PROYECTO DE DISEO PARA PROGRAMA AUTOMATICODE UNA GENERADORA DE VAPOR.

GIOMAR ORLANDO NAVIA LARRAHONDO

INSTITUCIN UNIVERSITARIA TECNOLGICA DE COMFACAUCAFACULTAD DE INGENIERATECNOLOGA EN MAQUINARIA E INSTRUMENTACIN INDUSTRIALSede PUERTO TEJADAPROYECTO DE DISEO PARA PROGRAMA AUTOMATICODE UNA GENERADORA DE VAPOR.

GIOMAR ORLANDO NAVIA LARRAHONDO

INSTITUCIN UNIVERSITARIA TECNOLGICA DE COMFACAUCAFACULTAD DE INGENIERATECNOLOGA EN MAQUINARIA E INSTRUMENTACIN INDUSTRIALSede PUERTO TEJADA

Pgina de Aceptacin.

Nota de aceptacin:

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Firma del Presidente del jurado

Firma Jurado

Firma Jurado

AGRADECIMIENTO Y DEDICATORIA

Hoy celebramos el fin de una etapa especial en nuestra vida, nos despedimos de grandes amigos y maestros, a quienes agradecemos su acompaamiento durante todos estos aos, que nos permiten el estar aqu, a punto de terminar la carrera.

En nuestras memorias tenemos, el da en que ingresamos a esta maravillosa universidad, llenos de emociones, curiosidades, nerviosismo, alegra. Finalmente entramos al saln y nos sentamos con otros compaeros, sin saber que muchos de nosotros compartiramos grandes momentos durante tantos aos, algunos de estos compaeros se fueron, otros llegaron en el transcurso de la carrera, pero todos coincidimos al sentir que cada una de nuestros maestros tienen un toque especial y nico, aquellos maestros que nos apoyaron en cada una de su labor, y siempre sern recordados, por su dedicacin.

A nuestros padres, gracias por habernos brindado la oportunidad para superarnos y por continuar brindndonos su amor y apoyo, por permitirnos llegar a cada meta que nos tracemos y otorgarnos las oportunidades para ser alguien en la vida.

Por ltimo, queremos dejar un mensaje a nuestros compaeros que se quedan en la universidad, aprovechen todos los das en esta magnfica institucin, porque los aos pasan volando y recuerden: esta no es una simple universidad, es nuestra segunda casa, ES UNICOMFACAUCA

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TABLA DE CONTENIDO

Pag.

INTRODUCCION. 71. TRABAJO DE INVESTIGACION. 91.1 Planteamiento Del Problema. 91.2 Formulacin Del Problema. 92. OBJETIVOS 102.1 Objetivos Generales. 102.2 Objetivos Especficos. 103. JUSTIFICACION. 11 3.1 Terica. 11 3.2 Prctica. 12 4. MARCO DE REFENCIA. 13 4.1 Marco Histrico. 144.2 Marco Conceptual.4.3 Marco Terico.5. PROCESO DE GENERAR VAPOR EN CALDERAS.6. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES.7. CONCLUSIONBIBLIOGRAFIAS.ANEXOS.

TABLA DE FIGURAS.

Pg.

Figura 1 PLC Siemens. 16Figura 2 Generadora o Calderas de Vapor. 17Figura 3 Primera Ley de la Termodinmica. 20Figura 4 Uso de la Fuerza del Vapor. 20Figura 5 Figura 6Figura 7

INTRODUCCION.

En las grandes industrias o fbricas se utiliza procesos para manufacturas de sus productos y esto converge a que se emplean muchas mquinas, entre ellas calderas generadoras de vapor; esta investigacin va encaminada al proceso peculiar de crear vapor, el cual es de suma importancia para las grandes medianas y pequeas industrias, y los resultados que se obtuvo de muchas averiguaciones sobre maquinas generadoras de vapor o calderas: Uno, altos riesgos por las temperaturas. Dos, el exceso consumo de los combustibles fsiles. Tres, los elevados costos por la generacin de vapor. Cuatro, el uso de nuevas tecnologas en hardware y equipos que contribuyen de forma ecolgica.

Pero no obstante, se requiere un elemento como el ser humano para la manipulacin directa de esta mquina, esto representa un alto riesgo para aquel elemento, el ser humano. En este entorno por mnimo que sea el error, podra poner en riesgo su vida, y causar grandes daos a las instalaciones. El uso de hidrocarburos como su fuente principal de combustible para la generacin de vapor, esto conlleva a la taza alta de contaminacin del medio ambiente.

Para crear vapor se emplea demasiada energa trmica obtenida por combustibles fsiles y la cual no se recupera adecuadamente a travs de procesos adyacentes, como la recuperacin total del vapor y el uso correcto de los gases calientes.

Gracias a los adelantos o avances de tecnologas se puede mejorar el uso de la maquina generadora de vapor. Para reducir los errores humanos evitar daos tanto al personal contratado, como a la infraestructura de la fbrica.

Para las pequeas industrias que necesitan emplear vapor de forma eficiente a sus procesos, para ello se requiere del uso de la maquina generadora de vapor con una eficacia elevada, hardware robustos y el incorporacin de otras tecnologas verstiles como los P.L.C. (Programmable Logic Controller o controlador lgico programable); que contribuyen en la operacin de forma remota de los equipos en cuestin, a los P.L.C se les programa con la informacin requerida de cierto proceso como el control (automatismo) de la generadora de vapor (caldera), solo consiste en calentar el agua en tres etapas: tanque condensador, tanque pre calentador, horno o caldera; para deducir el control automtico. Es otra forma de control de un proceso en un estado determinado, y la automatizacin. Es la aplicacin de mquinas o de procedimientos automticos en realizaciones de un proceso.

Lo que se busca con la automatizacin para la generadora de vapor pequeas, es corregir errores humanos y adems brindarle al operario un excelente soporte para la operacin de dicha mquina, ya que se necesita hacer manipulaciones con vlvulas, motores, y sensores, lo cual con este conjunto de piezas y herramientas que nos brindan una y confiable operacin, en donde el personal humano no estara en contacto directo con la mquina y eliminar causales de accidentes

La generacin de vapor se utiliza mltiples procesos en industrias alimenticias, petroleras, atmicas, de papel y cartn, etc. El vapor es muy verstil, con la realizacin de trabajos pesados como generar electricidad, esterilizar recipientes y utensilios, herramientas o elementos quirrgicos dentro de hospitales y clnicas, adems el vapor es una fuerza que ha contribuido con el desarrollo industrial, dando la potencia para impulsar maquinas al desarrollo que observamos hoy en da.

1. PROBLEMA DE INVESTIGACION.

1.1 Planteamiento del Problema.

Para contribuir con un crecimiento en la innovacin para campo de la automatizacin se toma como referencia la fuerza del vapor, ya que se cuenta con un diseo base de la mquina, el cual incorpora la eficiencia en el aprovechamiento de los gases calientes y vapor que salen del horno (Hogar) y en el proceso o trabajo a ejecutar, se usan para calentar agua en los procesos, la cuestin, una vez que dicha maquina se ha construido requiere de la automatizacin para su operacin basndose en los modelos pirotubularesMMMM

En las pequeas y medianas industrias, ser de mucha importancia. Al tener este tipo de maquina completamente automatizada, se tendr en cuenta, como base la creacin de una secuencia lgica programa para esta mquina, la cual tiene un diseo que aprovecha eficientemente las perdidas trmicas en el vapor y los gases calientes como resultado de la combustin, que van mezclado en las etapas para calentar el agua, con ello se consigue disminuir los tiempos en generar vapor.

En forma particular, para este tipo de generadora de vapor, se busca la creacin de un programa, que tiene un diseo simple y funcional en el leguaje Grafcet (BDF) para la operacin de forma automtica, y as se mejorar positivamente la eficiencia, tambin reducir los costos operacionales.

1.2 Formulacin del Problema.

Se tienen identificados todas sus variables en dicho proceso, el cual, por medio de la automatizacin el objetivo es que la maquina se opere por misma, tambin este proyecto se enfoca a una mquina de tipo pirotubular, ya que se utiliza en pequeas y medianas plantas industriales.Comment by Doc. Tiempo Completo: Enfocarse en plantear el problema del proyecto debes especifico y puntal.

2. OBJETIVOS

La base de estos objetivos, a la cual se enfoca a la creacin de un programa para contribuir a la solucin del problema que se plantea a este proyecto, con miras a mejorar el funcionamiento y eficiencia de las maquina generadora de vapor, de tipo pirotubular, y colaborar con la seguridad del personal de trabajo y la infraestructura.

2.1 Objetivos Generales.

Elaborar una propuesta para la automatizacin e implementarla a una generadora de vapor de tipo pirotubular, para su ptima funcin de dicha mquina.

2.2 Objetivos Especficos.

Estructurar el programa en Grafcet para el lenguaje BDF en donde est basado en etapas, el cual facilita el trabajo a ejecutar en la mquina. El programa se enfoca en ejecutar funciones de automatizacin para esta mquina en particular, de tipo pirotubular.

Con el Diplomado de automatizacin industrial, usando como referencia el aprendizaje y aplicar lo dicho, en el programa, utilizando los conocimientos en forma de herramienta para aquel propsito.Comment by Doc. Tiempo Completo: Verifica la redaccin replantea la idea est bien

Se implementa este programa a la maquina generadora de vapor, lo que se obtendr, son ptimos los resultados y beneficios a la industria, y a la institucin donde se dise. Comment by Doc. Tiempo Completo: Modificar cuales son los ptimos resultados: costos , tiempos etc.

3. JUSTIFICACION.

Para las pequeas y medianas industrias que requieren del uso del vapor, pueden tener obstculos en cuestin de la generacin de vapor. Ya que este proceso sirve para darle forma a los materiales, secar los productos, o esterilizar recipientes y producir electricidad, etc.; El generar vapor va de acuerdo con el proceso al cual se plantea, ya que la construccin de la maquina es enfocada a dicho proceso, para su fcil operacin se recurre a la implementacin de un P.L.C. y posterior automatizacin, el cual, simplificara de forma fcil y segura la operacin de dicha mquina, y para la industria representa ahorros en costos y tiempos en manufactura, mantenimiento, etc.

Los controladores lgicos programables o en las siglas (P.L.C). son muy usados en el campo industrial, para diversas aplicaciones, fundamentalmente en la maniobra o el control de las mquinas, adems es un hardware programable por el usuario para un uso y proceso en especfico dentro de todo el campo industrial, en otras palabras es una solucin que se refleja en bajos costos en mantenimiento de las mquinas e instalaciones y el aumento de la eficiencia de dichas mquinas; tambin permite una sincronizacin entre el P.L.C a una P.C. y a otros dispositivos, permitiendo un fcil monitoreo, revisar estadsticas, o hacer reportes de forma exacta y sencilla.

Al generar vapor para un proceso X, dentro de la industria, esto conlleva a disminuir los altos costos, ya que la maquina requiere de altos recursos como el combustible, y no aprovechar de forma eficiente, la maquina tendra una taza alta de consumo de combustible y tiempo en crear vapor, para ello se hace el planteamiento de un programa para una maquina con forma distinta, inclinada al ahorro de los recursos, en donde no lleva un control Automtico, el cual en esta programacin se ocupa del control de un proceso en un estado determinado, el cual, al arrancar dicho proceso catapulta los costos hacia lo alto, para la operacin de la mquina, por demoras en la estabilizacin y posteriormente en la generacin de vapor. Pero al aplicar programacin para la automatizacin, se podr reducir tiempos y costos para aquel proceso de generar vapor, usando el lenguaje de programacin Grafcet, donde se programa por etapas y a estas etapas anexa mdulos para una excelente transicin del programa a la ejecucin y manipulacin de la mquina.

3.1 Terica.

Dar provecho a los conocimientos que se adquirieron en la formacin acadmica, como tecnlogos en Maquinaria e Instrumentacin Industrial, en las reas de: fsica, mquinas elctricas, procesos industriales, mantenimiento industrial, entre otras, se tiene una gran parte de apoyo para la investigacin que se realizar en este estudio.

3.2 Prctica.

Al realizar el Diplomado de Automatizacin industrial, se obtuvo la enfatizacin de profundizar el conocimiento de automatizar maquinas dentro de un ambiente controlado, y se pretende realizar un estudio sobre una generadora de vapor, implementando un programa de secuencias simples y a su vez se ejecute de forma automtica por un PLC, se espera en un futuro hacer la implementacin del proyecto a gran escala.

4. MARCO DE REFERENCIA

4.1 Marco Histrico.

A nivel internacional.La mquina de vapor cuya creacin catapulto la revolucin industrial en el Reino Unido. a finales del siglo XVIII y mediados de siglo XIX, con el aporte de James Watt, observ que se podra utilizar el vapor como una fuerza econmica que remplazara la fuerza animal y manual, se empez a desarrollar la fabricacin de calderas, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias.

Las primeras calderas tuvieron el inconveniente de que los gases calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se desaprovechaba el calor del combustible. Debido a esto, posteriormente se les introdujeron tubos para aumentar la superficie de calefaccin. Si por el interior de los tubos circulan gases o fuego, se les clasifican en calderas pirotubulares (tubos de humo) y calderas acuatubulares (tubos de agua). Hasta principios del siglo XIX se us la caldera para teir ropas, producir vapor para la limpieza, etc., hasta que Dionisio Papin cre una pequea caldera llamada marmita en 1769. Se us vapor para mover la primera mquina homnima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo, ya que utilizaba vapor hmedo (de baja temperatura) y al calentarse, sta dejaba de producir trabajo til. Luego de otras experiencias, James Watt complet en 1776 una mquina de vapor de funcionamiento continuo, que us en su propia fbrica, ya que era un industrial ingls muy conocido.

Inicialmente fue empleada como mquina para accionar bombas de agua, de cilindros verticales; fue la impulsora de la revolucin industrial, la cual comenz en ese siglo y contina en los posteriores. Mquinas de vapor alternativas de variada construccin han sido usadas durante muchos aos, como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas est la poca velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia; necesidad de un mayor espacio para su instalacin e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de caldera, se han construido para traccin, utilizadas en locomotoras para trenes, tanto de carga como de pasajeros. Hay una caldera multi-humotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbn o lignito. El humo, es decir, los gases de combustin caliente pasan por los tubos, cediendo su calor al agua que los rodea.

Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdtico, Watt recurri a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denomin Horse Power, potencia de un caballo. Posteriormente, al transferirlo al sistema mtrico de unidades, daba algo ms de 76 kgm/seg. La Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Pars, resolvi redondear ese valor a 75 ms fcil de simplificar, llamndolo Caballo Vapor en homenaje a Watt.

Automatizacin de Generadoras de Vapor.

4.2 Marco Conceptual.

Automatizacin: Es el uso de sistemas o elementos computarizados y electromecnicos para controlar maquinarias o procesos industriales sin la intervencin de operadores industriales.

P.L.C.: (En inglsProgrammable Logic Controller) lo que se traduce como Controlador Lgico Programable, es un dispositivo electrnico comnmente usado de ambientes industriales y domsticos.

Actuadores: Son vlvula. Existen varios tipos de actuadores como son: Electrnicos Hidrulicos Neumticos Elctricos

Sensores: Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes fsicas o qumicas, llamadas variables de instrumentacin, y transformarlas en variables elctricas.

Motor Elctrico: Es un dispositivo que transforma la energa elctrica en energa mecnica por medio de la accin de los campos magnticos generados en sus bobinas.

Planta (maquina): Para este caso se tiene en cuente que se aplica a una maquina en escala, para realizar el ejercicio de automatizacin de forma segura en un ambiente que se encuentre bajo control.

Caldera: Es una mquina o dispositivo de ingeniera diseado para generar vapor.

Termodinmica: Rama de la fsica que hace foco en el estudio de los vnculos existentes entre el calor y las dems variedades de energa. Analiza, por lo tanto, los efectos que poseen a nivel macroscpico las modificaciones de temperatura, presin, densidad, masa y volumen en cada sistema.

Temperatura:Es una magnitud fsica que refleja la cantidad de calor, ya sea de un cuerpo, de un objeto o del ambiente. Dicha magnitud est vinculada a la nocin de fro (menor temperatura) y caliente (mayor temperatura).

Presin:Resultado de comprimir o apretar (es decir, estrechar algo contra el cuerpo, oprimir, ajustar, apiar). Puede tratarse, por lo tanto, de la fuerza que se aplica sobre una determinada cosa.

4.3Marco Terico.

P.L.C.

El controlador lgico programable (Programmable Logic Controller PLC) figura 1 es un dispositivo operado digitalmente, que usa una memoria para el almacenamiento interno de instrucciones con el fin de implementar funciones especficas, tales como lgica, secuenciacin, registro y control de tiempos, conteo y operaciones aritmticas, para controlar a travs de entradas/salidas digitales o analgicas, varios tipos de mquinas o procesos.

Figura 1 PLC Siemens

Los PLCs operan de manera secuencial y cclica, es decir, una vez finalizado el recorrido completo de un programa, comienza a ejecutar su primera instruccin.Los elementos que contiene un PLC son: Unidad Central de proceso Mdulos de entrada Mdulos de salida Fuente de Alimentacin Dispositivos perifricos Interfaces

La unidad central es el cerebro del PLC. Este toma las decisiones relacionadas al control de la mquina o proceso. Durante su operacin, el CPU recibe entradas de diferentes dispositivos que ha detectado, ejecuta decisiones lgicas, basadas en un programa almacenado en la memoria, y controla los dispositivos de salida de acuerdo al resultado de la lgica programada.

Los mdulos de entradas y salidas son la seccin del PLC en donde sensores y actuadores son conectados y a travs de los cuales el PLC monitorea y controla el proceso.

La fuente de alimentacin convierte altos voltajes de corriente de lnea (115V 230VCA) a bajos voltajes (5V, 15V, 24V CD) requeridos por el CPU y los mdulos de entradas y salidas.

Maquina Generadora de Vapor (Caldera).

Es una mquina o instalacin, diseada y construida para producir vapor de agua. A elevada presin y temperatura, las hay, desde pequeas instalaciones locales para la produccin de vapor para coccin de alimentos, planchado en serie de ropa, tratamientos spticos de instrumentales y labores similares, con vapor de relativa baja temperatura y presin, hasta enormes instalaciones industriales, utilizadas para la alimentacin de turbinas de generacin de electricidad, y otros procesos industriales donde se requiere vapor en grandes cantidades, a elevadas temperaturas y presiones.

Figura 2 Generadora o Calderas de Vapor.

Una generadora o caldera de vapor, ellas se clasifican por usar combustible slido, lquido, y gaseoso, tambin hay varios tipos de generadores o calderas de gran capacidad: Calderas Sencillas, Calderas con Hervidores, Calderas de Hogar Interior. Caldera de Mediano Volumen de Agua (Ignitubulares): Caldera Semitubular, Caldera Locomotora, Calderas de Galloway, Locomviles, Calderas Marinas, Semifijas, Calderas Combinadas, Calderas de Pequeo Volumen de Agua. Acuotubulares, Pirotubulares.

Conocimientos para la Seleccin de una Caldera.

Lo primero es tomar en cuenta a que tipos de trabajo ser sometida la caldera. Luego debemos tener el conocimiento de las cualidades que debe tener para ser empleadas en las diversas funciones.

Entre los diversos datos debemos conocer:La Potencia de la CalderaEl Voltaje que esta RequiereEl Tipo de Combustible que esta Necesita para TrabajarLa Demanda de Vapor que se Requiere, etc.

Podemos decir que en realidad existen varios factores importantes al momento de elegir una caldera, tales como:Capacidad de Consumo de la EmpresaCapacidad de la CalderaCapacidad de Turbina / Generador

Termodinmica.

Es la rama de la fsica que describe los estados de equilibrio a nivel macroscpico.3 Constituye una teora fenomenolgica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un mtodo experimental.4 Los estados de equilibrio se estudian y definen por medio de magnitudes extensivas tales como la energa interna, la entropa, el volumen o la composicin molar del sistema,5 o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presin y el potencial qumico; otras magnitudes, tales como la imanacin, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecnica de los medios continuos en general tambin pueden tratarse por medio de la termodinmica.6

La termodinmica se aplica para crear vapor, ya que se trata del equilibrio de los cuerpos y estado de la materia, para ello se enfatiza en la primera ley de la termodinmica.

Primera ley de la termodinmica.

Tambin conocida como principio de conservacin de la energa para la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, la energa interna del sistema cambiar.

Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energa interna. Fue propuesta por Nicolas Lonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las mquinas adecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dos primeros principios de la termodinmica. Esta obra fue incomprendida por los cientficos de su poca, y ms tarde fue utilizada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin para formular, de una manera matemtica, las bases de la termodinmica.

La ecuacin general de la conservacin de la energa es la siguiente:

Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta el criterio de signos termodinmico, queda de la forma:

Donde U es la energa interna del sistema (aislado), Q es la cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema.

Esta ltima expresin es igual de frecuente encontrarla en la forma

Ambas expresiones, aparentemente contradictorias, son correctas y su diferencia est en que se aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (vase criterio de signos termodinmico).

Figura 3 Primera Ley de la Termodinmica.

Basndose en la primera ley de la termodinmica, para el instante de crear vapor, se requiere una temperatura alta, el cual a su vez genera una alta presin, y por ende el estado de lquido del agua pasa a gaseoso, donde se aprovecha la fuerza del vapor como trabajo (segn la fsica).

Figura 4 Uso de la Fuerza del Vapor.

5.CICLO GENERADOR DE VAPOR EN CALDERAS.

Es un ciclo que consiste en crear vapor ptimo para el trabajo de calderas, con el fin de hacer un proceso ms directo, (elaborado).