CONTROL DE PROCESOS CALDERO ELECTRICO16

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTN

FACULTAD DE INGENIERA DE PROCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DEINGENIERA QUMICA

PRACTICAS DE CONTROL DE PROCESOS

Tema: CALDERO ELECTRICO

Presentado por:Cosi Cosi, RomelEncinas Yanarico, JafetLaguna Herrera, DeyaniraRojas Camones, Jean CarloSalas Eddy RodrigoVargas Pilco, Carla MelissaVilca Balcazar, Sofia

Docente:

ING. FELIPE MIRANDA ZANARDI

AREQUIPA PER

2014

CALDERO ELECTRICO1. OBJETIVOS:1.1. Objetivo General: Evaluar el funcionamiento del caldero elctrico piloto del laboratorio de Operaciones Unitarias, considerando tanto el sistema de control automatizado que posee, como las redes de distribucin de vapor.1.2. Objetivos Especficos: Identificar los componentes del sistema de control de presin, elaborar el diagrama de bloques correspondiente, y evaluar su funcionamiento. Identificar los componentes del sistema de control de nivel, elaborar el diagrama de bloques correspondiente y evaluar su funcionamiento. En base al anlisis y monitoreo de variables implicadas, establecer la interrelacin de ambos sistemas de control

2. MARCO TERICO:2.1. CALDERO ELECTRICOLas calderas elctricas se utilizan para calentar el agua para diversos fines, tales como sistemas de losa radiante yagua caliente en el piso. Ellos han demostrado ser muy eficientes, ya que la energa elctrica que suministra con una fuente de calor es uniforme. Estas calderas son compactas y se pueden utilizar en cualquier espacio de la casa o negocio, demostrando ser compatibles con las diversas lneas de tuberas utilizadas en la circulacin del calor en y alrededor de una instalacin dada. Las calderas elctricas pueden asemejarse a las de gas en climatizacin o funcionamiento pero sus componentes difieren mucho; una caldera elctrica estndar posee: ingreso de agua fra y salida de agua caliente; requiere de una instalacin mnima para conexiones libres o para sistemas ventilados y sin ventilar. Su rendimiento est estimado en un 99,8%, es un sistema libre de contaminacin lo que lo convierte en el ms conveniente; como no requiere de ventilacin, no desperdician calor y por lo tanto logran una eficiencia mayor a cualquier otro calefactor.Los modelos de calderas elctricas actuales incluyen: termostato de control, purgador automtico, termmetro incorporado (0- 120C), vlvula de vaciado, programador de hora, bomba aceleradora, vlvula de seguridad, vaso de expansin membrana y su estructura suele estar pintada en resina epoxi.

2.1.1. CaractersticasLas calderas elctricas estndar muestran una amplia gama de caractersticas que las hace favoritas entre losconstructoresde viviendas. Ya que estn impulsadas por electricidad, estas calderas casi no producenefectos secundarios, tales como monxido de carbono, escapes de gas, y contracorrientes, que son comunes en los aparatos tpicos de los calefactores alimentados con combustibles. Son fciles de instalar y, a pesar del pequeo tamao compacto, pueden proporcionar calor uniformemente distribuido a un mximo de 1,000 pies cuadrados (93 m2) de espacio.No producen ruidos ni humos, otorgando as una atmsfera y estilo de vida mucho ms limpios; con respecto al mantenimiento de las calderas elctricas decimos que ste es mnimo a lo que hay que agregar que nunca tendremos problemas de provisin de combustible.

2.1.2. ProblemasMientras que las calderas elctricas son una excelente opcin a la hora de proporcionar calor en los hogares y espacios comerciales, tambin hay una serie de desventajas. Entre los problemas comunes que enfrentan est el potencial de convertirse en un peligro ambiental. Las calderas elctricas son conocidas por no emitir residuos de monxido de carbono directamente, pero ya que se alimentan de los combustibles fsiles para dar energa, contribuyen a la produccin de contaminantes del aire.

2.1.3. FuncionamientoPara comprender un poco mejor cul es la funcin de cada parte que hemos nombrado, las describiremos una por una; el programador se asemeja a un pequeo robot electrnico mediante el cual podremos regular la puesta en marcha o la parada del calefactor tantas veces como sea necesario ahorrando un significativo nivel de consumo de energa. El termostato posee una divisin muy particular: el que cuenta con sensibilizador y el que incorpora una sonda; el primero controla la temperatura y es capaz de captar hasta el mnimo contacto de desnivel de la misma.El segundo tambin indica los grados en que est funcionando el interior del caldern calefactor pero, mediante el uso de una sonda, consigue una regulacin ms perfecta aprovechando la energa al mximo con un mnimo de gasto econmico. El programador de horario, podremos decirle al equipo cundo deseamos que ste se encienda y se apague automticamente, mientras que con la bomba aceleradora (incorporada dentro del calefactor) es la encargada de convertir el agua fra en caliente y as proporcionar un suministro constante de agua caliente sanitaria.

2.2. BOMBA HIDRAULICAUnabomba hidrulicaes unamquinageneradora que transforma la energa (generalmenteenerga mecnica) con la que es accionada en energa del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede serlquidoo una mezcla de lquidos y slidos como puede ser el hormign antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar laenergadel fluido, se aumenta su presin, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas segn elprincipio de Bernoulli. En general, una bomba se utiliza para incrementar la presin de un lquido aadiendo energa al sistema hidrulico, para mover el fluido de una zona de menor presin o altitud a otra de mayor presin o altitud.

2.2.1. Bomba aspirante de mbolo alternativo.En una "bomba aspirante", uncilindroque contiene unpistnmvil est conectado con el suministro de agua mediante untubo. Unavlvulabloquea la entrada del tubo al cilindro. La vlvula es como una puerta con goznes, que solo se abre hacia arriba, dejando subir, pero no bajar, el agua. Dentro del pistn, hay una segunda vlvula que funciona en la misma forma. Cuando se acciona la manivela, el pistn sube. Esto aumenta el volumen existente debajo delpistn, y, por lo tanto, la presin disminuye. La presin del aire normal que acta sobre la superficie del agua, del pozo, hace subir el lquido por el tubo, franqueando la vlvula-que se abre- y lo hace entrar en el cilindro. Cuando el pistn baja, se cierra la primera vlvula, y se abre la segunda, que permite que el agua pase a la parte superior del pistn y ocupe el cilindro que est encima de ste. El golpe siguiente hacia arriba hace subir el agua a la espita y, al mismo tiempo, logra que entre ms agua en el cilindro, por debajo del pistn. La accin contina mientras el pistn sube y baja.Una bomba aspirante es de accin limitada, en ciertos sentidos. No puede proporcionar un chorro continuo de lquido ni hacer subir el agua a travs de una distancia mayor a 10 m. entre la superficie del pozo y la vlvula inferior, ya que la presin normal del aire slo puede actuar con fuerza suficiente para mantener una columna de agua de esa altura. Una bomba impelente vence esos obstculos.

2.2.2. Bomba impelenteLa bomba impelente consiste en un cilindro, un pistn y un cao que baja hasta el depsito de agua. Asimismo, tiene una vlvula que deja entrar el agua al cilindro, pero no regresar. No hay vlvula en el pistn, que es completamente slido. Desde el extremo inferior del cilindro sale un segundo tubo que llega hasta una cmara de aire. La entrada a esa cmara es bloqueada por una vlvula que deja entrar el agua, pero no salir. Desde el extremo inferior de la cmara de aire, otrocaolleva el agua a untanquede laazoteao a unamanguera.

2.3. CONTROLES DE NIVEL Y ALARMAS DE CALDERAS

Es un requisito de seguridad y legal controlar el nivel del agua en una caldera de vapor.Cuando una caldera pirotubular produce vapor, baja su nivel de agua. Si se deja que baje mucho el nivel, los tubos quedarn expuestos, y esto puede producir averas caras o incluso que explote la caldera.Para evitar estos peligros, el nivel del agua en la caldera tiene que estar cuidadosamente monitoreado y controlado, adems se deben tomar medidas de previsin para apagar la caldera en el caso de que el nivel de agua baje hasta un nivel inaceptable. Spirax Sarco proporciona una amplia gama de sistemas Desde un sencillo control todo/nada (on/off) hasta sistemas de alta seguridad y auto-control Reduzca las necesidades de supervisin Cumpla con las normativas

2.4. VALVULASUna vlvula se puede definir como unaparatomecnico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulacin (paso) de lquidos ogasesmediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o ms orificios o conductos.Lasvlvulasson unos de los instrumentos decontrolms esenciales en laindustria. Debido a sudiseoymateriales, las vlvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de lquidos y gases, desde los ms simples hasta los ms corrosivos o txicos. Sus tamaos van desde una fraccin de pulgada hasta 30 ft (9 m) o ms de dimetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vaci hasta mas de 20000 lb/in (140 Mpa) y temperaturas desde las criognicas hasta 1500 F (815 C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.La palabra flujo expresa elmovimientode un fluido, pero tambin significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una seccin de terminada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad detiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una seccin determinada del conducto en la unidad de tiempo.2.4.1. Vlvula de control.La vlvula automtica de control generalmente constituye el ltimo elemento en un lazo de control instalado en la lnea deprocesoy se comporta como un orificio cuya seccin de paso varia continuamente con la finalidad de controlar un caudal en una forma determinada.2.4.2. Partes de la vlvula de control.Las vlvulas de control constan bsicamente de dos partes que son: la parte motriz o actuador y el cuerpo.

Actuador: el actuador tambin llamado accionador omotor, puede ser neumtico, elctrico o hidrulico, pero los ms utilizados son los dos primeros, por ser las ms sencillas y de rpida actuaciones. Aproximadamente el 90% de las vlvulas utilizadas en la industria son accionadas neumticamente. Los actuadores neumticos constan bsicamente de un diafragma, un vstago y un resorte tal como semuestraen la figura (1-a.). Lo que se busca en un actuador de tipo neumtico es que cadavalorde lapresinrecibida por la vlvula corresponda una posicin determinada del vstago. Teniendo en cuenta que la gama usual de presin es de 3 a 15 lbs/pulg en la mayora de los actuadores se selecciona el rea del diafragma y la constante del resorte de tal manera que uncambiode presin de 12 lbs/pulg, produzca un desplazamiento del vstago igual al 100% del total de la carrera. Cuerpo de la vlvula: este esta provisto de un obturador o tapn, los asientos del mismo y una serie de accesorios. La unin entre la vlvula y la tubera puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas directamente a la misma. El tapn es el encargado de controlar la cantidad de fluido que pasa a travs de la vlvula y puede accionar en ladireccinde su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido por medio de un vstago al actuador.

2.5. CONTROL DEL AGUA DE ALIMENTACINLa regulacin del nivel de agua y el caudal de alimentacin se realiza por medio de vlvulas automticas que depende de sensores para detectar el nivel y despus transferir esta medida mediante seales neumticas o elctricas a un actuador, que despus ajusta el nivel al punto deseado o requerido. Este es un control de alimentacin de agua de tres elementos, el flujo de vapor, el caudal de agua de alimentacin y el nivel de agua son medidos y registrados por medidores operados mecnicamente. Las medidas de flujo de vapor y de agua estn equilibradas una respecto de la otra mediante un mecanismo diferencial. Un control piloto est conectado al mecanismo de modo que cualquier diferencia entre las cantidades de caudal de vapor y agua produce un cambio en la seal de salida neumtica. Esta seal se transmite a un rel que est combinado con la seal neumtica procedente del registrador de nivel de agua. Un cambio de carga en la caldera desequilibra el mecanismo, produciendo as un cambio en la seal de salida del control piloto. Lo que a su vez cambia la seal de salida del rel. Esta nueva seal reposiciona la vlvula de control de agua de alimentacin, admitiendo el agua necesaria en la caldera, igualando el caudal de agua entrante al del vapor que sale de la caldera. El cambio resultante en el caudal de agua equilibra el mecanismo diferencial y lleva la seal de control piloto a su punto neutro. Como comprobacin final y para asegurarse que la caldera tiene el nivel de agua necesario, la seal del control piloto en el registrador de nivel de agua reajusta el control de la vlvula de alimentacin. El selector situado en la vlvula del sistema proporciona control automtico o manual.

2.6. CONTROL DE PRESIN

Es necesario recordar que la presin de la caldera solo puede ser controlada manteniendo una adecuada relacin aire y combustible es decir una mezcla de aire forzado con bagazo. Como se puede observar en el diagrama, el controlador recibe seales electrnicas de la presin del domo superior (P domo), de la presin del aire forzado (AF), y adems un valor de referencia (SP) que es el valor de la presin de vapor que se desea mantener en la caldera. Cuando el controlador recibe estas dos seales, las opera y realiza dos funciones: la primera es enviar una seal electrnica a un convertidor de seales (I/P), que la convierte en una seal de presin para accionar tanto los alimentadores de bagazo. La segunda es enviar otra seal electrnica a un convertidor de seal (I/P), para tambin la convierta en una seal de presin que accione los dampers del tiro forzado que controla el flujo de aire hacia el hogar de la caldera.

2.7. CONTROL DE TIRO EN EL HOGAREl tiro en el hogar de la caldera no es ms que el flujo de los gases de combustin que son extrados del hogar a travs de la chimenea por medio de un ventilador de tiro inducido. Es preciso recordar que la presin que debe de existir en el hogar debe ser negativa, es decir menor a la presin atmosfrica, para que los gases puedan ser succionados hacia afuera de la caldera. Como se puede observar en la figura 9, el controlador recibe una seal electrnica (TI) de la presin real que existe en el hogar y un valor SP, introducido externamente al controlador, que representa la presin que se desea mantener para que los gases sean evacuados eficientemente. Cuando estos dos datos son operados por el controlador, ste enva una seal electrnica a un convertidor de seales (I/P) que la convierte en una seal depresin, que accionan los dmper de los ventiladores de tiro inducido que abre no cierran el flujo de los gases expulsados de la caldera por la chimenea.3. COMPONENTES DEL MODULO

4. DIAGRAMA DE CONTROL PARA CADA VARIABLE.4.1. Diagrama de Control para la Presin en el Caldero Elctrico.

a) Variable Manipulable: Potencia de la resistenciab) Variable Controlable: La Presinc) Perturbaciones: Al bajar el nivel del H2O caliente, ingresa H2O fria y por ende baja la presind) Actuador: rele) Sensor: Manmetrof) Controlador: Presostato

4.2. Diagrama de Control para el Nivel del Agua en el Caldero Elctrico.

a) Variable Manipulable: Mirilla de nivelb) Variable Controlable: La bamba de alimentacinc) Perturbaciones: El volumen de H2O es menor o mayord) Actuador: motore) Sensor: indicador de nivel de H2Of) Controlador: Control de nivel Mc Donell

4.3. Diagrama total del Sistema de Control General

5. ANALISIS DE VARIABLES

5.1. Problemas ms comunes que encontramos en los calderos son: Incrustacin Corrosin Formacin de lodos Arrastre o vmito Formacin de espuma Contaminacin del vapor Fragilizacin custica Oxidacin Mala transferencia de calor5.2. Calidad del vapor Es la fraccin de masa de gas en una mezcla saturada liquida- gas; es decir, vapor saturado tiene una calidad del 100%, y el lquido saturado tiene una de 0 %. La calidad del vapor es una propiedad intensiva que puede ser utilizada en conjuncin con otras propiedades intensivas independientes para especificar el estado termodinmico del fluido de trabajo.5.3. Porcentaje de Sequedad:Para cuantificar la cantidad de agua que el vapor tiene. Si el vapor contiene 10% en masa de agua, se dice que es 90% seco, o tiene un porcentaje de sequedad de 0.9.La sequedad del vapor es importante porque tiene un efecto directo en la cantidad de enegia transferible contenida en el vapor.Sequedad del vapor= 100% - (% de contenido de agua) en masa5.4. Calcular el calor total del vapor hmedo Las tablas de vapor contienen valores como la entalpia (h), el volumen especfico (v), la entropa (s), etc. Para el vapor saturado (100% seco) y para el agua saturada (0% de sequedad), pero tpicamente no los tienen para vapor hmedo. Estos pueden ser calculados simplemente considerando la relacin vapor- agua, como se describe en las ecuaciones siguientes: Volumen especfico (v) del vapor hmedo:

v= X. vg + (1-X). vfDonde:X: %/100 de sequedadVf: volumen especfico del agua saturadaVg: volumen especifico de vapor saturado

Entalpia especfica (h) del vapor hmedo:

h= hf + X. hfgDonde:X: %/100 de sequedadHf: entalpa especifica del agua saturadaHfg: entalpia especifica del vapor saturado entalpia especifica del agua saturada

Entropa especifica (s) del vapor hmedo:

s= sf + X . sfgDonde:X: /100 de sequedadSf: entropa especifica del agua saturadaSfg: entropa especifica del vapor saturado entropa especifica del agua saturada

5.5. Anlisis de variables:VARIABLESSIM.TIPONIVELES DE VARIACININSTRUMENTO

PresinPControlableEstablecido en el presostatoManmetro y presostato

Presin mxima de trabajo del calderoPmaxParmetroFijado en el presostatoPresostato

Velocidad de presurizacin y velocidad de despresurizacinVp

VdpDependientePor determinarCronmetro y manmetro

Tiempo en que de abre la vlvula de seguridad de presintDependiente del lmite mximo de presin pre-establecidoPor determinarCronmetro

Nivel del lquido en el tanqueNControlableEstablecido en el controladorMirilla de vidrio graduada

Tiempo en que se enciende la bomba de alimentacin de aguaTbDependientePor determinarCronmetro

N de resistencias calefactorasNRIndependiente1 y 2 resistencias de 3000WEn el panel de controla con cul de las resistencias se trabaja

6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El desarrollo de la siguiente practica consta en evaluar el funcionamiento del caldero elctrico y los sistemas de control presentes, considerando tanto el sistema de control automatizado que posee, como las redes de distribucin de vapor, para lo cual se debe tomar en cuenta las siguientes especificaciones: La prctica se debe realizar con los implementos de seguridad respectivos: cascos, guantes, lentes de seguridad y el uniforme de laboratorio. Evaluamos si la llave de ingreso del agua al caldero est abierta para comenzar la prctica. Se puede regular los presostatos a una presin determinada (a la que se quiere trabajar) ya que estos van a actuar sobre las resistencias apagando el caldero cuando haya alcanzado el nivel de presin deseado. Dirigirse a la tabla de control en el cual est el swich de on/off, el cual se acciona para encender el equipo. Una vez encendido el equipo en el tablero de control se acciona la bomba haciendo que se suministre la cantidad necesaria de agua al caldero, la cual ha sido tratada previamente por un ablandador. Se escoge el nmero de resistencias con la que se quiere trabajar, en este caso tenemos como opcin de resistencias la resistencia 1 y la resistencia 2, estas van a definir la rapidez con la que se va a obtener la presin deseada en el caldero. Se trabaja con un rango de 10 PSI siendo la presin mxima de trabajo de 50 y 40 psi, para lo cual se toma el tiempo de cambio en las presiones respectivas. Cuando se llega a la presin mxima de trabajo, se debe abrir la vlvula de compuerta de paso, para que el vapor siga su trayecto a travs de las redes de distribucin. Un descontrol con el equipo (no controlamos la presin y esta se excede) accionara la vlvula de seguridad, la cual va a impedir que el caldero llegue a presiones elevadas, reduciendo la probabilidad de accidentes.7. ANALISIS DE RESULTADOS7.1. TABLA DE TOMA DE DATOS:

7.2. REPRESENTACION DE RESULTADOS

Anlisis de la Grafica 1: La siguiente grafica representa los resultados obtenidos por la prueba N 1 en la cual se trabaj con un lmite de presin de 50 PSI, con la utilizacin de 3 resistencias. El comportamiento es exponencial logartmico al principio ya que el calentamiento es lento y a medida que pasa el tiempo se presenta una tendencia lineal entre la presin y el tiempo.

Anlisis de la Grafica 2: La siguiente grafica representa la prueba N 2 en la cual se trabaj con 6 resistencias y una presin lmite de 50 PSI. Como se observa se presenta una tendencia lineal con una pequea desviacin a 40 PSI.

Anlisis de la Grfica 3: La siguiente grafica representa la prueba 3 con la que se trabaja con 3 resistencias y la presin lmite de 40 PSI. Esta representacin es casi lineal, donde se puede decir que son directamente proporcionales tanto el tiempo como la presin.

Anlisis de la Grfica 4: La siguiente grafica es una representacin comparativa de las tres pruebas realizadas, donde podemos observar que la prueba 2 es la ms eficiente ya que a mayor cantidad de resistencias el tiempo de calentamiento es ms rpido, por ende la obtencin de vapor ser ms eficiente.

Anlisis de la Grfica 5: La siguiente grafica representa la comparacin de las tres pruebas realizadas entre el nivel del lquido y la presin, podemos observar que en la prueba 2 el nivel del lquido se controla con ms exactitud.

8. DISCUSIONES

9. CONCLUSIONES

10. BIBLIOGRAFIA Osaka Solutions, SL. (09 - Setiembre - 2012). Calderas Elctricas: Seguridad y Rendimiento. Sistemas de Calefaccin. [En Lnea]. Disponible en: http://www.sistemascalefaccion.com/calderas/electricas.html [Accesado el da 11 de Setiembre del 2014]

Hanz William, Walter. (10 Mayo 2011). Informacin sobre Calderas Elctricas. Calderas Elctricas. [En Lnea]. Disponible en: http://www.ehowenespanol.com/informacion-calderas-electricas-sobre_320209/[Accesado el da 10 de Setiembre del 2014]

La Enciclopedia Libre. (24 Junio 2014). Bomba Hidrulica. Wikipedia. [En Lnea]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_hidr%C3%A1ulica[Accesado el da 10 de Setiembre del 2014].

Caroli, Enrique Jos. (15 Agosto 2013). Vlvulas: Instrumentacin y Control. Monografias.com. [En Lnea]. Disponible en: http://www.monografias.com/trabajos11/valvus/valvus.shtml[Accesado el dia 09 de Setiembre del 2014].

Siquina Sanchez, Rufino Gregorio. (2009). Anlisis Termodinmico para el Mejoramiento de la Eficiencia de Operacin de la Caldera del Ingenio Tulul. Trabajo de Graduacin, Departamento de Ingeniera Mecnica, Universidad de San Carlos - Guatemala

11. REFERENCIAS Stephanie Dalley and John Peter Oleson (January 2003). "Sennacherib, Archimedes, and the Water Screw: The Context of Invention in the Ancient World",Technology and Culture44(1). Al-Jazari,The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices: Kitb f ma'rifat al-hiyal al-handasiyya, translated by P. Hill (1973). Springer.Volver arriba Derek de Solla Price (1975). Review ofIbn al-Razzaz al-Jazari,The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices.Technology and Culture16 (1), p. 81. Pgina web de SEALCO. Planes de sellado de bombasPRESOSTATO

CONTROL DE PRESION

Al bajar el nivel del H2O caliente, ingresa H2O fria y por ende baja la presion

ACTUADOR

COMPARADOR

Control de nivel Mc Donell

Control de nivel de H2O

El volumen de H2O es menor o mayor

ACTUADOR

COMPARADOR