PRACTICA: CONTROL PID. Descripción del Sistema Intercambiador de Calor

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1 Universidad Nacional Experimental del Táchira. Departamento de Ingeniería Electrónica. Núcleo de Instrumentación y Control. Redactor: Prof. Tito González. Revisor: San Cristóbal, Miércoles 05 de Noviembre del 04. PRACTICA: CONTROL PID Descripción del Sistema Intercambiador de Calor OBJETIVO GENERAL. Establecer los fundamentos matemáticos que rigen el comportamiento de un intercambiador de calor por resistor calefactor inmerso en líquido que se encuentra almacenado en un tanque con flujos de entrada y salida equivalentes para un nivel constante en depósito con régimen permanente. CONTENIDO.. Proceso a ser emulado Intercambiador de calor. Proceso de primer orden, de tipo cero Cuestionario de autoestudio UNET, Dpto. Ing. Electrónica, Tito González, 05 Nov 04, Control PID, Descripción Intercambiador de Calor. / 5

2 . Proceso a ser emulado.. Intercambiador de calor. Proceso de primer orden, de tipo cero. En la figura se observa la estructura física del intercambiador de calor que va ha ser emulado de manera circuital con el módulo electrónico G6 de Elettronica Veneta. Figura. Intercambiador de calor o calentador de agua En esta figura, se observa el proceso de intercambio de calor entre un Resistor Calefactor y el agua que se encuentra en contacto directo con el. Como tal, esta resistencia es el elemento final de control, ya que por ella circula una intensidad de corriente Iu como variable manipulada por causa del nivel de tensión de alimentación Vu aplicado y quien viene a ser la acción de control. Como resultado del calentamiento de la resistencia se produce en el agua contenida en el depósito una temperatura de control Tu. Por otra parte, el agua fría entra al tanque a una temperatura Tf, saliendo de este y después de cierto tiempo a una temperatura Tc, valores que la instrumentación de campo traduce a señales de voltaje Vf y Vc. En relación a lo anteriormente planteado, el agua ingresa al tanque con una magnitud de flujo Ff y sale de este en una cantidad Fc, siendo estos valores numéricamente iguales ya que se considera que el sistema como tal se encuentra en régimen estacionario, condición que también se manifiesta en cuanto a las temperaturas como que Tc = Tu, y cuando por la resistencia no circula corriente, el agua a la salida del tanque se pone a la temperatura ambiente, es decir, Tc = Tf. Debe tenerse presente que del depósito se puede sacar líquido a temperatura Tc metiendo la misma cantidad de fluido a temperatura Tf para mantener un nivel constante. De aquí se deduce que los modos operativos del intercambiador de calor pueden ser de dos tipos: a) No se extrae líquido y, por lo tanto, la función del equipo es la de mantener constante la temperatura Tc ya que el nivel del tanque no debe variar, de manera tal que esta última depende sólo del valor de Vu para compensar las pérdidas térmicas. UNET, Dpto. Ing. Electrónica, Tito González, 05 Nov 04, Control PID, Descripción Intercambiador de Calor. / 5

3 b) Se extrae líquido a temperatura Tc y consecuentemente se agrega la misma cantidad a temperatura Tf. Se obtiene así una variación de carga de la magnitud controlada Tc. La función del intercambiador es siempre la de mantener constante la temperatura Tc. En este caso Tc depende de Vu y de Tf, ignorandose el efecto de las pérdidas térmicas. Bajo estas consideraciones, puede entonces efectuarse las siguientes hipótesis: a) Que la temperatura Tu alrededor de la resistor calefactor directamente proporcional a la tensión Vu, es decir, sin retardos de propagación. Tc = Tc = ( S + ) ( S + ) Tu = K Vu b) Que el intercambio de calor (variación de la temperatura) entre el resistor calefactor y líquido es de tipo retardado, es decir, Tc solo toma el valor de Tu después de un tiempo de estabilización, es decir, retardo de primer orden donde es la ganancia estática de la función de transferencia. Tu Tu = S + c) Que la variación de la temperatura Tc, producida por el líquido introducido a la temperatura Tf, es de tipo retardado, es decir, Tc ve modificado su valor después de un tiempo de producida la perturbación, es decir, retardo de primer orden donde es la ganancia estática de la función de transferencia por las variaciones en la temperatura a la entrada del sistema. V Tf Tf = S + d) Que la velocidad del flujo o caudal del líquido no influye sobre el intercambio de calor. e) Que la temperatura ambiente corresponde a 0 C, para facilidad en la representación gráfica de las perturbaciones que ingresan al sistema. f) Que la tensión Vc, generada por la instrumentación del proceso, es directamente proporcional a la temperatura Tc, es decir, sin retardos de propagación. C = T K [ ] [ ] T C = K V Voltios C g) Que la relación que vincula la temperatura con el nivel de voltaje entregado por la instrumentación de campo es de tipo proporcional y lineal, que a efectos de los ejercicios de emulación ha sido simplificada en K = 0 C / V. UNET, Dpto. Ing. Electrónica, Tito González, 05 Nov 04, Control PID, Descripción Intercambiador de Calor. 3 / 5

4 Para lazo abierto, el sistema se representa circuitalmente y a nivel del módulo G6 como se indica en la figura, donde la elección de la velocidad operativa "FAST" ó "SLOW" se realiza en función del tipo de visualización que se va a utilizar para graficar el comportamiento del sistema (osciloscopio o ploter XY). Tomado en cuenta que los valores de voltaje resultantes del sistema emulado se adquieren o digitalizan por medio del módulo DACS/EV y que se dispone de un instrumento virtual, elaborado en LabVIEW, para la visualización gráfica por computador, se debe utilizar la velocidad operativa "SLOW". Figura. Intercambiador de calor emulado en lazo abierto En cualquier caso, revisese la tabla para determinar los valores de los parámetros de las funciones de transferencia según la velocidad seleccionada. Tabla. Valor de los parámetros según velocidad de emulación SLOW 0.7 FAST Para finalizar, se indica que a efectos de simulación se establece que la temperatura del agua que ingresa al sistema, Tf, es de 0 ºCelsius, de manera tal que cualquier incremento hasta 0 C en el valor de esta temperatura corresponderá a las perturbaciones que pueden ingresar al sistema. UNET, Dpto. Ing. Electrónica, Tito González, 05 Nov 04, Control PID, Descripción Intercambiador de Calor. 4 / 5

5 . Cuestionario de autoestudio.. Quien es el elemento final de control en el intercambiador de calor?.. Quien es la acción de control en el intercambiador de calor?. 3. Quien es la variable controlada en el intercambiador de calor?. 4. De que orden son las funciones de transferencia del intercambiador de calor?. 5. Como es la relación que vincula la temperatura del proceso con el nivel de voltaje?. UNET, Dpto. Ing. Electrónica, Tito González, 05 Nov 04, Control PID, Descripción Intercambiador de Calor. 5 / 5