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TRABAJO PRÁCTICO Nº 3
Instrumentación de los sistemas de control OBJETIVOS. • • • •
Conocer las características generales de los instrumentos e interpretar información de catálogos. Aprender una metodología general para seleccionar y eventualmente dimensionar instrumentos y válvulas. Entender el significado significado y consecuencias consecuencias de la característica característica de flujo de una válvula. Incorporar una metodología para la determinación de las acciones de válvulas y controladores.
PROBLEMA 3.1 Se dispone de un transmisor de presión manométrica 614G de ABB (se adjunta catalogo 614G_1SG.pdf ), ), codificado 614G-S2-31-3-1-151-11, que se empleará para medir presión en un proceso industrial. Se calibró el instrumento para medir presiones entre 5000 y 20000 kPa. a) ¿Cuál es el límite mínimo del alcance? b) ¿Cuánto vale rango, el cero y el span de medición? c) ¿Cuánto vale el máximo error de medición en este caso? d) ¿Cuál es el valor máximo de presión admisible sin daños irreversibles para el instrumento? e) ¿Cuál es la señal de salida del instrumento? f) ¿Cuánto vale la señal de salida cuando la presión es de 13000 kPa? Acote el error. g) Calcule la ganancia del transmisor. h) Escriba la función de transferencia del instrumento.
PROBLEMA 3.2 Se tienen dos transmisores de presión diferencial de las siguientes características:
MARCA Alcance máximo Salida Exactitud Tiempo de respuesta (escalón)
EMC-28
FIX-32
0 - 200 kPa 4 - 20 mA ± 0.4 % del Span 1 s para alcanzar el 80 % del cambio máximo.
0 - 400 kPa 0-5 V ± 0.4% R 2 s para alcanzar el 95 % cambio máximo.
a) ¿Cuál es más sensible? b) ¿Cuál es más exacto? c) ¿Cuál es más rápido?
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PROBLEMA 3.3 Se necesita medir e indicar la temperatura del agua de un tanque cuya magnitud se estima que variará entre 20 y 160 °C. Se usará una termoresistencia Pt-100 construido según normas DIN que asegura una exactitud de ± 0.1 % del span. Se va a emplear un indicador/transmisor Omega DP1610.pdf para indicación local y transmitir la señal a un panel de control. A partir de la información técnica indique: a) b) c) d) e) f)
Tipos de señales de entrada y de salida del elemento primario. Tipos de señales de entrada y de salida del indicador/transmisor. Rango de calibración del transmisor. El valor de las salidas del sensor y del transmisor cuando la temperatura es de 120 °C. Cota del error en la medición del valor anterior Función de transferencia del sistema medidor-transmisor.
En el anexo E se adjunta la tabla de Resistencia versus temperatura, Tp3_e.pdf , extraída del Apéndice E del libro: Kerlin T.,Shepard R (1982). Industrial Temperature Measurement, Instrum. Soc. of America, Research Triagle Park, U.S.A, pag. 271.
PROBLEMA 3.4 3
El máximo caudal que circula por una placa de orificio es de 400 m /h y la diferencia de presión que acusa para ese caudal el transmisor es de 180 mm columna de agua. El transmisor es electrónico con salida 4-20 mA a) Calcule la ganancia del sistema de medición (placa de orificio más transmisor de presión diferencial) para cualquier caudal. b) Indique la ganancia del transmisor (en % y mA). c) ¿Cuál será la salida en mA cuando circule 100 m3/h. ¿Qué porcentaje del span representa? d) ¿Cuál será el caudal que circula cuando la salida del transmisor es 12 mA? ¿Qué % del span representa?
PROBLEMA 3.5 Es necesario medir el nivel de lechada de cal (densidad 1.1 g/cc y temperatura 20 °C) en un tanque abierto a la atmósfera para lo cual se utiliza un sistema de burbujeo como el indicado en la Figura.La cantidad de aire a inyectar es mínima. Características del aire a utilizar son: seco, no lubricado, filtrado y se debe asegurar que el caudal constante. Esto puede lograrse utilizando un dispositivo que consiste en un rotámetro (caudalímetro de área variable) que cuenta además con un regulador de presión.
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Para transmitir la señal de nivel a distancia, se puede complementar este sistema con un transmisor de Presion, pudiendo ser de tipo diferencial para compensar la presión atmosférica o del tipo manométrico. La cañería de burbujeo está ubicada a 40 cm de la base del t anque y el nivel máximo que debe medir es de 300 cm. a) ¿Cuál es el rango y span del elemento primario? ¿Cuánto vale el cero? b) Se empleará un transmisor de presión diferencial de rango ajustable, electrónico, señal de salida 4 a 20 mA. ¿Dónde se deben colocar las tomas de alta y baja presión? c) ¿Qué señal indicará el transmisor cuando el nivel sea 100 cm? d) Si la densidad cambia entre 1.05 y 1.15 g/cc, ¿cuál es el error que se comete en la medición?
PROBLEMA 3.6 Dimensione una válvula de control globo de doble asiento, trim V-Port, característica de flujo igual porcentaje, marca Masoneilan, Serie 10000 (se adjunta catálogo CH2500.pdf ), que se instalará en una línea de 14 pulgadas de diámetro. La presión aguas arriba es de 28 (psi) y aguas abajo de 20 (psi). El caudal normal máximo es de 1600 (gpm). El fluido es agua a temperatura ambiente.
PROBLEMA 3.7 En la figura se ve un sistema de control de nivel correspondiente al circuito de agua de enfriamiento de una torre humidificadora y se desea dimensionar la válvula de control que será globo balanceada (asiento doble) guiada en los dos extremos, marca Taylor, tipo 'TA'.
LT
LIC
El agua tiene una temperatura que puede oscilar entre 15 y 20 °C y circula por una cañería de 12 pulgadas que descarga a la atmósfera. La diferencia de altura entre el nivel de líquido en el tanque y la descarga puede ser despreciada. La característica de operación de la bomba centrífuga dada por el fabricante es: F (gpm) ΔP (psi)
0 27.50
400 27.14
800 26.04
1200 24.22
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1600 21.67
2000 18.39
2300 15.45
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Los caudales que normalmente circulan, según el Encargado de la División Procesos de Enfriamiento, están entre 600 y 1900 (gpm). La pérdida de carga de la línea (cañería, accesorios y filtro) se estima con buena precisión con la fórmula ΔPL
-6
= 2.5 10 F
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calculada usando el factor de Fanning para escurrimiento en cañerías y un equivalente para el filtro. La pérdida de carga se expresa en (psi) y el caudal en (gpm). La tabla de los coeficientes de flujo de la válvula proporcionados por el fabricante es la mostrada a continuación: Diámetro (pulg.)
carrera (pulg)
6
Apertura de la válvula en % 10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2
8.67
15.1
25.0
38.2
57.0
84.5
124
178
328
449
8
2
9.36
15.6
25.7
42.1
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1110
12
3
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55.0
90.0
145
225
342
525
800
1230 1680
a) Indicar el diámetro de la válvula. b) Graficar ΔPL y ΔP de la bomba en función del caudal. Indique el ΔPv para los caudales normales. c) ¿En qué ámbito estará la apertura de la válvula normalmente? d) ¿Cuál es el caudal máximo que circulará por la válvula y ΔPv para ese caudal?. e) Calcular el valor del parámetro α de la instalación. f) Graficar caudal en función de la apertura. ¿ Varía apreciablemente la ganancia de la válvula en el rango de trabajo normal? g) Graficar la relación entre caudal y caudal máximo como función de la apertura para las dos situaciones siguientes: 1. Para la válvula instalada y, 2. Cuando la pérdida de carga en la bomba es constante y la pérdida de carga en la línea es despreciable. h) ¿Hay deformación de la característica inherente de flujo?
PROBLEMA 3.8 Se está analizando si la característica de flujo de la válvula de la figura se modifica cuando se la instala en una línea con una fuerza impulsora total de 16 Psi. La válvula tiene una característica de flujo inherente lineal y su coeficiente de flujo vale 100 para apertura máxima. El fluido que circula por la misma es agua.
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F LT
LIC LV
a) Represente en un gráfico F/Fmáx en función de la apertura para: a1) Pérdida de carga en la línea nula − a2) Pérdida de carga en la línea igual a Δp L ( psi ) = 3 10 4 F 2 (gpm) . b) Calcule el valor de α en los casos a 1 y a2. c) En los casos a1 y a2 indique si la característica de flujo inherente de la válvula es la adecuada.
PROBLEMA 3.9 Un lazo de control nivel como el de la figura tiene un transmisor de presión diferencial.
F
LT
Las caídas de presión mínima y máxima en la válvula son respectivamente 5 psig y 50 psig. Analice cuál es la característica de flujo la más adecuada para este lazo.
LIC LV
PROBLEMA 3.10
F
LT
LIC
LV
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Se ha instalado un sistema de control de nivel de agua a temperatura ambiente como el de la figura. La fuerza impulsora disponible total es de 30 psi. Los caudales normales de agua varían entre 80 y 400 gpm. La pérdida de carga en la línea es 16 psi cuando el caudal es de 400 gpm. El flujo es subcrítico y la temperatura es la ambiente. Se dispone de tres válvulas cuyas características se describen en la tabla.
3
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1
0.5
0
Cv máx 220 230 240
Característica inherente lineal igual porcentaje lineal
0
5
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15
20
25
30
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40
Rangeabilidad 50:1 20:1 100:1
a) Graficar pérdida de carga en la línea y presión total disponible en función del caudal b) Graficar el caudal que circula por la válvula en función de la apertura para los tres casos c) ¿Cuál válvula elige? Justifique.
PROBLEMA 3.11 Una válvula de control V-PORT SLEEVELINE está instalada en una línea donde la distribución de presiones que absorbe la línea y la bomba, en función del caudal se muestran en la figura.
35 30 ] i 25 s P [ s e n 20 o i s e r p 15 e d a d í a 10 C
Pbomba(psi) Plínea(psi) H0(psi)
5 0 0
2
4
6
8
10
caudal[galones/minutos]
Los caudales normales máximos y mínimos son 7 y 2 galones por minuto respectivamente. El fabricante suministró la siguiente información cuando vendió l a válvula Cv máx
0.53
3.5
13.2
52.8
211.2
844
D (plg)
0.1
0.25
0.5
1
2
4
La característica inherente de flujo de la válvula es la mostrada en la gráfica siguiente: a) b) c) d)
Dimensione la válvula. Encuentre el valor de α. ¿En qué rangos de apertura trabaja la válvula? El fabricante le asegura al ingeniero de Control que en el rango de trabajo la válvula tiene una característica de flujo igual porcentaje. ¿Está de acuerdo? e) Calcule la ganancia de la válvula neumática instalada en el rango de trabajo.
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PROBLEMA 3.12 Un fluido de proceso se calienta en un tanque aprovechando vapor de escape de turbinas. En la unidad se implementó un lazo de control de temperatura como se ve en la figura. Si la temperatura a la salida del tanque calefactor nunca debe superar los 65 °C, indique la acción de la válvula de control ante falla y la acción del controlador. COLECTOR DE VAPOR DE ESCAPE
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PROBLEMA 3.13 El sistema de Control de temperatura mostrado en la figura posee una válvula con característica de flujo inherente igual porcentaje y maneja el caudal de una corriente caliente de temperatura T A. Puede considerarse que toda la caída de presión la absorbe la válvula.
FA TA
FB TB
LV
I/P
FC TC
TT
TC
El flujo a través de la válvula de descarga es laminar. Tanto la densidad como el calor específico pueden considerarse constantes e iguales en todas las corrientes. El tanque está abierto a la atmósfera. a) Analice si la característica de flujo de la válvula es la adecuada. b) Especifique la acción de la válvula ante fallas si la temperatura a la salida jamás debe superar un determinado valor. c) Indique acción del controlador. d) Analice como actúa el lazo de control cuando aumenta abruptamente el caudal de agua fría F B.
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