“APLI A IÓN DE UN SISTEMA DE MONITOREO …...2.2.2 Función de Transferencia del Intercambiador de Calor 29 2.2.3 Función de Transferencia de la Válvula de Control 32 2.3 Propuesta

México D.F. Noviembre 2011

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

“APLICACIÓN DE UN SISTEMA DE MONITOREO CONTINUO PARA EL INCREMENTO DE LOS CICLOS OPERATIVOS Y MEJORA DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO DE

ACEITE DEL MOTOR DE UN BARCO”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTAN:

PÉREZ ROSAS JOSÉ ANTONIO VARGAS PÉREZ TANIA JANETT

VENEGAS ÁNGELES JOSÉ EDUARDO

ASESORES: DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL

M. EN C. CARLOS A. RIVERA GUEVARA

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

-i-

INTRODUCCIÓN

Anteriormente el ferry de carga “MS European Endeavourde” ha estado involucrado en

accidentes de choque debido falta de mantenimiento en sus sistemas generales de navegación

y alimentación eléctrica, además de que no cuenta con un sistema de monitoreo que le

permita conocer el estado de sus equipos e instrumentos.

Este trabajo está enfocado a la aplicación de un monitoreo continuo a través de una HMI, que

permite observar la operación del sistema de lubricación de los Motores Diesel del barco, para

determinar la frecuencia del mantenimiento.

El monitoreo que se plantea permite que los operadores realicen hojas de especificaciones con

los datos de operación del intercambiador de calor, para observar su comportamiento y

determinar cuando este requiere un mantenimiento preventivo para así corregir las fallas antes

de que el equipo quede inutilizable, además esto permite mejorar los ciclos operativos debido

a que se mantiene operando al equipo en condiciones adecuadas.

Para resolver los problemas que se mencionan se determinara una estrategia de control y

monitoreo, para esto se identifican las condiciones de operación del intercambiador de calor

utilizado en el sistema de enfriamiento de aceite de los Motores Diesel del barco.

Se realizara también una simulación del proceso para observar sus respuestas ante las

perturbaciones que se pretenden controlar


-ii-

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Para el aceite lubricante utilizado en cualquier motor de combustión interna, el incremento en

la temperatura de operación por encima de los valores permitidos provoca la pérdida de las

propiedades del aceite.

En el barco se tiene un intercambiador de calor que se utiliza en el sistema de enfriamiento del

aceite que pertenece al sistema de lubricación de los Motores Diesel. La falta de

mantenimiento lleva a la empresa a remplazar el intercambiador de calor cada 8 meses debido

al taponamiento por incrustaciones de sal y microorganismos que se adhieren a las paredes y

tuberías del sistema. Para los operarios en el barco es difícil detectar cuando es necesario un

mantenimiento por lo que esto se deja de lado y se prefiere cambiarlo en lugar de aplicar un

mantenimiento.

Para asegurar que la temperatura del aceite es la adecuada el intercambiador utiliza agua de

mar como medio enfriante debido a que es abundante, ilimitada y de fácil acceso. El agua de

mar es altamente corrosiva para el intercambiador de calor pero es el medio enfriante más

económico con el que se cuenta por lo que es preferible reemplazar el equipo de intercambio

de calor que dar un tratamiento al agua de mar.

El uso de agua de mar genera problemas con incrustaciones salinas en el equipo y tuberías,

disminuyendo la eficiencia y los tiempos de operación del sistema.

En específico el agua de mar utilizada por el barco es agua del Mar Mediterráneo, el cual es

uno de los mares con mayor nivel de salinidad que genera un ambiente corrosivo para los

equipos, además de ser un mar que cambian sus propiedades físico-químicas dependiendo de

las estaciones del año.


-iii-

OBJETIVOS

Objetivo general:

Proponer un sistema de monitoreo continuo que permita observar el comportamiento de las

variables del sistema de enfriamiento de aceite del motor de un barco, para garantizar el

correcto funcionamiento del equipo, incrementar los tiempos de operación y la eficiencia del

proceso de intercambio de calor.

Objetivos particulares:

1. Monitorear el equipo de intercambio de calor a través de una HMI para determinar la

aplicación de un mantenimiento preventivo.

2. Proponer la estrategia de control para mantener la temperatura del aceite de los

Motores Diesel del barco, manipulando el flujo de agua de mar que pasa a través del

intercambiador de calor.


-iv-

ANTECEDENTES

En algunas situaciones el monitoreo en barcos se lleva a cabo a través de la tripulación. Esto

se hace de la siguiente manera; una persona se encuentra siempre atenta a todo lo que ocurre

en los cuartos de máquinas del barco y a su vez otras personas se encuentran vigilando otras

áreas relacionadas al motor, sistemas de enfriamiento y navegación y la comunicación se da

por medio de equipos de radio comunicación.

No siempre se cuenta con sistemas de monitoreo avanzados como lo es la aplicación de las

HMI. Aunque ya existen equipos pequeños y relativamente económicos que permiten su uso

dentro de embarcaciones de cualquier tipo, la utilización de estos dentro de los barcos aun es

muy escasa.

El monitoreo que se lleva a cabo por el personal de la tripulación del barco es relativamente

seguro pero el personal no es capaz de tomar decisiones respecto al control de los equipos

cuando estos se encuentran trabajando bajo condiciones extremas como las que ofrece el mar.

Esto puede derivar en situaciones problemáticas ya que cuando los equipos fallan por mal uso

o falta de mantenimiento por estar en ambientes extremos, es necesario parar el proceso para

realizar un mantenimiento correctivo que en algunos casos resultan inútiles.


-v-

JUSTIFICACIÓN

El monitoreo continuo en el sistema de enfriamiento de aceite del motor de un barco es

importante debido a los cambios en los índices de salinidad del agua de mar, que es el medio

enfriante utilizado en dicho sistema. Diversos factores alteran la salinidad y la composición

química del agua de mar y debido a que está en contacto directo con todos los equipos e

instrumentos del sistema de enfriamiento de aceite, es importante monitorearlos para

determinar cuando estos requieren un mantenimiento preventivo o correctivo.

En ocasiones se da un bajo rendimiento en los motores de barcos cuando no se encuentran

trabajando bajo las especificaciones correspondientes, se debe tener cuidado en las

condiciones de temperatura y lubricación en las que se encuentran trabajando los motores

dentro de los barcos y es importante mantener monitoreadas estas condiciones.

Anteriormente no se ha dado importancia al monitoreo continuo para los equipos que trabajan

al interior de los barcos. Debido a que los niveles de salinidad y composición química del agua

de mar han ido cambiando con los años, ya es factible monitorear el funcionamiento de los

equipos en ambientes corrosivos para asegurar que su tiempo de vida no se vea limitado.

El desechar equipos de intercambio de calor o no tener un buena eficiencia de equipos ya no

se justifica teniendo en la actualidad técnicas de monitoreo que nos pueden permitir aumentar

su tiempo de vida útil.

Utilizar un software HMI permite monitorear el funcionamiento del sistema de enfriamiento

del aceite, verificando los tiempos de operación nominales del intercambiador de calor que nos

permitirán identificar diversas alteraciones como el caso de incrustaciones salinas, alojamiento

de microorganismos y desechos en el sistema de enfriamiento para determinar las acciones de

mantenimiento correspondientes.


-vi-

INDICE

Introducción i

Planteamiento del Problema ii

Objetivos iii

Antecedentes iv

Justificación v

Índice de Figuras ix

Índice de Tablas viii

CAPÍTULO

Introducción al Sistema de Lubricación y Sistema de Enfriamiento

del Motor Diesel de un Barco 1

1.1 Motores diesel 1

1.1.1 Motor Diesel Marino 2

1.2 Sistema de Enfriamiento del Motor Diesel 3

1.3 Sistema de Lubricación del Motor Diesel 4

1.4 Intercambiadores de Calor 6

1.4.1 Intercambiador de Calor de Tubos y Carcasa 7

1.5 Especificaciones del Mar Mediterráneo 8

1.5.1 Parámetros Físico-Químicos del Mar Mediterráneo 9

1.6 Especificación del Barco 11

1.6.1 Especificaciones Técnicas de los Motores Diesel 12

1.6.2 Especificaciones del Lubricante 13

1


-vii-

1.7 Instrumentación 15

1.8 Equipo 19

1.9 Interfaz Hombre-Máquina (HMI) 21

CAPÍTULO

Estrategia de Control y Monitoreo 24

2.1 Análisis del Sistema de Lubricación 24

2.2 Determinación de Parámetros de Control en el Intercambiador de Calor 26

2.2.1 Balance de Energía 26

2.2.2 Función de Transferencia del Intercambiador de Calor 29

2.2.3 Función de Transferencia de la Válvula de Control 32

2.3 Propuesta de la Estrategia de Control 33

2.3.1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación 34

2.4 Propuesta de la Estrategia de Monitoreo 36

2.4.1 Mejora de los Ciclos Operativos del Intercambiador de Calor 36

CAPÍTULO

Instrumentación y Equipos 39

3.1 Selección de Instrumentación 39

3.2 Selección de Equipo 47

2

3


-viii-

CAPÍTULO

Aplicación de Control y de Sistema de Monitoreo 51

4.1 Control para el Sistema de Enfriamiento 51

4.1.1 Control por Retroalimentación 51

4.1.2 Sintonización del Controlador 56

4.1.3 Respuestas del Sistema 61

4.2 Diseño y Programación de la HMI 72

4.2.1 Descripción de la HMI del Sistema de Lubricación 75

4.3 Programación del PLC 82

4.4 Comunicación PLC-HMI 93

CAPÍTULO

Propuesta Económica 102

5.1 Costos de Instrumentación y Equipo 102

5.2 Justificación Económica de la Implementación de la HMI 103

5.3 Costos de implementación de la HMI 105

Conclusiones 106

Bibliografía 107

Anexos 108

4

5


-ix-

Índice de Figuras

CAPITULO 1

Figura 1.1.1-1 Motor diesel de un barco 2

Figura 1.2-1 Sistema de enfriamiento del Motor Diesel 4

Figura 1.3-1 Sistema de lubricación 6

Figura 1.4.1-1 Intercambiador de calor de tubos en “U” 8

Figura 1.5.1-1 Trayectoria de Navegación del “MS European Endeavourde” 11

Figura 1.6-1 Barco tipo ferry “MS European Endeavourde” 12

Figura 1.6.1-1 Motor Wärtsilä 9L38 13

Figura 1.7-1 Instrumentación industrial 16

Figura 1.7-2 Partes Principales de una válvula de globo 18

Figura 1.7-3 Válvula de Compuerta 18

Figura 1.8-1 Componentes principales de un PLC 20

Figura 1.8-2 Partes principales de una bomba centrifuga 21

CAPITULO 2

Figura 2.1-1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación del sistema de enfriamiento

del aceite de un barco 25

Figura 2.2.1-1 Diagrama de entradas y salidas al intercambiador de calor 29

Figura 2.3-1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación del sistema de enfriamiento

del aceite lubricante 35

CAPITULO 3

Figura 3.1-1 Transmisor de temperatura 40

Figura 3.1-2 Transmisor de presión 41

Figura 3.1-3 Transmisor de presión diferencial 41

Figura 3.1-4 Termopar tipo J 42


-x-

Figura 3.1-5 Localización de las válvulas en bypass 42

Figura 3.1-6 Válvula de control 44

Figura 3.1-7 Válvula de compuerta manual 44

Figura 3.1-8 Válvula de globo manual 45

Figura 3.2-1 Intercambiador de calor 50

CAPITULO 4

Figura 4.1.1-1-Diagrama de bloques del sistema 51

Figura 4.1.1-2 Diagrama de bloques construido en Simulink 52

Figura 4.1.1-3 Bloque de planta a 15°C y 4 motores operando 53

Figura 4.1.1-4 Cuadro de parámetros de la función de transferencia 54

Figura 4.1.1-5 Bloque de medición 55

Figura 4.1.1-6 Bloque de control 55

Figura 4.1.2-1 Señal de entrada a la válvula 58

Figura 4.1.2-2 Curva de reacción del proceso 59

Figura 4.1.3-1 Respuesta de la temperatura del aceite a 15°C y 1 motor 62

Figura 4.1.3-2 Respuesta del flujo de agua de mar 15°C y 1 motor 62

Figura 4.1.3-3 Respuesta de la temperatura del aceite a 30°C y 1 motor 63

Figura 4.1.3-4 Respuesta del flujo de agua de mar a 30°C y 1 motor 63

Figura 4.1.3-5 Sintonización del PID con 1 motor en operación 64

Figura 4.1.3-6 Respuesta de la temperatura del aceite 15°C y 2 motores 64

Figura 4.1.3-7 Respuesta del flujo de agua de mar 15°C y 2 motores 65



Figura 4.1.3-10 Sintonización del PID con 2 motores en operación 66





-xi-








Figura 4.2-1 Programación de la Interfaz Hombre-Máquina 72




Figura 4.2.1-1 Barra de switch´s de control 76

Figura 4.2.1-2 Caso 1 Indicadores de Motor Diesel 76



Figura 4.2.1-5 Indicadores de la instrumentación 78

Figura 4.2.1-6 Flujo de aceite en el tubo del intercambiador 78

Figura 4.2.1-7 Flujo de agua y aceite en el intercambiador de calor 79

Figura 4.2.1-8 Representación del caso 1 80



Figura 4-3-1 Configuración de entradas y salidas 83

Figura 4.3-2 Sub-programa LAD 2 CTL PID 85

Figura 4.3-3 Sub-programa LAD 2 CTL PID (continuación) 86



Figura 4.3-6 Sub-programa LAD 3 CTL BOMBAS 90

Figura 4.3-7 Sub-programa LAD 4 ALARMAS 91


-xii-

Figura 4.3-8 Sub-programa LAD 5 COMPARADOR 92

Figura 4.3-9 Sub-programa LAD 6 INDICADOR 93

Figura 4.4-1 Creación de la conexión utilizando el protocolo de comunicación RS-232 94

Figura 4.4-2 Detección de la estación de trabajo y del PLC 95

Figura 4.4-3 PLC en línea 95

Figura 4.4-4 PLC comunicado y en línea 96

Figura 4.4-5 Creación de la comunicación OPC 97

Figura 4.4-6 Diseño de la Interfaz Hombre-Máquina 97

Figura 4.4-7 Ventana de propiedades del switch de la bomba de

pre-lubricación del Motor No. 1 98

Figura 4.4-8 Configuración de la vinculación 99

Figura 4.4-9 Árbol de componentes del RSLinx OPC Server 99

Figura 4.4-10 Ruta de vinculación 100

Figura 4.4-11 Comprobación de la vinculación 101

CAPITULO 5

Figura 5.2-1 Intercambiador de calor marca TERNAMIC 104


-xiii-

Índice de Tablas

CAPITULO 1

Tabla 1.5-1 Composición de los iones principales del agua de mar (g/ml) 9

Tabla 1.6-1 Especificaciones del ferry “MS European Endeavourd” 12

Tabla 1.6.1-1 Especificaciones del Motor Wärtsilä 9L38 13

Tabla 1.6.2-1 Propiedades Fisico-Quimicas del aceite 14

Tabla 1.6.2-2 Datos de operación del aceite lubricante 14

Tabla 1.6.2-3 Variación de la viscosidad del aceite respecto a la temperatura 15

CAPITULO 2

Tabla 2.2.1-1 Parámetros de los fluidos 28

CAPITULO 3

Tabla 3.1-1 Índice de instrumentación 46

Tabla 3.2-1 Listado de entradas y salidas del controlador 47

Tabla 3.2-2 Especificaciones de los generales del PLC SLC 500-5/03 48

Tabla 3.2-3 Especificación de los módulos de entrada y salida analógicas

del PLC SLC 500-5/03 49

Tabla 3.2-4 Especificación de los módulos de entrada y salida digitales

del PLC SLC 500-5/03 49

Tabla 3.2-5 Especificación de dimensiones del intercambiador de calor 50

CAPITULO 4

Tabla 4.1.1-1 Valores de Tau y R 53

Tabla 4.1.1-2 Sintonizaciones de PID´s 56

Tabla 4.1.2-1 Parámetros de sintonización de un controlador por el Método de Dahlin 57


-xiv-

CAPITULO 5

Tabla 5.1-1 Costo de la instrumentación propuesta 102

Tabla 5.1-2 Desglose de costos del PLC SLC500 103

Tabla 5.2-1 Características del mantenimiento 104

Tabla 5.2-2 Costos por reemplazo de equipo 104

Tabla 5.3-1 Costos de los softwares utilizados 105

Tabla 5.3-2 Costos totales de instrumento, controlador y software 105


-1-

Introducción al Sistema de

Lubricación y Sistema de

Enfriamiento del Motor

Diesel de un Barco

CAPÍTULO

1.1 Motores Diesel

El ingeniero alemán Rudolf Diesel desarrolló en 1892 el motor que lleva su nombre, cuya

eficiencia es bastante mayor en comparación al motor de gasolina.

El motor diesel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido

del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el

interior del cilindro, según el principio del ciclo de funcionamiento del motor diesel.

El funcionamiento de un motor diesel comienza con la ignición sin chispa de la mezcla de aire

con el combustible. Como se mencionaba anteriormente, es necesaria la elevación de la

temperatura para la compresión del aire, lo que se produce en el denominado segundo tiempo

motor, la compresión. Posteriormente, el combustible es inyectado en la parte superior de la

cámara de compresión. Este proceso se realiza a una gran presión, lo que permite que el

combustible se atomice y se mezcle con el aire. Todo este proceso produce la combustión de

la mezcla en forma rápida, lo que hace que la mezcla que se ha acumulado en la cámara se

expanda, haciendo que el pistón se mueva hacia abajo. El movimiento del pistón es

transmitido a otras estructuras que hacen que este movimiento lineal se transforme en un

movimiento de rotación.

1


-2-

Los motores diesel resultan de gran utilidad, ya que, debido a su bajo consumo de

combustible, resultan en el mediano y largo plazo más baratos que los motores a gasolina.

Debido a esto se ha incrementado la demanda de este tipo de motores para los automóviles,

por lo tanto, el precio del diesel se ha ido acercando cada vez más al de la gasolina, situación

que ha generado ciertos problemas, sobretodo, en el rubro de los transportes.

1.1.1 Motor Diesel Marino

Hay diferentes tipos de maquinaria que se utiliza en un barco, esto depende de las aplicaciones

y las necesidades que se tengan en el mismo, principalmente se utilizan las turbinas y los

motores diesel para la propulsión y la generación de energía eléctrica.

Los motores Diesel desplazaron completamente a las turbinas de vapor en el siglo pasado.

Salvo en grandes buques militares en los que también se emplean reactores nucleares para la

propulsión. Para arrancarlos es necesario inyectar aire a presión en los pistones de modo que

todo el conjunto comience a girar.

Figura 1.1.1-1 Motor diesel de un barco


-3-

1.2 Sistema de Enfriamiento del Motor Diesel

En algunas partes del motor se tienen temperaturas mayores de 1000°C (cámara de

combustión). En un motor más de la tercera parte de energía que se le suministra a través del

combustible se pierde en forma de calor. El sistema de enfriamiento es el que se encarga de

que los diferentes componentes del motor se mantengan en temperaturas seguras y así evitar

que el motor sufra desgastes prematuros o daños graves y de esta manera lograr su máximo

rendimiento.

Algunas partes del motor que se deben enfriar constantemente son:

Cámara de combustión

Parte alta del cilindro

Cabeza del pistón

Válvulas de escape y de admisión

Cilindro

Los sistemas de enfriamiento modernos están diseñados para mantener una temperatura

homogénea entre 82° y 113°C en el motor. Un sistema que no cumpla los requisitos que se

exigen puede producir los siguientes efectos:

Desgaste prematuro de partes por sobrecalentamiento, especialmente en el pistón con

la pared del cilindro

Pre-ignición y detonación

Daño a componentes del motor o accesorios (radiador, bomba de agua, cabeza del

motor, monoblock, bielas, cilindros, etc.)

Corrosión de partes internas del motor

Entrada de refrigerante a las cámaras de combustión

Fugas de refrigerante contaminando el aceite lubricante

Evaporación del lubricante


-4-

Formación de películas indeseables sobre elementos que transfieren calor como los

ductos del radiador

Sobreconsumo de combustible

Formación de lodos por baja o alta temperatura en el aceite lubricante

Figura 1.2-1 Sistemas de enfriamiento del Motor Diesel

1.3 Sistema de Lubricación del Motor Diesel

Este sistema es el que mantiene lubricadas todas las partes móviles de un motor, y a la vez que

sirve como medio refrigerante de las partes mecánicas con alta temperatura, al intercambiar


-5-

calor con el medio ambiente cuando circula por zonas de temperatura más baja y

principalmente cuando se pasa a través de un enfriador de aceite.

La función es la de permitir la creación de una capa de aceite lubricante en las partes móviles

evitando el contacto metal con metal, permitiendo el movimiento entre los elementos evitando

al máximo los daños por rozamiento.

El sistema de lubricación consta básicamente de un intercambiador de calor, una bomba que

sustrae agua de mar y la hace circular por la carcasa del enfriador, bombas que hacen circular

el aceite por los tubos interiores del enfriador y conductos por donde se recircula el aceite

hacia el motor.

El funcionamiento es el siguiente: una bomba toma el aceite del depósito y lo envía al filtro a

una presión regulada, se distribuye a través de conductos del motor hacia las partes móviles

que va a lubricar y/o enfriar, luego pasa por el equipo de enfriamiento donde se extrae parte

del calor absorbido y retorna al depósito para reiniciar el ciclo.

El sistema de aceite lubricante tiene dos bombas de aceite por motor y una de ellas actúa

automáticamente como reserva de la otra. Como bombas de aceite lubricante se tienen bombas

de tornillo auto-cebadas con depresión regulable para el lado de la aspiración.


-6-

Figura 1.3-1 Sistema de lubricación

Conociendo el funcionamiento del sistema de enfriamiento, del sistema de lubricación y los

factores que los afectan se puede proponer un mejor control.

1.4 Intercambiadores de calor

Los medios de refrigeración a bordo del barco son principalmente intercambiadores de calor y

utilizan principalmente el agua de mar por ser fácilmente accesible y un fluido que se

encuentra disponible sin costo alguno.

El proceso de intercambio de calor se logra haciendo que los dos líquidos pasan en contra flujo

o en el mismo sentido a través de una superficie conductora que permite la transferencia de

calor entre ambos flujos. El calor del líquido caliente pasa al líquido frío por la superficie de

conducción, es decir, la pared del tubo.

Es habitual que en los intercambiadores de calor utilizados en barcos, los dos líquidos que

fluyen a través de él, vayan en contra flujo. Este arreglo proporciona una diferencia de


-7-

temperatura rápida y constante entre los dos líquidos y por lo tanto la máxima transferencia de

calor en la superficie disponible.

Existen diversas maneras en las que se clasifican los intercambiadores de calor y en función de

sus características se utilizan para diferentes funciones. (Véase anexo 1).

1.4.1 Intercambiador de calor de tubos y carcasa

Los intercambiadores del tipo de coraza y tubo son equipos de transferencia de calor en las

plantas de procesos químicos. Por lo general el intercambiador carcasa y tubo, consiste en una

serie de tubos lineales colocados dentro de un tubo muy grande llamado carcasa y son la mejor

opción a la necesidad de una gran transferencia de calor.

Dentro de este tipo de intercambiadores, se tiene al intercambiador de calor de tubos en “U” (o

de horquilla). El diseño consiste en que los tubos rectos son doblados en forma de U, el haz de

tubos es fijado con deflectores que se acomodan dependiendo del fluido exterior de los tubos.

En la carcasa se atornilla un cabezal para dirigir el fluido dentro del haz de tubos. El haz de

tubos se puede retirar de la coraza del intercambiador de calor.


-8-

Figura 1.4.1-1 Intercambiador de calor de tubos en “U”

1.5 Especificaciones del Mar Mediterráneo

El Mar Mediterráneo es un mar interior de Europa, Asia y África. Es casi un mar cerrado.

Cubre una extensión de unos 2 510 000 km2. Tiene una longitud de este a oeste de 3 860 km y

una anchura máxima de 1 600 km. En general poco profundo 1 370 m de media, el

Mediterráneo alcanza una profundidad máxima de 5 121 m frente a la costa sur de Grecia.

La salinidad media para todas las aguas oceánicas es de alrededor 35 partes por mil, pero

existen mares, generalmente caracterizados por comunicaciones limitadas con los océanos

adyacentes, en los que se alcanzan valores de 38 o más como en el mar Rojo.

El agua de mar es una solución compleja de sales disueltas. En disolución se hallan presentes

en porcentajes variados los gases de la atmósfera, sales inorgánicas y cantidades muy

pequeñas de materia orgánica. El Mar Mediterráneo es considerado uno de los mares más

salados del mundo después del Mar Rojo, a continuación se muestra una comparación de la

cantidad de componentes presentes entre el Mar Mediterráneo y mares menos salinos.


-9-

Tabla 1.5-1 Comparación de los iones principales del agua de mar (g/ml)

Elemento

Agua de mares (menos salinos)

Mar Mediterráneo

Cloruro (Cl-1) 18 980 21 200

Sodio (Na-1) 10 556 11 800

Sulfato (SO4-2) 2 649 2 950

Magnesio (Mg+2) 1 262 1 403

Calcio (Ca+2) 400 423

Potasio (K+1) 380 463

Bicarbonato (HCO3-1) 140 -----

Estroncio (Sr+2) 13 -----

Bromuro (Br-1) 65 155

Ácido bórico (H3BO3) 26 72

Fluoruro (F-1) 1 -----

Silicato (SiO3-2) 1 -----

Yodo (I-1) <1 2

Otros 1 -----

Sólidos disueltos totales

34 483 38 600

El progresivo deterioro de estructuras que se encuentran expuestas a la acción de la atmósfera

marina constituye un grave problema industrial. En efecto las embarcaciones y otras

estructuras portuarias, requieren un constante mantenimiento para conservarles en buen

estado.

1.5.1 Parámetros Físico-Químicos del Mar Mediterráneo

Los principales parámetros físico-químicos del ambiente marino son la temperatura, la

salinidad, la corrosión, la viscosidad, la densidad y la presión hidrostática. En las zonas

costeras la salinidad es generalmente más baja debido a los aportes fluviales, pero puede

aumentar por la acción de los vientos que favorecen la evaporación o por el afloramiento de


-10-

aguas profundas más saladas. La salinidad se deduce midiendo la conductividad eléctrica de

una muestra de agua marina, a partir de esto y de la temperatura original de la muestra, se

puede calcular la densidad del agua del mar en el punto donde se tomó dicha muestra.

La densidad del agua de mar esta en función de la salinidad, la temperatura y la presión. Su

importancia en oceanografía es notable porque determina la profundidad a la cual las masas de

agua alcanzan el equilibrio; las menos densas se disponen en superficie y las más densas y

pesadas en profundidad. La densidad varía de 1.02400 a 1.03000 g/cm3 (los valores más bajos

en superficie y cerca de las costas). La densidad del agua de mar se calcula mediante el uso de

ecuaciones matemáticas que la relacionan con la temperatura y la salinidad cuando la presión

se ha reducido a la atmosférica.

La viscosidad de un fluido es la resistencia interna al flujo debida al efecto combinado de las

fuerzas de adhesión y cohesión entre sus moléculas. La viscosidad del agua de mar es mayor

que la de las aguas dulces y depende de la salinidad.

El mar Mediterráneo es uno de los más salinos, por tanto es uno de los más corrosivos ya que

el nivel de salinidad en el agua es proporcional a la corrosión que esta ofrece. Pero también la

composición de iones disueltos es el agua afectan el nivel de corrosión debido a que hay un

cambio en el pH y por lo tanto un cambio en la acidez del agua.

Como se sabe, la atmosfera está estrechamente relacionada con el comportamiento de los

mares, es claro que la contaminación en la atmósfera, afecta directamente la composición

química de los mares, esto afecta a todo aquello que este en contacto con estos. En los estudios

recientes se ha determinado que la contaminación del aire (incremento de la presencia de

dióxido de carbono atmosférico) ha provocado una variación del pH en 0.3 a 0.5 en el Mar

Mediterráneo, por lo tanto se ha incrementado su acidez.

Tomando en cuenta trayectoria de navegación del barco “MS European Endeavourde”

podemos conocer las características del medio enfriante, en este caso el barco tiene una


-11-

trayectoria, la cual se muestra en la Figura 1.5.1-1 por lo que se observa que el medio enfriante

utilizado para el sistema de lubricación del barco, es agua que se extrae del Mar Mediterráneo.

Figura 1.5.1-1 Trayectoria de Navegación del “MS European Endeavourde”

Teniendo en cuenta la ruta de navegación del barco, se tienen las siguientes características del

medio enfriante.

Temperaturas promedio del agua por estación del año:

21°C a 30°C en verano

15°C a 18°C en invierno

La salinidad promedio es la siguiente:

Salinidad = 38g/l

La densidad promedio que se ha registrado es la siguiente:

Densidad = 1.032 Kg/l

1.6 Especificación del Barco

El nombre del buque es “MS European Endeavourde” de una empresa en el Reino Unido

llamada P&O Ferris. Este barco cuenta con una sala en la que se distribuyen 4 motores

principales WÃRTSILÄ 9L38, acoplados a una reductora y de esta al eje de propulsión.


-12-

Figura 1.6-1 Barco tipo Ferry “MS European Endeavourde”

Este ferry de carga debe garantizar los tiempos de entrega por lo que no puede tener

interrupciones en el recorrido. A continuación se muestran las principales características del

barco.

Tabla 1.6-1 Especificaciones del ferry “MS European Endeavourde”

1.6.1 Especificaciones Técnicas de los Motores Diesel

En la figura 1.6.1-1 se muestra el motor WÄRTSILÄ 9L38, el cual es un motor de 4 tiempos,

de media velocidad, sobrealimentado, refrigerado y de inyección directa. En la tabla 1.6.1-1 se

indican las especificaciones del motor.

Longitud 179.95 m

Manga 25.24 m

Calado 6.5 m

Velocidad 22.5 nudos

Hélices Propulsoras 2 hélices

Tipo de Hélice Paso variable

Material de construcción Acero


-13-

Figura 1.6.1-1 Motor Wärtsilä 9L38

Tabla 1.6.1-1 Especificaciones del motor Wärtsilä 9L38

1.6.2 Especificaciones Técnicas del Lubricante

El aceite de lubricación que utilizan los Motores Diesel Wärtsilä 9L38 es un aceite tipo SAE

40, Castrol MHP 154, el cual presenta las siguientes propiedades:

POTENCIA DEL MOTOR EN CONDICIONES LOCALES

Potencia 100% (Kw)

Velocidad del Motor (rpm)

Ralentí (rpm)

5940 600 320

CONDICIONES DEL AMBIENTE DE OPERACIÓN

Presión atmosférica nominal (mbar)

Temperatura del refrigerante del aire de carga (°C)

Temperatura del aire de aspiración (°C)

Mín. Máx. Mín. Máx. 1000 25 38 15 45


-14-

Tabla 1.6.2-1 Propiedades Físico-Químicas del aceite

ACEITE CASTROL MPH 154

Punto de inflamación 228 °C

Color Café Oscuro

Estado Físico Liquido

Densidad 0.895 kg/L

Solubilidad Soluble en Agua

Punto Mínimo de fluidez -15 °C

La utilización de dicho aceite es debido a que cuenta con las especificaciones del proveedor

del motor, al igual que el proveedor del aceite garantiza que es apto para motores de la marca

WÄRTSILÄ, para así obtener un mejor rendimiento en el motor.

El aceite debe contener aditivos que aseguren buena resistencia a la oxidación, protección

contra la corrosión, neutralización de ácidos de combustión, oxidación de residuos y

prevención de formación de depósitos en las partes internas del motor (en particular en la

cámara de refrigeración del pistón, zona de los aros de pistón y en las superficies de los

cojinetes).

Tabla 1.6.2-2 Datos de operación del aceite de lubricación

ESTADO DEL ACEITE LUBRICANTE

Temperatura antes del motor (°C)

Presión antes del motor (BAR)

Viscosidad Índice de viscosidad

(VI)

63 4.5 SAE40 MIN.95

Como se observa en la Tabla 1.6.2-3, el aceite utilizado como lubricante para el motor varía su

viscosidad en función de la temperatura por lo que es importante tener un sistema de

enfriamiento adecuado para asegurar que el aceite conserve sus propiedades, principalmente la

viscosidad.


-15-

Tabla 1.6.2-3 Variación de la viscosidad del aceite respecto a la temperatura

1.7 Instrumentación

De acuerdo a su función en el proceso:

Instrumentos indicadores: son los que indican directamente el valor de la variable de

proceso, se pueden observar en ellos los valores medidos de manera fácil. Ejemplos:

manómetros, termómetros, etc.

Elementos primarios: los elementos entran en contacto directo con el fluido o variable

de proceso que se desea medir, con el fin de recibir algún efecto de este (absorben

energía del proceso), y por este medio pueden evaluar la variable en cuestión, por

ejemplo: cuando recibe una señal y responde con una señal eléctrica. Esto es

independiente de si el elemento primario requiere excitación o no para generar la señal

eléctrica. Ejemplos: Sensor piezoeléctrico, termopar, galga extensiométrica.

Transmisores: estos elementos reciben la variable de proceso a través del elemento

primario, y la transmiten a algún lugar remoto. Estos transmiten las variables de

proceso en forma de señales proporcionales a esas variables.

Transductores: utilizara este elemento cuando la señal de un controlador o un

transmisor, para ser compatible con el receptor de esa señal.

Controladores: este es uno de los elementos más importantes, ya que será el encargado

de ejercer la función de comparar lo que está sucediendo en el proceso, con lo que

realmente se desea que suceda en él, para que posteriormente, envié una señal al

proceso que corrija las desviaciones.

VISCOSIDAD DEL ACEITE CASTROL MPH 154

Temperatura (°C) Viscosidad Cinemática

(cSt)

40 132

63 44.82

93 16.32

100 13.5


-16-

Elemento final de control: será este elemento quien reciba la señal del controlador y

quien estando en contacto directo con el proceso, ejecute un cambio en este, de tal

forma que se cambien los parámetros hacia el valor deseado.

En el lazo de control por retroalimentación del proceso se tiene componentes importantes, los

cuales son:

Proceso

Sensor

Transmisor

Controlador

Elemento final de control

Estos componentes se deben seleccionar principalmente en base a su función y sus rangos de

operación.

Figura 1.7-1 Instrumentación industrial

Sensor de Temperatura

Debe detectar en tiempo real y de manera constante las variaciones de temperatura en el

proceso. La señal de salida del sensor puede ser:


-17-

Resistencia eléctrica

Tensión

Corriente eléctrica

En base a la tecnología del censado se tienen a los:

RTD (Detector de la Temperatura de Resistencia): Pt 100 o Pt 1000 (precisos, estables

y que abarcan un amplio intervalo de temperatura).

Termopares: adaptados a temperaturas muy elevadas y son mecánicamente muy

estables.

Válvula de control

Esta ejecuta la acción ordenada por el controlador y dependiendo del proceso pueden ser

motores eléctricos o válvulas automáticas de control.

Para este proceso se determina el uso de una válvula de control debido a que es el modo más

común y eficiente de controlar flujo y es de mayor aplicación en la industria que el control con

bombas (motores).

Válvula de Control Tipo Globo

Las válvulas de globo son unidireccionales, comúnmente son utilizadas como válvulas de

regulación. Su robustez y cierre hermético Metal-Metal hacen que éstas válvulas sean

adaptables a las más altas exigencias de presión y temperatura de un proceso.

Debido a que el asiento de una válvula de globo es paralelo a la línea de flujo del líquido, se

puede usar para estrangular el flujo a cualquier grado requerido o para dar cierres seguros.


-18-

Figura 1.7-2 Partes Principales de una válvula de globo

Válvula de Compuerta

Se utilizan cuando es importante saber mediante inspección inmediata si la válvula está abierta

o cerrada, también cuándo el vástago y compuerta están expuestos a líquidos que podrían

dañarlos. El vástago se levanta cuando la válvula es abierta. Es de vueltas múltiples, en la cual

se cierra el orificio con un disco vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el

asiento.

Figura 1.7-3 Válvula de Compuerta


-19-

Recomendada para:

Servicio con apertura total o cierre total, sin estrangulación.

Para uso poco frecuente.

Para resistencia mínima a la circulación.

Para mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.

Aplicaciones:

Servicio general, aceites y petróleo, gas, aire, pastas semilíquidas, líquidos espesos, vapor,

gases y líquidos no condensables, líquidos corrosivos.

Características:

Alta capacidad.

Cierre hermético.

Bajo costo.

Poca resistencia a la circulación.

Se requiere mucha fuerza para accionarla.

1.8 Equipo

Básicamente un controlador lógico programable está construido en forma modular, teniendo

usualmente un procesador central, módulos de entrada/salida, fuente de poder y otros

accesorios.

Debido a la estructura modular de los PLC, en general pueden distinguirse en él los siguientes

componentes:

Procesador central (CPU)

Fuente de alimentación

Módulo de E/S

- Analógicas


-20-

- Digitales

Comunicaciones

Se adquieren aparte debido a que la necesidad de un protocolo de comunicación es

diferente para cada proceso en el que se vaya a aplicar.

Figura 1.8-1 Componentes principales de un PLC

Bomba Centrifuga

Una bomba centrifuga es un dispositivo constituido por un conjunto de paletas rotatorias

perfectamente encajadas dentro de una cubierta metálica, de manera que son capaces de

impulsar al líquido que esté contenido dentro de la cubierta, gracias a la fuerza centrífuga que

se genera cuando giran las paletas.


-21-

Los elementos principales de toda bomba centrifuga son:

Un elemento estático conformado por chumaceras y cubierta

Un elemento dinámico-giratorio conformado por un impulsor y una flecha

Existen bombas capaces de alcanzar de forma estable velocidades tan altas como 10.000 rpm y

de bombear contra alturas mayores de 100 metros impulsando hasta dos millones de litros por

minuto.

Figura 1.8-2 Partes principales de una bomba centrifuga

1.9 Interfaz Hombre-Máquina (HMI)

HMI significa “Human Machine Interface” por sus siglas en ingles, es decir es el dispositivo o

sistema que permite la comunicación entre la persona y la máquina. Tradicionalmente estos

sistemas consistían en paneles compuestos por indicadores y comandos, tales como luces

pilotos, indicadores digitales y análogos, registradores, pulsadores, selectores y otros que se

interconectaban con la máquina o proceso. En la actualidad, dado que las máquinas y procesos

están implementadas con controladores y otros dispositivos electrónicos que dejan disponibles

puertas de comunicación, es posible contar con sistemas HMI más poderosos y eficaces,

además de permitir una conexión más sencilla y económica con el proceso o máquinas.


-22-

Clasificación de HMI´s:

Sin considerar el método tradicional, podemos distinguir básicamente dos tipos de HMI´s:

Terminal de Operador: consistente en un dispositivo, generalmente construido para ser

instalado en ambientes agresivos, pueden ser únicamente de despliegues numéricos,

alfanuméricos o gráficos. Pueden ser además con pantalla sensible al tacto (touch

screen).

PC + Software, esto constituye otra alternativa basada en un PC en donde se carga un

software apropiado para la aplicación. Como PC se puede utilizar cualquiera según lo

exija el proyecto, en donde existen los llamados Industriales (para ambientes

agresivos), los de panel (Panel PC) que se instalan en gabinetes dando una apariencia

de terminal de operador.

Funciones de un Software HMI:

Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en tiempo real.

Estos datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que permitan una

lectura más fácil de interpretar.

Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustar las

condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.

Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y

reportarlo estos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en límites de control pre-

establecidos.

Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del proceso y así

mantener estos valores dentro de ciertos límites. Control va mas allá del control de

supervisión removiendo la necesidad de la interacción humana. Sin embargo la

aplicación de esta función desde un software corriendo en una PC puede quedar

limitada por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema.


-23-

Históricos. Es la capacidad de mostrar y almacenar en archivos, datos del proceso a

una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es una poderosa

herramienta para la optimización y corrección de procesos.

Existen tres puntos de vista distintos en una HMI: el del usuario, el del programador y el del

diseñador. Cada uno tiene un modelo mental propio de la interfaz, que contiene los conceptos

y expectativas acerca de la interfaz, desarrollados a través de su experiencia.

Modelo del usuario. El usuario tiene su visión personal del sistema, y espera que éste

se comporte de una cierta forma, que se puede conocer estudiando al usuario

(realizando pruebas de usabilidad, entrevistas, o a través de una realimentación). Una

interfaz debe facilitar el proceso de crear un modelo mental efectivo.

Modelo del programador. Es el más fácil de visualizar, al poderse especificar

formalmente. Está constituido por los objetos que manipula el programador. Estos

objetos se deben esconder del usuario. Los conocimientos del programador incluyen la

plataforma de desarrollo, el sistema operativo, las herramientas de desarrollo,

especificaciones. Sin embargo, esto no significa necesariamente que tenga la habilidad

de proporcionar al usuario los modelos y metáforas más adecuadas.

Modelo del diseñador. El diseñador mezcla las necesidades, ideas, deseos del usuario y

los materiales de que dispone el programador para diseñar un producto de software. Es

un intermediario entre ambos. El modelo del diseñador describe los objetos que utiliza

el usuario, su presentación al mismo y las técnicas de interacción para su

manipulación.

El modelo tiene tres partes: presentación, interacción y relaciones entre los objetos.

Presentación: es lo que primero capta la atención del usuario, pero más tarde pasa a un

segundo plano. La presentación no es lo más relevante, y un abuso en la misma (por

ejemplo, en el color) puede ser contraproducente, distrayendo al usuario.

Interacción: a través de diversos dispositivos que utiliza el usuario.

Relaciones entre los objetos: es donde el diseñador determina la metáfora adecuada

que encaja con el modelo mental del usuario.


-24-

Estrategia de Control y

Monitoreo

CAPÍTULO

2.1 Análisis del Sistema de Lubricación

La propuesta del control comprende desde el desarrollo de un DTI del proceso en el cual se

puede encontrar la instrumentación adecuada para el control y el monitoreo del proceso, hasta

la propuesta del diagrama de bloques de la estrategia de control.

En la Figura 2.1-1 se observa el DTI del proceso antes de que se determine una estrategia de

control que permita el control del sistema de enfriamiento de aceite del barco.

Las variables a controlar en el sistema de enfriamiento del aceite de barco son la temperatura

del aceite y el flujo de agua requerida para lograr el intercambio de calor.

Se define que la variable controlada es la temperatura del aceite y la variable manipulada es el

flujo de agua de mar que pasa a través de la carcasa del intercambiador de calor.

2


-25-

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL


DIAGRAMA DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN DT-001

PROCESO ORIGINAL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

ELABORADO POR:

PÉREZ ROSAS JOSE ANTONIO VARGAS PÉREZ TANIA JANETT

VENEGAS ANGELES JOSE EDUARDO

Figura 2.1-1 Diagrama de tuberías e instrumentación del Sistema de Enfriamiento del Aceite de un barco


-26-

2.2 Determinación de Parámetros de Control en el Intercambiador de Calor

Sabiendo el flujo de aceite que se debe enfriar, las temperaturas y las presiones a las que

trabaja el sistema, se realiza un balance de energía con el cual determinaremos el flujo de

agua de mar que deberá pasar por la carcasa del intercambiador de calor para enfriar

determinada cantidad de aceite. Esto se obtiene conociendo el flujo de calor que se debe

transferir del aceite al agua de mar mediante un balance de energía.

2.2.1 Balance de Energía

La energía en un sistema se puede transportar a través de las fronteras en forma de calor y en

forma de trabajo, en nuestro proceso la energía se transporta en forma de calor. La ecuación

2.2.1-1 expresa el calor que existe en un cuerpo.

2.2.1-1

Dónde:

Teniendo en cuenta que el calor transferido al fluido frio, menos el calor transferido al fluido

caliente es igual a cero y que las pérdidas en el sistema son despreciables, entonces se

establece que:

2.2.1-2


-27-

Dónde:

Sustituyendo la ecuación 2.2.1-1 en la ecuación 2.2.1-2 obtenemos:

2.2.1-3

De la ecuación 2.1.1-3 el parámetro a calcular es el flujo másico de agua de mar, por lo que se

hace un despeje de dicho parámetro, mostrado en la ecuación 2.1.1-4

2.2.1-4

Debido a que cuando se tienen los cuatro Motores Diesel en operación el volumen de aceite

que ingresa al intercambiador de calor es aproximadamente de

, el cual debe ser

expresado como un flujo másico, sabiendo que tiene una densidad de

se puede

realizar la conversión. Por medio de la ecuación 2.2.1-4 se obtendrá el flujo de agua requerido

para enfriar dicha cantidad de aceite, por lo tanto son necesarios los parámetros de la tabla

2.2.1-1.


-28-

Tabla 2.2.1-1 Parámetros de los fluidos

La variación de temperatura de agua de mar ( ) se determinó tomando en consideración

que la temperatura del agua ingresa a una temperatura de 15°C y saldrá a 60°C. La variación

de temperatura del aceite ( ) se establece sabiendo que el aceite entra a 93°C y sale a

63°C.

Sustituyendo los valores de los parámetros requeridos de la tabla 2.2.1-1 en la ecuación 2.2.1-

4 se obtiene:

(

)(

)( )

(

)( )

Como se mencionó anteriormente el resultado obtenido fue bajo la consideración de que el

agua se encuentra a 15°C en régimen constante. A continuación se tiene el diagrama en el que

se observan los flujos de entrada y salida.


-29-

Figura 2.2.1-1 Diagrama de entradas y salidas al intercambiador de calor

2.2.2 Función de Transferencia del Intercambiador de Calor

Los procesos que se describen mediante una ecuación diferencial de primer orden se

denominan procesos de primer orden, algunas veces también se conocen como sistemas de

capacitancia única, porque la función de transferencia es del mismo tipo que la descrita por un

sistema eléctrico con una resistencia y un capacitor.

La función de transferencia que relaciona la temperatura 𝛳(s) a la salida con respecto a la

variación del flujo de calor H(s) a la entrada se obtiene mediante:

( )

( )

2.2.2.-1

Dónde:

R= Resistencia térmica para la oposición a la transferencia de calor entre dos sustancias

C= Capacitancia térmica; habilidad de almacenamiento de calor en los sistemas


-30-

Los parámetros R y C están dados por la ecuación 2.2.2-2 y 2.2.2-3 respectivamente.

2.2.2-2

2.2.2-3

Entonces, para calcular el cambio en el flujo de calor se emplea la ecuación 2.2.1-1,

obteniéndose lo siguiente:

(

) (

) ( )

Tomando en cuenta que 1 Joule es igual a 0.23900574 Cal, se realiza la conversión de KJ a

Kcal para utilizarlos en las formulas 2.2.2-2 y 2.2.2-3.

La variación de temperatura del agua de mar corresponde al parámetro R y la variación de

temperatura del aceite corresponde al parámetro C. Sustituyendo el valor anterior y las

variaciones de temperatura correspondientes en las ecuaciones 2.2.2-2 y 2.2.2-3 se obtiene

que:


-31-

Una vez realizados los cálculos para la obtención de los parámetros anteriores, se determina

que es la constante de tiempo del sistema.

Dado:

2.2.2-4

Se determina lo siguiente:

Sabiendo que es la duración de un transitorio, es decir, el tiempo de respuesta del sistema

ante una variación de temperatura.

Por lo anterior se establece que la función de transferencia del intercambiador de calor, cuando

la temperatura del agua de mar es de 15°C con cuatro Motores Diesel en operación es:


-32-

( )

( )

2.2.2-5

2.2.3 Modelo de la Válvula de Control

La mayoría de las válvulas de control operan por medio de un actuador de posición lineal o

alguna modificación de este tipo de actuador. Estos actuadores responden a una señal

proveniente del controlador para modificar su posición.

Una válvula neumática siempre tiene algún retraso dinámico, el cual hace que el movimiento

de la válvula no responda instantáneamente a la presión aplicada por el convertidor, el cual

recibe la señal del controlador. Una válvula lineal a menudo puede representarse por una

función de transferencia de primer orden; esto es:

( ) ( )

( )

2.2.3-1

Dónde:

( ) = Variable manipulada

( ) = Señal del controlador

= Constante del tiempo de la válvula

Debido a que la respuesta de la válvula es casi instantánea se propone una 0.1 segundo,

por lo que la función de transferencia de la válvula de control queda de la siguiente manera:

( ) ( )

( )

2.2.3-2


-33-

2.3 Propuesta de la Estrategia de Control

Propuesta 1

Control por Acción Pre-calculada (feedforward)

Esta estrategia de control que se analizó porque aprovecha la información a priori para el

control del proceso, lo cual permite corregir el error antes de que se presente, considerando

perturbaciones tales como la temperatura del agua de mar y el cambio de flujo de aceite a la

entrada del intercambiador de calor.

Sin embargo esta estrategia de control es eficiente solo cuando el proceso consta de varias

etapas, lo cual no ocurre con este proceso. Además el costo se eleva debido a que se requiere

más instrumentación en el proceso. Debido a lo anterior esta estrategia de control no es la más

eficiente para controlar dicho sistema.

Propuesta 2

Control en Cascada

Se consideró esta estrategia de control principalmente porque ayuda a eliminar las

perturbaciones que afectan al sistema y porque mejora la dinámica del lazo de control.

El criterio más importante para aplicar este control es que se requiere que el lazo interno

(secundario) sea al menos 4 veces más rápido que el lazo externo (primario). Lo anterior se

acopla al proceso de la siguiente manera: el lazo que controla el flujo debe ser 4 veces más

rápido que el lazo que controla la temperatura. Sabiendo que el tiempo de respuesta de un lazo

de control está dado por la constante de tiempo ( ) y dado que del análisis de la respuesta en

lazo abierto del sistema se obtuvo que la velocidad de respuesta de los lazos de control es

similar, por lo tanto la estrategia de control se descartó.


-34-

Propuesta 3

Control Retroalimentado (Feedback)

Debido a que la acción correctiva se lleva a cabo tan pronto como la variable controlada se

desvía del set-point, y dado que el tiempo de respuesta del proceso es rápido, el error es

corregido con la misma velocidad. Además es una estrategia de control económica debido a la

poca instrumentación que se requiere en campo. En conjunto con un controlador PID se logra

un control versátil y robusto, por esto, es la estrategia de control más viable.

En el siguiente diagrama de tuberías e instrumentación se propone el control retroalimentado

para el sistema de enfriamiento del proceso de lubricación de los Motores Diesel.

2.3.1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación

En el Diagrama de Tuberías e Instrumentación se presenta la propuesta de la estrategia de

control así como la instrumentación propuesta para lograr tanto el control como el monitoreo.

El DTI002 que se muestra en la figura 2.3-1 se diseño a partir del DTI001 de la figura 2.1-1.


-35-

DIAGRAMA DE TUBERÍAS E

INSTRUMENTACIÓN DT-002

PROCESO ORIGINAL DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO CON MODIFICACIONES PARA

APLICACIÓN DE CONTROL

ELABORADO POR:

PÉREZ ROSAS JOSE ANTONIO VARGAS PÉREZ TANIA JANETT

VENEGAS ANGELES JOSE EDUARDO

Figura 2.3-1 Diagrama de Tuberías e Instrumentación del sistema de enfriamiento de aceite lubricante

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL



-36-

2.4 Propuesta de la Estrategia de Monitoreo

Anteriormente no se le daba importancia a los equipos en contacto con el agua de mar debido a

que el mantenimiento resultaba costoso ya que no se sabía con exactitud la frecuencia con la que

debía darse dicho mantenimiento, por ello, cuando el equipo de intercambio de calor estaba

sumamente incrustado de residuos de sal o microorganismos marinos, simplemente era

remplazado por uno nuevo. Hoy en día con los cambios climáticos que se han presentado, se ha

convertido en una tarea importante el monitoreo del equipo para garantizar que funcione el

tiempo que se requiere y así evitar el constante reemplazo de equipos.

Dada las condiciones anteriores se plantea el uso de una HMI y una nueva estrategia de control

para el sistema de enfriamiento para observar el comportamiento del sistema que enfría el aceite

que lubrica al motor.

La HMI nos permite visualizar las fallas que se presenten en el intercambiador de calor y permitir

dar un mantenimiento preventivo o correctivo que permita que el equipo funcione correctamente

el tiempo necesario además de que se evita la constante compra de equipos de intercambio de

calor.

La propuesta que se presenta es la de utilizar un software que nos permita tener un entorno

grafico en el que se muestren las variables del sistema y su comportamiento en tiempo real.

Además de que se plantea el uso de una HMI PC + Software que le ofrece al operario desde el

ambiente grafico hasta el elemento que permitirá la visualización desde el cuarto de control.

Uno de los softwares que nos permite el desarrollo de ambientes gráficos fácilmente accesibles al

operador es LabView de National Instruments.

2.4.1 Mejora de los Ciclos Operativos del Intercambiador de Calor

Se instalaran las siguientes alarmas en el ambiente de la HMI:

PAH (Alarma por alta Presión)

PAL (Alarma por baja Presión)


-37-

TAH (Alarma por alta Temperatura)

TAL (Alarma por baja Temperatura)

Estas alarmas llaman la atención del operador para que se realicen las inspecciones

correspondientes por alguna irregularidad en el equipo. Para esto se determinaron valores

específicos en los que debe permanecer operando el intercambiador de calor. Los valores

especificados son los que ya se conocen de la operación del proceso, y cuando estos valores no

están dentro de los rangos especificados, las alarmas advierten al operador que existe una

anomalía.

Los operadores deben llenar hojas de especificaciones con los valores que se observan en la HMI

de manera periódica para tener históricos de comportamiento de las variables del sistema, en las

que se destaquen los siguientes puntos:

Presiones de operación (máximas y mínimas)

Los datos de la operación máxima y mínima serán los valores de operación que se

presenten a diario en la pantalla de la estación del operario (cuando esta trabajando el

equipo).

Temperaturas de operación ( máximas y mínimas)

La temperatura de operación también será la que se registre a diario en la pantalla de la

estación del operario.

Horas de uso del equipo

Realizar una comparación de los valores que muestran las alarmas con los valores

normales de operación.

Mantenimientos previos

Llevar a cabo los programas de mantenimiento preventivo que fueron determinados por el

fabricante del intercambiador de calor y revisar si ya se ha realizado previamente.

Estos datos deben ser recopilados cuando el equipo este en uso y detallados en la hoja de

especificaciones que deberá tener el equipo.


-38-

Se recomienda que una vez por mes se revisen las hojas de especificación y las memorias de

operación del equipo en las que se capturaron los valores nominales de trabajo del intercambiador

de calor. Esto se realiza para generar graficas o análisis en los que se observe el comportamiento

de las variables para saber si el equipo aun esta trabajando en condiciones óptimas o si ya es

necesario un mantenimiento programado.


-39-

Instrumentación y Equipos

CAPÍTULO

3.1 Selección de Instrumentación

La instrumentación debe estar especificada de modo que aseguren la adecuada operación del

proceso.

Transmisores

El transmisor de temperatura y los transmisores de presión se eligieron de acuerdo a lo siguiente:

Ubicación del equipo

Se especificó al fabricante del transmisor de su uso en agua de mar para que el equipo fuera

tropicalizado (protegido con aislamientos en su estructura interna).

Temperaturas de operación

En el trasmisor están incluidos los sensores que están en contacto directo con el fluido del

proceso por lo cual se especifican las temperaturas y presiones de operación máximas y mínimas

correspondientes para asegurar la funcionabilidad del sensor y su durabilidad.

3


-40-

En el caso del sensor de temperatura se debe considerar, el tipo del sensor, su diámetro, la

construcción de la vaina y el calentamiento propio en el sensor.

La selección se hizo entre el Termopar tipo J y el sensor RTD y se determinó un Termopar tipo J

porque cumple con los rango de operación que se requieren, tiene una buena resistencia al agua

de mar, además de que en caso de avería, los termopares presentan un calentamiento inferior que

una termorresistencia (RTD) lo cual se toma en cuenta como medida de seguridad en caso de una

falla.

Fácil manejo

Deben ser accesibles para ser calibrados, aplicar mantenimiento y facilitar la toma de lecturas.

Características del Transmisor de Temperatura

• Transmisor de temperatura, programable por PC

• Rango de medición: -200 a +1200 °C

• Aplicación: RTD, Termopar, Ohm, mV De 2 hilos 4-20mA, aislamiento galvánico

Figura 3.1-1 Transmisor de temperatura

Características del Transmisor de Presión

• Sensor: Membrana cerámica

• Conexión al proceso: Todas las versiones de hilo conductor y Bridas, versión higiénica

• Lapso en el bar / psi: 5mbar - 40bar 0.075psi - 600psi

• Temperatura de proceso: -20 ° C hasta 150 ° C -20 ° F a 302 ° F


-41-

Figura 3.1-2 Transmisor de presión

Características del Transmisor de Presión Diferencial

• Sensor: sondas piezoresistivas

• Conexión al proceso: bridas

• Lapso en el bar / psi: 5mbar - 16 bar 0.075psi - 240psi

• Temperatura de proceso: -40 ° C hasta 400 ° C -56 ° F a 752 ° F

Figura 3.1-3 Transmisor de presión diferencial


-42-

Características del Termopar tipo J

• Para atornillar Vaina ACC. DIN 43772/2G 3 G

• Tipo J (Fe-Cu Ni) Rango: -40 a 750 ° C (-40 a 1382 ° F)

Figura 3.1-4 Termopar tipo J

Válvulas

Se seleccionó la válvula de control de tipo globo, debido a que proporciona una buena regulación

del flujo.

Para la selección de válvulas usadas en el bypass, se determinaron de dos tipos: compuerta y

globo. Las válvulas de compuerta se encuentran en los extremos de la válvula de control, y la

válvula de globo es la que se ubica en la línea de recirculación del flujo.

Figura 3.1-5 Localización de las válvulas en bypass


-43-

Todas las válvulas se seleccionaron de acuerdo a los siguientes criterios:

Posición de falla (Para la válvula de control)

Aquí se determina que hará la válvula en caso de falla eléctrica. La válvula que se ha

seleccionado es una válvula Falla Cerrada la cual se cerrara en caso de falta de energía para

asegurar que la entrada de agua al sistema de enfriamiento no se acelere y pueda dañar los

equipos siguientes a la válvula de control.

Tipo de Fluido

En base al tipo de fluido que se maneja en el proceso se debe seleccionar también una válvula

que resista los ambientes a los que será expuesta como en el caso de agua de mar y por lo cual se

especificó su fabricación en Acero Inoxidable.

Condiciones de operación

Se debe especificar tanto la temperatura como la presión máxima en las que se encontraran las

válvulas para evitar fallas por alta presión. Así el proveedor indica las condiciones de diseño de

las válvulas:

- Capacidad máxima y mínima de presión

- Capacidad máxima y mínima de temperatura

Materiales para empaquetadura

Los materiales de empaquetadura que provee la válvula son TFE y disulfuro de molibdeno para

reforzar el empaque para lograr un sellado más eficiente y evitar fugas a la superficie del vástago.

Diámetro

Se especificó al proveedor los diámetros que se requerían en válvulas, ya que estas no pueden ser

de diámetros menores a un medio del diámetro de la tubería.


-44-

Características de la Válvula de Control

• Temperatura de operación: -10°C a 180°C

• Forma de cuerpo 2/2 Vías

• Presión máxima: 7 bares

• Diámetro Nominal: 3”

• Viscosidad máxima: 600 Cst

• Temperatura ambiente: 60 °C

Figura 3.1-6 Válvula de control

Características de la Válvula de Compuerta Manual

• Diámetro nominal: 3”

• Material: Acero inoxidable

• Presión Max: 10 Bar

• Temperatura máx.: 200°C

Figura 3.1-7 Válvula de compuerta manual

http://www.water-sealvalve.com/product_list_en.asp?classid=13&page=3





-45-

Características de la de Globo Válvula Manual

• Diámetro nominal: 3”

• Material: Acero inoxidable

• Presión Max: 10 Bar

• Temperatura máx.: 200°C

Figura 3.1-8 Válvula de globo manual

Toda la instrumentación requerida en el proceso se representa en el índice de instrumentación de

la tabla 3.1-1


-46-

Tabla 3.1-1 Índice de instrumentación

Para conocer todos los instrumentos que participan en el control del proceso y en el monitoreo se realiza un índice de

instrumentación en base al Diagrama de Tuberías e Instrumentación DT002 donde se especifica la localización de cada uno de los

instrumentos

Nº TAG Descripción del instrumento Servicio Localización Nº Tubería Nº DTI

PIT 001 Transmisor indicador de presión Agua de mar Campo 3”-AM-001-036A DT002

PI 001 Indicador de presión --- Sistema DT002

PAH 001 Alarma por alta presión --- Sistema DT002

PAL 001 Alarma por baja presión --- Sistema DT002

TCV 001 Válvula controladora de temperatura Agua de mar Campo 3”-AM-001-036A DT002

TY 001 Convertidor I/P Agua de mar Campo 3”-AM-001-036A DT002

TC 001 Controlador de temperatura Agua de mar Campo 3”-AM-001-036A DT002

TIT 001 Transmisor indicador de temperatura Agua de mar Campo 3”-AM-004-036A DT002

TE 001 Sensor de temperatura Aceite de lubricación Campo 3”-AM-004-036A DT002

TI 001 Indicador de temperatura --- Sistema DT002

TAH 001 Alarma por alta temperatura --- Sistema DT002

TAL 001 Alarma por baja temperatura --- Sistema DT002

PDIT 001

Transmisor indicador de presión diferencial Agua de mar Campo 3”-AM-002-036A DT002

PI 002 Indicador de presión Sistema DT002

PAH 002 Alarma por alta presión --- Sistema DT002

PAL 002 Alarma por baja presión --- sistema DT002


-47-

3.2 Selección de Equipo

Controlador

Para seleccionar un controlador es importante saber el tipo de entradas y salidas que se tienen

en el proceso.

Criterios de selección del controlador

Analizar el número de entradas y salidas que se requiere que tenga el controlador.

Tabla 3.2-1 Listado de entradas y salidas del controlador

NO. TAG DESCRIPCIÓN Nº DTI ENTRADA/S

ALIDA TIPO DE SEÑAL

VALOR DE LA SEÑAL

TIT 001 Transmisor indicador

de temperatura DT002 Entrada Analógica 4-20 mA

TY 001 Transductor de

temperatura DT002 Salida Analógica 4-20 mA

El listado nos da una pauta para la búsqueda del equipo más adecuado y un vez que se

determina el número de entradas y salidas del controlador se puede establecer en este caso el

tipo de PLC que se requiere.

Spert

El Spert es el espacio extra que se le deja al equipo en caso de ampliaciones futuras al proceso

y en este caso se propone un Spert de 2. Por lo general se adiciona un porcentaje de entradas y

salidas al PLC para ampliaciones futuras o modificaciones en el proceso. Entonces lo que se

determina que se requiere un controlador que como mínimo tenga 3 entradas analógicas y 3

entradas digitales.

El PLC más adecuado para este proceso es el de la marca Allen Bradley del modelo SLC 500-

5/03 debido a que es el que cumple con las características de entradas, salidas, dimensiones y

costo.


-48-

Tabla 3.2-2 Especificaciones generales del PLC SLC 500-5/03


Modelo Voltaje

de entrada

Rango de voltaje de entrada

Frecuencia Corriente de

entrada máxima

Corriente de salida

Rango de salida de voltaje

1746-P2 120 o 220

V AC

85-220 V AC

47 – 63 Hz 20 A

0.2 A @ 24V DC

18-30 V DC

Procesador SLC 500-5/03

Modelo

Tamaño de

memoria (palabras)

I/O digitales máximas

Comunicaciones incorporadas

Tiempo de

escán típico

Opción de modulo e memoria

Programación

1747-L532

16 K

8192

DH-485 y RS-232 1 ms/K Flash

EEPROM RSLogix 500

Chasis para módulos

Modelo Número

de ranuras

Dimensiones Peso

1746-A7 7

171 x 282 x 145 mm

1.1 Kg


-49-

Tabla 3.2-3 Especificación de los módulos de entrada y salida analógicas del PLC SLC 500-5/03

Módulos de I/O analógicas

Descripción Modelo Número de

Entradas/Salidas Resolución

(bit)

Módulo de entradas

analógicas 1746-NI4

4 entradas (± 10V DC, ± 20 mA)

16

Módulo de salidas

analógicas 1746-NO4I

4 salidas (0 mA-20 mA)

14

Tabla 3.2-4 Especificación de los módulos de entrada y salida digitales del PLC SLC 500-5/03

Intercambiador de Calor

El intercambiador de calor se encuentra ya en el proceso, por tal motivo solo se dan las

especificaciones.

Módulos de I/O digitales

Descripción Modelo Número de

Entradas/Salidas Resolución

(bit)

Módulo de entradas digitales

1746-IM16 16 16

Módulo de salidas a relevador

1746-OW16 16 14


-50-

Figura 3.2-1 Intercambiador de calor

Tabla 3.2-5 Especificaciones de dimensiones del intercambiador de calor

SERIAL MODELO A Lu B C D E F G H ɸ1 ɸ2

mm Pulgadas

200 STM 2000 2200 2000 264 1840 220 1740 160 95 380 3" 2"


-51-

Aplicación de Control y de

Sistema de Monitoreo

CAPÍTULO

4.1 Control para el Sistema de Enfriamiento

Después de que se analizaron varias propuestas para el control del sistema de enfriamiento de

aceite se determinó utilizar el control por retroalimentación que resultó ser el más sencillo

pero eficiente para este proceso.

4.1.1 Control por Retroalimentación

En la figura 4.1.1-1 se muestra el diagrama de bloques de un sistema de lazo cerrado, donde

se indican los elementos principales con los que cuenta dicho sistema: planta, controlador y

sensor.

Figura 4.1.1-1-Diagrama de bloques del sistema

4


-52-

Para la simulación del proceso se utiliza el software Simulink de MATHLAB, el cual se

construye mediante un diagrama de bloques.

Figura 4.1.1-2 Diagrama de bloques construido en Simulink

Planta

Dentro del bloque de la planta, es donde se lleva a cabo el proceso de intercambio de calor.

Contiene la función de transferencia del intercambiador de calor, posteriormente se une con un

punto suma con una perturbación constante de 93°C, dado que es la temperatura del aceite con

la cual ingresa al intercambiador de calor. Antes de la función de transferencia se coloca un

osciloscopio que muestra el comportamiento del flujo de agua que ingresa al proceso.


-53-

Figura 4.1.1-3 Bloque de planta a 15°C y 4 motores operando

Debido a que el agua de mar tiene una variación que va de los 15°C a los 30°C, y el parámetro

R varía de acuerdo a la cantidad de motores que se encuentran en operación, se tiene la

siguiente tabla 4.1.1-1

Tabla 4.1.1-1 Valores de Tau y R

Constante

Motores en Funcionamiento

1 Motor 2 Motores 3 Motores 4 Motores 15 °C 30° C 15 °C 30° C 15 °C 30° C 15 °C 30° C

0.4444 0.6666 0.4444 0.6666 0.4444 0.6666 0.4444 0.6666

R 1.2195 0.6097 0.4065 0.3048


-54-

Para llevar a cabo la simulación, los valores de y R son sustituidos en el denominador y

numerador respectivamente de la función de transferencia del intercambiador de calor, de

acuerdo a las condiciones requeridas, como se muestra en la figura 4.1.2-3.

Figura 4.1.1-4 Cuadro de parámetros de la función de transferencia

Medición.

Posteriormente se tiene el bloque de medición, en el cual se lleva a cabo la detección de

temperatura del aceite a la salida del intercambiador de calor, se tiene un osciloscopio que nos

muestra la respuesta de la temperatura del aceite, en seguida se desarrolla una conversión de

unidades de °C a mA de manera que el controlador identifique la temperatura del aceite y lleve

a cabo una acción de corrección en caso de haber una diferencia con respecto al set point.


-55-

Figura 4.1.1-5 Bloque de medición

Control

Dentro del bloque del control se ubica una conversión de °C – mA como en el bloque anterior

pero esto con respecto al set point, posteriormente se ubica un punto suma donde se enlaza con

la señal de retroalimentación de la medición. Este realiza una comparación de la señal medida

con el set point para determinar el error, y en caso de que se presente dicha diferencia el PID

se encarga de corregir esa desviación, en seguida se tiene un bloque de saturación el cual solo

permite una señal de corriente, con un rango de 4 – 20 mA.

Posteriormente se realizan 3 conversiones: de mA a PSI, de PSI a % de apertura y por ultimo

de % a litros de agua. Y al final la ecuación de la válvula de control.

Figura 4.1.1-6 Bloque de control


-56-

Se presentan 4 casos de operación en el proceso, ya que se tiene un flujo de aceite distinto

dependiendo de la cantidad de Motores Diesel en operación, por lo tanto se propone la

utilización de cuatro PID´s con sintonizaciones que proporcionan una respuesta adecuada para

cada caso.

Tabla 4.1.1-2 Sintonizaciones de PID´s

Parámetros de ajuste del PID

1 motor en operación

2 motores en operación



i 2.2502 2.2502 2.2502 2.2502

d 0.1 0.1 0.1 0.1

Kp 0.9110 1.4589 1.988 2.4310

4.1.2 Sintonización del Controlador

Consiste en ajustar los parámetros del controlador para dar una respuesta satisfactoria del

proceso. Existen varias consideraciones que se toman en cuenta para evaluar la respuesta del

lazo de control frente a una perturbación:

La variable controlada debe alcanzar el valor deseado lo más rápido que sea posible.

La respuesta de la variable controlada no debe ser muy oscilatoria.

La variable manipulada no debe someterse a grandes cambios, ya que se provocan

graves afectaciones al proceso

Para la sintonización del controlador del lazo de control propuesto, se utiliza el método de la

curva de reacción, el cual permite obtener la constante de tiempo , el tiempo muerto y la

ganacia , para determinar los parámetros de ajuste de controladores por el método de Dahlin,

expresados en la Tabla 4.1.2-1

Sabiendo que la función de transferencia que describe el proceso es un sistema de segundo

orden, el cual asemeja su comportamiento a uno de primer orden, como se muestra en la

ecuación 4.1.2-1.


-57-

( )

( )( ) 4.1.2-1

Dónde:

Es la constante de tiempo del intercambiador de calor

Es la constante de tiempo de la válvula de control

Tabla 4.1.2-1 Parámetros de sintonización de un controlador por el método de Dahlin

Controlador Parámetro de ajuste Ecuación

Proporciona + Integral

+ Derivativo (PID)

(

) ajustable

El método para conseguir la curva de reacción del proceso se aplica de la de la siguiente

manera:

1. Colocar el controlador en modo manual.

2. Introducir un cambio escalón en la entrada del controlador para cambiar la posición de

la válvula.

3. Registrar la respuesta del proceso.


-58-

Figura 4.1.2-1 Señal de entrada a la válvula


-59-

Figura 4.1.2-2. Curva de reacción del proceso

Teniendo la curva de reacción del sistema, se usa el método de los dos puntos para obtener el

tiempo y para determinar el valor de y el valor de con la ecuación 4.1.2-2 y 4.1.2-3

establecidas por el método antes mencionado.

( ) 4.1.1-2

4.1.1-3

Dónde:

4.1.1-4

4.1.1-5


-60-

Sustituyendo valor obtenido de la curva de reacción en las ecuaciones 4.1.1-4 y

4.1.1-5:

( )

( )

Una vez obtenido y se sustituyen en la ecuación 4.1.1-2:

( )

Ahora se procede a calcular sustituyendo el valor de en la ecuación 4.1.1-3:

Después de que se obtuvo el valor de y , se procede a calcular el valor de la ganancia

expresada con la ecuación 3.1.2-5:

4.1.1-6

(

) 4.1.1-7

4.1.1-8


-61-

Dónde:

: Cambio en la salida del proceso con respecto a la señal de entrada

: Temperatura inicial de salida

: Variación en la temperatura de salida

: Cambio en la señal de entrada

: Señal inicial de entrada a la válvula

: Señal final de entrada a la válvula

Los valores necesarios para desarrollar las ecuaciones 4.1.1-7 y 4.1.1-8 se obtienen de la curva

de reacción del proceso y de la señal de entrada a la válvula mostrada en las figuras 4.1.1-1 y

4.1.1-2 Por lo tanto:

(

)

Una vez calculado la constante de tiempo , el tiempo muerto y la ganacia se calculan

los parámetros de ajuste por el método de Dahlin. Estos valores son ideales, pero pueden ser

modificados para obtener la mejor respuesta del sistema.

4.1.3 Respuestas del Sistema

A continuación se muestran las respuestas obtenidas del flujo y la temperatura en diversas

condiciones de operación.


-62-

Respuestas con 1 motor en operación

Temperatura del agua: 15°C

Figura 4.1.3-1 Respuesta de la temperatura del aceite a 15°C y 1 motor

Figura 4.1.3-2 Respuesta del flujo de agua de mar 15°C y 1 motor


-63-


Figura 4.1.3-3 Respuesta de la temperatura del aceite a 30°C y 1 motor

Figura 4.1.3-4 Respuesta del flujo de agua de mar a 30°C y 1 motor


-64-

En las gráficas se observa que conforme aumenta el flujo de agua, la temperatura del aceite

disminuye, hasta lograr una estabilidad en los 25 L/min, esto es debido se debe enfriar un flujo

de 111.8 Kg/min. De este modo se logra tener una temperatura contante de 63° C del aceite de

lubricación.

Figura 4.1.3-5 Sintonización del PID con 1 motor en operación

Respuestas con 2 motores en operación


Figura 4.1.3-6 Respuesta de la temperatura del aceite 15°C y 2 motores


-65-

Figura 4.1.3-7 Respuesta del flujo de agua de mar 15°C y 2 motores




-66-





lubricación.

Figura 4.1.3-10 Sintonización del PID con 2 motores en operación


-67-






-68-





-69-




lubricación.






-70-





-71-



disminuye, hasta lograr una estabilidad en los 100 L/min, esto es debido se debe enfriar un

flujo de 447.5 Kg/min. De este modo se logra tener una temperatura contante de 63° C del

aceite de lubricación.



-72-

4.2 Diseño y Programación de la HMI

Para el diseño de la HMI se utilizó como referencia el Diagrama de Tuberías e

Instrumentación, esto con el fin de proporcionar una visualización aproximada al proceso real.

Se utiliza el software Labview de National Instruments el cual facilita la creación del ambiente

gráfico y además provee la comunicación entre el Controlador y la Interfaz.

Labview es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no se

escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión.

Al tener ya pre-diseñados una gran cantidad de bloques, se le facilita al usuario la creación del

proyecto, con lo cual permite invertir mucho menos tiempo y dedicarse un poco más en la

interfaz gráfica y la interacción con el usuario.

A continuación se muestra la programación de la HMI que se da por medio de algebra

booleana.

Figura 4.2-1 Programación de la Interfaz Hombre-Máquina


-73-



-74-

Figura 4.2-3Programación de la Interfaz Hombre-Máquina


-75-


4.2.1 Descripción de la HMI del Sistema de Lubricación

La Interfaz Hombre-Máquina se compone principalmente por la barra de switch´s de control

de encendido y apagado de las bombas de pre-lubricación y la bomba de agua de mar, los

indicadores de los instrumentos de medición y la válvula de control, los indicadores de

alarmas de los instrumentos de medición y los indicadores de los Motores Diesel que están en

operación.

La barra de switch´s controla el arranque o paro de las bombas de Pre-lubricación y de la

bomba de agua de mar. Solo se debe dar clic sobre el switch de la bomba que se desee para

encenderla o apagarla. Si el switch está en la posición encendido el indicador verde


-76-

“ENCENDIDO” se ilumina y si el switch está en la posición apagado el indicador rojo

“APAGADO” se ilumina.

Figura 4.2.1-1 Barra de switch´s de control

Los indicadores de estado de los Motores Diesel pueden mostrar tres diferentes casos.

Caso 1. La bomba de pre-lubricación está apagada. El Motor Diesel No.1 está apagado, por lo

tanto la bomba mecánica de lubricación No.1 está detenida y no hay flujo de aceite por la

tubería.

Figura 4.2.1-2 Caso 1 Indicadores de Motor Diesel

Caso 2. La bomba de pre-lubricación No.2 está apagada. El Motor Diesel No. 2 está en

operación y el indicador “MOTOR NO.2” de color verde se enciende por lo tanto la bomba

mecánica de lubricación No. 2 indica que se genera un flujo de aceite que pasa por la tubería.



-77-

Caso 3. La bomba de pre-lubricación está encendida y genera un flujo de aceite por la tubería.

El Motor Diesel está apagado entonces el indicador “MOTOR NO.3” no está iluminado y la

bomba mecánica No.3 está detenida.


El indicador de presión (instrumento de color azul) muestra la presión después de la bomba de

agua de mar. El indicador de presión diferencial (instrumento de color amarillo) sirve para

determinar si existe algún taponamiento en el intercambiador de calor. El indicador de

temperatura (instrumento de color verde) se encarga de mostrar la temperatura de salida del

aceite. Por último está el indicador de la bomba de agua de mar el cual estar de color verde si

está encendida y estar de color rojo si está apagada.

El indicador de la válvula de control muestra la apertura de la misma expresada en porcentaje,

el cual se determina mediante un cálculo algebraico que realiza el PLC, esto se hace con el fin

de realizar comparaciones de las condiciones de operación en diferentes periodos, los que

servirán para establecer la frecuencia de aplicación de Mantenimiento Preventivo al

intercambiador de calor.


-78-

Figura 4.2.1-5 Indicadores de la instrumentación

El indicador del intercambiador de calor tiene 2 casos el primer es cuando el flujo de agua de

mar se interrumpe y el aceite se mantiene fluyendo.

Figura 4.2.1-6 Flujo de aceite en el tubo del intercambiador

En el segundo caso se encuentra en condiciones normales de operación, porque existe un flujo

de agua de mar por la carcasa y un flujo de aceite por el tubo del intercambiador de calor.


-79-

Figura 4.2.1-7 Flujo de agua y aceite en el intercambiador de calor

Para explicar el funcionamiento de la interfaz para el monitoreo del sistema de lubricación se

proponen tres casos:

Caso 1: La interfaz ha sido iniciada, la bomba de agua de mar está encendida, la bomba de

pre-lubricación No. 1 está encendida y los Motores Diesel No. 2 y 3 están en operación, por lo

tanto sus respectivas bombas mecánicas envían aceite al intercambiador de calor y el indicador

de presión muestra una lectura de baja presión, como se ilustra en la figura 4.2.1-8.

En la interfaz ocurre lo siguiente:

El indicador de presión activa la alarma por baja presión (PAL-001)

El indicador de la apertura de la válvula de control mostrara una apertura de 100%

debido a que el controlador tratara compensar la perturbación de temperatura

El indicador de presión diferencial activa la alarma por baja presión (PAL-002)

La tubería muestra que no hay flujo de agua de la bomba de agua de mar hacia el

intercambiador de calor

Este caso se da cuando ocurra un taponamiento en la tubería 3”-AM-001-036A (ver figura

4.3-1).


-80-

Figura 4.2.1-8 Representación del caso 1

Caso 2: La bomba de agua de mar está apagada, los Motores Diesel No. 2 y 3 están en

operación y además el Motor Diesel No. 1 está a punto de arrancar. Ver figura 4.2.1-9.

En la interfaz ocurre lo siguiente:

Se activa la alarma BO-001 que indica que la bomba de succión de agua de mar está

apagada

El indicador de la apertura de la válvula de control mostrara una apertura de 100%

debido a que el controlador tratara compensar la perturbación de temperatura

La tubería muestra que no hay flujo de agua de la bomba de agua de mar hacia el

intercambiador de calor

Se emitirá la alarma por alta temperatura TAH-001 que indica una elevada temperatura

en el aceite


-81-


Caso 3: La bomba de agua de mar está operando normalmente y los Motores Diesel No. 1 y 2

están en operación y además el Motor Diesel No. 3 está por arrancar. En la figura 4.2.1-9 se

observa el siguiente comportamiento:

Existe un flujo de agua de mar que pasa por la carcasa del intercambiador de calor

Los indicadores de presión y temperatura muestran valores normales de operación, por

consiguiente ninguna alarma esta activada


-82-


4.3 Programación del PLC

El PLC que se propone para el control del sistema de lubricación pertenece a la familia SLC

500 de ALLEN BRADLEY. Antes de programar, se tienen que configurar los módulos de

entradas y salidas que se van a utilizar.


-83-

Figura 4-3-1 Configuración de entradas y salidas

La programación se realizó utilizando el lenguaje en escalera. Las funciones que desempeña el

PLC se organizaron en cinco sub programas:

LAD 2 CTL PID

LAD 3 CTL BOMBAS

LAD 4 ALARMAS

LAD 5 COMPARADOR

LAD 6 INDICADOR

En el sub-programa LAD 2 CTL PID se encuentra el control de la válvula que varía el flujo de

agua de mar. Las tres primeras líneas de programación sirven para limitar las señales de

entrada máxima y mínima que envía el transmisor de temperatura para evitar que en el

escalamiento de la señal se generen valores con signo negativo o valores mayores a 16383 bits

los cuales provocan errores en la señal de salida del PID. Esto se hace por medio de una

saturación de la señal que mantiene el escalamiento mínimo en 3277 bits, en caso de que el


-84-

módulo de entradas analógicas reciba una señal menor de 4 mA y el escalamiento máximo en

16383 bits en caso de recibir señales analógicas mayores a 20 mA.

En la línea 0003 del programa se lleva a cabo el escalamiento de la señal del transmisor de

temperatura por medio del bloque llamado “SCP” dentro del que se realiza un cálculo

algebraico que asigna un número entero a cada valor de corriente. De este modo si en la

entrada se recibe 3277 bits, estos generara un valor entero igual a 0 y si se recibe un valor de

16383 bits se generara un valor entero igual a 16383 bits.

El las líneas de programación 0004, 0005 y 0006 se realiza una asignación de un número

entero igual a 1 cuando el Motor Diesel No. 1 o su bomba de pre-lubricación se encuentren en

operación y un número entero igual a 0 cuando cualquiera de estos dos elementos estén

apagados. De las líneas 0007 a la 0015 se lleva a cabo la misma operación para cada uno de

los motores restantes.

En las siguientes tres líneas se realiza una suma algebraica de los números enteros anteriores,

para saber el número de motores y/o bombas de pre-lubricación que encuentran en operación.

A partir de la línea 0019 hasta la 0026 se hace una comparación para determinar el uso del

PID correspondiente.

En la línea 0027 se realiza el escalamiento de la señal de respuesta del PID para llevarla de

nuevo a una señal estandarizada de 4 – 20 mA que es enviada a la salida O:2/0 del módulo de

salidas analógicas al que está conectada la válvula de control.

La línea 0028 envía los valores de la entrada analógica de presión a un número entero (N7:95)

y posteriormente se realiza el escalamiento de las señal del transmisor de presión. La misma

operación se realiza en las últimas dos líneas de este subprograma para obtener el

escalamiento de la señal del transmisor de presión diferencial. Dado que esas señales solo se

utilizan en la interfaz para indicar o determinar las alarmas convenientes, no se necesita saturar

las señales de entrada.


-85-

Figura 4.3-2 Sub-programa LAD 2 CTL PID


-86-

Figura 4.3-3 Sub-programa LAD 2 CTL PID (continuación)


-87-



-88-



-89-

En el sub-programa LAD 3 CTL BOMBAS está el control del arranque y paro de las bombas

de pre-lubricación y la bomba de agua de mar. Su funcionamiento es simple, el arranque es

controlado por un contacto NO y el paro por un contacto NC, además tiene un contacto NC

que se abre cuando hay una sobrecarga en el motor y por ultimo una bobina que se energiza si

el contacto de arranque está cerrado y si el contacto de paro y sobrecarga no están abiertos. La

bobina tiene un contacto NO que cumple con la función de enclavamiento de la misma para

mantener operando el motor de la bomba.


-90-

Figura 4.3-6 Sub-programa LAD 3 CTL BOMBAS


-91-

En el sub-programa LAD 4 ALARMAS se hallan las alarmas de los transmisores, las cuales se

activan si el contacto NO se cierra y energiza la bobina. El contacto es controlado por una

bobina virtual que se energiza cuando el valor del comparador es mayor o menor respecto al

valor programado.

Figura 4.3-7 Sub-programa LAD 4 ALARMAS


-92-

El sub-programa LAD 5 COMPARADOR se encarga de hacer las comparaciones de los

valores que los transmisores de presión, presión diferencial y temperatura envían al PLC para

poder activar las alarmas correspondientes.

Figura 4.3-8 Sub-programa LAD 5 COMPARADOR


-93-

Por último tenemos el sub-programa LAD 6 INDICADOR el cual tiene la función de indicar

mediante el cierre de alguno de los contactos NO, el estado de los Motores Diesel que están

en operación.

Figura 4.3-9 Sub-programa LAD 6 INDICADOR

4.4 Comunicación PLC-HMI

Comunicación del controlador con la Interfaz Hombre-Maquina

La comunicación con los dispositivos del proceso se realiza mediante comunicación de datos

empleando las conexiones disponibles para este propósito. Se usa un software denominado

servidor de comunicaciones, el cual se encarga de construir el enlace entre los dispositivos y

el software de aplicación. La técnica de comunicación en este caso será mediante un servidor

OPC (Ole for Proccess Control).

A continuación se explica la manera en la cual se establece la comunicación entre el

controlador (PLC) y la Interfaz Hombre-Máquina. El primer paso es crear la comunicación


-94-

entre la PC y el PLC. Cabe mencionar que se requiere de un cable tipo serial con los

conectores adecuados realizar la conexión física entre la PC y el PLC.

Para comunicar la PC y el PLC se abre el programa RSLinx Classic Profesional y se crea una

nueva conexión especificando que se utiliza el protocolo de comunicación RS-232. Aparece

una ventana de configuración en la cual se especifica el puerto de comunicación que se va a

reservar para establecer la conexión, el dispositivo q se va a conectar, la velocidad de

comunicación, el número de estación de trabajo, la paridad, el tipo de detección de errores, el

número de bits de paro que se utilizan y el tipo de configuración física del cable que se utiliza.

Figura 4.4-1 Creación de la conexión utilizando el protocolo de comunicación RS-232

La manera más fácil de configurar esta nueva conexión es utilizando el botón “Auto-

configure”. Una vez que se haya completado la configuración de la conexión el programa

RSLinx Classic Profesional debe mostrar la estación de trabajo y el estado del PLC como se

muestra en la figura 4.4-1


-95-

Figura 4.4-2 Detección de la estación de trabajo y del PLC

Para cargar el programa del sistema de lubricación al PLC solo se debe abrir la ventana de

comunicaciones y dar clic en la casilla “Apply to Project” y posteriormente en “Download”.

Dado que el programa se cargó previamente al PLC, solo es necesario dar clic en el botón

“Online” (en línea) para visualizar la dinámica del PLC en la PC.

Figura 4.4-3 PLC en línea


-96-

Después de poner en línea al PLC, la apariencia del programa RSLogix 500 Pro se aprecia

como en la figura 4.4-4. Cuando el PLC está en línea, las líneas de programación cambian de

color azul a color verde, esto significa que la dinámica del PLC es observable.

Figura 4.4-4 PLC comunicado y en línea

Ahora se procede a crear una comunicación de datos mediante un Servidor OPC que permitirá

el intercambio de información entre el PLC y la Interfaz Hombre-Máquina. Para realizar este

tipo de comunicación de datos se abre nuevamente el programa RSLinx Classic Profesional y

se da clic en el icono “Topic Configuration” el cual mostrara una ventana en donde se indican

las estaciones de trabajo y los dispositivos que están disponibles para conectarse como clientes

del Servidor OPC de RSLinx. Para efectuar esta conexión se debe dar clic en el botón “New”

para crear un nuevo “Topic” o Cliente, se le asigna un nombre y se selecciona el dispositivo

que se va a conectar al servidor, después se da clic en el botón “Apply” para dar de alta el

cliente que se acaba de crear.


-97-

Figura 4.4-5 Creación de la comunicación OPC

El siguiente paso es abrir el programa Labview 2010 en donde se creó la interfaz del sistema

de lubricación con la que él operario va interactuar.

Figura 4.4-6 Diseño de la Interfaz Hombre-Máquina


-98-

Una vez que se tiene el PLC en línea se procede a crear el vínculo entre los controles, alarmas

e indicadores de la interfaz y el programa q tiene cargado el PLC. En este caso se creara el

vínculo del switch que controla el arranque y paro de la bomba de pre-lubricación del Motor

Diesel No.1, para hacer esto se abre la ventana de propiedades de este control.

Figura 4.4-7 Ventana de propiedades del switch de la bomba de pre-lubricación del Motor No. 1

A continuación se selecciona la pestaña “Data Binding”, en la cual se selecciona la opción

“DataSocket” y también el tipo de acceso “Read/Write”, con los que se define qué el switch

de control efectuara un intercambio de datos. Después se selecciona el tipo de servidor que se

utilizara.


-99-

Figura 4.4-8 Configuración de la vinculación

Al seleccionar DSTP Server aparece una nueva ventana en la que se muestran los tipos de

servidores con los que se puede establecer una comunicación. Se busca “RSLinx OPC Server”

y se da doble clic, automáticamente se actualizara el estado de este servidor y mostrara la

comunicación con el Servidor OPC de RSLinx que se creó anteriormente. En este servidor se

encuentran los “Data Files” del programa RSLogix 500 Pro, tales como: comandos tipo bits

virtuales B3, contadores C4, datos tipo flotante F8, entradas I1, salidas O0, etcétera.

Figura 4.4-9 Árbol de componentes del RSLinx OPC Server


-100-

En este árbol se buscan las entradas “I1” de la carpeta “Online” y se selecciona el módulo de

entradas I:3 (1746-IM16), se da clic en el botón “OK” y aparecerá la ruta que se utilizara para

llevar a cabo el intercambio de datos, aquí es en donde se especifica la entrada del módulo q se

utilizara. En este caso será la entrada I:3/0 y para finalizar la vinculación se da clic en “OK”.

Figura 4.4-10 Ruta de vinculación

Para comprobar que la vinculación se realizó correctamente vamos a la ventana de la interfaz y

en la parte superior derecha del switch debe aparecer un LED rectangular de color verde tenue,

en seguida se da clic en el icono “Run” para iniciar la interfaz. Al cambiar el estado del switch

ha encendido, el contacto normalmente abierto (NO) con la etiqueta “ENTRADA_1” debe

conmutar su estado en el programa del PLC automáticamente, indicando que está cerrado, y

por consecuencia debe energizar la bobina O:4/0 del módulo de salidas (1746-OW16), lo que

ocasionará que la bomba de pre-lubricación del Motor Diesel No.1 arranque. A menos que los

contactos normalmente cerrados (NC) con las etiquetas “PARO_1” y “SOBRECARGA

_BP_1” se encuentren abiertos provocaran que la bobina O:4/0 no se energice.


-101-

Figura 4.4-11 Comprobación de la vinculación

El procedimiento anterior se repite para los siguientes controles e indicadores:

Los tres switch´s que controlan en encendido o apagado de las tres bombas de pre-

lubricación restantes

El switch que controla el encendido o apagado de la bomba de agua de mar

El indicador de presión después de la bomba de agua de mar

El indicador de temperatura

El indicador de presión diferencial en el intercambiador

El indicador de la apertura de la válvula de control

Los indicadores de los Motores Diesel que están en operación

El indicador de alarma por alta o baja presión después de la bomba de agua de mar

El indicador de alarma por alta o baja temperatura del aceite

El indicador de alarma por alta o baja presión diferencial

El indicador de alarma en caso de que la bomba de agua de mar este apagada si existe

un flujo de aceite en el intercambiador de calor


-102-

Propuesta Económica

CAPÍTULO

5.1 Costos de Instrumentación y Equipo

La siguiente tabla muestra el desglose de precios de la instrumentación a utilizar.

Tabla 5.1-1 Costo de la instrumentación propuesta

INSTRUMENTACIÓN

Descripción Modelo Marca Cantidad Costo (USD)

Transmisor de presión

Recabar S PMC71 Endress + Hauser 1 $ 700

Transmisor de presión

diferencial Deltabar S FMD77 Endress + Hauser 1 $ 375

Transmisor de temperatura

TMT 181 Endress + Hauser 1 $350

Termopar Omnigrad M -TC 10 Endress + Hauser 1 $200

Válvula de Control

GEMU 512 GEMU 1 $ 3125.9

Válvula de compuerta

manual ----- Ebro Armaturen 2 $ 380.4

Válvula de globo manual

----- Ebro Armaturen 1 $ 290.3

5

http://www.ebro-armaturen.com/


-103-

Además de los criterios de selección ya mencionados también se tomó en cuenta el costo de

cada uno de los instrumentos ya que el factor económico es importante para las empresas.

Tabla 5.1-2 Desglose de costos del PLC SLC500

COSTOS TOTALES DE PLC SLC 500 5/03

Descripción Modelo Cantidad Costo (USD) Módulo de entradas

analógicas 1746-NI4 1 $ 831.23

Módulo de salidas analógicas

1746-NO4I 1 $ 1,222.10

Módulo de entradas digitales

1746-IM16 2 $ 1032

Módulo de salidas digitales

1746-OW16 1 $ 400.97


1746-P2 1 $ 607.01

Procesador SLC 500 5/03

1747-L532 1 $ 1,737.20

Chasis para módulos 1746-A7 1 $ 456.52

TOTAL $ 6,287.14

5.2 Justificación Económica de la Implementación de la HMI

El mantenimiento al intercambiador de calor de tubos en “U” es costoso debido a que se

requiere tener varios tubos almacenados para ser remplazados cuando se tapen.

En la siguiente tabla se muestra la diferencia del mantenimiento cuando se tiene un monitoreo

y cuando no se cuenta con él.


-104-

Tabla 5.2-1 Características del mantenimiento

Como se puede observar en la tabla anterior, es más factible realizar el mantenimiento

predictivo que correctivo.

Figura 5.2-1 Intercambiador de calor marca TERNAMIC

El Costo del intercambiador de calor de tubos en “U” es de U$S 9970. El intercambiador tiene

una vida útil de hasta 8 meses.

Tabla 5.2-2 Costos por remplazo del equipo

Inversión realizada sin monitoreo Inversión realizada con monitoreo

Cambio de intercambiador de calor 1 vez cada 8 meses (durante 3 años).

Costos aproximado= U$S 39880

Cambio de intercambiador de calor 1 vez cada 3 años.

Costos aproximado= U$S 9970

MANTENIMIENTO SIN MONITOREO MANTENIMIENTO CON MONITOREO

Se realiza un mantenimiento hasta que se presenta la falla el cual se denomina

mantenimiento correctivo.

Se monitorea el proceso constantemente para corregir posibles fallas antes de que se

presenten.

Es necesario suspender la operación de los motores aplicar el mantenimiento correctivo y

esto puede ocurrir en cualquier momento.

Se detiene el equipo de manera programada y generalmente cuando no se requiera su uso,

para darle el mantenimiento necesario.

Las fallas se presentan en cualquier momento y existen perdidas económicas y de tiempo que

afectan el itinerario.

Únicamente son adquiridas las refacciones necesarias para el mantenimiento.


-105-

Cabe destacar que el tiempo de vida de 3 años en intercambiadores de calor varía dependiendo

de las condiciones de trabajo, es decir, las condiciones climáticas presentes.

5.3 Costos de la Implementación de la HMI

La implementación de una HMI en este caso considera el uso del programa LabVIEW y para

el controlador se requiere el programa que debe adquirirse por separado.

Tabla 5.3-1 Costos de los softwares utilizados

Costos del software

Software Desarrollador Costo (USD)

LabVIEW National Instrumenst $ 1803.54

RSLogix 500 Pro

Rockwell Automation $ 3393.60

TOTAL $ 5,197.14

Las licencias que se cotizaron son licencias profesionales que permiten su uso en proyectos y

desarrollar trabajos para empresas.

En la tabla 5.3-2 se muestra el costo aproximado de la aplicación de una HMI, sin considerar

los costos del personal requerido.

Tabla 5.3-2 Costos totales en instrumentos, controlador y software

CONTROLADOR INSTRUMENTACIÓN SOFTWARE

$ 5771.14 $5421.6 $ 5197.14

Costo total (USD) $16389.78


-106-

CONCLUSIONES

La instrumentación que se propone cumple con las características necesarias para su

aplicación en campo y permite la correcta aplicación de la estrategia de control que se plantea.

La estructura del programa de PLC así como la sintonización del PID son propuestas que

deben adecuarse cuando pretendan implementarse en el sistema de enfriamiento de aceite, ya

que en la simulación no se pueden obtener las mismas condiciones y perturbaciones del

proceso real.

Se presentaron condiciones de trabajo ideales que cambian al trabajar en el proceso real, por lo

que pueden presentarse diferencias en los resultados, sin embargo estos valores pueden

tomarse como base para adecuarlos y aplicarlos a dicho proceso.

El planteamiento del monitoreo continuo observa el funcionamiento del sistema de

lubricación en el ferry de carga “MS European Endeavourde” el cual permite que se generen

registros que permitan tomar decisiones respecto al mantenimiento del intercambiador de

calor.

Se presenta una posible solución al problema de remplazar continuamente los

intercambiadores de calor en el barco, de una manera sustentable por medio del control y

monitoreo, que buscan disminuir las fallas en el intercambiador de calor y alargar el tiempo

de vida útil, los cuales se proponen en este trabajo.


-107-

BIBLIOGRAFÍA

Ogata, katsuhiko. INGENIERÍA DE CONTROL MODERNO. 4ª Edición, Prentice Hall,

España, Año 2003

Ortiz, Frida. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN 1ª Edición. Editorial Limusa,

México, 2004

Creus, Antonio. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL 7ª Edición. Editorial Alfaomega,

México, 2006

Smith, Carlos. CONTROL AUTOMÁTICO DE PROCESOS. Editorial Limusa, México 200


-108-

ANEXOS


-109-

ANEXO 1

ESPECIFICACIONES DEL AGUA DE MAR

En general, la solución del agua de mar puede aproximarse a una solución 0,5 M de NaCl. Los

efectos más importantes de las sales disueltas son disminuir el punto de congelación y el

relativo al máximo de densidad (4º C para el agua). Esta condición se produce porque las sales

disueltas impiden la formación de grupos ordenados de moléculas, de modo que la densidad es

controlada exclusivamente por los efectos de la expansión térmica.

Dicho efecto constituye un elemento fundamental de distinción entre las aguas dulces y las

salinas, e incide de manera importante en la circulación oceánica y la formación de los hielos

en las áreas polares.

Del total de radiación electromagnética procedente del sol, sólo el 0,25% llega al mar y al

suelo. Esta cantidad sería suficiente para hacer aumentar la temperatura del primer metro de

agua en más de 3º C diarios si no interviniera la mezcla que se da en la superficie, que

transfiere parte del calor absorbido a las capas inmediatamente inferiores y a la atmósfera. Este

mecanismo, junto a la elevada capacidad térmica del agua de mar, impide los fuertes cambios

de temperatura que se observan en el suelo entre el día y la noche. De hecho, la luz solar no

penetra mucho en profundidad.

Los intercambios de calor tienen lugar en la capa superficial y puede considerarse al océano

como un sistema ineficiente desde el punto de vista termodinámico. La pérdida de calor de la

superficie oceánica se realiza durante el día y la noche, y en todas las estaciones, mediante tres

procesos fundamentales:

La radiación hacia el espacio, a la que contribuye la reflexión que para el mar es muy

pequeña (hasta el 3% de la radiación incidente), mientras que sobre el suelo es muy

alta (hasta el 90% para la nieve).

La evaporación del agua.

El caldeamiento de la atmósfera.


-110-

El calor latente de evaporación sustraído a la superficie durante dicho proceso es devuelto a la

atmósfera cuando el vapor de agua se condensa en lluvia o nieve en las capas superiores de la

misma. Finalmente, una pequeña parte del calor es transferida por conducción a la atmósfera

que, al menos en sus capas más bajas, se calienta. Por lo general, la superficie del agua

oceánica es más caliente que la capa de aire en contacto con ella (aproximadamente 1º C).

Las capas superficiales del mar son las que están sometidas a las variaciones térmicas

estacionales más amplias, en particular en las zonas templadas, pero por debajo de los 150-200

m desde la superficie los efectos directos de la radiación solar se extinguen, y el campo

térmico por debajo de los 1000 m resulta prácticamente constante. La temperatura en

superficie, además de variar durante el mismo día (en hasta algunos ºC) depende obviamente

de la alternancia de las estaciones, de la cercanía de los bloques continentales, de la acción del

viento y de las corrientes, de la nubosidad y en general, de todos los factores climáticos que

interfieren en la irradiación solar. Las temperaturas superficiales más altas se observan en las

áreas ecuatoriales, con un gradiente negativo según nos desplazamos hacia el norte y el sur,

hacia las áreas polares.

Como consecuencia del caldeamiento de la superficie oceánica se origina una estructura

térmica en tres capas: una capa superficial mezclada, en la que el calor debido a la irradiación

solar se transmite en profundidad a causa de la mezcla producida por los vientos; una zona de

transición en la que la temperatura disminuye de modo repentino (termoclina permanente), y

una zona profunda en la que la temperatura se mantiene relativamente constante alrededor de

las 2-3º C al aumentar la profundidad. A dicha profundidad el efecto de la presión hidrostática

influye sobre la temperatura, que alcanza valores de algunos grados por encima de la que

tendría si fuera transportada adiabáticamente a la superficie.

En los mares templados, como por ejemplo el Mediterráneo, durante los meses de julio a

septiembre se forma una termoclina estacional, cerca de la superficie, entre los 25 y los 40 m

de profundidad, que desaparece durante el invierno. Su importancia para los procesos

biológicos es enorme. La presencia de un fuerte gradiente de temperatura (de más de 10 º C)


-111-

en pocos metros de la columna de agua e inmediatamente por debajo de la capa superficial

mezclada da asimismo lugar a fuertes incrementos de densidad (picnoclina).

Comportamiento de la densidad en las aguas respecto a su profundidad.


-112-

ANEXO 2

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN

Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y

tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos siguientes

categorías: carcasa y tubo o plato. Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos

presenta ventajas o desventajas en su aplicación.

• Carcasa y tubo

La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de tipo tubo y

carcasa.

Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor llamado

carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente flujo interno y

aquel que fluye en el interior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los

extremos de los tubos, el fluido interno es separado del fluido externo de la carcasa por la(s)

placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello

adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia entre sus presiones,

el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a través de los tubos y el líquido con

una presión más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los costos en

materiales, los tubos del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones

más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de soporte

(support plates) mostradas en figura (1) también actúan como bafles para dirigir el flujo del

líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a través de los tubos.

• Platos

El intercambiador de calor de tipo plato, consiste de placas en lugar de tubos para separar a los

dos fluidos caliente y frío Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas

y los bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las placas tiene un

área superficial muy grande, las placas proveen un área extremadamente grande de


-113-

transferencia de térmica a cada uno de los líquidos .Por lo tanto, un intercambiador de placa es

capaz de transferir mucho más calor con respecto a un intercambiador de carcaza y tubos con

volumen semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que la de los

tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en la transferencia de calor,

es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos para la misma capacidad de intercambio de

calor.

Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente debido a la

inhabilidad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de las placas. Debido a este

problema, el tipo intercambiador de la placa se ha utilizado solamente para aplicaciones donde

la presión es pequeña o no muy alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para

máquinas. Actualmente se cuentan importantes avances que han mejorado el diseño de las

juntas y sellos, así como el diseño total del intercambiador de placa, esto ha permitido algunos

usos a gran escala de este tipo de intercambiador de calor. Así, es más común que cuando se

renuevan viejas instalaciones o se construyen nuevas instalaciones el intercambiador de la

placa está substituyendo paulatinamente a los intercambiadores de carcaza y tubo.

Tipos de intercambiadores de calor según su operación

Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas, tamaños, materiales de

manufactura y modelos, estos son categorizados de acuerdo con características comunes. Una

de las características comunes que se puede emplear es la dirección relativa que existe entre

los dos flujos de fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.

• Flujo paralelo.

Existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de los tubos y el flujo externo o de la carcasa

ambos fluyen en la misma dirección. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por

el mismo extremo y estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor

se transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura, la


-114-

temperatura de los fluidos se aproxima la una a la otra, es decir que uno disminuye su

temperatura y el otro la aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos.

Debe quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del

fluido más caliente.

• Contraflujo

Se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido

opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el

fluido con menor temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo

donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío se aproximará

a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente

que los otros dos tipos mencionados anteriormente. En contra con el intercambiador de calor

de flujo paralelo, el intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en

el fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la transferencia

de calor en el intercambiador

• Flujo cruzado

Como en el intercambiador de calor de flujo cruzado uno de los fluidos fluye de manera

perpendicular al otro fluido, esto es, uno de los fluidos pasa a través de tubos mientras que el

otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90◦ Los intercambiadores de flujo

cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de fase y por tanto

se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases bifásico.

Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de condensación de vapor,

donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra como flujo externo a la carcasa del

condensador y el agua fría que fluye por los tubos absorbe el calor del vapor y éste se

condensa y forma agua líquida. Se pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al

utiliza este tipo de intercambiador de calor.


-115-

En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente de flujo

paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son comúnmente una combinación de los dos o

tres tipos de intercambiador. Desde luego, un intercambiador de calor real que incluye dos, o

los tres tipos de intercambio descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La

razón de incluir la combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del

intercambiador dentro de las restricciones propias del diseño, que son: tamaño, costo, peso,

eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y presiones de operación, que permiten

establecer la complejidad del intercambiador.


-116-

ANEXO 3

ESPECIFICACIONES API CF

El API (American Petroleum Institute) Instituto Americano del Petróleo es una organización

técnica y comercial que representa a los elaboradores de productos de petróleo en los E.E.U.U.

A través de su asociación con la SAE (Society of Automotive Engineers) Sociedad de

Ingenieros Automotrices y ASTM (American Society for Testing of Materials) Sociedad

Americana para Ensayos de Materiales, han desarrollado numerosos ensayos que se

correlaciona con el uso real y diario (motores/vehículos).

Cada motor tiene, de acuerdo con su diseño y condiciones de operación, necesidades

específicas que el lubricante debe satisfacer. Se puede entonces clasificar a los aceites según

su capacidad para desempeñarse frente a determinadas exigencias.

API ha desarrollado un sistema para seleccionar y recomendar aceites para motor basado en

las condiciones de servicio.

Cada clase de servicio es designada por dos letras. Como primera letra se emplea la “S” para

identificar a los aceites recomendados para motores naftenos, para autos de pasajeros y

camiones livianos “Service” y la letra “C” para vehículos comerciales, agrícolas, de la

construcción y todo terreno que operan con combustible diesel “Comercial”.

En ambos casos la segunda letra indica la exigencia en servicio, comenzando por la “A” para

el menos exigido, y continuando en orden alfabético a medida que aumenta la exigencia.

Castrol MHP excede las especificaciones API CF, ofreciendo una mayor detergencia

(desplazamiento, con ayuda de una solución acuosa, de toda clase de contaminaciones

grasosas situadas sobre superficies sólidas como textiles, metales, vidrio, piel etc.) y la

estabilidad oxidativa, un rendimiento mejorado a altas temperaturas. Este producto también

presenta gran capacidad de carga, lo cual le permite ser utilizado como un aceite común para

motor y sistemas de transmisión.


-117-

ANEXO 4

ESPECIFICACIÓN DE VISCOSIDAD SAE 40

La Sociedad de Ingenieros Automotrices SAE clasifica a los aceites de acuerdo a la

viscosidad del lubricante y los divide en: monogrados (a estos se les asigna un número el cual

es indicativo de su viscosidad) y multigrados (se les asigna dos números y entre ellos se coloca

la letra W de Winter que significa invierno en inglés).

Los aceites monogrados tienen la característica de que su viscosidad cambia de manera

importante con la temperatura, cuando ésta baja, su viscosidad se incrementa y cuando

aumenta su viscosidad disminuye.

Entre los aceites monogrados se tienen:

SAE40 Usado en motores de trabajo pesado y en tiempo de mucho calor (verano)

SAE30 Sirve para motores de automóviles en climas cálidos

SAE20 Empleado en climas templados o en lugares con temperaturas inferiores a 0°C,

Desde 1964 se utilizan aceites multigrados en los motores. Estos aceites tienen la

característica de que su viscosidad también cambia con la temperatura pero lo hacen de una

manera menos drástica que los aceites monogrados.


-118-

ANEXO 5

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL TRANSMISOR DE PRESION

DIFERENCIAL FMD77


-119-

ANEXO 6

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL TRANSMISOR DE PRESIÓN


-120-


-121-

ANEXO 7

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL TRANSMISOR DE TEMPERATURA


-122-


-123-

ANEXO 8

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL TERMOPAR

Documents

“APLI A IÓN DE UN SISTEMA DE MONITOREO …...2.2.2 Función de Transferencia del Intercambiador de Calor 29 2.2.3 Función de Transferencia de la Válvula de Control 32 2.3 Propuesta