PROYECTO OFICINA TÉCNICA 2009/10: CONTROL DE LA CALIDAD Y CAUDAL DE UN SITEMA DE AGUA DE REFRIGERACIÓN DE UNA PLANTA INDUSTRIAL
PROFESOR: José María García Bárcena ALUMNO: José Antonio Caro Cabral
ASINGATURA: Oficina Técnica FECHA DE ENTREGA:
Índice
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1. Objeto del proyecto.
El objeto del presenta proyecto como su propio título indica es controlar el caudal y la calidad del sitema de refrigeración de una planta industrial. En este caso la planta industrial es una embotelladora de refrescos y cervezas que necesita de la refrigeración por agua para el buen funcionamiento del grupo electrógeno instalado en sus inmediaciones. 2. ¿Por qué se necesita un grupo electrógeno en la planta?
Los motivos principales del porqué de la existencia de un grupo electrógeno en la planta son los siguientes: • • • •
No llega suficiente potencia de la red eléctrica como para cubrir las necesidades debido a la localización de la planta que fue ubicada en un lugar determinado por determinadas condiciones económicas y logísticas. Para protegerse frente a la posibilidad de pérdidas periódicas o habituales de potencia de la red el red eléctrica que pueden ocasionar, entre otras cosas, pérdidas económicas, de potencia, de luz, apagado de equipos de mantenimiento de las constantes vitales, pérdida de producción, de datos archivados y de productos, de ganado o incluso de vidas humanas.
3. ¿Por qué se necesita un sistema de refrigeración para el grupo electrógeno?
Es imprescindible el buen acondicionamiento del grupo electrógeno para su correcto funcionamiento. El grupo electrógeno está situado en el interior de la planta para evitar las agresión de las condiciones atmosféricas por lo que es necesario un eficiente sistema de refrigeración y un adecuado sistema de extracción de los gases que produce para que el grupo electrógeno funcione en condiciones óptimas. Además, al ser un grupo de elevada potencia no es suficiente con los habituales sistemas de refrigeración convencionales integrados en este tipo de máquinas los cuales pueden ser por agua o por aceite y con un escaso volumen de líquido refrigerante no superior a los 200 litros. 4. ¿Qué ventajas presenta la refrigeración por agua?.
Las ventajas más destacadas que presenta el sistema de refrigeración por agua son: • • • •
Los motores refrigerados por agua son más silenciosos. La refrigeración resulta efectiva en ambientes de temperatura muy elevada. Dilataciones más controladas y, por consiguiente, menor consumo de aceite. Menor emisión de humos (menor contaminación). 3
5. ¿Por qué hay que controlar el caudal y la calidad del agua?
Un grupo electrógeno refrigerado por agua demanda mayor cantidad de caudal de refrigeración al entregar mayor cantidad de potencia eléctrica a la planta. Dicho esto, se constata que es necesario controlar el caudal del sistema de refrigeración del grupo. Uno de los mayores inconvenientes que presenta un sistema de refrigeración por agua es el control de calidad de la misma. En un sistema de refrigeración como el que se describirá a continuación, se necesita controlar el nivel de acidez del agua (pH), su conductividad, así como el nivel bacteriológico (control biocida). El sistema de refrigeración presente en la planta es un sistema de recirculación abierto. Este tipo de sistemas está compuesto por bombas, intercambiadores de calor y torres de enfriamiento. Las bombas mantienen el agua circulando a través de los ntercambiadores de calor, donde retiran calor, y de la torre de enfriamiento donde el calor es liberado del agua a través de la evaporación. Debido a la evaporación (disminución del volumen inicial de agua), el agua en los sistemas de agua de enfriamiento abiertos, sufre un incremento en su contenido químico. Si no se tratan los sistemas de agua de enfriamiento, proporcionan un ambiente donde existirán los problemas principales del agua de enfriamiento, tales como: • •
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Corrosión: El agua tiende a convertir los metales (tales como el acero dulce) a su
estado oxidado. Incrustación: Las impurezas del agua, tales como dureza de calcio y magnesio pueden precipitar y depositarse, dependiendo de sus concentraciones y de la temperatura del agua, pH, alcalinidad y otras características del agua. Contaminación Microbiológica: Los sistemas de agua de enfriamiento ofrecen un ambiente favorable para el crecimiento de microorganismos, los cuales causan problemas. Ensuciamiento: Los sólidos suspendidos, tanto de las fuentes externas como internas, pueden causar depósitos.
Si no se controlan estos problemas en el agua de enfriamiento, juntos o por separado, pueden causar: • • • •
Incremento de los costos de mantenimiento. Reducción de la eficiencia de transferencia de calor y grandes pérdidas de energía Posible producción de paradas de planta. Enfermedades (Legionelosis).
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6. Control de la calidad y del caudal de agua del sistema 6.1 Control biocida.
El control biocida del agua del sistema será llevado acabo con un generador de ozono. El ozono a nivel físico-químico es una molécula de gas compuesta por tres átomos de oxígeno. A la temperatura y presión del ambiente es un gas inestable que se descompone rápidamente para volver a la molécula de oxígeno (O 2). Debido a esta característica, no se puede almacenar o envasar, sino que debe generarse in situ y usarse inmediatamente. Por lo general, la ozonización se utiliza cuando se requiere su propiedad más importante: su elevado potencial oxidante, que permite eliminar los compuestos orgánicos que dan color, sabor u olor desagradables al agua y, al mismo tiempo, cuando se desea inactivar los microorganismos patógenos del agua. Así pues, la película biológica o biofilm compuesta por microorganismos será controlada mediante la adición de ozono gracias al generador de ozono el cual será activado mediante el autómata de la instalación. De esta forma se consigue luchar contra la reducción de la transferencia de calor, la corrosión microbiológica y el ensuciamiento y los posibles taponamientos. En la instalación no se realizará la medición directa del nivel biológico del agua ya que controlando parámetros como la conductividad, la acidez y la temperatura, se controla de forma indirecta los microorganismos presentes en el agua. 6.2 Control de la acidez o pH.
El control del pH del agua se llevará acabo mediante la adición de una sustancia ácida como es el ácido sulfúrico para reducir el pH ya que es una sustancia reductora de por sí. Para aumentar el pH se aprovechará la utilización del ozono en el sistema ya que el ozono está compuesto solamente por átomos de oxígeno y de ahí su eficacia oxidante. Para la adición de ambas sustancias se utilizarán las válvulas y bombas correspondientes que serán controladas por el autómata que veremos más adelante. La medición del pH se realizará con un dispositivo empotrado como es un controlador de pH que mandará la señal correspondiente al autómata para que éste a su vez gestione la activación de los actuadotes correspondientes (válvula, motor…). Esta activación de los actuadotes obedecerá a la programación del autómata, la cual estará regida por los niveles umbrales de acidez establecidos para el sistema de refrigeración. 6.3 Control de la conductividad.
La conductividad del agua será medida mediante un sitema empotrado cuyas características técnicas veremos en el siguiente apartado. Este sistema es un controlador que mandará la señal adecuada cuando el sistema supere los niveles umbrales de conductividad. Cabe destacar que la conductividad y el pH son dos magnitudes relacionadas. Por ejemplo, si tuviésemos que reducir el nivel de conductividad del agua no quedaría otro remedio que parar la adición de ácido sulfúrico y aumentar el pH del agua mediante la adición de sosa caústica o hidróxido sódico para conseguir su oxidación y de esta forma 5
reducir la cantidad de sólidos disueltos que es lo que al fin de cuentas produce niveles altos de conductividad. 6.4 Control del caudal de agua del sistema.
El caudal de agua del sistema será controlador por un caudalímetro, el cuál tiene una salida analógica digital de 0 a 10 voltios. Esta señal analógica es enviada al autómata. El programa del autómata activará la bomba y la electroválvula de aporte de agua cuando el caudal del sistema baje de los 30 litros por minuto. Cabe mencionar que el caudal de agua del sistema pude reducirse debido a problemas como la evaporación del agua dentro de la torre, proceso mediante el cual se consigue el enfriamiento del agua dentro de la torre. 7. Umbrales de control.
Para el nivel de pH el umbral estará comprendido entre 7.0 y 9.0. Con un nivel inferior de 7.0 se activará el generador de ozono, el cual inyectará ozono en el agua en circulación hasta que el pH supere la cifra de 7.0 gracias al efecto oxidante o reductor del mismo. Por el contrario, para incrementar el nivel de acidez del agua cuando el pH alcance un valor superior a 9.0 se añadirá ácido sulfúrico mediante una electroválvula. El algoritmo de control se realizará con autómata programado con PL7. Cabe destacar que cuando la conductividad del agua se superada en un determinado nivel, la adición de ácido será suprimida por lo que hemos explicado en el apartado anterior. Para el nivel de conductividad el límite máximo estará en los 1500 µs/cm. En cuanto el nivel de conductividad supere dicho límite se abrirá la electroválvula que permite el paso del hidróxido sódico almacenado en el depósito correspondiente. Cabe recordar que la adición de la sosa caústica provoca el aumento del pH que es lo que a fin de cuentas elimina la concentración total de sólidos disueltos presentes en el agua en recirculación. Otro control que se llevará a cabo respecto a la conductividad del auga es que si el auga del sistema llega a su nivel máximo de conductividad dos o más veces en el periodo de dos horas se realizará el paro del sistema y la correspondiente purga del agua. El rango de la temperatura del agua estará comprendido entre los 20ºC del agua de salida de la torre y los 55ºC del agua de entrada a la torre teniendo ésta una capacidad máxima de enfriamiento de 35ºC siendo esta propiedad comúnmente conocida como salto térmico de la torre. Este salto térmico estará controlado por dos sensores de temperatura, uno colocado en la tubería del agua de entrada a la torre y otro en la de salida de la torre. El algoritmo de control del autómata calculará el salto térmico instantáneo en cada momento y cuando dicho salto sea inferior a los 30º se activará la alarma del sistema y provocará que dicho sistema vuelva a sus condiciones iniciales.
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8. El sistema de refrigeración.
El sistema de refrigeración está compuesto por los siguientes elementos: • • • • • • • • • • • • • • •
Una electrobomba de recirculación. Una electrobomba de aporte. Una electrobomba de purga. Una electroválvula de aporte de agua. Una electroválvula de purga de agua Una electroválvula de aporte de ácido sulfúrico. Una electroválvula de aporte de hidróxido sódico. Una torre de refrigeración. Un generador de ozono. Un sensor de pH. Un sensor de conductividad. Un sensor de temperatura para controlar la temperatura del agua de entrada. Un sensor de temperatura para controlar la temperatura del agua de salida. Una PLC o autómata programable. Cableado y tuberías.
8.1 Electrobombas
El sistema estará dotado de 3 elctrobombas las cuales serán activadas de acuerdo al algoritmo de control del autómata programable. Las electrobombas son las 3 idénticas cuyo modelo es XKJ 900 S/20 de la serie RAS y marca JARDINO cuyas características técnicas son las siguientes:
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Las electrobombas estarás controladas por el autómata. Las 3 salidas del autómata estarán conectadas a sus correspondientes contactores cuyas bobinas serán activadas por la tensión continua de 24 voltios. 8.2 Electroválvulas
El sistema estará dotado por cuatro electroválvulas de acero inoxidable model ELV30004. Una para para el aporte de auga, otra para la purga de agua y dos más para el aporte de sustancias (ácido sulfúrico y hidróxido sódico).
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8.3 Torre de refrigeración
La torre de refrigeración será de la marca PIONEER modelo torre y especificaciones se muestran a continuación:
∆
t-10 cuyas partes de la
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8.5 Generador de ozono.
El generador a instalar será el mostrado en la figura de arriba de la marca TRIOGEN y modelo M7WC65 cuyas características y dimensiones se detallan a continuación:
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8.6 Sensor de pH
El sensor de pH será de la marca CRISON y modelo PH 27 P. Una imagen del sensor y sus especificaciones técnicas se muestran a continuación.
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8.7 Sensor de conductividad.
El sensor de conductividad será el mostrado arriba de la marca WALCHEM modelo WECT400. Las características principales de este sensor controlador de conductividad son las que se describen a continuación en la siguiente página:
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8.8 Sensor de temperatura.
El sensor de temperatura será de la marca DELTA OHM modelo DO 9861T cuyas características técnicas son las siguientes:
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En la página siguiente se muestra un gráfico sobre la salida anlógica estandarizada de 4 a 20 miliamperios y las dimensiones de la caja del sensor.
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8.9 Autómata programable.
El autómata a utilizar en la instalación será de la marca Schneider y modelo TSX-3710. Es un autómata que no incorpora módulos de entrada y salida de serie pero que permite una configuración libre al usuario multiplicando sus posibilidades mediante el rack extensible opcional. Se ha escogido este autómata debido a su sencillez dado que el número de variables a controlar es la instalación es pequeño comparado con las posibildades de estos dispositivos de control. El TSX-3710 es el más compacto de todos ellos dentro de la gama MICRO, gama la cual se puede clasificar como gama media en cuanto a su hardware incorporado y calidad dentro de la gama de autómatas de Schneider Electric.
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A continuación se muestra la descripción física del autómata a instalar:
Ahora veremos el modelo de autómata elegido según el módulo integrado que ya vienen con el autómata de serie:
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Ahora veremos las dimensiones del autómata en dos vistas acotadas en milímetros:
Como se puede apreciar en el dibujo de arriba, el autómata TSX MICRO 3710 viene incorporado con dos ranuras de expansión para una mayor versatilidad de configuración de hardware. Cada ranura está dividida en dos módulos. En la primera ranura (parte izquierda) irá un módulo doble de entradas y salidas digitales modelo TSX DMZ 28DTK compuesto por 16 entradas digitales y 12 salidas digitales El primer módulo estará ocupado por las entradas y el segundo por las salidas. La segunda ranura estará ocupada sólo en su parte superior por el módulo TSX AEZ 802 compuesto por 8 entradas analógicas con un rango de 4-20 mA. Para el entendimiento del algoritmo de control del proceso tiene que quedar bien claro la numeración de los módulos ya que de ello depende las referencias de las entradas y salidas presentes en el programa que veremos en el siguiente apartado. Para mayor información sobre la cargabilidad de las salidas y demás detalles técnicos pueden consultar los manuales de referencias disponibles en la página de Schneider Electric: http://www.schneiderelectric.es/
En la figura mostrada arriba se indica con números el direccionamiento de las vias del autómata elegido y de su expansión TSX RKZ 02. Cabe destacar que la expansión no es necesaria en este proyecto por lo que no se incluye en el presupuesto que se verá más adelante.
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8.10 Cableado y tuberías.
Los cables serán de dos vias con aislamiento de pvc comunes en cualquier tienda de electricidad. Habrá dos secciones presentes en el sistema. Una de 2.5 mm 2 para la alimentación de bombas, generador de ozono, torre de refrigeración y autómata. Y otra sección de 0.75 mm2 para la alimentación de los sensores (temperatura, pH y conductividad) y actuadores (electroválvulas, contactores…). Esta última sección de cable también se utiliazará para las señales eléctricas de datos provenientes de los sensores así como las señales de actuación provenientes del autómata. Las tuberías estarán normalizadas correspondientes a la norma UNE 19.040/93 y serán de acero inoxidable de un diámetro interior de 1” (DN25) y un diámetro exterior de 33.7 mm. Se ha elegido este material debido a su gran resitencia al óxido y a la suciedad a pesar de que no destaca por su ligereza.
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