Lo cual su representación en Simulink es como se muestra en la figura Ingeniería en control y automatización Página 98

111 Figura 3.61 Variador de nivel del tanque La parte del control ON-OFF se describe por medio de operadores y condicionantes o subsistemas, los cuales permiten la operación de todo o nada en la válvula lo cual se realiza en Simulink como se muestra en la figura Figura 3.62 Controlador ON-OFF Por medio de este esquema la suma de las señales a la entrada del bloque IF nos permitir saber si el nivel del tanque esta en el punto de ajuste o si este ha bajado a los 4 metros y es necesario suministrar flujo a la caldera. Por lo tanto, si la entrada U1 es menor a 0, o mejor dicho la suma de las señales de entrada es menor a esa condicionante permitirá que el bloque subsistema ejecute la acción que se le estableció; en este caso el control del proceso. Ingeniería en control y automatización Página 99

112 Sin embargo, en caso opuesto que no se cumpla dicha condición, es decir que la suma a la entrada sea 0 puesto que se alcanzo el valor deseado simplemente no existe señal a la salida y el subsistema no ejecuta la acción. Por último, la parte que relaciona la ecuación de la válvula y proceso o mejor dicho el elemento final y la planta esta descrita por funciones de transferencia las cuales se realizaran con la ayuda de modelos auxiliares y fuentes bibliográficas las cuales se muestran en Simulink en la figura [32] Figura 3.63 Función de transferencia del elemento final y de la planta Con dicho modelado podemos describir que la válvula presenta una función condicionada al modelo de la planta, lo cual permite una mejor señal de respuesta a la salida, además de que presenta una retraso de tiempo el cual nos brinda una mejor apreciación de la señal de respuesta y una señal de control optima al proceso. En la figura 3.64 se muestra la señal de respuesta. Figura 3.64 Gráfica de la señal de respuesta de nivel Para el caso del lazo de control de presión se toma en cuenta una relación existente entre temperatura y presión, sin embargo, la presión se caracteriza por un control ON-OFF el cual depende de la presiona de vapor a la salida del tanque y si esta es la referencia o el set-point ajustado se abrirá una válvula de alivio la cual dejara que se siga manteniendo la presión deseada. Lo cual es representado en Simulink como la figura 3.65 y su gráfica de operación en la figura Ingeniería en control y automatización Página 100

113 Figura 3.65 Modelo en MatLab del lazo de presión mA 20mA Figura 3.66 Gráfica de operación de los rangos de la válvula para presión Con esta gráfica se pueden determinar la ecuación que representa a la válvula dentro del lazo de control descrito por la presión, de esta manera se ajusta dicho ecuación al comportamiento en el sistema y se adapta de la misma forma. Los rangos de operación que se manejan describen el comportamiento ideal de una válvula en operación. Figura 3.66 Ingeniería en control y automatización Página 101

114 20mA 4mA 14.7 PSI 435 PSI Figura 3.67 Gráfica de operación de los rangos de sensor de presión De esta manera, se puede determinar los rangos de operación del sensor de presión (mostrados en la figura 3.67) de acuerdo a las señales que manejan por ello, el rango manejado es de 14.7 PSI pues es la presión en el tanque cuando está en vacio es decir 1 atm de presión y 435 PSI que es la presión de máximo trabajo; así mismo, mediante el uso de las siguientes ecuaciones se puede determinar la ecuación del sensor: Ingeniería en control y automatización Página 102

115 En este caso nuestra presión deseada son 30 bares o 435 PSI, los cuales son aplicados como set-point y de la cual deseamos una respuesta constante. Su representación en Simulink se muestra en la figura 3.68 Figura 3.68 Planta en lazo abierto La planta en lazo abierto, se describe por medio de la ecuación de la válvula, en la cual se ajusto una rango de operación de la misma; la función de transferencia de la planta con su retardo de tiempo y además, se describió una entrada de disturbios que en los que pueden altera nuestro proceso en este caso al entrada de la planta, de igual manera el modelado de la planta se obtuvo de fuente bibliográfica y fue adaptado al diagrama a bloques a partir de su función de transferencia con el objetivo de acercarse al mismo. Figura [21] [33] Figura 3.69 Retroalimentación mediante sensor de presión Así mismo el sensor describe su propia ecuación la cual de igual forma metida en un bloque de función, dicha ecuación se estableció por medio de los rango de control de 14.7 PSI que es la presión atmosférica hasta los 435 PSI que es la presión de operación y a la cual deseamos que se este sensando para alcanzar dicho valor a la salida. Por lo tanto, la señal de respuesta del sistema se expresa de la siguiente manera. Figura Ingeniería en control y automatización Página 103

116 Figura 3.70 Gráfica de señal de respuesta de presión Por último, el control de la temperatura y su ajuste de set-point como ya se explico, pueden ser de forma independiente y con ello podemos determinar un lazo de control para el mismo. Figura 3.71 Figura 3.71 Modelo en MatLab del lazo de temperatura Ingeniería en control y automatización Página 104

117 Para el caso del lazo de control de temperatura, se utilizo un control ON-OFF de nueva cuenta el cual era ejecutado en el momento en el cual el nivel del tanque alcanza su valor de 4 metros, es decir, el quemador se activa a los cuando el sensor detecta alto nivel permitiendo ejecutar el control propio del sistema de presión Con ello, podemos observar que el ajuste del set-point se realizo a los 235 ºC que son los de operación. Figura 3.72 Figura 3.72 Señal de ajuste a 235 ºC La ecuación que describe el comportamiento de la válvula dentro del lazo de control de temperatura se expresa con la siguiente gráfica y bajo los rangos de operación correspondientes: Estos parámetros se ajustan al comportamiento ideal de apertura y cierre de una válvula, los cuales se contemplaron de esta forma debido a los alcances de nuestro proyecto, los cuales tenían que ajustarse y adaptarse a dicho tiempo. Figura mA 20mA Figura 3.73 Gráfica de operación de los rangos de la válvula o elemento final Ingeniería en control y automatización Página 105

118 20mA 4mA 25 ºC 235 ºC Figura 3.74 Gráfica de operación de los rangos de sensor de temperatura Con esta gráfica (mostrada en la figura 3.74) podemos observar el rango de trabajo del sensor de temperatura, el cual opera a 235 ºC y 25ºC cuando no está en funcionamiento prácticamente ya que es la temperatura ambiente la cual llega nuestro liquido, así mismo, se logra mediante la aplicación de las siguientes ecuaciones encontrar la función del sensor: El bloque que expresa el elemento final de control, la planta y el retardo de tiempo, así como del elemento sensor, nos indica que el modelado de la planta fue encontrado en fuentes de conducta y tomado porque se adecuaba a las características de nuestra caldera. Ingeniería en control y automatización Página 106

119 Con ello, una vez que se llega al set-point deseado el quemador se apaga. La ecuación que describe el comportamiento de la planta se adapto a la función de transferencia de las fuentes bibliográficas consultadas, describiendo un comportamiento similar al mismo. Figura 3.75 representación en Simulink. [32] Figura 3.75 Lazo cerrado del sistema La señal de salida por lo tanto, expresa un comportamiento de la siguiente manera. Figura 3.76 Resumen Figura 3.76 Gráfica de señal de respuesta de temperatura Con ello, concluimos el tercer capítulo el cual nos permitió comprender como se desarrollo y como se realizo nuestro proyecto, que recurso utilizamos para la realización del mismo, y que fuentes pudimos consultar para ejecutar las acciones correspondientes en la realización del mismo. Por ello, este capítulo permite asignar así mismo un valor económico que permita determinar el esfuerzo y el trabajo realizado por nosotros. Es por esto, que el capítulo 4 nos lleva comprender dicho esfuerzo y cuáles son los parámetros que determinara un valor económico a nuestro proyecto; contando así mismo, con lo recurso utilizados, la ingeniería y desarrollo mismo del proyecto y del enfoque que se le dio al mismo para solucionar sus posibles fallas. Así mismo parte de este capítulo comprenderá la conclusión de nuestro proyecto y las características con la cuales cumplió. Ingeniería en control y automatización Página 107

120 CAPÍTULO IV.- ESTUDIO DE COSTOS En este capítulo veremos el costo económico del proyecto teniendo en cuenta varios aspectos como desarrollo de ingeniería así como las herramientas que utilizamos para la elaboración de este mismo. Ingeniería en control y automatización Página 108

121 4.1. Estudio de costos El estudio económico permite conocer la relación existente entre el producto desarrollado y los medios empleados en la realización del mismo. Es por ello, que dentro de nuestro análisis económico nosotros colocamos ciertos puntos los cuales nos ayudan a la evaluación y financiamiento de nuestro proyecto. Por lo tanto, sabemos que nuestro proyecto tiene un concepto de carácter didáctico y en su totalidad se comprende como un medio que permite el aprendizaje de un proceso físico como lo es el control de las variables presentes en una caldera y de las cuales se puede garantizar una aplicación práctica para el operario. Sabemos que gran parte del financiamiento de un proyecto radica en su investigación y análisis, lo cual no lleva directamente al tiempo que se le dedico al mismo y a los recursos que de una u otra forma pudieron necesitarse para la búsqueda y recopilación de información, es decir, conseguir fuentes como libros o textos los cuales manejaran información sobre la temática y que en su mayoría pudieron ser un gastos así mismo como la adquisición de software con los que se trabajaría en nuestro proyecto (MATLAB, VISUAL BASIC, ROCKWELL). Si bien, es conveniente la suma de los recursos utilizados, también es conveniente hacer mención de la mano obra como medio para el desarrollo de nuestro proyectó, es decir, una vez encontradas las fuentes de información el segundo paso es disponer de los conocimientos acerca del tema para poder llevar las referencias a formar parte de nuestro proyectó y de esta manera poder determinar una idea que satisfaga las necesidades del mismo. Es por ello, que se necesito hacer uso de tablas y gráficos que pudieran expresar y enmarcar las actividades desarrolladas, el tiempo empleado, los recursos utilizados y la mano de obra. Así es que colocaremos cada uno de estos conceptos como parte del desarrollo mismo del capítulo Actividades desarrolladas y tiempo empleado Durante este periodo de tiempo que comprendió alrededor de 8 meses, las actividades desarrolladas se organizaron de manera previa, y donde fue determinante la división del proyectó y del trabajo como un medio para garantizar una mejor labor de ambos colaboradores. Es por esto que nosotros decidimos dividir el trabajo en simulación y modelado y dichas actividades se dictan a continuación; para el caso de la simulación decidimos ocupar el siguiente organigrama mostrado en la figura 4.1. Ingeniería en control y automatización Página 109

122 Figura 4.1 Actividades desempeñadas en el simulador Ahora bien para establecer las actividades realizadas por parte del modelado matemático se decidió empezar justamente con las mismas fechas, lo cual permitía una buena división del trabajo y una mejor administración del tiempo. Por lo tanto, el organigrama mostrado en la figura 4.2 de actividades quedo asentado de la siguiente manera para el caos del modelado: Ingeniería en control y automatización Página 110

123 4.2.-Recursos utilizados. Figura 4.2 Actividades desempeñadas en el modelado Este punto nos hace referencia a los recursos de los cuales se dispusieron para la realización del proyecto, esto incluye el tiempo y la forma de trabajo que se tuvo como medio para obtener un mejor rendimiento y aprovechamiento del tiempo y de los recursos a utilizar. Por ello, es conveniente contar con todos los agentes que pudieron asociarse al análisis económico y someterse a este punto, para ello se decidió describir los recursos de los cuales fue necesario hacer uso y de los cuales se tuvo que hacer gastos. Este punto nos ayudara a definir que tantos recurso causaron un consumo tanto económico como de tiempo y con ello se asignara el costo de nuestro proyectó, ya que de mucho depende saber la inversión que se hizo para poder asignar un valor económico a un proyecto organizando toda esto como se muestra en la tabla 4.1. Tabla 4.1 Recurso utilizados en el proyecto Recursos utilizados Monto Adquisición de fuentes de consulta $ Adquisición de software Matlab $ Adquisición de software VisualBasic $ Adquisición de software RS logix $ Medios de transporte $24, Con esta tabla podemos indicar que dichos gastos son por la utilidad de los recursos y estos forman parte de las necesidades para la realización de un proyecto; en este caso, la simulación y modelado de una caldera, sin embargo, estos gastos a larga son benéficos para la conclusión de un buen proyecto. Por lo tanto el gasto total de los recursos utilizados son: $ 36, pesos. Ingeniería en control y automatización Página 111

124 4.3.- Desarrollo de Ingeniería La mano de obra se comprende bajo el concepto de el uso y empleo de las herramientas y conocimientos, así como de las fuentes de consulta para la realización de las operaciones que formaran parte de nuestro trabajo, es decir, los puntos importante que nos ayudaran a la realización de nuestro proyecto como lo es la realización de un sistema de control que se adapte a las necesidades del mismo. La mano obra se expresa también en términos del tiempo invertido en el desarrollo del proyecto. Por lo tanto, nosotros decidimos colocar la aplicación de conocimiento y el tiempo invertido como formas para financiar la mano de obra. Sin embargo, podemos decir que la mano de obra se expresa claramente en la simulación a través de la vinculación que se realizo entre software, puesto que esa investigación llevo tiempo invertido y la aplicación de conceptos para el mismo. En la parte de modelado, la mano de obra se tomo en la implementación de un modelo matemático expresado en Matlab y el cual asegura el control de las variables en proceso. De esta manera se decidió realizar los costos de manera mensual hasta a completar los 8 meses de trabajo, es importante mencionar que le proyecto en muchas ocasiones no respeto los días no laborales, es decir, se trabajo de igual manera una hora al día. Nosotros decidimos ajustar el costo a 1000 pesos por hora,; al día se trabajaba 2 horas lo que daba un total de 60,000 pesos al mes y un total de 480,000 alrededor de los 8 meses de labor Monto por actividades Ahora en este punto se contabilizaran lo parámetros antes mencionados sumados a otros, los cuales describen el trabajo y el valor que se le da a nuestro proyecto. En la tabla 4.2 y 4.3 se da una referencia de cuáles son los valores que se le asignaron al proyecto siendo puntos importantes para contabilizar al análisis y darle un valor económico al mismo. Tabla 4.2 Actividades desarrolladlas en el simulador Actividades realizadas (simulación) Monto económico Búsqueda y recopilación de la $ información y los medios para su operación. Adquisición de la información sobre $ los componentes de una caldera pirotubular. Diseño del simulador en Visual Basic. $ Ingeniería en control y automatización Página 112

125 Diseño del sistema de control en Logix 500. Búsqueda de información acerca de la vinculación. Vinculación entre software Visual Basic y Logix 500. $ $ $ Ajustes del simulador. $ Total = $ 105, pesos. Tabla 4.3 Actividades desarrolladlas en el modelado Actividades realizadas (modelado) Monto económico Búsqueda y recopilación de la información y los medios para su operación. Adquisición de variables de proceso y realización de los lazos de control. Diseño del modelado en diagrama a bloques. Búsqueda de información sobre modelos matemáticos. Ajuste de modelos matemáticos al sistema de control. $ $ $ $ $ Realización del modelo en Matlab $ Ajustes del modelo en Matlab. $ Total = $67, pesos Esto nos da un total de ambos proyectos de $ pesos. Ingeniería en control y automatización Página 113

126 4.5.-Estudio financiero Con estos parámetros es hora de contabilizar el valor total de proyecto contando los recursos y mano de obra de manera que la tabla 4.4 expresará dicho resultado. Tabla 4.4 Suma total de recursos Parámetros a contabilizar Monto económico Recursos utilizados $ Ingeniería $ Simulación $ Modelado $ Monto final del proyecto = $ 6 8 8, pesos Resumen En este último capítulo se pudo abordar el financiamiento de nuestro proyecto, desarrollando los puntos que nos permitían darle un valor económico al mismo como lo son: actividades desarrolladas y tiempo empleado, donde se hace plantearon las actividades desarrolladas durante el alcance del proyecto y se le dio el monto económico a cada una; los recursos utilizados, en donde se planteo la adquisición de los elementos a utilizar para el desarrollo del proyecto esto incluye software y fuentes de consulta; por último se tuvo el desarrollo de ingeniería, aquí se planteo el valor de las labores realizadas en el proyecto, en otras palabras la mano de obra. Ingeniería en control y automatización Página 114

127 Conclusiones El desarrollo del simulador de una caldera nos ayuda a desarrollar lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable) permitiéndonos, conocer el comportamiento de la caldera, de tal manera que se puede elegir entre un control modulante o un control on / off, de acuerdo a las exigencias del proceso el simulador matemático nos permitirá ver el comportamiento de la caldera de a cuerdo a los lazos de control expresados en forma de bloques y con gráficas que representan la respuesta del sistema a las valores de entrada con los cuales se ajusto el proceso. Cabe mencionar que este simulador se acerca a un 30% a la operación de una caldera real, ya que no son tomadas en cuenta muchas variables de proceso existentes en esta misma, por lo tanto se consideran algunas de las variables que se manejan en la caldera, como son presión del vapor, temperatura del liquido en el tanque, y el nivel del liquido existente en el tanque. Este simulador queda libre para futuras modificaciones en donde se podrán agregar las demás variables de proceso no tomadas en cuenta, de forma tal que el proceso del simulador se acerque a un 90% de una caldera real hasta poder realizar un HMI del mismo proceso. Con base a lo mencionado anteriormente y con el estudio de este trabajo concluimos que nuestros objetivos se cumplen satisfactoriamente ya que el simulador sirve para el desarrollo y estudio de lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable) y obtener un conocimiento más claro del proceso de una caldera. Además observamos que cualquier persona que tenga conocimiento sobre lazos de control y PLC (Controlador Lógico Programable) podrá comprender de una forma más clara el funcionamiento de una caldera. Una observación importante es que se debe realizar es que en este trabajo se deja los algoritmos y diagramas de flujo los cuales pueden ser utilizados para el desarrollo de este simulador en algún otro software de programación más sofisticado y para la utilización de vinculación con algún otro PLC (Controlador Lógico Programable) con mayores capacidades. Ingeniería en control y automatización Página 115

128 Tomando en cuenta esta observación concluimos que este trabajo también puede tomarse como base para desarrollo de prototipos de HMI (Interfaz Hombre Máquina) y para futuros simuladores con el fin de desarrollar lazos de control con PLC (Controlador Lógico Programable). Por otra parte la obtención de un modelado que nos permitirá comprender la realización del proceso simulado de forma analítica y su respuesta dentro del sistema, contemplando las variables de proceso manejadas se cumplió satisfactoriamente, puesto que el manejo que se le dio a las variables de proceso dentro de la realización de lazos de control correspondientes que nos permitió la comprensión de los mismos dentro de la caldera. Así mismo, el ajuste de las variables de entrada al sistema se desarrollo estableciendo un estudio de la caldera a manejar y de los rangos de operación de la misma. Con ello, el estudio de los lazos de control de manera independiente se tomo como un alcance el cual fue desarrollado como se menciono con anterioridad de forma satisfactoria. De igual manera que la simulación, este modelado puede servir de base para posteriores trabajos y ayudar a delimitar los propios alcances de dichos proyectos. Ingeniería en control y automatización Página 116

129 Glosario Generador de vapor: El conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios, destinados a trasformar un líquido en vapor, a temperaturas y presión diferente a la atmosférica. Caballo caldera: Es el calor absorbido por la evaporación de Kg. por hora de vapor saturado a una temperatura de 100 ºC, con agua de alimentación a la misma temperatura, siendo equivalente a 9.81 kw. Vapor de agua: Es aquel gas que se obtiene por la evaporación o ebullición de algún líquido o también por la sublimación del hielo. Vapor saturado: El vapor saturado es vapor a la temperatura de ebullición del líquido, es decir es aquel vapor que se desprende cuando un líquido hierve, este se obtiene en calderas de vapor. Vapor húmedo: El vapor saturado que contiene, en suspensión, partículas de líquido por evaporar. Vapor sobrecalentado: Es aquel vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición, parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. Vapor seco: Es aquel vapor que está totalmente libre de agua, se dice que es totalmente gas Acumulador de vapor: Es aquel recipiente a presión destinado a almacenar, durante el período de menor demanda, el exceso de vapor. Calor: Es energía térmica en transición de un cuerpo a otro ocasionando por diferencia de temperaturas entre ellos. Temperatura: Es el estado térmico de un cuerpo considerado con referencia a su potencial para comunicar calor a otros cuerpos. Entalpía: Es la cantidad de calor (energía) que se le comunica a un cuerpo a presión constante. Calor específico: Es la cantidad de calor (energía) necesario para elevar un grado centígrado, un kilogramo del cuerpo. Calor Sensible: Es la cantidad de calor (energía) necesario para llevar un liquido a su temperatura de ebullición. Calor latente de vaporización: Es la cantidad de calor (energía) necesario para que un liquido a temperatura de ebullición se convierta en vapor seco y saturado sin aumentar su temperatura. Ingeniería en control y automatización Página 117

130 Titulo o calidad de vapor: Es la relación existente entre el vapor y su humedad. Presión manométrica: Es la presión diferencial arriba o debajo de la atmosférica y se determina con un manómetro. Presión absoluta: Es la suma algebraica de la presión barométrica mas la presión manométrica Tablas de vapor: Las tablas de vapor permiten conocer la relación existente entre las diversas propiedades termodinámicas del vapor tales como presión absoluta, temperatura de saturación (ebullición), entalpías (contenido de calor) y volumen específico. Eficiencia de combustión: Se refiere a pérdidas de calor por combustión incompleta o por exceso de aire y se puede decir que es la relación existente entre el calor liberado por el quemador cuando ocurre una situación dada y el calor que liberaría el mismo quemador bajo condiciones optimas de operación. Tiro en una caldera: es la diferencia de presiones utilizadas para alimentar los grandes volúmenes de aire necesarios para la combustión estos se clasifican en los siguientes: Tiro natural (por efecto exclusivo de una chimenea alta) Tiro forzado (por efecto de un ventilador de aire a la entrada del quemador) Tiro inducido (por efecto de un ventilador extractor de gases de combustión en la salida de la caldera Trampa de vapor: es un dispositivo mecánico que se utiliza para purgar o extraer condensados dentro de un transmisor de calor o tubería donde deba existir solamente vapor. Ingeniería en control y automatización Página 118

131 Bibliografía [1].- Spirax Sarco.- The boiler house.- Boiler efficiency and combustión. [2].- Ashley Velásquez.- Procesos productivos del papel.- Julio 2007 [3].- Spirax Sarco.- Control de nivel de agua y alarmas para calderas de vapor [4].- Norma oficial Mexicana.- NOM- 012 ENER Eficiencia termica de calderas de baja capacidad. [5].- LOOS INTERNATIONAL.-Ing. Paul Koberlen.- Informe tecnico [6].- LOOS INTERNATIONAL.- Ing. Hardy Ernest.- Vapor para la industria papelera [7].- LOOS INTERNATIONAL.- Ing. Eberhard Franz.- Tecnología para calderas [8].- LOOS INTERNATIONAL.- Sistema de calderas.- Calderas de vapor [9].- CREUS, A.- Instrumentación Industrial.- 7ed 2006 [10].- ALLEN BRADLEY.- Micrologix 1000 Programable Logic Controller Manual [11].- Roca radiadores S.A.- Salvador Solsona Cortadellas.- Calderas y su clasificación [12].-Operación de calderas industriales.- Rodríguez, Gonzalo [13].- Curso de calderas piro tubulares, controles y mantenimiento.- Muñoz, William [14].- Manual de calderas.- Kohan, Anthony.- Tomo I, II (2000) [15].-Generadores y calderas de vapor.- La producción de energía.- [16].- Curso sobre Control de calderas.- Alberto de la Sen Sanz, Salvador Galvan.- Hotel Melia Av. De America Noviembre [17].- Spirax Sarco.- Calderas y accesorios [18].- ACH.- Descripción de calderas y generadores de vapor.- chile Noviembre 1995 [19].- Sistema de control en calderas de vapor.- Fernández J [20].- Instalación de calderas de vapor.- Revista Ingeniería San José [21].- Generación de vapor.- Marcelo Mensy [22].- Controles de caldera.- MaDonnell & Millar [23].- Reglamento de calderas, Decreto No Julio 2001 [24].- Instrumentación de grandes calderas de potencia para la aplicación de modelos avanzados de ingeniería.- Ignacio Diez, Cortes Cristóbal.- Universidad de Zaragoza [25].- Curso Preliminar de centrales térmicas.- IBERDROLA [26].- Control e instrumentación de Procesos Químicos.- Curso [27].- Diplomado en ingeniería de calderas y recipientes a presión.- Ing. Vicente Fco. Alamo Vilaboa.- Enero 2001 [28].- Instrumentación y control avanzado de procesos.- José Acedo Sánchez [29].- Manual sobre Micrologix 1000 [30].- Aprenda Visual Basic Universidad de Navarra [31].- Manual de Matlab y Simulink.- Universidad Pontificia Comillas [32]- Problemas Tema I. Identificación de variables significativas, Diagrama de bloques y Notación ISA [33] Sistemas de primer orden. Modelado de control del presión Ingeniería en control y automatización Página 119

132 Artículos Utilizados de honywell como: Automatización en sistemas de combustión Detección de flama Controles de presión Controles de nivel Válvulas de gas Controles primarios y programados serie 7800 Referencias Ingeniería en control y automatización Página 120

133 ANEXOS Ingeniería en control y automatización Página 121

134 Anexo A (Informe técnico de la caldera universal) Ingeniería en control y automatización Página 122

135 Ventana principal Anexo B (Código en Visual Basic) Private Sub Timer1_Timer() ProgressBar1.Object = ProgressBar1.Object + 1 If ProgressBar1.Object = 100 Then 'Pasa a la ventana menu MENU.Show 'Desactiva el reloj Timer1.Enabled = False 'Cierra la ventana principal Form1.Visible = False End If End Sub Ventana Menú Private Sub Image1_Click() 'Envia al simulador dinamico Form2.Show 'Cierra la ventana menu MENU.Visible = False End Sub Private Sub Image2_Click() 'Abre MatLab 7.0 Shell ("C:\MATLAB7\bin\win32\MATLAB.EXE") End Sub Private Sub Label3_Click() 'Envia al simulador dinamico Form2.Show 'Cierra la ventana menu MENU.Visible = False End Sub Private Sub Label4_Click() 'Abre MatLab 7.0 Shell ("C:\MATLAB7\bin\win32\MATLAB.EXE") End Sub Private Sub Label5_Click() 'Envia a la ventana calculos extras Form4.Show 'Cierra la ventana menu MENU.Visible = False End Sub Ingeniería en control y automatización Página 123

136 Private Sub Label7_Click() 'Sale del programa haciendo un ruido Beep End End Sub Ventana simulador dinámico modo manual Private Sub accagua_timer() 'Empieza el llenado de tanque Efecto del liquido Shape24.Height = Shape24.Height Shape24.Top = Shape24.Top 'Condicion para el accidente If Shape24.Height >= 3255 And Shape24.Top <= 5520 Then MsgBox "Causaste un accidente", vbexclamation, "Accidente" accagua.enabled = False End If End Sub Private Sub accfuego_timer() 'Accidente fuego If agua.height <= 2415 And agua.top >= 4320 Then MsgBox "Has causado un sobrecalentamiento en la caldera", vbinformation, "Error" accfuego.enabled = False o24.value = 0 'Si no hay accidente Else Shape7.FillColor = &H80& Shape8.FillColor = &H80& Shape9.FillColor = &H80& Shape10.FillColor = &H80& End If End Sub Private Sub aut1_click() 'Pasa al modo automatico Form3.Show 'Cierra modo manual Form2.Visible = False End Sub Private Sub cmdstart_click() i10.value = 1 i11.value = 0 End Sub Private Sub cmdstop_click() i10.value = 0 i11.value = 1 End Sub Private Sub Command1_Click() 'Condiciones iniciales del sistema Ingeniería en control y automatización Página 124

137 agua.height = 13 agua.top = 6720 o23.enabled = True o23.value = 0 Shape24.Visible = False Shape24.Height = 13 Shape24.Top = 8760 txtflow.text = 0 i12.value = 0 Shape11.FillColor = &H4080& End Sub Private Sub Command2_Click() 'Pasa a la ventana menu MENU.Show 'Cierra el simulador dinamico modo manual Form2.Visible = False End Sub Private Sub Command3_Click() 'Disminucion de setpoint en la presion Text1.Text = Text1.Text - 1 'Condicion de presion minima If Text1.Text <= 5 Then MsgBox "La caldera no trabaja con presiones menores a 5 bar", vbinformation, "Error" Text1.Text = 6 End If End Sub Private Sub Command4_Click() 'Aumento de presion Text1.Text = Text1.Text + 1 'Condicion de presion maxima If Text1.Text >= 30 Then MsgBox "La caldera no trabaja con presiones mayores a 30 bar", vbinformation, "Error" Text1.Text = 29 End If End Sub Private Sub Command5_Click() 'Disminucion de setpoint de temperatura Text3.Text = Text3.Text - 1 'Condicion de temperaturam minima If Text3.Text <= 21 Then MsgBox "La caldera no trabaja con temperaturas menores de 21 ºC", vbinformation, "Error" Text3.Text = 22 End If End Sub Private Sub Command6_Click() 'Aumento de temperatura Text3.Text = Text3.Text + 1 Ingeniería en control y automatización Página 125

138 'Condicion de temperatura maxima If Text3.Text >= 235 Then MsgBox "La caldera no soporta mas de 235 ºC", vbinformation, "Error" Text3.Text = 234 End If End Sub Private Sub Command7_Click() 'Muestra los checkboxs Donde se puede manipular la caldera manualmente i10.visible = True i11.visible = True i12.visible = True i13.visible = True i14.visible = True i15.visible = True i16.visible = True i17.visible = True o20.visible = True o21.visible = True o22.visible = True o23.visible = True o24.visible = True o25.visible = True o26.visible = True o27.visible = True Label11.Visible = True Label12.Visible = True End Sub Private Sub Command8_Click() 'Pasa al modo automatico Form3.Show 'Cierra modo manual Form2.Visible = False End Sub Private Sub Command9_Click() 'Sale haciendo un ruido Beep End End Sub Private Sub enfueg_timer() 'hace el efecto de enfriamiento de la caldera Shape7.FillColor = &HC0C0FF Shape8.FillColor = &HC0C0FF Shape9.FillColor = &HC0C0FF Shape10.FillColor = &HC0C0FF enfueg.enabled = False entemp.enabled = True End Sub Private Sub entemp_timer() 'Efecto de disminucion de temperatura If i17.value = 1 And o24.value = 0 And Shape7.FillColor = &HC0C0FF Then Ingeniería en control y automatización Página 126

139 Text4.Text = Text4.Text - 1 Image1.Visible = False Text4.BackColor = &H If Text4.Text <= 24 Then entemp.enabled = False End If End If End Sub Private Sub evaporacion_timer() 'Efecto de la evaporacion If Image1.Visible = True Then agua.height = agua.height agua.top = agua.top If Image1.Visible = False Then evaporacion.enabled = False End If If agua.height <= 15 And agua.top >= 6720 Then evaporacion.enabled = False accfuego.enabled = True End If End If End Sub Private Sub flowmeter_timer() 'Efecto del flowmeter If o23.value = 1 And i12.value = 1 Then txtflow.text = txtflow.text + 1 Shape16.FillColor = vbgreen Shape17.FillColor = vbgreen Else Shape16.FillColor = &H0& Shape17.FillColor = &H0& End If End Sub Private Sub Form_Click() 'Llamado del menu qe PopupMenu qe End Sub Private Sub i12_click() 'Activacion de entrada haciendo los efectos correspondientes If i12.value = 1 Then Shape16.FillColor = vbgreen Shape17.FillColor = vbgreen flowmeter.enabled = True Else Shape16.FillColor = &H0& Shape17.FillColor = &H0& End If End Sub Private Sub i13_click() 'Activacion de entrada haciendo los efectos correspondientes Ingeniería en control y automatización Página 127

140 If i13.value = 0 Then Shape11.FillColor = &H4080& txtsenh.text = 0 Else Shape11.FillColor = &H80FF& txtsenh.text = 1 End If End Sub Private Sub i14_click() 'Activacion de entrada haciendo los efectos correspondientes If i14.value = 0 Then Shape12.FillColor = &H4080& txtsenl.text = 0 Else txtsenl.text = 1 Shape12.FillColor = &H80FF& End If End Sub Private Sub i15_click() 'Activacion de entrada haciendo los efectos correspondientes If i15.value = 0 Then Shape18.FillColor = &H4080& txtsenv.text = 0 Else Shape18.FillColor = &H80FF& txtsenv.text = 1 End If End Sub Private Sub i16_click() 'Activacion de entrada haciendo los efectos correspondientes If i16.value = 0 Then Shape19.FillColor = &H4080& txtsenp.text = 0 Else Shape19.FillColor = &H80FF& txtsenp.text = 1 End If End Sub Private Sub i17_click() 'Activacion de entrada haciendo los efectos correspondientes If i17.value = 0 Then Shape20.FillColor = &H4080& temperatura.enabled = False txtsent.text = 0 Else Shape20.FillColor = &H80FF& temperatura.enabled = True txtsent.text = 1 End If End Sub Ingeniería en control y automatización Página 128

141 Private Sub Image1_Click() 'Llamado del menu PopupMenu qe End Sub Private Sub men1_click() 'Abre ventana menu MENU.Show 'Cierra ventana simulcion Form2.Visible = False End Sub Private Sub o20_click() 'PRENDE O APAGA LA LAMPARA VERDE If o20.value = 1 Then lamv.fillcolor = &H8000& Else lamv.fillcolor = &HC0FFC0 End If End Sub Private Sub o21_click() 'PRENDE O APAGA LA LAMPARA AMARILLA If o21.value = 1 Then lama.fillcolor = &HFFFF& Else lama.fillcolor = &HC0FFFF End If End Sub Private Sub o22_click() 'PRENDE O APAGA LA LUZ ROJA If o22.value = 1 Then lamr.fillcolor = &HFF& Else lamr.fillcolor = &HC0C0FF End If End Sub Private Sub Timer13_Timer() txtlamv.linktopic = "RsLinx caldera" txtlamv.linkitem = "O:0/0" txtlamv.linkmode = 2 txtlamv.linkrequest txtlamv.linkmode = 0 If txtlamv.text = 1 Then lamv.fillcolor = &H8000& Else lamv.fillcolor = &HC0FFC0 End If Timer13.Enabled = False End Sub Private Sub Timer14_Timer() txtlamr.linktopic = "RsLinx caldera" txtlamr.linkitem = "O:0/2" Ingeniería en control y automatización Página 129

142 txtlamr.linkmode = 2 txtlamr.linkrequest txtlamr.linkmode = 0 If txtlamr.text = 1 Then lamr.fillcolor = &HFF& Else lamr.fillcolor = &HC0C0FF End If Timer14.Enabled = False End Sub Private Sub o23_click() 'ACTIVA EL LLENADO DE LA CALDERA If o23.value = 1 Then tagua.enabled = True Shape15.BorderColor = &H Shape15.FillColor = &H Shape14.FillColor = &H Shape14.BorderColor = &H evaporacion.enabled = False Else tagua.enabled = False Shape15.BorderColor = &HFFFF00 Shape15.FillColor = &HFFFF00 Shape14.FillColor = &HFFFF00 Shape14.BorderColor = &HFFFF00 evaporacion.enabled = True End If End Sub Private Sub o24_click() If o24.value = 1 Then fuego.visible = True accfuego.enabled = True temperatura.enabled = True Else fuego.visible = False accfuego.enabled = False enfueg.enabled = True temperatura.enabled = False End If End Sub Private Sub rein1_click() agua.height = 13 agua.top = 6720 o23.enabled = True o23.value = 0 Shape24.Visible = False Shape24.Height = 13 Shape24.Top = 8760 txtflow.text = 0 i12.value = 0 Ingeniería en control y automatización Página 130

143 Shape11.FillColor = &H4080& End Sub Private Sub sali1_click() Beep End End Sub Private Sub sensagua_timer() If agua.height >= 3975 And agua.top <= 2760 Then Shape11.FillColor = &H80FF& o23.value = 0 tagua.enabled = False accagua.enabled = False Shape24.Visible = False End If End Sub Private Sub tagua_timer() agua.height = agua.height agua.top = agua.top If agua.height >= 3975 And agua.top <= 2760 Then Shape24.Visible = True tagua.enabled = False accagua.enabled = True End If End Sub Private Sub temperatura_timer() If o24.value = 1 And i17.value = 1 Then Text4.Text = Text4.Text + 1 If Text4.Text = Text3.Text Then Image1.Visible = True Text4.BackColor = vbred temperatura.enabled = False evaporacion.enabled = True End If End If End Sub Ingeniería en control y automatización Página 131

144 Anexo C (Problemas) 1.- Una caldera piro tubular produce 7264 Kg. De vapor por hr. a una presión absoluta de 14 Kg. / cm 2 y un titulo de 98% cuando la temperatura del agua de alimentación es de 23.9 ºC, Hallar: a) El factor de vaporización b) La valorización equivalente, en kilogramos por hora c) Los HP de caldera d) El porcentaje de la potencia nominal desarrollado en el supuesto de que la superficie de caldeo valga 186 m 2. e) El rendimiento total si el carbón tiene una potencia calorífica superior de 5040 Kcal. por Kg. Y se consume a razón de 1362 Kg. Por hora 2.- Una caldera de vapor produce vapor saturado seco a una presión absoluta de 21 Kg. / cm 2 partiendo de agua de alimentación a 82.2 ºC, calcular los HP de caldera necesarios para abastecer una máquina de vapor de 100 HP en el supuesto que necesite 14.5 Kg. por HP hora. 3.- En funcionamiento continuo, una caldera de vapor es un aparato de flujo permanente. En el supuesto de que el agua entre a una presión absoluta de 14 Kg. / cm2, a una temperatura de ºC, con un volumen específico de m3 / Kg. teniendo una energía interna de 67.2 Kcal. Por Kg., una velocidad de 366 m por minuto y una altura de 1.53 m y salga de la caldera en forma de vapor a una presión absoluta de 13.3 Kg. /cm2, un volumen específico de 0.15 m 3 /Kg. una energía interna de Kcal. Por Kg., una velocidad de 1830 m por minuto y una altura de 18.3 m, hallar la variación de entalpía por kilogramo de agua de alimentación. Ingeniería en control y automatización Página 132

145 Anexo D (Curso Control de calderas) Ingeniería en control y automatización Página 133

146 Control total Anexo E (Programación del PLC) Control nivel Ingeniería en control y automatización Página 134

147 Control nivel y temperatura Ingeniería en control y automatización Página 135

148 Anexo F (Tablas de vapor) Ingeniería en control y automatización Página 136

149 Ingeniería en control y automatización Página 137

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