control flujo
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CONTROL DE FLUJO, NIVEL CONTROL DE FLUJO, NIVEL Y TEMPERATURAY TEMPERATURA
Ing. Ever Ingaruca Alvarez
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICAFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
CONTROL DEL FLUJOCONTROL DEL FLUJO
Control de flujo
Bomba, válvula : Dimensionamiento, posicionamiento
Caudalímetro : Tipo, rango
Orden : Bomba, caudalímetro, válvula
Qf
FCwu
Bomba centrífuga
Caudalímetro Válvula
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Dimensionamiento
Desde el punto de vista del diseño deben escogerse válvulas grandes, pues tienen menores pérdidas de carga y permite el uso de bombas mas pequeñas.Sin embargo, válvulas mas pequeñas permiten mayores cambios de caudal y hacen el proceso mas controlable.
Q
pv
f
p0
pb
u
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Ejemplo
Flujo en condiciones de diseño Q = 100 gpm, pérdidas en la línea de diseño pL = 40 psi, presión entre extremos de diseño = -150 psi, densidad = 1, apertura deseada = 50%
Caso 1: pv = 20 psi Caso 2: pv = 80 psi
Q
pv
f
p0
pb
uLvb0 pppp
Presión mayor al final de la línea
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Caso 1: pv = 20 psi Caso 2: pv = 80 psi pb = 150+40+20= 210 pb = 150+40+80= 270
36.22 72.44
805.0100 205.0100
)(Q
21
21
vv
vv
vv
CC
CC
pClf
Q
pv
f
p0
pb
u
Lvb0 pppp
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Ejemplo
FuncionamientoSuponiendo que pb es constante
Caso 1: f(l) = 1 , f(l) = 0.1 Caso 2: f(l) = 1, f(l) = 0.1
gpmQ
QC
QCQ
gpmQ
QC
QCQ
pppp
pClfpppp
vv
vv
bb
vvLbv
2.24Q gpm3.33
100
401201.0Q 100
40601.0
141Q 115gpm
100
401201Q 100
40601
120150270 60150210
)(Q
min21min
2
2min22min
2
1min11min
max21max
2
2max22max
2
1max11max
00
0
La válvula mas pequeña tiene mas rango de variación de Q
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Diseño
1
2
min0minmin
2
max0max
sLsbv
sLsbv
pppCfQ
pppCQ
Dimensionar bomba (pb) y válvula Cv en función de los caudales máximo y mínimo requeridos y los caudales Qs y perdidas de carga p0, pLs de diseño, resolviendo:
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Diseño
1f
si min
maxmin QQ
solucionExiste
En caso contrario usar una estructura de rango partido
Q
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
])1
([
)( Q 1
)(
2222
20
22222
20
1
1
ghQALf
Cfp
LA
tdQd
QpAvALmQCf
p
gAhvLAfpAppAtdmvd
v
bv
v
vb
Control de flujo
Q
pv
f h
p0
pb
u
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Modelo linealizado
fKpKQtd
Qd
fQCf
p
QALf
Cf
QtdQd
QALf
CfLA
fQCf
QQALf
Cf
p
LA
tdQd
ghQA
Lf
Cf
p
L
A
td
Qd
v
v
v
vv
v
201
0
2230
0
222
0
222
0
223
0
2220
2222
20
)(
]2
)([
2)1
(
1
2)1
(
1
]2
2)1
()(
[
])1
([
1
1
1
1
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Cambios del punto de operación
02
2222
2
0
222
201
)1(
2)1
(
1
)(
11
ACLff
Cff
QK
QALf
CfLA
fKpKQtdQd
vv
v
Q
t
crece en puntos de operación con apertura alta K2 decrece en puntos de operación con apertura alta
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Modelo linealizado linealizado
K2 decrece en puntos de operación con apertura alta
Una válvula isoporcentual compensa el cambio de ganancia
f
u 100 %
1
0
0 %uKf
tdfd
vv
La dinámica de la válvula no debe despreciarse, la aproximaremos por:
Qf
u
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Diagrama de bloques
u
%
+-
W
1s
K
1s
K 2
v
v
Q
1s
K1
P0
+ sT
1sTK
i
ip
Kp Ing /%
Se desprecia la dinámica del transmisor
Escoger su rango de acuerdo al rango de caudal máximo admisible
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Instalación
Las válvulas manuales permiten la sustitución de la válvula de regulación para mantenimiento sin interrumpir el funcionamiento del proceso
Q
Q
A A
A
C
C C
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de flujo
PI Sistema ruidoso y rápido
Kp baja para eliminar el efecto del ruido (0.6 %/%)
i baja para eliminar error estacionario pronto (0.1 min)
Qf
FCwu
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Para caudales altos, una alternativa económica al uso de válvulas de regulación es el empleo de bombas de velocidad variable. Se requiere un variador de velocidad acoplado al motor de la bomba.
Q
FCwu
M
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de flujo
FT
FC
Vapor
Condensado
Ebullidor
Columna
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de flujo
CONTROL DE NIVELCONTROL DE NIVEL
Control de nivel
q
LC
w
u
LT
qi
h
Selección del tipo de transmisor
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
q
LC
w
uLT
qi
h
ffat
ii
i
phgppghpp
fKpKqtd
qd
qqtdhd
Aqqtdhd
A
Ahmqqtd
md
)(
)(
00
201
uKftdfd
vv
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de nivel
Diagrama de bloques
u
%
+-
W
1s
K
1s
K 2
v
v
Q
1s
K1
-Pf
+
Kp Ing /%
R(s)+
+
As
1H
gQi
-
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Diagrama de bloques
u
%
W
1s
K
1s
K 2
v
v
1s
K1
Pf
+
Kp Ing /%
R(s)+
12 gKAssA
1s
H
Qi
-+-
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de nivel
q
LC
w
uLT
qi
h
fKqtdqd
Ksi
fKpKqtdqd
qqtdhd
Aqqtdhd
A
Ahmqqtd
md
ii
i
21
201
:pequeñomuy es
)(
uKftdfd
vv
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Diagrama de bloques
u
%
+-
W
1s
K
1s
K 2
v
v
Q
Kp Ing /%
R(s)+
As
1H
Qi
-
En la practica se comporta como un sistema con un integrador
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Tight /average control
El nivel debe mantenerse de forma precisa: PI con sintonia “activa”
Absorber perturbaciones en qi + reserva: P con sintonia “suave”
LC
w
uLT
h
LC
w
uLTqi
h
qi
Depósito de almacenamiento (Surge tank)
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control promedio
q
LC
w
uLT
qi
h
Suavizar perturbaciones.
Control P con baja Kp: Nivel oscila con error estacionario, pero q varia suavemente
u = Kpe + bias
Si w = 50%, Kp= 1 y bias = 50% u = 100 si h = 100%, u = 0 si h = 0
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Unidades en serie
LC
w
uLT
h
qi
LC
w
uLT
h
Lazos de nivel en el mismo sentido
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Varias corrientes
Selección del tipo de transmisor
q
LC
w
u
LT
qi
h
Cuando sea posible debe escogerse para el control la mayor de las corrientes
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
CONTROL DE PRESIÓNCONTROL DE PRESIÓN
Control de presión
PCPT
Fi
F
u
f
w
Variedad de dinámicas y objetivos
Sistema rápido
PI con sintonía “activa”
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de presión
fKFKptdpd
ffp
ppF
pfC
ppp
tdpd
pRTfC
ppVM
ppp
pfCfppCF
tdpd
RTVM
ppfCFtdpd
RTVM
RTVm
ppfCFFFtdmd
i
fi
v
f
v
f
f
vfvi
fvi
fvii
21
0
22
0
22
0
22
0
220
22
0
22
22
isotermo que tanM
p
Fi
Fa
p
pf
uKatd
advv
Válvula:
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Diagrama de bloques
u
%
W
1s
K
1s
K 2
v
v
P
1s
K1
Fi
sT
1sTK
i
ip
Kp Ing /%
+-+-
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de presión
PT PC
Vapor
Condensado
Agua de refrigeración
w
Columna
Condensador
Sistema lento, PI / PID
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de presión
PT PC
Vapor
Condensado
Agua de refrigeraciónw
Columna
Condensador
Sistema lento, PI / PID
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
CONTROL DE TEMPERATURACONTROL DE TEMPERATURA
Control de temperatura
TT
uTC
w
q T
Muchas arquitecturas / procesos
Proceso lento PID
La dinámica del transmisor debe considerarse Posibles retardos por la colocación del transmisor
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de temperatura
TT
u TC
w
q T
De esta forma se varia el flujo del producto
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de temperatura
TT
u TCw
q T
By-pass al productoNo se altera el flujo de productoDinámica rápida, baja controlabilidad
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de temperatura
Las válvulas trabajan en oposición
Una aire-abre, otra aire-cierra u100 %
100 %
BA
TT
uTC
w
q T
B
A
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de temperatura
Válvula de tres vias
Mezcladora a la salida, o
Separadora a la entrada
TT
uTC
w
q T
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de temperatura
TT
uTC
w
q T
By-pass al fluido calefactorDinámica mas lenta
Configuraciones con dos válvulas, o una de tres vías
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
Control de temperatura
Vapor
Condensado
TT
TC
Ing. Ever Ingaruca Alvarez, FIQ, UNCP
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