Instituto Profesional Duoc UC Escuela de Ingeniería
Documento de Ingeniería
Caldera Caldera a vapor generada por b iomasa iom asa
Octavio barriga Danil Danil o Navarrete Luis cofre
Santiago, Chile, 2017
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Contenido 1- Resumen ...................................................................................................................... Resumen ...................................................................................................................... 3 2- Introducci ón ................................................................................................................. 3 3- Recopil Recopil ación d e antecedentes antecedentes .................................................................................... 3 4- Descripció Descripció n del probl ema ........................................................................................... ema ........................................................................................... 4 5- Objetivos ...................................................................................................................... Objetivos ...................................................................................................................... 4 5.15.1- Objetiv o g eneral .................................................................................................... eneral .................................................................................................... 4 5.2- Objetivo especifico ............................................................................................... 4 6- Descripció Descripció n del proyecto ............................................................................................ 5 7- Alcance del proyecto ................................................................................................... 5 8- Impacto y Consecuencias ........................................................................................... 5 9- Requerimientos funcionales ....................................................................................... 6 1010- Factibilidad económi ca ............................................................................................. ca ............................................................................................. 7 10.110.1- Cubi Cubi cació n ........................................................................................................... 7 10.210.2- Beneficio s ............................................................................................................ 8 10.3- VAN/TIR................................................................................................................ VAN/TIR ................................................................................................................ 9 11- Especificaciones técnicas ...................................................................................... 10 11.111.1- Proceso d el sis tema.......................................................................................... tema .......................................................................................... 10 11.211.2- Filos ofía de contr ol ........................................................................................... 11 11.3- Elementos primarios de control ....................................................................... 12 11.4- P&ID ................................................................................................................... P&ID ................................................................................................................... 13 11.511.5- Planos con tro l fuerza ........................................................................................ 14 11.611.6- Entr Entr adas y sali das del PLC ............................................................................... 16 11.711.7- Prog Prog ramación ladder ........................................................................................ ladder ........................................................................................ 17 11.8- Funcionamiento del programa ......................................................................... 19 11.911.9- Interfaz Interfaz homb re maqui na .................................................................................. 20 ....................................................................................................... 21 1212- Anális is FODAS FODAS ....................................................................................................... 12.112.1- For talezas .......................................................................................................... talezas .......................................................................................................... 21 12.212.2- Oportun idades ................................................................................................... 21 12.3- Debilidades ........................................................................................................ 21 12.4- Amenazas .......................................................................................................... 21 1313- Propuestas d e mejoras ........................................................................................... 22 14- Conclusiones ........................................................................................................... Conclusiones ........................................................................................................... 22
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TITULO I 1- Resumen Este trabajo consiste el diseño e implementación de una caldera a vapor generada por biomasa, este proyecto viene a solucionar un problema que afecta comúnmente a los aserraderos elaboradores de madera del sur de chile. El diseño consiste en darle utilidad a la materia sobrante del proceso de elaboración, esta materia se llama aserrín, el cual será la fuente de energía con la cual nuestro cliente calefaccionado su vivienda Los estudios realizados tanto técnicos como económicos nos dan las garantías que este proyecto es completamente viable, el cual proporcionara una alternativa distinta de calefacción con los beneficios que esto significa.
2- Intro ducci ón En el siguiente documento se podrá encontrar los antecedentes necesarios que nos permitan entender y conocer el problema que afecta a nuestro mandante. La situación actualmente en los aserraderos es desfavorable en la acumulación del aserrín ya que significa gastos económicos. Nuestra propuesta nace por la motivación de poder solucionar un problema, pero a la vez proporcionar una alternativa distinta de calefacción con este producto.
3- Recopil ación de antecedentes Actualmente en la novena región del país existen alrededor de 50 aserraderos elaboradores de madera. Nuestro mandante cuya razón social es Maderas Abarzua S.A, se encuentra ubicado en la comuna de Lautaro. 3
Institut o Profesional Duoc UC Nuestro cliente es propietario de un aserrado el cual se dedica al proceso de elaboración de la madera para construcción de viviendas, escuelas etc. Este es un problema general en la región, el cual no se le ha dado una solución valiosa ala materia sobrante, actualmente el aserrín lo utilizan para limpiar y secar pisos.
4- Descri pción del probl ema Todo proceso de elaboración se ve envuelto en problemáticas que afectan en lo económico y en lo productivo, algunos procesos se adaptan de buena manera al problema y destinar una cantidad económica considerable. Nuestro cliente se ve enfrentado a la acumulación del aserrín el cual le afecta en el proceso de elaboración ya que entorpece y tiene que destinar personal exclusivamente a acumularlo en algún lugar que no moleste al proceso En lo económico se ve enfrentado a destinar una cantidad considerable en trasladarlo al vertedero, pagando fletes y personal.
5- Objetivos 5.1- Objetivo general Implementar un mecanismo que nos permita disminuir la acumulación de la basura (aserrín).
5.2- Objetivo especi fic o Transformar la materia sobrante en biomasa y de esta forma poder utilizarla como fuente de energía para la implementación de una caldera, la cual será la encargada de calefaccionar la casa de nuestro mandante. 4
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CAPITULO II 6- Descri pción del proyecto Nuestro proyecto consiste en diseñar e implementar un sistema de calefacción automatizado que nos permita poder calefaccionar la casa de nuestro cliente utilizando como fuente de energía biomasa orgánica (aserrín).
7- Alcance del proyecto El proyecto está diseñado para cubrir a una cantidad calorífica de 22¨c en un área de 250 m2, mencionar que este proyecto no considera el agua como uso bebestibl e.
8- Impacto y Consecuencias Los impactos y las consecuencias de nuestro proyecto las podemos describir de la siguiente manera.
disminuir en un 80% la acumulación de aserrín en un primer año el cual le proporcionara un lugar más limpio y espacios más amplios de trabajo
eliminará el 100% del costo asociado a traslado de aserrín a algún vertedero, con esto se elimina un gasto importante en lo económico, dinero que puede sr destinado a otras necesidades o futuros proyectos
Disminuir 100 % los costos invertidos en algún sistema de calefacción, con este ahorro el cliente podrá enfocarse en futuras ampliaciones del aserradero o pensar en expandir su empresa.
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9- Requerimientos funcionales La solución que nosotros proponemos para solucionar el problema que afecta a nuestro mandante es implementar un sistema de calefacción que será utilizado en su propio hogar.
El sistema consiste en implementar una caldera la cual utilizara el aserrín como fuente de energía, este se encargará de hervir el agua y de esta manera calefaccionar la vivienda de nuestro mandante
Este sistema será implementado en con un sistema de control y censado, el cual permitirá llevar un control del estado en el cual se encuentra.
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10- Facti bil idad económ ica 10.1- Cubicació n I.- Equipamiento
Total
Cantidad
Descripción Estructura caldera Pellet Acumulador 500 Sensor temperatura Sensor Presión Sensor Nivel Termostato radio frcuencia Valvula mezcladora anticondensado Bombas Centrifugas Filtro agua Radiadores Controlador Microligix 1100 Materiales Varios Movilizac ión y colación Cableado
1 1 3 1 1 2 1 2 1 4 1 1 1 1
1.300.000 350.000 40.000 60.000 50.000 70.000 60.000 120.000 40.000 90.000 250.000 500.000 500.000 150.000
Total neto IVA Total Equipamiento
II. Horas profesionales implementación
Horas Horas Horas Horas Horas
Nª Horas Precio Unitario
Diseño Estructural Diseño electrico y control proceso Construcci ón Pruebas de Capacitacion Total Horas profesionales
Total Proyecto
45 30 250 45 45
8.000 8.000 5.000 5.000 5.000
CLP 1.300.000 350.000 120.000 60.000 50.000 140.000 60.000 240.000 40.000 360.000 250.000 500.000 500.000 150.000 -
USD
2.000 538 185 92 77 215 92 369 62 554 385 769 769 231 -
3.970.000
6.108
754.300
1.160
4.724.300
7.268
CLP
USD
360.000 240.000 1.250.000 225.000 225.000 2.300.000
554 369 1.923 346 346 3.538
7.024.300
10.807
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Institut o Profesional Duoc UC 10.2- Beneficios Beneficio
Item
Descripción
1
Disminuir, a partir del 1° año, el 80% de la bas ura acumulada.
Mensualmente se gasta por conceptos de 2400 eliminar la basura un costo de USD $ 200 mensualmente (tasa de cambio $650)
2
Disminuir, a partir del 1° año, el 100% los costos de pellet
Mensualmente se gasta por conceptos de 2160 compra pellet USD $ 180 mensualmente (tasa de cambio $650)
3
Disminuir, a partir del 1° año, 50% el costo asociado a algun otro tipo de calefacción (uso electricidad)
Mensualmente se gasta por uso de otro 2040 medio de calefacción USD $ 170 mensualmente (tasa de cambio $650)
4
Dismuir, conceptos por multas por quema de leña verde
Mensualmente se gasta por conceptos de 2160 multas USD $180 mensualmente (tasa de cambio $650)
Total Beneficios
(USD)
Observación
8.760
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Institut o Profesional Duoc UC 10.3- VAN/TIR
AÑO 0 Inversión Costos de operación
1
2
3
4
5
-10.807
Equipamiento
-363
-363
-363
-363
-363
-3.538
-3.538
-3.538
-3.538
-3.538
Item 1
2.400
2.400
2.400
2.400
2.400
Item 2
2.160
2.160
2.160
2.160
2.160
Item 3
2.040
2.040
2.040
2.040
2.040
Item 4
2.160
2.160
2.160
2.160
2.160
4.858 4.858
4.858 4.858
4.858 4.858
4.858 4.858
4.858 4.858
(1 + i)n
1,19
1,42
1,69
2,01
2,39
BN/(1 + i)n Flujo a valor actual
4.082
3.431
2.883
2.423
2.036
4.082
3.431
2.883
2.423
2.036
H.H. Mantención
Beneficios
Beneficios Netos Flujo de Caja
-10.807
VAN OPCION 1 VAN OPCION 2 TIR =
-10.807
4.048
4.048 35%
CAPITULO III 9
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11- Especificaciones técnicas 11.1- Proceso del sistema Mediante el diseño del P&ID, se determinará la filosofía de control a utilizar, además de tipo de sensores, actuadores, controladores y la supervisión de la caldera. Nos proporcionara la lógica de programación para el PLC que controlara la caldera, el diseño de la interface hombre maquina (HMI), que supervisara el funcionamiento y nos entregara fallas, estadísticas, variables medidas, set point, etc. De esta manera el sistema será eficiente, evitando pérdidas o falla por no mantener un control del sistema. La caldera es un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en la cual se produce un cambio de fase. Además, es recipiente de presión, por lo cual es construida en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, la caldera es muy utilizada en la industria, a fin de generarlo para diferentes aplicaciones. En este diseño se va a tratar de un sistema práctico y económico de control electrónico digital con su diagrama instrumental y una explicación de los equipos e instrumentos necesarios para su realización. Se incluirá el algoritmo del programa de Nivel para su operatividad de funcionamiento.
El diseño de la caldera será por un controlador Maestro (PLC) y controladores locales, de 4 lazos de control independientes, para mantener lo más estable posible el nivel de agua en el interior del estanque, la temperatura del agua, la presión para mantener un flujo constante.
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Institut o Profesional Duoc UC 11.2- Filo sof ía de cont rol El funcionamiento del sistema va en función a las necesidades en este caso, es controlar varíales como el nivel, la cual esta provista por un sensor de nivel ultrasónico, este mediante un trasmisor de nivel comunica a la entrada analógica del PLC en qué estado se encuentra, el PLC mediante el programa que se realiza en este caso un escalamiento de nivel el cual debe mantenerse en un 80 a 85%. Si baja de un 80% la válvula V/V-01 se abrirá aumentando el nivel, además la primera condición es si no existe nivel no hay funcionamiento del proceso, por el contrario si aumenta el nivel o sobrepasa el 85% la válvula V/V-01 se cerrara para evitar un rebalse. Teniendo claro que el nivel es la variable primaria donde si no existe esta no vamos a poder pasar al siguiente paso que esta la temperatura, el cual mediante un control on/off en el PLC podemos mantener una temperatura ideal para el proceso y podamos manipular a nuestro antojo la línea de vapor la cual calentara el agua. Este escalamiento del control on/off contara con una histéresis del 3% la cual abrirá o cerrara la válvula S/V-01 de la línea de vapor, si llega a la temperatura saeteada le dará paso a la habilitación del variador y abrirá las válvulas V/V- 02 y 03. Mediante un selector en pantalla se podrá elegir la bomba que trabajar, además contara con una partida automática o manual de forma física o lógica en el HMI. Por ultimo habilitado el variador para comenzar a mover el motor de la bomba se creó un escalamiento PID el cual tiene la función de sacar la relación presión versus velocidad la cual será seteada y podrá ser manipulada por el usuario, para esto se instaló un medidor de presión el cual atravesó del transmisor de presión le mandara una señal analógica al PLC comparándola este si es la adecuada.
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Institut o Profesional Duoc UC 11.3- Elementos primarios de control Sensor Ultrasónico: Se utilizará el tipo de sensor de nivel ultrasónico para identificar en nivel en cual se encuentra el Domo, de sensor viene incorporado el transmisor con una señal de salida estandarizada 4-20 mA o 0-10 V. Sensor Presión Allen Bradley 836E: Se utilizará el tipo de sensor de presión para visualizar la presión de trabajo de la línea de vapor, este tipo de sensor viene incorporado el transmisor con una señal de salida estandarizada 4-20 mA o 0-10 V. Sensor t ermocupla tipo J: Se utilizara el tipo de sensor para medir la temperatura del agua del domo, así el controlador indicara al resistencia sumergible si debe seguir funcionando o llego al valor seteado, se utilizara un segundo sensor termocupla tipo J para verificar la temperatura del radiador y si este llego al valor seteado, el sensor termocupla tipo J viene incorporado un transmisor con una señal de salida estandarizada 4-20 mA o 0-10 V y su calibre es de 28 AWG por lo que su rango de temperatura es de 0-320°C Válvula Proporcio nal Neumática: se utilizará este tipo de actuador para mantener el nivel del estanque en un 70%, Además este tipo de actuador viene incorporado un transmisor con una señal de salida estandarizada 4-20 mA o 0-10 V y un convertidor para recibir la señal neumática que ejercerá el esfuerzo. Válvula On/Off Neumática: se utilizará este tipo de actuador para abrir o cerrar la válvula de la línea de vapor, Además este tipo de actuador viene incorporado un transmisor con una señal de salida estandarizada 4 -20 mA o 0-10 V y un convertidor para recibir la señal neumática que ejercerá el esfuerzo. PLC Allen Bradley Micrologix 1100: Se utilizará el tipo de PLC porque tiene una gran cantidad de funciones, por ejemplo, lazo PID, Escalamientos, comparadores, contadores, entradas/salidas discretas, entradas/salidas análogas, etc. Dado a la excelente prestación que proporciona el controlador y su precio accesible se utilizara, además por su gran confiabilidad. HMI Allen B radley Panel View Plus 6: Se utilizará este tipo de HMI, primeramente por su confiabilidad y flexibilidad, tiene un entorno amigable, que no cuesta interactuar con ella, la programación mediante Factory talk view es muy amigable y 12
Institut o Profesional Duoc UC es tanto para usuarios avanzados como para usuarios que está comenzando con lo de la automatización.
11.4- P&ID
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Institut o Profesional Duoc UC 11.5- Planos control f uerza
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Institut o Profesional Duoc UC 11.6- Entradas y salidas del PLC
ENTRADAS DIGITALES
DIRECCION DESCRIPCION I: 0/0 I: 0/1 I: 0/2 I: 0/3 I: 0/4 I: 0/5 I: 0/6
Start Stop PE RT1 RT2 Manual Automático
RESUMEN DE ENTRADAS Y SALIDAS DEL PLC SALIDA S DIGITALES ENTRADAS ANAL OGAS
TAG B3:0/3 B3:0/4 I:0.2
B3:1/0 B3:1/1
DIRECCION DESCRIPCION TAG DIRECCION DECRIPCION Transmisor O: 0/0 V/V -01 I: 0.4 Temperatura O: 0/1 S/V -02 I: 0.5 Trasmisor de Presión O: 0/2 V/V -02 I: 1.0 Transmisor de nivel O: 0/3 Hab. VDF SALIDAS ANALOGAS O: 0/4 BBA Nº 1 O: 0/5 BBA Nº 2 DIRECCION DECRIPCION O: 0/6 V/V -04 O: 1.0 VDF O: 0/7 V/V -05
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TAG
TAG
Institut o Profesional Duoc UC 11.7- Programació n ladder
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Institut o Profesional Duoc UC 11.8- Funcion amiento del programa En primer lugar, mediante el módulo SCP se escalara la entrara analógica del sensor ultrasónico I: 0.1, para posteriormente llevarlo a un número entero N7:1, esta salida de del escalamiento se envía a un comparador LEQ (A<=B) para que si el nivel baja de un 80% abra la válvula V/V-01 (Latch o enclavar) y llene el nivel hasta un 85%. En cuanto al comparador GEQ (A>=B), compara el valor de salida del escalamiento de nivel, si este sobrepasa el 85% se cierre la válvula V/V-01 (Unlatch o desenclavar), para que el sistema no se rebalse. En segundo, lugar el módulo de SCP de temperatura, escala la entrada analógica de la termocupla tipo J (Transmisor) ubicada en el estanque, la salida del escalamiento será en un número entero N7:2, se generara un módulo MOV para crear un set point (N7:3) el cual será el tag del HMI (SP), posteriormente se integrara un módulo de suma y resta para generar una Histéresis del 3%,luego se comparará el set point (SP) con la salida del escalamiento que es el VP en el Modulo LEG, si la temperatura del SP es mayor o igual al VP que abra la válvula S/V-01, por otro lado el módulo GEQ, si la temperatura del SP es menor o igual al VP cierre la válvula S/V-01 de la línea de vapor para llegar a la temperatura deseada.
En tercer lugar, mediante el bits B3:0.1 que es un auxiliar que cuando está en óptimas condiciones el nivel y la temperatura abre las Válvulas V/V-02-3, para dar funcionamiento al sistema, el cual dispondrá de botones Físico de (Partir) que ira a la entrada (I: 0.0),(Parar) que ira a la entrada (I: 0.1) y la Parada de Emergencia que ira a la entrada (I: 0.2), los Bits auxiliares que serán botones del HMI, bits B3:0.4 será el botón Partir del HMI, bits B3:0.5 será el botón Parar del HMI y bits B3:0.5 será el botón Parada de Emergencia del HMI, para inicializar el sistema se presionara el botón Partir (botón lógico o físico),
Por ultimo habilitado el variador a través del bit B3:0.1 para comenzar a mover el motor de la bomba se creó un escalamiento PID para la relación de velocidad/presión, para mantener una presión constante. 19
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11.9- Interfaz hombre maquina
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CAPITULO IV
12- Análisis FODAS 12.1- Fortalezas
Basándonos en el análisis de factibilidad el proyecto es viable
Utilizar como estrategia, capacitando a un mantenedor del cliente de modo de eliminar el costo de operatividad transformando en beneficio
Disminución del impacto ambiental con respecto a otros beneficios
Se da valor agregado al desecho, ya que se utiliza como materia prima
12.2- Opor tunidades
Posibilidad de nuevos proyectos
No rige norma vigente para calderas domesticas
El gobierno impulsa el uso de energías renovables no convencionales
12.3- Debili dades
Se requiere de un gran espacio para su instalación
Desconocida para el público en general
Sistema no accesible para el común de las personas por su alto costo
12.4- Amenazas
Baja demanda de la producción, producto del mercado
Que cambie normativa vigente y afecte a las calderas domesticas
Competencia de mercado a menor costo
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13- Propuestas d e mejoras Basándonos en las amenazas y debilidades, las propuestas que hacemos con tal me mejorar nuestro proyecto en alguna implementación futura son las siguientes:
Tomar en cuenta la opción de diseñar calderas en menor tamaño para dirigirnos a clientes que tengan espacio reducido
Difundir el producto mediante folletos, diarios etc.
Ajustar gastos y dar facilidades de pago a los clientes y de esta forma llegar y distintos sectores sociales.
Diseñar calderas que funciones con otra fuente de energía, para no depender del siempre del aserrín.
Implementar sistemas que eviten daño o contaminación, de esta forma prevenimos cualquier cambio en la normativa.
14- Conclusi ones
nuestro proyecto soluciona un problema actual en los aserraderos.
Este sistema transforma un problema en un beneficio, laboral y económico
Técnica y económicamente, es un proyecto viable
Este sistema proporciona a través de los años una ayuda económica notoria a nuestro cliente
Este sistema también presenta debilidades, pero solucionables en su aspecto técnico y económico
Representa una oportunidad de emprendimiento, ofreciendo un producto novedoso que cubre una necesidad como es la calefacción
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