UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO
FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA
CONTROL DE PROCESOS
LABORATORIO N° 08: “SIMULACION EN CONTROL DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR EN SIMULINK”
Alumna: -
Cornejo Huaypar Enma Verioska Verioska / 060126
Ing. Franklin A. Salas Camacho Docente
28/08/2017
SIMULACION EN CONTROL DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR EN SIMULINK 1. RESUMEN
En el presente laboratorio se hizo una introducción al uso del programa MATLAB para control de procesos, esto con el objetivo de poder introducir en el programa una función de transferencia haciendo el uso de simulink, ya habiendo realizado la introducción al uso del programa MATLAB, se realizó en el programa el diagrama de bloques de un intercambiador de calor en simulink, con sus datos respectivos, y simulaciones, dándonos valores a interpretar. 2. INTRODUCCION
Hoy en día, cuando un nuevo producto se diseña, antes de iniciar la etapa de la realización física del sistema, este debe haber superado las pruebas de simulación, los programas de simulación predicen el comportamiento dinámico de los sistemas, estos softwares se basan en el modelado matemático de los elementos que constituyen al sistema y de las señales que actúan, la validez de los simuladores depende de la aproximación que debe haber entre modelo matemático de los componentes y de sus verdaderos comportamientos físicos. 2.1 Software MATLAB
El programa MATLAB es un software que permite realizar cálculos numéricos con vectores y matrices, como caso particular puede también trabajar con números escalares (tanto reales como complejos), con cadenas de caracteres y con otras estructuras de información más complejas. MATLAB (abreviatura
de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices") es una herramienta de software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). Está disponible para las plataformas Unix, Windows, Mac OS X y GNU/Linux . Entre sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario y la comunicación con programas en otros lenguajes y con otros dispositivos hardware. El paquete MATLAB dispone de dos herramientas adicionales que expanden sus prestaciones, a saber, Simulink (plataforma de simulación multidominio) y GUIDE (editor de interfaces de usuario - GUI). Es un software muy usado en universidades y centros de investigación y desarrollo. En los últimos años ha aumentado el número de prestaciones, como la de programar directamente procesadores digitales de señal. 2.2 Simulink Simulink es
un entorno de programación visual, que funciona sobre el entorno de programación Matlab. Es un entorno de programación de más alto nivel de abstracción que el lenguaje interpretado Matlab (archivos con extensión .m). Simulink genera archivos con extensión .mdl (de "model").
Simulink viene a ser una herramienta de simulación de modelos o sistemas, con cierto grado de abstracción de los fenómenos físicos involucrados en los mismos. Se hace hincapié en el análisis de sucesos, a través de la concepción de sistemas (cajas negras que realizan alguna operación). Es ampliamente usado en Ingeniería Electrónica en temas relacionados con el procesamiento digital de señales, involucrando temas específicos de ingeniería biomédica, telecomunicaciones, entre otros. También es muy utilizado en Ingeniería de Control y Robótica. 2.3 Intercambiador de calor
Un intercambiador de calor es diseñado para transferir calor entre dos fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido en movimiento. Son elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, además de en aparatos de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas, ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, etc La clasificación más común de los intercambiadores es atendiendo al grado de contacto entre los fluidos. Así, se distinguen los siguientes tipos:
Intercambiadores de contacto directo.
Son aquellos en los que el intercambio de calor se hace por mezcla física de los fluidos. No son muy frecuentes dada la contaminación que supone para uno o para ambos fluidos. Sin embargo, hay veces que esto no importa, como en el caso de la torre de refrigeración, en las que el agua es enfriada por el aire atmosférico en un proceso combinado de transferencia de masa y de calor. Intercambiadores de contacto indirecto. Son aquellos en los que los fluidos no entran en contacto directo, no se mezclan, sino que están separados por un tabique sólido, un espacio o incluso un tiempo. El calor se transmite por convección y conducción a través de la pared separadora. Estos, a su vez, pueden clasificarse: Intercambiadores alternativos. En ellos, ambos fluidos recorren el mismo o espacio de forma alternada, de forma que una superficie recibe el calor de un fluido caliente, para secuencialmente, transmitírselo a otro más frío, al contactar con la misma superficie. Existe un cierto contacto entre ambos fluidos, pero puede suponerse despreciable en los casos en los que la contaminación no es determinante. Cuando sí lo es, el uso de estos aparatos es inviable. Son de este tipo, muchos acumuladores y recuperadores de calor. Intercambiadores de superficie. En ellos el proceso de transmisión de calor o está invariablemente relacionado con la superficie de un sólido que los separa, de modo que no existe la posibilidad de contacto entre ellos. Son los más utilizados en todo tipo de aplicaciones. Atendiendo a la forma de la superficie separadora, estos intercambiadores pueden ser: Intercambiadores de placas. Son aquellos en los que la superficie de o separación entre los fluidos es una pared plana. Son relativamente recientes,
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pero sus ventajas respecto de los clásicos multitubulares, están desplazando a estos en la mayoría de las aplicaciones. Intercambiadores de tubos. En ellos la separación entre los fluidos es siempre la pared de un tubo cilíndrico, por cuyo interior circula uno de ellos, mientras el otro lo hace por el exterior. Si se atiende a la dirección del flujo de ambos fluidos a través de la superficie, pueden ser: Intercambiadores de flujos cruzados. Cuando las corrientes de los dos fluidos, forman un ángulo entre sí. Son más utilizados para intercambios entre un líquido y un gas. Intercambiadores de flujos paralelos. Cuando las corrientes de ambos fluidos discurren paralelas en la misma dirección. Atendiendo al sentido de circulación, pueden ser: Intercambiadores en equicorriente. Si ambas corrientes circulan en la misma dirección y en el mismo sentido. Intercambiadores en contracorriente. Si las dos corrientes siguen la misma dirección pero sentidos contrarios.
3. MATERIALES Y METODOS 3.1 MATERIALES
Computadora personal (laptop con el programa MATLAB instalado)
3.2 METODOS
Este laboratorio fue teórico practico, ya que primero se desarrolló la explicación teórica mediante diapositivas de lo que es una simulación y un intercambiador de calor, que es una función de transferencia para luego aplicar todo esto en la simulación de un intercambiador de calor en simulink en el programa MATLAB.
4. RESULTADOS 4.1 Crear una función de transferencia en simulink mediante el programa MATLAB Pasos:
Ingresar al programa MATLAB y presionar en el bo tón que dice “simulink library”
Después de haberse presionado “Simulink Library” se nos aparecerá el “Simulink Library Browser” el cual es la paleta en la cual están todos los comandos que se
necesitan para realizar la simulación, ya dentro de ahí presionaremos el siguiente icono en el recuadro , el cual nos abrirá una ventana, en la cual colocaremos todos los comandos que usaremos:
Una ves hecho todo esto, se pasara a colocar los comando que se necesita en la ventana “untitled-simulink” Continuos Transfer FCN Sources Step SinksScope Signal roputingMusk una vez que hayamos seleccionado todo los comandos que se usara unimos todos estos, y le cambiamos valores solo dándole doble clic a cada comando, luego le
damos play
:
Para ver la gráfica de esta simulación, solo le damos doble click a “scope”:
4.2 Crear el diagrama de bloques para la simulación de un intercambiador de calor en simulink.
Materiales: o o o o o o o o
3 steps 3 ganancias 3 switch manuales 2 sumas 3 funciones de transferencia 1 scope 1 display 1 musk
Pasos:
Ingresar al programa MATLAB y presionar en el bo tón que dice “simulink library” Después de haberse presionado “Simulink Library” se nos aparecerá el “Simulink Library Browser” el cual es la paleta en la cual están todos los comandos que se
necesitan para realizar la simulación, ya dentro de ahí presionaremos el siguiente
icono en el recuadro , el cual nos abrirá una ventana, en la cual colocaremos todos los comandos que usaremos. Una ves hecho todo esto, se pasara a colocar los comando que se necesita en la ventana “untitled-simulink” SourcesSteps ComoditlyGain Matt operationsAdd ContinuousTransfer FCN Signal routingManual Swich Signal routingMusk SinksScope SinksDisplay
Una vez seleccionados nuestros comandos, pasaremos a unirlos de manera correcta e introducir sus valores, solo dándole doble click a cada comando, y luego damos play
:
Cambiaremos los valores de las ganancias con los valores que se indica:
El set point:
El comparador:
El controlador proporcional:
La válvula:
El intercambiador:
La sumatoria:
El flujo
La ganancia de flujo:
La temperatura:
La ganancia de temperatura:
El sensor transmisor:
Conectaremos y desconectaremos los switch S2 y S1(que son las perturbaciones de temperatura y flujo) y completaremos la siguiente tabla:
Tabla N° 01 Resultados a diferentes valores del controlador proporcional GANACIA CONTROLADOR PROPORCIONAL SIN NINGUNA PERTURBACION PERTURBACION DE T° PERTURBACION DE FLUJO CON AMBAS PERTURBACIONES
ΔTo/Δti [°C/°C]
ΔTo/ΔF [Kg/s/Kg/s]
0.5
25.71
26.43
23.33
ΔT0/ΔTo[°C/Kg/s] 24.05
1
40.04
40.59
38.19
38.75
5
71.14
71.34
70.49
70.69
10
87.74
87.82
87.47
87.55
20
139.9
140.2
139
139.3
Fuente: Propia Se puede cambiar los valores y las escalas, según lo que quieras simular; se puede observas las simulaciones del controlador proporcional con valor 5 en los ANEXOS 01, 02, 03 Y 04.
5. CONCLUSIONES
El uso de MATLAB/SIMULINK, facilita el trabajo de diseño y simulación del intercambiador de calor porque permite la creación de funciones de transferencias y una respuesta que es el display. Con los diferentes valores que se obtiene en la tabla N° 01 se puede observar que en cuanto más incrementa el valor del controlador proporcional se incrementa también los valores de perturbación. Conocer el proceso de lo que se está realizando es de suma importancia, ya que al simular estamos viendo virtualmente lo que físicamente podría suceder si nosotros operaríamos una planta controlando un intercambiador de calor.
6. BIBLIOGRAFIA
Adrián André Paredes Álvarez ;César Andrés Barros Vargas; Ph.D. Douglas Plaza Guingla . (-). Modelamiento y simulación de un intercambiador de calor. -, de Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación (FIEC) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Campus Gustavo Galindo, Km 30.5 vía Perimetral Apartado 09-01-5863. Guayaquil-Ecuador Sitio web: http://www.dspace.espol.edu.ec/xmlui/bitstream/handle/123456789/31067/ Modelamiento%20y%20simulaci%C3%B3n%20de%20un%20intercambia dor%20de%20calor.pdf?sequence=1 Licencia Creative Commons Atribución Compartir Igual 3.0 Wikipedia®. (). Intercambiador de calor. 28 ago 2017 a las 19:39., de Fundación Wikimedia, Inc., Sitio web: https://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor Licencia Creative Commons Atribución Compartir Igual 3.0. (-). Simulink. 13 may 2016 a las 18:03., de Fundación Wikimedia, Inc., Sitio web: https://es.wikipedia.org/wiki/Simulink Licencia Creative Commons Atribución Compartir Igual 3.0; . (-). MATLAB. 11 jul 2017 a las 22:04., de Fundación Wikimedia, Inc. Sitio web: https://es.wikipedia.org/wiki/MATLAB
7. ANEXOS Anexo N° 01Controlador proporcional con valor 5 y sin ninguna perturbación
Fuente: Propia Anexo N° 02Controlador proporcional con valor 5 y con perturbación de temperatura
Fuente: Propia
Anexo N° 03 Controlador proporcional con valor 5 y con perturbación de flujo
Fuente: Propia Anexo N° 04 Controlador proporcional con valor 5 y con ambas perturbaciónes
Fuente: Propia
