diseño de sistema modular de caudal 1

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CAPITULO II 2. MARCO TEÓRICO Unidad 1.- Introducción a los fluidos 1.1 Definición de los fluidos Teniendo en cuenta la naturaleza de los fluidos, mas no su composición, estos se definen: “fluido es aquella sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular carece de una forma propia, y cuando este se encuentra en equilibrio no puede soportar fuerzas tangenciales o cortantes.”, de esta definición podemos decir que los fluidos en reposo no pueden soportar ningún esfuerzo de corte. 1.2 Propiedades de los fluidos Las propiedades físicas de un fluido, son las que permiten definir, caracterizar, y cuantificar sus características y comportamiento así como distinguirlos de otros. 1.2.1 Viscosidad La viscosidad es una propiedad generalmente de los fluidos y de los gases, la cual se la define como “el esfuerzo cortante, como una fuerza que se requiere para que una unidad de área de una sustancia se deslice sobre otra” (ROBERT MOTT, 2006), la cual es una medida de la

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CAPITULO II2. MARCO TERICO

Unidad 1.- Introduccin a los fluidos1.1 Definicin de los fluidos

Teniendo en cuenta la naturaleza de los fluidos, mas no su composicin, estos se definen: fluido es aquella sustancia que debido a su poca cohesin intermolecular carece de una forma propia, y cuando este se encuentra en equilibrio no puede soportar fuerzas tangenciales o cortantes., de esta definicin podemos decir que los fluidos en reposo no pueden soportar ningn esfuerzo de corte. 1.2 Propiedades de los fluidos

Las propiedades fsicas de un fluido, son las que permiten definir, caracterizar, y cuantificar sus caractersticas y comportamiento as como distinguirlos de otros.

1.2.1 Viscosidad

La viscosidad es una propiedad generalmente de los fluidos y de los gases, la cual se la define como el esfuerzo cortante, como una fuerza que se requiere para que una unidad de rea de una sustancia se deslice sobre otra (ROBERT MOTT, 2006), la cual es una medida de la resistencia que tiene el fluido o el gas al movimiento. La viscosidad dinmica se la puede medir en poise o centipoise, mientras que la viscosidad dinmica se mide en stokes o sentistokes.

La viscosidad de los lquidos va a depender de la temperatura, a medida que esta aumenta a viscosidad del fluido disminuye, y a medida que la temperatura baja la viscosidad del fluido va a ser mucho mayor.

1.2.2 Numero de Reynolds

Es una relacin combinada entre la densidad y la viscosidad con la velocidad de flujo y las dimensiones de la seccin transversal del flujo, y se la describe con la siguiente ecuacin:

Ecuacin 1

De donde:

V = Velocidad del flujo media.D= Dimetro de la tubera.= Densidad del lquido.= Viscosidad absoluta.

1.2.3 Ecuacin de Bernoulli.

La ecuacin de Bernoulli, para el flujo se basa en la ley de compensacin de la energa la cual establece Que la energa total de un fluido o gas en cualquier punto en el flujo es igual a la energa total en todos los dems puntos del flujo. (Fuente: William Dunn Fundamentals of Industrial Instrumentation).

La ecuacin de Bernoulli es la relacin entre la presin, la velocidad del fluido y la elevacin del sistema de flujo, la cual se la representa de la siguiente forma:

Ecuacin 2

Donde

PA y Pb = Presin esttica y absoluta en los puntos A y B respectivamentea y b = Peso especificoVA y VB = velocidad del fluido promediog = aceleracin de la gravedadZA y ZB = elevaciones por encima de un nivel de referencia dado.

Figura 2. (a) Las presiones en los puntos A y B estn relacionados por la ecuacin de Bernoulli y (b) la aplicacin de la Bernoulli. Fuente William Dunn Fundamentals of Industrial Instrumentation.

1.2.4 Compresibilidad

La compresibilidad es el cambio de volumen de un fluido debido al cambio de presin y de temperatura al cual est sometido, y de la variacin resultante del volumen del fluido tambin depender la masa especfica siempre que la masa se mantenga constante.

1.2.5 Forma y volumen

El volumen de un lquido permanece relativamente constante debido a las intensas fuerzas de cohesin entre ellas (Cengel & Cimbala).

1.2.6 Tensin superficial

La tensin superficial de un lquido es el trabajo que debe realizarse para llevar molculas en nmero suficiente desde el interior del lquido hasta la superficie para crear una nueva unidad de superficie (GILES, EVETT, LIU, 1994)

1.2.7 Masa especifica

La masa especfica se define como la cantidad de materia por unidad de volumen de una sustancia, se determina por P y se representa por:

Ecuacin 3

De donde:

P = Masa especifica.m = masav = volumen

1.2.8 Peso especifico

Se define como peso especfico la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia (MOTT 2006), se la define por y su relacin con la masa especfica es:

Ecuacin 4

De donde:

= Peso especificog = intensidad de campo gravitacional.P = masa especifica.

1.2.9 Volumen especifico

Se define como volumen especfico al volumen ocupado por unidad de masa (AGUSTN MARTN DOMINGO 2011)

1.2.10 Densidad

Densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia (ROBERT MOTT, 2006), generalmente en los fluidos se utiliza la masa especifica del agua a 4C como referencial, la cual va a corresponder a 1[g/m3].

1.2.11 Fluidez

Caracterstica de los lquidos y gases, la cual les confiere la habilidad de poder pasar por un orificio de cualquier dimensin, siempre que este a un mismo nivel del recipiente contenedor.

1.2.12 Flujo

Es el movimiento de un fluido que se define como el paso de un fluido por una unidad de superficie en una unidad de tiempo.

A. Flujo laminar. Movimiento de un fluido cuando este es ordenado, estratificado, suave. En este tipo de flujo el fluido se mueve en lminas paralelas sin entremezclarse mientras que su velocidad promedio sea baja, y el mecanismo de transporte en este flujo es nicamente molecular, la velocidad de las molculas a travs de los lquidos toma forma parablica.

B. Flujo turbulento. Movimiento de un fluido el cual se da en forma catica y que sus partculas se mueven en forma desordenada y con altas fluctuaciones de velocidad.

Figura 3. El flujo variaciones de la velocidad a travs de una tubera con (a) de flujo laminar y (b) el flujo turbulento. Fuente (William_Dunn) Fundamentals of Industrial Instrumentation

1.2.13 Presin.

La presin se define como el valor absoluto de la fuerza por unidad de superficie a travs de una pequea superficie que pasa por ese punto (AGUSTN MARTN DOMINGO 2011)

A. Presin hidrosttica. Es la presin debida al peso de un fluido en reposo y el cual determina las fuerzas que actan sobre cuerpos flotantes o sumergidos, esta se calcula con la siguiente ecuacin.

Ecuacin 5

De donde:

P= Presin hidrosttica [Pa]= Densidad del lquido []g= Aceleracin de la gravedad [m/s2]h= Altura del fluido [m]P0= Presin atmosfrica [Pa]

B. Presin atmosfrica. Es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre la superficie terrestre, su valor vara dependiendo de la altura sobre el nivel del mar, su instrumento de medicin es el barmetro, esta se calcula con la siguiente ecuacin.

Ecuacin 6

De donde:h = Altura de la columna de mercurio.pe = peso especfico del mercurio = 13,8[gf/cm2]

C. Presin manomtrica. Es la diferencia de presin entre la presin absoluta o real y la presin atmosfrica, tambin se la puede definir como la presin que arroja un fluido, esta se la puede calcular con la siguiente ecuacin.

Ecuacin 7

Unidad 2.- Medidores de caudal

La medicin de flujo se refiere a la capacidad de medir la velocidad que posee un flujo ya sea volumtrico o msico de cualquier liquido o gas, la medicin de los fluidos es una funcin importante dentro de cualquier industria que emplee fluidos.

La medicin de esta variable es de suma importancia ya que con esta se puede realizar operaciones de gran consideracin dentro de las industrias, entre las cuales se puede encontrar el balance de lquidos, el control de calidad, y la operacin de procesos continuos.

Existen varias formas de medir el flujo entre las cuales podemos destacar dos mtodos importantes empleados en las industrias los cuales son: volumtricos, los cuales determinan el volumen fluido y los de masa, los cuales determinan la cantidad de masa del fluido. Los medidores volumtricos son destinados exclusivamente a la medida de caudal y los de masa son utilizados cuando se requiere mayor precisin en la medicin del proceso. Entre los principales de medidores volumtricos ms utilizados en la industria podemos destacar los siguientes:

Diagrama 1. Principales medidores de caudal volumtricosFuente: instrumentacin industrial Antonio Creus Sole 8va edicin (2010)El anlisis ser realizado en base a los medidores de caudal con principio de funcionamiento de velocidad, ya que en el mdulo didctico de control de caudal ser implementado con el sensor tipo turbina, los medidores msicos no sern objeto de anlisis.

1.1 2. 2.1 Medidores de presin diferencial

Los elementos de presin diferencial se basan en la diferencia de presin provocada por un estrechamiento en la tubera por donde circula el flujo, alrededor del 50% de todos los medidores de caudal utiliza el mtodo de medicin de presin diferencial.

La presin diferencial generada por la reduccin de la seccin de paso del fluido, provoca que el fluido disminuya la velocidad lo que origina un aumento de energa cintica y por ende la presin tiende a disminuir en proporciones equivalentes de acuerdo al principio de conservacin de energa, creando una diferencia de presin entre las secciones aguas arriba y aguas debajo del medidor de caudal.

Los principales medidores del tipo de presin diferencial son:

Placa orificio Tobera Tubo venturi Tubo pitot Tubo AnnubarActualmente en la industria se estima que el 75% aproximadamente de los instrumentos son de presin diferencial, siendo el ms utilizado el tipo placa orificio.

2.2 Medidores de rea variable

Son caracterizados por el cambio de rea producido entre sus elementos (primario y secundario), en movimiento y el cuerpo del medidor en que se encuentran, estos medidores utilizan el mismo principio de funcionamiento que los medidores de presin diferencial los cuales mantienen la presin diferencial constante, y la relacin entre la energa cintica y la energa debida a la presin.

Existen diferentes tipos de medidores de rea variable, pero los ms utilizados en la industria son los rotmetros, los cuales basan su operacin en la fuerza de empuje del flujo sobre un obstculo de un peso determinado. El flujo que pasa por el rotmetro indica la posicin del mismo flotador, el cual se estaciona en el punto donde las fuerzas de empuje y peso del flotador se estabilizan.

Figura 4. Rotmetro. Fuente: instrumentacin industrial Antonio Creus Sole 8va edicin (2010)

Los rotmetros son instrumentos con buena precisin y repetitividad bajo el mantenimiento y de uso difundido, son utilizados en su mayor parte en la industria qumica donde se requiere ajustar los flujos a valores determinados, la operacin de los rotmetros debe ser en posicin vertical por obvias razones.

2.3 Medidores de velocidad

Segn Pacheco Jess Neri los instrumentos de velocidad basan su operacin en funcin de la velocidad del fluido a ser medido.

Medidor de turbina

Un medidor de turbina consiste en un rotor que gira al paso del fluido con una velocidad directamente proporcional al caudal. E fluido choca contra el borde frontal de las palas del rotor produciendo una baja presin, y como resultado de esta presin diferencial las palas giran. (Creus Sole instrumentacin industrial)

La velocidad del fluido desciende debido al paso de las palas de la turbina, la presin aumenta aguas debajo de la turbina debido al efecto Bernoulli, y como consecuencia de ese fenmeno se ejerce una fuerza igual y opuesta a la del fluido aguas arriba de la turbina, de esta manera el rotor del sensor est equilibrado hidrodinmicamente.

Figura 5. Medidor de turbina (Fuente: Teora de la medicin de caudales y volmenes de agua e instrumental necesario disponible en el mercado Luis Garca Gutirrez.)

La salida para la medicin del sensor tipo turbina viene determinada por una serie de impulsos elctricos, los cuales son producidos por el paso individual de las paletas de la turbina a travs de un campo magntico creado por un imn permanente el cual est montado en una bobina captora ubicada en el exterior. El paso de las palas por el circuito magntico, varia la reluctancia de este, provocando una induccin de corriente alterna en la bobina.

Figura 7. Curvas del medidor de turbina (fuente: Antonio Creus Sole instrumentacin industrial)

Una forma sencilla de comprender la teora de funcionamiento de los medidores de turbina se puede comprender en la figura 6, que muestra la velocidad para una paleta de un medidor ideal.

Figura 6. Seccin transversal de un medidor de lquidos. Fuente: (Teora de la medicin de caudales y volmenes de agua e instrumental necesario disponible en el mercado Luis Garca Gutirrez.)

La turbina es un instrumento con buen tiempo de respuesta, normalmente su turbina es fabricada en materiales plsticos por lo tanto se puede utilizar con lquidos corrosivos, una desventaja que tiene este medidor es que si junto con el fluido medido viene gas o aire, este lo va a censar; este medidor no es muy sensible a las variaciones de la densidad.

2.4 Fuerza

PLACA DE IMPACTO.

La placa de impacto consiste en una placa instalada en la parte central de la tubera, la cual est sometida al empuje o fuerza de la placa. En la figura 7 se muestra el principio de funcionamiento de un medidor de placa resistivo al avance de la corriente.

Figura 7. Principio de funcionamiento de una placa orificio resistiva. (Fuente: teora de la medicin de caudales y volmenes de agua e instrumental necesario disponible en el mercado. Luis Garca Gutirrez.)

Teniendo en cuenta la aceleracin generada del fluido en el espacio anular entere la placa y la tubera, esto causa que la presin se reduzca sobre la cara del medidor aguas abajo, por ende la fuerza ejercida del fluido sobre la placa ser la diferencia de presiones sobre la superficie de la placa aguas arriba y aguas abajo, lo cual tiende a mover a la placa en direccin del flujo. A esta fuerza se le opone otra fuerza contraria la cual es producida por una articulacin, y este movimiento es detectado por un elemento secundario es decir un transmisor. La seal del dispositivo cuando se encuentra en equilibrio, ser la fuerza sobre la placa, la cual es proporcional al caudal que fluye.

2.5 Tencin inducida

MAGNTICOS.

El medidor electromagntico tiene el mismo principio de funcionamiento que un generador elctrico, es decir por el fenmeno de induccin magntica que se produce cuando existe un movimiento relativo entre un campo magntico y un conductor el cual corte el flujo magntico, siendo la magnitud directamente proporcional a la velocidad media del conductor en movimiento.

Figura 8. Medidor magntico. (Fuente: Creus Sole Antonio; instrumentacin industrial)

En una tubera, la cual conduce lquidos conductivos, se puede recoger el voltaje inducido con dos electrodos situados diametralmente opuestos en el tubo, si se tiene un caudal alto, para la misma rea de conduccin, se tendr mayor velocidad en el fluido, y el voltaje generado sea mayor y viceversa, esto quiere decir que el voltaje inducido es proporcional al caudal que pasa por el medidor. El instrumento no tiene ningn elemento que se oponga al paso del fluido a medir, prcticamente no tiene cada de presin, su precisin es buena, y su costo es relativamente alto.

Unidad 3 Bombas

En la industria y la agricultura, en cuanto a circulacin de fluidos, de alguna manera se relaciona con las bombas. La bomba es una turbo maquinaria, la cual recibe energa mecnica y la restituye en energa que un fluido adquiere en forma de presin, de posicin o de velocidad. Existen diferentes tipos de bombas para diferentes aplicaciones.

Los factores fundamentales que permiten que un sistema de bombeo este en ptimo funcionamiento son: presin final, presin del proceso, velocidad del fluido, y tipo de fluido, dependiendo del tipo de fluido variara la eficiencia de la bomba.

3. 3.1 Clasificacin

Las bombas se clasifican en dos grandes grupos fundamentales segn su principio de funcionamiento.

Bombas de desplazamiento positivo o volumtrico Bombas centrifugas

3.1.1 Bombas de desplazamiento positivo o volumtrico

Las bombas de desplazamiento volumtrico basan su funcionamiento en encerrar cierto volumen de un lquido para transportarlo desde la aspiracin hasta la impulsin con un aumento en la presin. Son utilizadas para el bombeo de pequeos caudales a grandes alturas.

3.1.2 Bombas centrifugas.

Las bombas de efecto centrifugo son las turbo maquinas ms utilizadas actualmente por que han adquirido mayor relevancia por sus grandes posibilidades y amplio campo de utilizacin. La gran velocidad de funcionamiento que posee la bomba centrifuga, le permite que su accionamiento sea directo por motores elctricos, su reducido tamao y peso, gran seguridad de marcha, y mnimo su nmero de elementos de desgaste, has sido factores decisivos que se han impuesto para su gran utilizacin y empleo.

Una bomba centrifuga es una mquina hidrulica, que intercambia la cantidad de movimiento entre la mquina y el fluido, por medio del impulsor con alabes, que accionado desde el exterior permite que el fluido obtenga la energa necesaria para obtener una presin ideal.

El cuerpo de la bomba recibe el lquido que sale del impulsor, y por la construccin especial de la bomba esta transforma su energa cintica en presin, dirigiendo al mismo tiempo al exterior por medio de la brida de expulsin. Existe gran variedad de bombas referente a su forma de construccin, de acuerdo con las aplicaciones particulares, tambin se puede denominar bombas centrifugas a las de flujo semiaxial y axial, aunque la accin centrifuga es inadecuada para explicar el funcionamiento de tales bombas.

El anlisis estar centrado nicamente a las bombas centrifugas ya que en el mdulo se empleara este tipo de bomba.

3.2 Parmetros de seleccin de bombas centrifugas.

Unidad 4.- Sistemas de control 4

4. 4.1 Componentes bsicos de un sistema de control4.2 Tipos de sistemas de control 4.2.1 Control manual 4.2.2 Control automtico 4.3 Variable de proceso, set point y error 4.4 Controlador PID 4.4.1 ACCION proporcional 4.4.2 Control proporcional derivativo PD4.4.3 Control proporcional integral PI4.4.4 Control proporcional integral derivativo PID

Unidad 6.-Controlador lgico programable (PLC)

5. 5.1 Configuracin interna de un PLC 5.2 Modo de operacin de un PLC 5.3 Tiempo de respuesta

Unidad 7.- Interfaz HUMANO-mquina (HMI)

6. 6.1 Funciones de un software HMI6.1.1 Monitoreo6.1.2 Supervisin6.1.3 Control6.2 Tareas de un software HMI

7.