Control Intercambiador de Calor

PRACTICA 4

CONTROL DE TEMPERATURA DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR

(PI)

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

MEDELLÍN

2010

INTRODUCCIÓN

A continuación se presenta un informe que nos dará un enfoque del manejo de

sistemas de control, en especial lo que se refiere a los cambios y el manejo que

se da a un intercambiador de calor,; además se hace uso de un software llamado

control station el cual nos permite la facilidad en el desarrollo de problemas de

este tipo, haciendo posible la toma correcta de tiempos, ganancias,

comportamiento grafico y la aplicación optima de formulas convencionales

para los sistemas en cuestión.

OBJETIVOS

Conocer y estudiar el funcionamiento del software de control de procesos

Control Station.

Realizar el control PI de una torre de destilación usando el software control

station.

Conocer a fondo la forma de utilizar el software para problemas de este tipo

que involucren controladores PI y PID.

Describir el comportamiento de un controlador PI como un compensador de

atraso y que posee una ganancia infinita a una frecuencia cero

Repasar los controladores de control, donde un controlador PID combina el

atraso-adelante y el sistema donde es usado requiere mejorar tanto el

comportamiento transitorio como el estacionario.

PRACTICA 4 – DESARROLLO MARCO TEÓRICO

Controlador Proporcional "P" La acción de control es Proporcional al error. Es decir, en el tiempo: c(t)=KC*

e(t) + cS donde cS es la señal de la condición de estado estacionario (señal

"ESTANCO") KCes la constante de proporcionalidad del controlador. Sin duda,

sólo KC caracteriza completamente al controlador P. Se suele usar una notación

diferente, pero equivalente, al hablar de la Banda Proporcional (PB) del controlador, definida como PB=100/KC Usualmente, la banda proporcional

cae entre 1,0 y 500. La PB es conceptualmente más clara que la ganancia pues se relaciona con el cambio del error que se necesita para recorrer el 100% del actuador "c". Mientras menor sea la PB, mayor será la SENSIBILIDAD del controlador. Definida la variable desviación de la señal al actuador mediante c’(t)=c(t)-cS(t)

y ya que c’(t)=KC*e(t) entonces, la Función de Transferencia del Controlador P

es: GC(s)=KC La presencia de un controlador en un sistema implica que se

debe incorporar su comportamiento al sistema global modelado. Similarmente, se debe incorporar el sensor y el actuador. Las perturbaciones, naturalmente, deben figurar a fin de poder examinar el comportamiento del sistema frente a sus cambios. Control Proporcional

• Acelera la respuesta del proceso controlado • Produce un offset (excepto integradores puros).

Produce una señal de control proporcional a la señal de error. Características: Simple Fácil de sintonizar (un solo parámetro) Puede reducir, pero no eliminar, el error en estado estacionario.

Controlador Proporcional/Integral "PI" La acción de control está dada, en el tiempo, por:

El tiempo integral suele tomar valores en el rango de 0,1 a 50 minutos. pero, en variable desviación, c’(t): c’(t)=c(t)-cS(t) entonces, la Función de Transferencia

del Controlador P es: GC(s)=KC {(1+ 1/(tIs)}.

Control Integral

• Elimina todo offset • Eleva las desviaciones máximas • Produce respuestas arrastradas y largas oscilaciones • El aumento de Kc aumenta acelera la respuesta pero produce más

oscilaciones y puede llegar a desestabilizar el sistema

Proporciona una corrección para compensar las perturbaciones y mantener la variable controlada en el punto de consigna. Características:Elimina errores estacionariosMás del 90% de los lazos de control utilizan PI Puede inestabilizar al sistema si Ti disminuye mucho.

Sistema de control de un intercambiador de calor. Para un sistema de control de un intercambiador, Por ejemplo, un producto requiere una parte de un material A por dos partes de un material B. con el control proporcional. La razón de flujo de uno de los materiales está determinada por partes específicas del proceso. Esta razón de flujo es esencialmente incontrolada y es comúnmente designada flujo deshabilitado. En suma, el control proporcional monitorea el valor de una variable y ajusta el valor de la segunda variable en razón de la primera variable. El control retroalimentado es otro tipo de control usado cuando se requiere una mayor efectividad y precisión como puede proveer un lazo sencillo de control retroalimentado. El control retroalimentado esta capacitado para compensar el sistema antes de que los disturbios afecten la variable controlada. En otras palabras, los disturbios son medidos y controlados antes que afecten el proceso.

El diagrama ilustra un lazo de control retroalimentado monitoreando un intercambiador de calor. La temperatura de salida es la variable controlada. El suministro de vapor es la variable manipulada. Como la temperatura de salida del proceso varía, el controlador abre o cierra la válvula de vapor para subir o bajar la temperatura dentro del intercambiador de calor. Con este modo de control, puede desviarse desde el set point antes de que la acción de control sea aplicada. El lapso de tiempo entre el punto en el que la desviación ocurre y el punto en el que se realiza la acción correctiva, provoca que la temperatura del proceso varíe. Para hacer esta simulacion se utilizo el software CONTROL STATION v3.7. Intercambiador de calor El proceso que se muestra en la Fig. es un enfriador de aceite lubricante en contracorriente. La variable manipulada es el caudal de agua de enfriamiento del lado de la coraza. La variable medida es la temperatura del aceite que sale del intercambiador por el tubo. Este proceso tiene un comportamiento de orden superior al de los tanques vaciados por gravedad. También tiene una ganancia de estado estacionario negativa. Esto significa que al aumentar el caudal de agua de enfriamiento (variable manipulada), la temperatura de salida (variable medida) descenderá. Otra característica interesante es que los disturbios, generados por la mezcla de aceite caliente y tibio en el ingreso al intercambiador, causan una respuesta a lazo abierto inversa de la variable medida. Esto se debe a que un aumento del caudal de disturbio aumenta el caudal total que circula por el intercambiador el cual ahora tiene una temperatura inferior a la normal debido a la mezcla. Por lo tanto, el fluido que ya se encuentra en el intercambiador en el momento en que aparece el disturbio es forzado a circular más rápido de lo normal, reduciendo el tiempo de intercambio y saliendo a una temperatura superior a la que lo

hacía antes de este. Una vez que comience a salir el fluido ya mezclado, lo hará a una temperatura inferior a la que lo hacía antes del disturbio. Concluimos que un aumento del caudal de disturbio provoca en principio un aumento de la variable medida (temperatura de salida) para luego descender a una temperatura de estado estacionario inferior a la inicial. Los controladores proporcionales son diseñados para mantener una continua relación entre la variable controlada y la posición del elemento final de control. DESARROLLO PRÁCTICA Esta práctica es sencilla lo primero que se realiza es hacer avanzar el proceso a nivel de diseño de la operación. Haga clic en el cuadro de perturbación se muestra en el gráfico y ajustar la velocidad de flujo de aceite caliente a su valor esperado de 20 L / min. Ahora la búsqueda por el valor de la salida del regulador (que manipula el caudal de refrigeración) que hace que el mide la temperatura de salida para mantener el equilibrio en el valor de diseño de 140 º C.

Se hallaran las constantes mostradas a continuación a través de los datos guardados en el anterior punto para una constante de 300 datos arrojados por el programa

Ahora se procede a establecer el tipo de modelo y se calcula la grafica para el

sistema y las constantes de la siguiente manera,tomando el modelo FOPDT para

aplicarlo al intercambiador de calor, haciendo los pasos aprendidos

anteriormente obtenemos estos datos:

controlador de salida

39% a 50%

u1 = 39 y1 = 140

u2 = 50 y2 = 135

Δu = [%] 11 Δy = [m] -5

KP = ( Δy /Δu) = [m/%] -0.45

tYstart = 43.5 t63,2 = 44.9

y63,2 = y1 + 1,632( Δy) = 136.84

τP = t63.2 – tYstar = 1.4

tUstep = 42.91

ΘP = tYstar – tUstep = 0.59

Podemos verificar la diferencia entre el proceso de vaciado de tanque y el

proceso de intercambiador de calor en este ultimo la ganancia es de carácter

negativo y va disminuyendo a medida que aumentamos la señal de salida,

haciendo el Δy mas pequeño.

Por el contrario en el vaciado de tanque a razón de que aumentábamos la señal

de salida el Δy aumentaba al igual que la ganancia.

Graficamos el paso de 39% a 50%.

Para verificar si este proceso es lineal o no lo es, tomamos los datos de tres

pasos:

Paso 1 Cambio de 30% a 40%




30% a 40%

40% a 50%

u1 = 30 y1 = 146.5

u1 = 40 y1 = 139.5

u2 = 40 y2 = 139.7

u2 = 50 y2 = 135 Δu = [%] 10

Δy = [m] -6.8

Δu = [%] 10 Δy = [m] -4.5

KP = ( Δy /Δu) = [m/%] -0.68

KP = ( Δy /Δu) = [m/%] -0.45

tYstart = 77.6 t63,2 = 79.1

tYstart = 109 t63,2 = 110.4

y63,2 = y1 + 1,632( Δy) = 142.20

y63,2 = y1 + 1,632( Δy) = 136.65

τP = t63.2 – tastar = 1.5

τP = t63.2 – tastar = 1,4

tUstep = 77.2

tUstep = 108.5

ΘP = tastar – tUstep = 0.4

ΘP = tastar – tUstep = 0.5



50% a 60%

u1 = 50 y1 = 135

u2 = 60 y2 = 132

Δu = [%] 10 Δy = [m] -3

KP = ( Δy /Δu) = [m/%] -0.3

tYstart = 130.5 t63,2 = 131.6

y63,2 = y1 + 1,632( Δy) = 133.1

τP = t63.2 – tYstar = 1.1

tUstep = 129.85

ΘP = tYstar – tUstep = 0.65

Podemos destacar que este proceso no es lineal ya que aunque la señal de salida

sea de la misma magnitud a medida que aumentamos el flujo de agua fría la

temperatura disminuye pero no en la misma rata a más porcentaje la

temperatura disminuye menos grados cada vez.

Lo mismo sucede con el tiempo de respuesta, este se hace menos a medida que

aumentamos el flujo y el tiempo muerto cada vez aumenta entre cada paso.

Gráficamente podemos verlo.

NOTA; EL PROGRAMA DESGRACIADAMENTE NO NOS PERMITE AVANZAR MAS EN EL EJERCICIO PERO A PARTIR DE ESTA IDEA Y ESTE PROCEDIMIENTO SE PUEDE DESARROLLAR UN CONTROLADOR PI PARA ESTOS CASOS.

CONCLUSIONES

El valor correcto de los ajustes de banda proporcional, Integral, y tiempo derivativo dependen de las características del proceso, cabe consignar que en los controladores actuales dichos valores se pueden detectar en forma automática, ya que el controlador dispone de un modo en que produce alteraciones controladas, y dentro de ciertos límites establecidos previamente por el operario, en la salida se miden los resultados del proceso para una cierta cantidad de ciclos de alteración, en base a éste comportamiento puede detectar cuál es el mejor conjunto de ajustes para controlar un proceso mediante el software interno del aparato .

Este tipo de software permite conocer la respuesta de sistemas como

estos donde las variables se comportan de manera constante y los

controladores PID permiten su corrección para los valores necesario.

Basándonos en los resultados gráficos podemos tener mucha más

claridad a cerca de la variación de un determinado parámetro cuando se

realizan estímulos en un sistema.

Es interesante señalar que más de la mitad de los controladores

industriales que se usan hoy en día utilizan esquemas de control PID o

PID modificado. Los controladores PI son particularmente comunes, ya

que la acción derivativa es muy sensible al ruido, y la ausencia del

proceso integral puede evitar que se alcance al valor deseado debido a la

acción de control.

Las reglas para la sintonización del controlador Gc(s) dependerán

entonces de su tipo (PI o PID), de la información del proceso contenida

en el modelo [G.sub.p](s), del índice de desempeño optimizado (IAE o

ITAE) y del funcionamiento primordial del lazo de control

(servomecanismo o regulador).

BIBLIOGRAFÍA

Ogata, K. Ingeniería de Control Moderna 3ra Ed. Pearson, Prentice Hall.

SOFTWARE CONTROL STATION Y MANUAL GUIA.

Dorf, Richard. Sistemas de control moderno 10ª Ed, Pearson, Prentice Hall.

Smith, C. A., & Corripio, A. B. Control Automático de Procesos. Limusa.

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