5/24/2018 Trabajo Final de Control
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Repblica Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politcnica
De la Fuerza Armada Bolivariana
UNEFAExtensin Punto Fijo
Docente:
Ing. Carlos Gonzlez
CONTROL DE
INTERCAMBIADORES DE CALOR
Bachilleres:
Gallardo Zailyn
Reyes Hiboryana
Rojas Robert
Serga Mara
Ing. Petroqumica B VIII Semestre
Punto Fijo; 2014
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INTRODUCCION
Los intercambiadores de calor son aparatos utilizados para la transferencia de
calor entre dos o ms fluidos. La transferencia de calor se realiza a travs de una
pared metlica o de un tubo que separa ambos fluidos. Estos dispositivos sonparte esencial de los procesos industriales de ventilacin, calentamiento,
refrigeracin y asimismo de aire acondicionado, debido a su economa,
construccin y operacin.
Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben
diferentes nombres: intercambiadores de calor, condensador, enfriador,
calentador, rehervidor, vaporizador.
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar en varias formas diferentes,
una forma consiste en basar la clasificacin en las direcciones relativas del flujo de
los fluidos calientes y fro, dando lugar a trminos como fluidos paralelos, cuando
ambos fluidos se mueven en la misma direccin; flujo encontrado, cuando los
fluidos se mueven en paralelo pero en sentido opuesto; y flujo cruzado, cuando las
direcciones de flujo son mutuamente perpendiculares.
Otro modo de clasificar los intercambiadores de calor es mediante la estructura y
uso de los mismos como: Intercambiadores de coraza y tubo, estos componen la
parte ms importante de los equipos de transferencia de calor sin combustin en
las plantas de procesos qumicos. Dentro de este tipo de intercambiadores (coraza
y tubo) dependiendo a su construccin mecnica se logra obtener diferentes tipos
como los son, de cabezal flotante, tubos en forma de U, de cabezal fijo. Cabe
mencionar que tambin pueden clasificarse segn TEMA (Tubular Exchanger
Manufactures Association) en, clase R, clase C y clase B.
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CONTROL CONVENCIONAL
Basndose en el esquema de la figura 1, se puede decir que en el control de un
cambiador de calor pueden presentarse una o varias de las perturbaciones
siguientes:
Cambio en las condiciones de la corriente de proceso o producto. Esto
puede ocurrir si existen variaciones en el caudal o en la temperatura del
mismo.
Cambio en las condiciones del fluido calefactor, como pueden ser
variaciones en la temperatura, o la presin si este fluido es vapor.
Cambio en el propio proceso en s, como ocurre en un proceso de reaccin,
cuando en el circuito esta intercalado un cambiador de calor.
Cambio en el punto de consigna del propio controlador de temperatura.
Figura 1.
El control convencional de este cambiador de calor se realiza utilizando la
temperatura de salida de producto como variable controlada. La variable manipula
es el caudal del fluido calefactor. En algunos sistemas se puede eliminar el
controlador de caudal, bien por razones econmicas o por dificultad en su medida
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aunque, como norma general, es preferible utilizar este controlador para obtener
mayor estabilidad en el proceso.
En caso de producirse una perturbacin brusca, por ejemplo, una variacin en el
caudal del producto o una variacin en la temperatura del fluido calefactor, seproducir un desajuste en el control de temperatura durante un periodo de tiempo
ms o menos largo. Esta perturbacin se minimiza utilizando un sistema de
adelanto o feedforward.
Elementos del sistema de control
En la deteccin de temperatura se produce un tiempo muerto debido a
circunstancias tales como la naturaleza de la variable a medir, la inercia que
produce la vaina de proteccin del sensor, as como la cmara de aire que existe
entre la vaina y el propio sensor. Por tales motivos, el sensor debe estar instalado
tan cerca como sea posible de la superficie activa del cambiador de calor. Hay que
tener en cuenta adems que, cuanto ms se aleje el punto de toma de
temperatura del rea activa del cambiador, mayor ser el tiempo de retardo
producido en la deteccin de las variaciones en la misma, ocasionando mayor
inestabilidad en el control. Este ltimo tiempo de retardo ser proporcional a la
distancia entre el rea activa del cambiador y el sensor de temperatura, as como
de la velocidad de paso del fluido. A pesar de todo lo mencionado anteriormente el
mayor tiempo de retardo lo produce realmente el propio proceso de transferencia
de calor.
Las vlvulas utilizadas en los sistemas de control de cambiadores de calor deben
estar provistas de posicionador, con el fin de que la respuesta de control sea
rpida para no aumentar la inercia propia del sistema. Por otro lado, la
caracterstica de la vlvula deber ser isoporcentual, con el fin de mantener la
ganancia del sistema constante.
Como se sabe, para que la estabilidad del proceso sea uniforme a lo largo de todo
el recorrido de apertura de vlvula automtica, la ganancia total del lazo de control
debe ser constante. La figura 2 muestra un lazo de control en el que, asumiendo
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que la ganancia del transmisor (Kt) es igual a la unidad, la ganancia del lazo de
control es:
Kc * Kv * Kp = Constante
Figura 2.
Para que la ganancia del controlador (Kc) sea constante es necesario hacer que la
ganancia de la vlvula (Kv) compense la del proceso. Por tanto, la caracterstica
de la vlvula debe ser isoporcentual, tal como aparece en la figura 3.
Figura 3.
El lazo de control de temperatura suele tener un tiempo de respuesta
relativamente lento, por lo que el controlador debe tener acciones proporcional,
integral y derivativa. La ganancia proporcional depender en cada caso de la
configuracin del lazo de control y del rango de calibracin del controlador. La
accin integral tiene por objeto corregir el error permanente que produce la accin
proporcional cuando se realizan cambios en las variables de perturbacin que
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afectan al control del cambiador de calor. Por ltimo, la accin derivativa es
esencial en procesos de este tipo, donde el tiempo de retardo suele ser grande
cuando se producen cambios en las variables de proceso.
Figura 4.
CONTROL FEEDFORWARD CON FEEDBACK
Para el control feedforward de un intercambiador de calor, igual que para cualquier
otro proceso, es necesario hacer uso de tres conceptos bsicos que
representamos en la siguiente figura 5.
Modelo en estado estacionario (feedforward): Se desarrolla utilizando
los balances de materia y energa, as como correlaciones empricas si son
necesarias.
Compensacin dinmica: Necesaria para equilibrar la diferencia de
respuesta, por parte de la variable controlada, ante cambios en algunos de
los parmetros del producto o del fluido calefactor, tales como caudal,
temperatura, composicin, entre otros.
Reajuste (feedback):Tiene por objeto corregir los errores que se producen
al aplicar los dos conceptos anteriores. Entre las causas del error se puede
sealar:
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Inexactitud en el modelo de proceso en estado estacionario.Error de medida de los instrumentos o error en los clculos.
Falta de linealidad del proceso.
Ensuciamiento de equipos a lo largo del tiempo.
Figura 5
En la figura 1 se ha visto el control tpico de un intercambiador de calor, en el cual,
el controlador de temperatura de producto fija el punto de consigna del controlador
de caudal del fluido calefactor. Este tipo de control, para modificarla variable
manipulada, necesita detectar el error producido entre la medida de la variable
controlada y su punto de consigna. En otras palabras, se efecta el control por
reajuste o feedback.
Para efectuar el control feedforward se necesita conocer el balance de energa
que se desarrolla en el intercambiador, es decir, el modelo estacionario en estado
estacionario. Suponiendo que el fluido calefactor es vapor de agua y, basndonos
en las ecuaciones el balance es:
Qent = Ws * Hs
Qsal= Wp * Cp * (Ts Te)
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Siendo:
Qent: calor aportado por el vapor (Kcal/h)
Qsal: calor transferido al producto(Kcal/h)
Asumiendo que no existen perdidas en la transferencia, el calor de entrada es
igual al calor de salida. De esta igualdad se puede obtener el caudal de vapor
necesario para conseguir la temperatura de salida del producto.
Ws = Wp *
* (Ts Te)
La figura 6 muestra el esquema de control del mismo cambiador de calor,
aplicando la ecuacin anterior. Al estar colocado el controlador de temperatura enla lnea de salida de producto, actuara con feedback, manteniendo la temperatura
Ts constante. La salida del controlador de temperatura es flotante y se escala
automticamente a grados centgrados en el sumador TX. Los valores Cp y Hs on
fijos y conocidos, por lo que se introduce en el sistema como constante K. Como
consecuencia, el sistema feedforward actuara cuando:
Se modifique la temperatura de entrada
Se modifique el caudal de producto.
Figura 6.
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Tan pronto aumente el caudal de producto aumentara tambin el caudal de vapor.
Como la transferencia de calor no es suficientemente rpida, se produce descenso
en la temperatura de salida, aunque despus se recupere al cabo del tiempo.
La figura 7 muestra otro sistema de control que, conceptualmente, realiza lasmismas funciones que el de la figura 6, con la diferencia que se incluye un
controlador de calor en lugar de efectuar un clculo para obtener directamente el
caudal de vapor a introducir. Al incluir el controlador de calor se tiene una
complejidad con tres controladores en serie, lo cual aade una complejidad
adicional desde el punto de vista de ajuste de los parmetros de sintona de estos.
El sistema de la figura 7 representa el calor demandado, el cual fija el punto de
consigna al controlador de calor.
Figura 7.
Comportamiento incluyendo una funcin Lead
Si se introduce una funcin de adelanto tipo lead, como aparece en la figura 8 tan
pronto aumente el caudal de producto se producir un aumento proporcionalmente
mayor en el caudal de vapor debido al lead, disminuyendo progresivamente hasta
alcanzar el equilibrio. Lo que hace la compensacin es aadir calor en los
primeros momentos del cambio de caudal para compensar el efecto de retardo
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inherente al proceso de intercambio de calor. Este aumento de calor se traduce en
una menor desviacin de temperatura con respecto al punto de consigna.
Figura 8.
Llegados a este punto es conveniente recordar el comportamiento de la funcin de
tiempo lead. La figura 9 muestra que, frente a un salto en escaln unitario a la
entrada, aumento en este caso, esta funcin produce un aumento mayor en su
salida, el cual depende de los ajustes de amplitud y tiempo. El comportamiento es
simtrico ante una disminucin en la entrada.
Figura 9.
Incluyendo la funcin lead en el sistema de control feedforward, se consigue que
la desviacin entre la temperatura deseada en la salida de producto, con respecto
al valor real de esa temperatura, sea menor que la desviacin que se produce
cuando no se incluye esta funcin, como puede apreciarse en la figura 10. En
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otras palabras, ante un cambio en el caudal de producto, la temperatura de salida
se aleje menos de consigna si existe lead.
CONTROL CON VLVULAS DE TRES VAS
Existen procesos en los cuales el caudal total de producto no puede ser
modificado y, al mismo tiempo, hay que controlar la temperatura a la salida del
cambiador. En otras ocasiones es importante que la velocidad de respuesta,
durante los cambios de carga, sea suficientemente rpida para no perturbar el
control. En cualquiera de los casos es necesario bifurcar el caudal de producto en
dos caminos, uno a travs del cambiador y otro por una lnea de by pass al mismo.
Figura 10
Cuando se hace pasar el producto a travs del by pass se obtiene una alta
velocidad de respuesta en la variable controlada. Por el contrario, si se hace pasar
el fluido calefactor a travs del by pass, la velocidad de respuesta es
considerablemente ms lenta, debido a la inercia que tiene el proceso de
transferencia de calor. Los esquemas de control de los dos casos mencionados
aparecen en la figura 11.
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Figura 11
Para efectuar este tipo de control, se utiliza una vlvula de tres vas o dos vlvulas
de dos vas. La vlvula de tres vas puede colocarse antes del intercambiador o
despus del mismo. En la parte superior de la figura 11 se puede ver un sistema
en el que la vlvula de tres vas se encuentra situada en la entrada del cambiador.La vlvula se denomina bifurcadora o partidora de flujo (splitter). Esta vlvula tiene
una entrada y dos salidas. El otro tipo de vlvula de tres vas es el que aparece en
la parte inferior de la figura 10, colocada a la salida del cambiador. Este otro tipo
de vlvula se denomina mezcladora, teniendo dos entradas y una salida.
Consideraciones prcticas
Aunque aqu no se trata de calcular o elegir el tipo de vlvula, es necesario
mencionar algunas particularidades que pueden afectar al control. Las vlvulas
estn conectadas por medio de tres bridas, por lo que cuando operan a
temperaturas superiores a 250 C pueden estar sujetas a unos esfuerzos
mecnicos considerables, debidos a la distinta direccin en la dilatacin de las
lneas de proceso. Por otro lado, cuando la aplicacin de la vlvula es para
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mezclar dos corrientes, si la diferencia de temperatura entre estas corrientes es
superior a 150 C, se puede ocasionar una situacin similar debido a la diferencia
de dilatacin que se produce.
Por otro lado, para desmontar una vlvula de tres vas es necesario que la unidadeste parada, o disear un sistema de vlvulas de bloqueo y by pass como el que
aparece en la figura 12. Este sistema de vlvulas manuales presenta una cierta
complejidad de manejo para el operador, el cual tiene que controlar de forma
manual el proceso mientras la vlvula se encuentra en reparacin. Por otra parte,
es necesario disponer de espacio suficiente para el conjunto de todas las vlvulas.
En la figura 12 se supone que la vlvula automtica se encuentra fuera de
servicio, por lo que se encuentran cerradas las vlvulas de bloqueo y abiertas las
de by pass, con las cuales hay que mantener la temperatura de salida de producto
abriendo una de ellas y cerrando la otra para realizar la misma accin que la
vlvula de tres vas, pero esta vez de forma manual.
Figura 12.
A la vista de lo descrito, prcticamente quedan dos ventajas a favor de una vlvula
de tres vas frente a dos vlvulas de dos vas:
Seguridad en algn tipo de proceso.
Diferencia de coste econmico entre ambas posibilidades.
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Con una vlvula de tres vas siempre se encuentra abierta el rea total de paso de
producto, bien a travs de uno de los pasos o de ambos simultneamente.
Cuando se utilizan dos vlvulas de dos vas existe una remota posibilidad de que
ambas vlvulas se cierren en caso de producirse averas simultneas en el
sistema de control y las vlvulas. En cualquier caso se resuelve colocando una
vlvula de seguridad adicional en el circuito.
En cuanto al componente econmico, no hay que olvidar el bajo coeficiente de
flujo de las vlvulas de tres vas. A causa de esta caracterstica, las vlvulas de
dos vas que sustituyen a una de tres vas deben ser de dimetro nominal
proporcionalmente ms pequeo, estrechando la diferencia de coste.
CONTROL CON VLVULAS DE DOS VAS
Existen casos en los que por razones tcnicas, como el exceso de temperatura,
tamao de la vlvula con relacin a la lnea donde debe estar instalada, facilidad a
la hora de ejecutar operaciones de mantenimiento, o por otras causas, en lugar de
una vlvula de tres vas se instalan dos vlvulas de dos vas, tal como muestra la
figura 12. Hay que recordar que el conjunto de dos vlvulas, igual que la vlvula
de tres vas, est diseando para controlar temperatura. El caudal de paso por el
circuito debe permanecer invariable, bifurcando parte de este por una de las
vlvulas.
Figura 13.
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Entre los condicionamientos que rodean la instalacin se puede citar como mas
importantes los siguientes:
Las dos vlvulas deben tener la accin a fallo de aire opuesta, es decir, una
de ellas, a fallo debe abrir y la otra debe cerrar.
La caracterstica de ambos obturadores debe ser lineal. De esta forma
tienen el mismo comportamiento que una vlvula de tres vas en todo su
rango de trabajo. Al 50 % ambas estarn en la mitad de recorrido y caudal
de paso.
Tal como se ha dicho en el apartado correspondiente a vlvulas de tres
vas, la capacidad de una vlvula de dos vas del mismo tamao puede ser
entre 1/3 y 1/2 mayor que una de tres vas, dependiendo del modelo. Esto
significa que cuando se instalan vlvulas de dos vas, el tamao de estas es
ms pequeo, por lo que la diferencia econmica disminuye.
En general, las dos vlvulas deben tener el mismo tamao, aunque el paso
de producto que se prevea por el by pass sea menor. Si existe una
variacin en las condiciones del fluido, tal como la temperatura o duty
demandado por el cambiador, pueden existir dificultades en el sistema de
control si una de ellas es ms pequea, porque cualquiera de las dos
vlvulas debe permitir el paso total de caudal. A pesar de todo esto, como
la prdida de carga de la vlvula de by pass es menor que la
correspondiente a la vlvula de paso a travs del cambiador, se puede
hacer una excepcin a la norma general utilizando la vlvula de by pass
ms pequea cuando ambas sean de un tamao que permita esta
posibilidad.
Control con una sola vlvula en el by pass
Hasta aqu, toda la descripcin se ha hecho partiendo de la base de utilizar dos
vlvulas para el control de calentamiento en un cambiador de calor. Existe otro
sistema de control, con menos grado de utilizacin, que solamente emplea una
vlvula de dos vas en las lneas de by pass, segn puede verse en la figura 14.
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Figura 14
Este sistema tiene como principal inconveniente la poca perdida de carga con la
que debe ser calculada la vlvula para compensar la del cambiador. Esto hace
que exista un margen de regulacin muy limitado, puesto que siempre hay unacantidad de producto que pasa a travs del cambiador, aun a plena apertura de la
vlvula. Tpico de este sistema de control es que la vlvula pasa de 0 a 100 %, y
viceversa, con muy poca variacin de temperatura en el producto con respecto al
punto de consigna.
Este sistema tambin suele utilizarse para controlar presin o diferencia de
presin en el condensador de cabeza en procesos de destilacin. Los
inconvenientes son los mismos que para controlar temperatura.
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CONCLUSIN
La utilizacin de los intercambiadores de calor en la industria pueden ahorrar
energa lo cual implica menos costos y mantener las propiedades de tratamiento
de los fluidos los mismos que coadyuvan el optimo desempeo de las maquinas y
equipos. Existen diferentes tipos de intercambiadores (flujo y por construccin),
aplicados en instalaciones industriales, instalaciones navales, instalaciones de
climatizacin civil que nos han ayudado para los ahorros de costos energticos.
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