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Resumen—Los tratamientos térmicos son soluciones mecánicaspara todo tipo de aplicaciones, este articulo analizara y resalta lospuntos mas importantes de la sensibilidad térmica de una plantade almacenamiento temperada cuyo objetivo es llevar un espacioa una temperatura adecuada y mantenerla estable durante suproceso de operación.

Índice de términos—Sistema de control, Sensor detemperatura, elemento calefactor, planta, controlador PID.

I. INTRODUCCIÓN

Los tratamientos térmicos son parte importante de lasindustrias actuales y son soluciones convenientes paraarreglar o condicionar las variables mecánicas e intrínsecas delas piezas que se tratan. Las plantas de almacenaje térmico sonsistemas que mantienen un proceso en óptimas condicionesantes de incorporar un producto o recurso al proceso que seesta tratando.[5]

El análisis sera enfocado a una planta de tratamiento oalmacenamiento térmico que cuyo trabajo es estabilizar unatemperatura pedida por los operarios de un proceso industrial.Este análisis se someterá a análisis de la temperatura.

Este articulo pretende indagar en los problemas mecánicosde la planta desde el punto de vista térmico desde lageneración de calor hasta las cargas de la planta, partiendo queun sistema de control que esta bien calibrado no estabiliza latemperatura al nivel deseado se observa la planta en busca delos errores internos del controlador para poder tratar y arreglardichos errores y mantener una planta estable, fiel y precisa.

II. DESCRIPCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LA PLANTA

TÉRMICA

La planta térmica esta construida de madera que es un

Este trabajo es apoyado financieramente por los estudiantes de laUniversidad Don Bosco de las carreras de Ingeniería en Mecatrónica. Lasaportaciones son destinadas para la compra de materiales. Este articulo sepresenta el mes de Noviembre del 2015 y es realizado bajo la supervisión delingeniero Gustavo Salomón Torres, Para la materia de Transferencia de Calory Masa. E. M. Maravilla Estudiante de Ingeniería Mecatrónica UniversidadDon Bosco, (e-mail: eduardomaravillag@gmail.com).

D. M. Sandoval estudiante de ingeneieria Mecatrónica Universidad DonBosco, (e-mail: diego_msandoval@hotmail.com

material aislante, y tiene una puerta de fibra que ayuda amantener aislado el calor de los sellos.

Tiene una puerta corrediza y además en la parte trasera tieneuna salida para la ventilación de emergencia que también estaprotegida con una pequeña pieza que desliza para evitar elintercambio de calor innecesario si no se activa la ventilación.

La madera es fibra de madera contrachapada que poseemenos conducción que la madera convencional y tieneaproximadamente 1 centímetro de ancho.

La caja que contiene los controladores esta externa a laplanta térmica y posee varios agujeros de control, uno para elsensor electrónico, otro para un termómetro de mercurio y otropara conectar el elemento calefactor.

La planta cuenta con un foco incandescente común de 150wcomo calefactor principal y esta siendo controlado desde unsistema de modulación de ancho de pulso con interruptor opto-acoplado. Este sistema esta diseñado para permitir tener laplanta con suficiente visibilidad y estabilidad sin tener queajustar un cronometro o sin mantener otro elementoluminiscente que nos ayude si necesitamos ver dentro sin pararel proceso de la planta.

El control de la planta es un controlador clásico tipo P, y lasvariables de ajustes del controlador son internos, es decir queno son ajustables desde el tablero de control.

El tablero de control cuenta con dos controles además delencendido de la planta, una perilla que ajusta la variable detemperatura y otro que sirve de ajuste del sensor y uninterruptor para la ventilación de emergencia.

fig. 1. Diagrama de la planta.

Análisis Térmico de una Planta de AlmacenamientoTemperada Automatizada

Maravilla, Eduardo M.; Sandoval, Diego M.

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fig. 2. planta construida.

III. MEDICIONES

Usando los instrumentos pertinentes sacamos un perfil de la temperatura que hay en la planta. Con la ayuda de estas temperaturas superficiales y las temperaturas aparentes podemos obtener una visión completa del sistema, a continuación se presentaran varias tomas de datos que se llevaron a cabo en un laboratorio, el ambiente tiene una temperatura controlada de 23°C y pretendemos que la temperatura dentro de la planta llegue a la estabilización en 40°C. Llamaremos “la estabilización” al estado de la planta donde el controlador censo que la temperatura interna cumple con las condiciones que el operario le indico.

fig. 3. medición de la temperatura exterior antes de encender.

fig. 4. medición de la temperatura exterior con termómetro de mercurio antesde encender la planta.

fig. 5. temperatura exterior de la puerta después de la estabilización

fig. 6. temperatura exterior de las paredes después de estabilizar

fig. 7. temperatura del fondo de la planta después de la estabilización.

fig. 8. temperatura del techo después de la estabilización

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fig. 9. temperatura de la pared en la parte inferior.

fig. 10. temperatura de la pared en la parte superior

fig.11. temperatura exterior del techo después de la estabilización

fig. 12. temperatura de estabilización con el termómetro de mercurio.

IV. PERFIL DE TEMPERATURAS

A. Simulación de flujo de Calor

La simulación esta hecha con Energy2D[3], licencia libreestandard, este programa es una herramienta visual que nosayudara a analizar mecánicamente el comportamiento del flujode aire y calor[2].

fig. 13. captura del programa Energy2D.[3]

B. Cámara Térmica.

fig. 14. Imagen de la cámara térmica del controlador.

fig. 15. Toma de la planta en el exterior al estabilizar la temperatura

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fig. 16. distribución de las temperaturas en el interior.

fig. 17. segunda toma de las temperaturas internas.

fig. 18. gradiente de colores de la camara.

Las capturas térmicas fueron tomadas con un programa llamado Thermal Camera HD Effect, licencia libre estandard. Este programa es una aplicación bastante efectiva pero dado las limitantes que presenta solamente tomaremos estas imágenes como una primera aproximación.

Limitantes de la Cámara:

1. Las mayoría de cámaras actuales funcionan con sensores ópticos CCD (dispositivos de carga-acoplada por sus siglas en ingles), estos sensores tienen una serie de filtros ópticos que recogen desde la radiación visible hasta la radiación infrarrojas en algunas longitudes de ondas, entonces un sensor CCD puede ser usado también como una cámara infrarroja[1], esto significa que pueden ver algunas longitudes de ondas extras e interpretarlas en pantallapara el ojo humano, pero solo algunas longitudes de ondas extras.

2. La mayoría de cámaras con sensores CCD mostraríanuna imagen “quemada” (o bien demasiado saturada o

intenso brillo), por lo que es necesario un filtro de longitudes infrarroja, pero estos filtros no son precisos y algunas longitudes de este espectro pasan pero no interfieren en la calidad de la imagen, aun asísomos conscientes de que están ahí. Las imágenes que usamos con este programa de captura térmica, presentan este espectro de ondas que no se filtro del todo en la imagen por lo que solo tenemos una pequeña parte del comportamiento real del perfil de temperaturas.

3. El programa para capturar las imágenes infrarrojas, solamente interpreta la imagen de la cámara usando filtros que eliminan las longitudes visibles y estilizando las longitudes infrarrojas agregándoles colores distintos por concentraciones de estas en la imagen.

V. ANÁLISIS DE RESULTADOS

A. Problema con el sensor

El sistema tienen un sensor electrónico lm35 que conviertela temperatura a una señal de tensión. No existe informaciónsuficiente sobre el funcionamiento interno[4] del integrado porlo que no es posible indagar que es lo que esta midiendo en siel integrado. Pero ayudándonos de la ley cero de latermodinámica suponemos que la temperatura mas importantees la del sensor mismo, entonces suponemos que:

1. La radiación de foco afecta al sensor pero no alambiente dado que lo que queremos medir es latemperatura del aire en el interior.

2. El sensor tiene la temperatura del aire superpuesta alrecibido por el foco.

3. El sensor nos devuelve la magnitud de la temperaturadel sensor mismo y no solo la del ambiente.

Por tanto tenemos que considerar proteger el sensor de laradiación directa del foco para que tengamos una medida massegura de la temperatura de la planta.

Solución:

Es necesario construir una pequeña protección para elsensor, que además de evitar la radiación directa, permita elpaso del aire caliente a la recamara y pueda censar latemperatura del aire. La cabina debe de estar construida por unmaterial que tenga poca transitancia.

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fig. 19. Solución al problema del sensor.

B. Problema del nivel de temperaturas

El sistema analizado tiene un defecto aparente, el elementocalefactor no esta ubicado en un lugar donde el calor seaaprovechable, el aire caliente sube y el frío se desplaza haciaabajo, por lo que el aire caliente pasado un tiempo seacumulara en el techo de la planta pero para esto es necesario:

1. Posicionamiento del foco a una altura aprovechable yque no interfiere con el diseño original de la planta,dado que al cambiar el foco también se cambia ladisposición del producto en su interior.

Solución:

fig. 20. El cambio de posición cambia el comportamiento del sistema.

REFERENCES

[1] MARTÍNEZ, Vicent J.; GALADÍ-ENRÍQUEZ, David. Astronomíafundamental. Universitat de València, 2005.

[2] Jiyuan Tu, Guan Heng Yeoh, and Chaoqun Liu, Computational FluidDynamics, Second Edition: A Practical Approach, Butterworth-Heinemann,2012

[3] Energy2D, Heat Transfer and fluid Simulations, web:http://energy.concord.org/energy2d/about.html

[4] INSTRUMENTS, Texas. LM35 Precision Centigrade TemperatureSensors. Texas Instruments, Octubre, 2013.

[5] FLORES, O.; EDUARDO, Oscar. Efecto del tratamiento térmico ycondiciones de almacenamiento sobre la estabilidad de leche UHT.Universidad Austral de Chile, Valdivia, Chile, 1990.

Diego Moisés Sandoval Aguilar

Nació el 30 de Abril de 1994,ciudadano Salvadoreño de la ciudad deSanta Tecla. Graduado de BachillerGeneral en el Colegio Bélen y actualestudiante de Ingeniería Mecátronica dela universidad Don Bosco, El Salvador.

Actualmente se encuentra estudiandoen la Universidad Don Bosco a tiempocompleto.

Eduardo Maravilla Guzmán.

Nació el 14 de junio 1994, susprimeros estudios fueron realizadosen el kínder; “Padre MiguelGonzales”, a los 6 años estudió en la“Escuela Salesiana Domingo Savio”,y luego en el “Complejo EducativoCatólico San Francisco” paraterminar sus estudios de básica, segraduó de bachiller general del“Colegio Cristóbal Colón”actualmente se encuentra cursando el

segundo año de ingeniería en mecatrónica en la Universidad.