Universidad de San Carlos Facultad de Ingeniería Ingeniería Mecánica
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Instrumentación y control en una planta de generación solar térmica
Byron René Godínez Navarro
1, Edson Omar Barrera Castro
1, Jorge Alfredo Aguilar Tumax
1, Henry Joel Panteul Panteul
1, Josué David Noriega Chávez
1, Esvin R Ramírez
Hernández
1, Diego Miguel Figueroa
1, Jeferson Froilán Samayoa López
1, Jorge Iván Cifuentes Castillo
2[email protected]. [email protected]
1 Estudiante del curso de instrumentación mecánica de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de San Carlos de Guatemala, 01012
2 Catedrático del curso de instrumentación mecánica de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de San Carlos de Guatemala, 01012
Abstract
Actually, the instrumentation is a fundamental part of industry, it is used to make more efficient what we knew before as deficient. In this case we use the instrumentation for a description of thermal solar power generated by Stirling engines and steam plants; the Stirling machine was developed in the early twentieth century, had been forgotten, but in recent years has risen, thinking about the possible solution to global energy problems. This hot air engine has outstanding performance and was designed by Robert Stirling, for everything that it can be used even has space use, trying to supply energy to satellites and human settlements outside our planet by what has been studied by NASA and universities as ESA. This is a way of generating energy in a simple and economical way, because you do not need too much maintenance and is a powerful machine to transform energy. But this time there will not be a focus around the operation of this machine, in all its applications and its advantages and disadvantages this time will be in all the instrumentation used for the generation of solar power plants with steam.
Keywords: temperature, heat, steam, solar, instrumentation, control, thermometer, pressure gauge, flow meter.
Resumen
En la actualidad la instrumentación es parte fundamental de la industria, pues se utiliza para hacer más eficiente lo que antes conocíamos deficiente. En este caso utilizaremos la instrumentación para hacer una descripción de la energía solar térmica, generada a través de motores Stirling y plantas de vapor; la máquina Stirling fue desarrollada a principios del siglo xx y había sido olvidada, pero en los últimos años ha resucitado, pensando en la posible solución a los problemas energéticos mundiales. Este motor de aire caliente tiene un excepcional rendimiento y fue ideado por Robert Stirling, para todo lo que este pueda ser utilizado incluso tiene uso espacial, tratando de abastecer de energía a los satélites y asentamientos humanos fuera de nuestro planeta por lo que ha sido estudiado por la NASA y universidades como ESA. Esta es una manera de generar energía de una manera sencilla y económica, dado que no necesita exceso de mantenimiento y es poderosa esta máquina para transformar la energía. Pero esta vez no será un enfoque mayormente en todo el funcionamiento de esta máquina, en todas sus aplicaciones y en sus ventajas y desventajas esta vez será en toda la instrumentación que utiliza, para la generación de energía solar térmica junto con plantas de vapor.
Palabras clave: temperatura, calor, vapor, solar, instrumentación, control, termómetro,
manómetro, fluxómetro.
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1. Introducción
Las plantas de generación de energía utilizando como base la energía solar térmica son recintos donde existen muchas variables a medir, para poder controlar dichas variables y así no solo aumentar la eficiencia en dichas plantas sino que mantener la seguridad y estabilidad de las máquinas para evitar daños al personal y también a dichas máquinas y evitar pérdidas.
En este documento se hará énfasis en las 3 variables básicas a medir en una planta donde se utilice vapor para generar energía eléctrica, las variables a utilizar son: temperatura de vapor, presión de vapor y flujo de vapor.
Para cada variable a medir existe un instrumento de medición calibrado bajo normas internacionales que nos ayudan a poder controlar dicha variable, para medir la temperatura se utiliza un termómetro que soporte temperaturas elevadas así como presiones elevadas, para medir la presión del vapor se utilizas generalmente un manómetro de tipo tubo de bourdon, y para medir el flujo de vapor se utiliza un medidor de caudal másico.
Ejemplos gráficos de una planta generadora de energía a base de energía solar térmica:
Planta simplificada:
2. Metodología y Materiales
La instrumentación y control en la generación de potencia utilizando como base la energía termina solar se basa en medir la variables como presión, temperatura, flujo para poder controlar la generación de la energía, la presión se debe de controlar en niveles apropiados, un nivel mínimo para poder accionar una turbina por ejemplo y un nivel máximo para no superar el esfuerzo máximo para la tubería que contiene el vapor, también se desea controlar la temperatura ya que una baja temperatura tendría incidencia en la presión del vapor;
también se debe de conocer la cantidad de flujo que pasa por una tubería o por la turbina.
La presión se mide generalmente usando un
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manómetro de tipo tubo de Bourdon, los materiales empleados normalmente son acero inoxidable, aleación de cobre o níquel o aleaciones especiales como hastelloy y monel.
El tubo de Bourdon es un tubo de sección elíptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presión en el interior del tubo, éste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un piñón.
La medición de temperatura es una de las más comunes y de las más importantes que se efectúan en los procesos industriales, casi todos los fenómenos físicos están afectados por ella. La temperatura se utiliza, frecuentemente, para inferir el valor de otras variables del proceso, para medir temperaturas en una planta generadora de vapor se utiliza generalmente los termómetros tipo bulbo y capilar, consisten, esencialmente, en un bulbo conectado por un capilar a una espiral.
Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse, moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.
Para controlar la producción en una planta generadora de potencia a base de energía solar termina también es necesario conocer el flujo de dicho vapor y ya que existen dos tipos de medidores, los volumétricos que determinan el caudal en volumen del fluido, y los de masa que determinan el caudal masa. Se reservan los medidores volumétricos para la medida general de
caudal y se destinan los
medidores de caudal másico a aquellas aplicaciones en las que la exactitud de la medida es importante, lo cual depende del uso que se le dé al vapor.
Los métodos utilizados para la medición de temperatura, presión y caudal están estandarizados, por lo que su repetitividad está sujeta a las condiciones utilizadas en las normas dadas a continuación.
Según el libro de instrumentación industrial
de Antonio Creus Solé los estándaresutilizados son:
ISA - Standards Numerical Index,
2006.
Norma ISA-S 5.2-1976 Binary Logic
Diagrams for Process Operations.
Norma ISA-20-1981 Specification
Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves.
Norma
ISA-S5.3-1983 Graphic Symbols for Distributed.
Control/Shared Display
Instrumentation, Logic and Computer Systems.
Norma ISA-S 5.1-1984 (R 1992)
Instrumentation Symbols and Identification.
Norma
ISA-S5.5-1985 Graphic Symbols for Process Displays.
Norma ISA-S5.4-1991 Instrument
Loop Diagrams.
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ANSI/ISA-50.00.01-1975 (R2002)
Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments.
ISA100.11a
wireless industrial automation network at ISA Expo 2008.
DIN 19227 Parte 1 de códigos de
identificación de instrumentos y controles.
DIN 19227 Parte 2 de símbolos
gráficos.
ISO
3511 Industrial process measurement control functions and instrumentation - Symbolic representation, partes 1 (año 77), 2 (año 84), 3 (año 84) y 4 (año 85).
ISO 14617 Graphical symbols for
diagrams, 2002.
Normes AENOR E 04 202 de junio
76 (Dessins techniques - Symboles graphiques de genie chimique).
4. Mediciones de las variables
Diagrama de planta generadora de energía eléctrica a base de energía solar térmica
Temperatura:
Los termómetros tipo bulbo y capilar consisten, esencialmente, en un bulbo conectado por un capilar a una espiral.
Cuando la temperatura del bulbo cambia, el gas o el líquido en el bulbo se expanden y la espiral tiende a desenrollarse, moviendo la aguja sobre la escala para indicar la elevación de la temperatura en el bulbo.
Hay cuatro clases de este tipo de termómetros:
• Clase I. Termómetros actuados por líquido
• Clase II. Termómetros actuados por vapor
• Clase III. Termómetros actuados por gas
• Clase IV. Termómetros actuados por mercurio
Los termómetros más utilizados son los de tipo I y tipo II
Los termómetros actuados por líquido
(clase I) tienen el sistema de medición lleno
de líquido y, como su dilatación es
proporcional a la temperatura, la escala de
medición resulta uniforme. Con capilares
cortos de hasta 5 m, y para evitar errores
debidos a variaciones de la temperatura
ambiente, sólo hay que compensar el
elemento de medición. En capilares más
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largos, hay que compensar también el volumen del tubo capilar. La presión dentro del bulbo y el tubo capilar debe ser mayor que la presión de vapor del líquido para evitar la formación de burbujas de vapor. Se utiliza como liquido un hidrocarburo inerte, el xileno (C8H10) y otros líquidos. El campo de medición de temperaturas varía entre -75 °C y 300 °C, dependiendo del tipo de líquido que se emplee.
Termómetro actuado por líquido
Los termómetros actuados por vapor se basan en el principio de presión de vapor.
Contienen un líquido volátil cuya interfase se encuentra en el bulbo. Al subir la temperatura aumenta la presión de vapor del líquido. La escala de medición no es uniforme, sino que las distancias entre divisiones van aumentando hacia la parte más alta de la escala, donde hay mayor sensibilidad. La presión en el sistema solamente depende de la temperatura en el bulbo, por lo que no hay necesidad de compensar la temperatura ambiente.
Termómetros a base de vapor
Medición electrónica y digital:
Presión:
El tubo de Bourdon es un tubo de sección
elíptica que forma un anillo casi completo,
cerrado por un extremo. Al aumentar la
presión en el interior del tubo, éste tiende a
enderezarse y el movimiento es transmitido
a la aguja indicadora, por un sector dentado
y un piñón.
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Figura 2 Tubo Bourdon
El elemento en espiral se forma arrollando el tubo Bourdon en forma de espiral alrededor de un eje común, y el helicoidal arrollando más de una espira en forma de hélice. Estos elementos proporcionan un desplazamiento grande del extremo libre y, por ello, son ideales para los registradores.
Flujo Másico:
El tubo Venturi permite la medición de caudales del 60% superiores a los de la placa orificio, en las mismas condiciones de servicio y con una pérdida de carga de sólo del 10% al 20% de la presión diferencial. Posee una gran exactitud y permite el paso de fluidos con un porcentaje relativamente grande de sólidos, si bien, los sólidos abrasivos incluyen en su forma afectando la exactitud de la medida. El coste del tubo Venturi es elevado, del orden de 20 veces al de un diafragma y su precisión es del orden de ± 0,75% .
El tubo Dall es una combinación del tubo Venturi y de la placa-orificio que fue introducido en los años 1960. Se caracteriza por un ángulo brusco en la parte central que magnifica la presión
diferencial con relación al
tubo Venturi. Sin embargo, no predice con suficiente exactitud el coeficiente de descarga del elemento, de modo que es necesario disponer de más datos para calcular el rendimiento. En 1970 se descubrió que el coeficiente de descarga del tubo Dall era una función del número de Reynolds y que tenía un error en la medida del caudal de un 12%. Por este motivo, cayó en desuso.
En fluidos difíciles (lodos) de viscosidad apreciable o corrosivos, se utilizan elementos tales como el de cuña y el de cono en V que proporcionan una mejor recuperación de la presión del fluido, es decir, la pérdida de carga que absorben es pequeña. Las tomas suelen estar aisladas del proceso y, de este modo, no presentan el riesgo de obturación de las tomas de presión y de los tubos que comunican con el transmisor de presión diferencial.
Para el cálculo de los diafragmas, toberas y tubos Venturi se utilizan normas variadas, entre las cuales se encuentran las siguientes:
• ISO 5167-1980 Medida del flujo de fluidos por medio de placas-orificio, toberas o tubos Venturi, insertados en conductos de sección circular. Intemational Organization for Standarization, Ginebra, Suiza.
• ISO-5167 (1991) - Measurement of fluid flow by means of pressure diferential devices inserted in circular cross-section conduits running full.
Part 1: Orifice Plates, Nozzles and Venturi Tubes.
Revisión 1:1998. Intemational Organization
for Standarization, Ginebra, Suiza.
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Medidores de flujo digital:
Medicion de caudal ultrasónico:
Medición de caudal flexible y económica La medición por tiempo de tránsito diferencial con ultrasonidos puede emplearse para medir el caudal volumétrico de cualquier líquido, independientemente de su conductividad eléctrica. Dos tipos de sensores diferentes permiten a los usuarios obtener el caudal de un modo eficiente, económico y flexible, en cualquier punto del proceso y en cualquier momento.
5. Evaluación de Impacto Ambiental
En lo que respecta al impacto ambiental
generado por los instrumentos descritos
anteriormente únicamente cabe mencionar
que la única manera de afectar al medio
ambiente es el inadecuado manejo de los
instrumentos al momento de desecharlos ya
que la mayoría de veces los materiales se
pueden reutilizar debido a que son metales,
cuando son materiales contaminantes deben
de ser desechados adecuadamente.
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Referencias
Instrumentación industrial
Antonio Creus
8av Edición.
Medición de caudal Para líquidos,
gases y vapor
Vigaflow
Hendress-Hausser
Iván R Údiz F. (2010).
Diseño de un soporte de fijación de motores de combustión interna de aeromodelos que permita medir el empuje y la torsión.
Universidad Central de Venezuela.
La máquina olvidada rescatada
para el futuro, El motor Stirling.
Raúl Baños, Carlos Llave, Pablo Clauso, Eduardo Matellanes, &
Carlos Martínez-Abarca. (2010).
Instrumentación de la planta de la
Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad de Ingeniería Mecánica.
Carlos Ferney Patiño Pérez, &
Pedro Jesús Oliveros Bayona.
(2011). Seccional Bucaramanga.
Universidad Pontificia Bolivariana.
Equipamiento Didáctico Técnico.
