DISPOSITIVOS Y CIRCUITOS ELETRÓNICOS II

IV Ciclo

“PROYECTO: intercambiador de calor”

INFORMEIntegrantes:

VALENCIA CAMAYO, Willy ArnoldAYALA VEGA, Diego

Grupo: C15-4-B

Profesor:Francisco Camacho Jiménez

Semana 17Fecha de entrega: 13 de octubre del 2014

2014-II

OBJETIVOS

- desarrollar un proyecto en base a todos los conocimientos adquiridos durante

todo el ciclo sobre los cursos de control automático y dispositivos electrónicos

2.

- comprender cada diagrama de bloques del proceso, en el cual muestra el orden

y la estructura correcta.

- comprender el manual sobre el la tarjeta fpga (spartan 3ª started kit), para

poder desarrollar diversas funciones necesarias en el proyecto.

- aprender a diseñar la parte mecánica del proyecto, que en este caso se

emplearon diversos tipos de tubos con distintas conexiones

INTRODUCCION

Actualmente podemos encontrar diversas empresas las cuales son las encargadas de fabricar productos, los cuales están elaborados a base de diversos procesos que necesitan ser controlados, tales como temperatura, presión, flujo, etc. es por ello que en este presente proyecto lo que se buscara es desarrollar la forma de controlar la temperatura de un fluido, que en este caso es el agua, por lo cual se empleara mediante los conocimientos adquiridos en los cursos de dispositivos electrónicos 2 y control automático 1,el diseño de un intercambiador de calor.

El intercambiador de calor está basado en la idea de tener dos flujos uno frio y otro caliente, en el cual el fluido frio permanecerá constante a una temperatura establecida, mientras que el fluido caliente, es el que será controlado empleando diversos bloques esquemáticos, en el cual el fundamental es el empleo del sensor de temperatura lm35 el cual relaciona de la variación de cada °C, por cada 10 mV. Por otro lado para controlar el caudal de los dos flujos, se necesita emplear pequeñas bombas centrifugas, es por ello que para evitar la compra de estos equipos costosos, se fabricara una bomba centrifuga cacera, en la cual se emplea conocimientos sobre el funcionamiento de este aparato y sobre las técnicas de fabricación para que sea eficiente en su funcionamiento.

El presente proyecto se dividirá en dos partes, la primera que la parte mecánica, en el cual se buscara la fabricación del diseño de la parte de los motores, tubos que servirán para conducir los flujos y los recipientes que contendrán a estos. por otro lado se encuentra la parte electrónica, en la cual se buscara el diseño de la parte de control y lógica que se empleara para generar el funcionamiento deseado del intercambiador de calor.

PROCEDIMIENTO

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Este proyecto integra diversos temas tocados hasta el día de hoy, tales como el modo de control PID de un proceso, en donde aplicamos conocimiento en tecnología para el control de temperatura, es por ello que en este caso nos centramos únicamente en dos caudales de entrada, uno de agua caliente, el otro de agua fría, y uno de salida a una determinada temperatura, la cual es la que se requiere obtener

Figura 1.

Como se aprecia en la figura 1 lo que se pretende hacer es por tubos mandar agua fría y por el intercambiador en si mandar agua caliente, que la mezcla de ambas juntas a la salida será agua a una temperatura pre establecida por el usuario.

En otras palabras, en este presente proyecto se debe considerar que para poder realizarlo adecuadamente, nos basaremos en dos estructuras, la primera la parte mecánica y la otra será la parte electrónica.

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA:

Del proceso de intercambiador llevado a cabo del proceso se diseño lo siguiente donde el Set point seria a la temperatura que el usuario quiere llegar de tal modo que esto e ingresa a un dac para su procesamiento y llevado a la entrada del PID que seria el restador, donde se encontrara con la informacion que le viene del sensor que mide costantemente al proceso, esto se resta con el valor de Set Point y seguidamente ingresa al PID no interactivo, el cual a la salida nos dara voltaje para que el proceso se regule a la temperatura que se esta deseando.

Despues de esto de la salida del PID entra a la parte de pwm en el VHDL en el cual se programo un PWM (modulador por ancho de pulsos), el cual se encuentra conectado con el DAC para que a la salida nosotros tener una salida en voltaje con un rango el cual nosotros podamos amplificar y mover un motor que suministre mas o menor agua caliente, según el proceso lo requiera.

PARTE MECANICA:

DISEÑO GENERAL DEL TUBO

FIGURA 1

El diseño de cabezal flotante interno se utiliza mucho en las refinerías petroleras, pero su uso ha declinado en años recientes. En este tipo de cambiador de calor el haz de tubos y el espejo flotante se desplaza (o flota) para acomodar las dilataciones diferenciales entre la coraza y los tubos.

FIGURA 2

En la imagen se puede er la parte interna del intercambiador como es que se conforma y el diseño exacto que hemos sguido para llevar a cabo el proyecto, de esta manera conjuntamente con la aplicación en el sector petrolero

Se realizo los agujeros de modo que las manguearas ingresaron por los orificio superiores haciendo que al salir las mangueras por la parte inferior de los orificios facilitando y haciendo en cada tramo como se muestra en la Figura3 .

fogura 3

Se Pre armo la tuberia, la cual sera el armazon del intercambiador de alor que se esta implementando, debido a ello dividios y enumeramos cada parte de la tuberia para que estas sean correctamente implementadas. Donde se utilizaria pegamento de tuberia para que se hermetice para que soporte fugas y presiones

figura 4

Como se aprecia en la figura siguiente vemos que la estructura se encuentra subdividida en seis partes de tramos de tubos, que posteriormente serán unidos con pegamento, de manera tal que nos representan el chasis del intercambiador de calor diseñado para la mejor transferencia de calor.

figura 5

En la figura vemos como se hacen cada parte del intercambiador, tanto la parte superior como la inferior como se tienen que pasar cada tubo y para finalmente terminar con la estructura se juntan ambas partes de arriba y abajo

figura 6

En esta imagen vemos cómo es que se va doblando de manera tal que el intercambio de calor sea uniforme y debidamente efectivo.

figura 7

Por la taba delantera vemos que los tubos transparentes estan pasando por debajo para luego por la parte superior salgan y se junten teniendo una parte dividida por donde entrara el agua caliente y la otra por donde saldra el agu entiviada a cierta temperatura que nosotros queramos.

figura 8

MOTOR DE BOMBA CENTRIFUGA:

Una bomba centrifuga es aquella maquina generadora que transforma la energía que generalmente es mecánica, para poder algún fluido y así poderlo desplazar.es por ello que para el desarrollo del proyecto se aplicara dichos conocimientos. Primeramente se tendrá que usar una bomba centrifuga para controlar al fluido de agua fría y otra para el de agua caliente, las cuales deberán ser instaladas adecuadamente en el tubo ya

elaborado, asimismo se debe tomar en consideración que los tubos que salen de las bombas de agua deben estar realimentándose constantemente.

figura 9 figura 10

CALENTADOR DE AGUA:

En esta parte se necesitara el uso de un calentador de agua, por lo cual se usara una hervidora eléctrica, esta hervidora posee internamente una resistencia la cual está alimentada con tensión alterna de 220 vac para así variar la temperatura del liquido

figura 11

MATERIALES:

Pegamento para tubería, para evitar fugas, soporta presión del agua.

Conectores de manguera para las entradas y salidas de agua fría y caliente

PARTE ELECTRONICA:

En esta parte del proyecto, se debe considerar muchas cosas muy importantes, además de resaltar que son las más importantes, ya que solo con estas se podrá lograr que el proyecto funcione adecuadamente, por lo cual se partirá con dividir esta etapa en bloques de circuitos, los cuales cumplirá una función muy importante en el desarrollo y a partir de estas se podrá generar el funcionamiento óptimo y adecuado.

1) MODO DE CONTROL PID (proporcional integral derivativo): el pid es un modo de control el cual es la base del adecuado desarrollo del proyecto, primeramente se sabe que mediante este, lo que se busca calcular es la desviación o error entre un valor medido y el valor que se quiere obtener (SET POINT), para lo cual se necesitara de que el PV sea arrojado por el sensor lm35 y el set point será generado, a partir de un teclado con un DAC, es así que estos dos valores serán comparados y se buscara obtener un error mínimo o cercano a 0, para esto se necesita realizar su respectiva sintonización y así encontrar los valores adecuados de TD ,Ti Y KP, los cuales son las constantes de cada parte del pid. asimismo el pid que se va a implementar será uno de tipo analógico, para lo cual se necesitara el uso de los opanes TL081 y las respectivas resistencias y condensadores.

figura 12

en esta figura se muestra el esquema general del modo de control, en el cual está involucrada la parte del PID y la parte del proceso la cual arrojara una respectiva función de transferencia dependiendo del proceso en el que se este utilizando

1.1) PID NO INTERACTIVO: este tipo de pid es uno de los más utilizados actualmente para los diversos procesos, es por ello que en esta ocasión este es el que se utilizara, para lo cual se debe considerar que el procesos con el que se trabaja es la temperatura, es decir es lento y es así que se debe tomar las condiciones adecuadas para su respectiva sintonización.

Figura 13

En esta figura número 3 lo que se observa es el esquema general del PID no interactivo, el cual consta de la suma del error con la parte derivativa e integrativa,

para luego pasar a multiplicarse con la constante del proporcional y así obtener la ecuación de la salida que se muestra.

figura 14

En esta imagen se puede observar el esquema del pid no interactivo, el cual consta de 6 opanes tl081, los cuales cumplen una importante función, es por ello que se explicaran a continuación:

a) RESTADOR: en esta parte lo que se genera es la resta entre el SP y el PV del proceso de temperatura, es por ello que en la imagen se puede observar que el opam de la figura siguiente está sumando dos señales, una que es la del SP y la otra q es una señal invertida del PV .

Figura 15

b) PROPORCIONAL: Esta parte pertenece al modo de control, el cual involucra una amplificación de la señal del error, es por ello que para su implementación analógica se utiliza un opam con una amplificación aún desconocida ya que se necesita sintonizarlo, es por ello que se utilizara el potenciómetro.

Figura 16

c) INTEGRAL: proporciona una corrección para compensar las perturbaciones y mantener la variable controlada en el punto de consigna (sp), es por ello que para su implementación se utiliza la configuración integrativa en el opam tl081, la cual necesita la utilización de un condensador tal como se muestra en la figura siguiente.

Figura 17

d) DERIVATIVA: Anticipa el efecto de la acción proporcional para estabilizar más rápidamente la variable controlada después de cualquier perturbación, es por ello que para el esquema se necesitó el uso del opam tl081 y su respectivo condensador para poder instalarlo tal como la figura siguiente.

figura 18

e) SUMADOR: la función de esta parte del PID, es que las señales que se obtienen por la parte integrativa y la derivativa, tienen que ser sumadas para que así sean multiplicadas por la constante proporcional, es así que se necesita el uso de un opam tl081 que servirá para realizar esta acción, cabe resaltar que la señal que sale se invierte y así se obtiene la señal normal.

Figura 19

f) INVERSOR: Se sabe que para generarse la acción del estado, se necesita que la señal del pv sea invertida y así sumarla con la del SP, es por ello que este opam lo que hará solo será invertir la señal, por lo cual se conecta la resistencia de igual valor para tener una amplificación de 1, esta parte se muestra en la siguiente figura.

figura 20

1.1.1) PARTE DE MEDICION (PV): en esa parte lo que se buscara es crear las configuraciones necesarias para poder mostrar en la pantalla LCD la temperatura que se está captando en el sensor de temperatura LM35.

SENSOR A UTILIZAR: el sensor que se escogió fue el LM35, ya que debido a su pequeño tamaño facilita su utilización, además de que el comportamiento que adopta es parecido al de una termocupla, ya que por cada °C de variación, entrega una variación de 10 mV, es decir la relación que existe es directamente proporcional, además que su rango de medición abarca entre -55°C hasta 150°C. Pero en este caso se trabajara en un rango de 0 a 90 °c, debido a que el fluido que se usara será el agua. para poder usarlo adecuadamente, es necesario tener la hoja de este componente.

Figura 21

En esta figura se puede observar como es la configuración de este sensor para poder utilizarlo en la medición de la temperatura, en donde posee tres pines, el primer pin, va conectado a la fuente de alimentación, el segundo pin a tierra y el tercer pin, es la salida, en la cual se obtendrá los milivoltios generados al variar la temperatura. Asimismo se debe considerar que la señal que va ingresar al PV tiene que ser en un rango de 2 a 9 v, por lo cual se necesita la utilización de un amplificador no inversor que amplifica 10 veces la señal, tal como se muestra en la siguiente imagen.

FIGURA 22

Amplificación x 10, en donde R1 =10k, RF=90k

AV=1+RF/R1

En esta figura se puede observar que la señal que arroja el sensor de temperatura lm35, debe ir conectada a la entrada vi del opam, para que así se pueda amplificar 10 veces y poder obtener el rango de voltaje deseado por la salida v0 del mismo

Figura 23

En esta figura se puede apreciar la hoja de datos del sensor, ya que solo así se podrá entender como es su funcionamiento y poder aplicarlo adecuadamente en la medición del fluido caliente.

1.1.2) GENERACIÓN DEL SET POINT: se sabe que para poder tener el error se debe restar el SP con el pv, para lo cual se tendrá que buscar que el SP sea en miliviltios. Es por ello que se optó por usar un teclado matricial 4x4 y un integrado codificador (74922) que ayudara a obtener 4 bits en salida y así facilitar el número de entradas que se tendrá que usar en el fpga, asimismo se sabe que estos 4 bits tendrán que entrar a una lógica que se ejecutara en lenguaje vhdl, para que así pueda entrar al DAC de este mismo y poder lograr obtener el SP en voltios.

1.1.2.1) TECLADO MATRICIAL: este teclado está configurado en forma de matriz, es decir que posee 4 filas y 4 columnas las cuales normalmente se encuentra abiertas y solo al momento de presionarlas se generar el contacto, pero lo que en realidad se busca es que por cada tecla que se presión en la salida se deba obtener el numero en su configuración de 4 bits, para lo cual se necesitara de un codificador 74922.

Figura 24

1.1.2.2) CODIFICADOR 74922: está diseñado especialmente para codificar los valores que se generan al presionar el teclado matricial, es por ello que en la salida se podrá obtener todas las posibles combinaciones que se generarían al presionar dicho teclado.

1.1.2.3) ESQUEMA GENERAL DEL TECLADO Y CODIFICADOR: para poder realizar la configuración adecuada se necesitó de buscar la hoja de datos del codificador 74922, en la cual mostraba como deben ser las conexiones adecuadas para poder obtener lo que se requiere, el presente esquema se presenta a continuación:

figura 25

en esta imagen del esquema se puede observar que del teclado matricial salen 4 líneas q son las filas y otras 4 líneas que son las columnas, estas van conectadas a x1…..x4 y y1….y4 respectivamente, además poseen sus osciladores, los cuales deben de ser cerámicos y van en los pines 6 y 5 del integrado, asimismo del pin 12 que es la habilitación de la data puede ir conectado a un inversor y después al pin 13 pero esto hará que cuando se deje de presionar la tecla se desactivara la información, por lo cual no es lo que se busca, es por ello que en este caso el pin 12 ira conectado directamente al pin 13 y así la información solo se reseteara cuando se presione otra tecla.

1.1.2.4) CONVERTIDOR DIGITAL ANALOGO: se sabe que para poder generar el set point, es necesario la utilización de este conversor, ya que el teclado genera los 4 bits,

es por ello que para un fácil y rápido diseño, se implementó este DAC con dos opanes, el primero que servía para poder realizar dichas conversiones y el segundo que solo era para invertir la señal que se iba generando, es por ello que en la figura 26 se puede apreciar la configuración del primer opam el cual cumple una función de sumador, con diferentes ganancias en cada parte. en nuestro caso se alimentó le opam con 9 voltios para que asi se pueda tomar como referencia q a esa tensión que es la lógica 1111 en binario, represente los 90 °c del proceso del intercambiador.

figura 26

2. LENGUAJE VHDL PARA EL FPGA:

el uso del lenguaje vhdl, sirve para poder programar toda la lógica necesaria que se requiere que posee el proyecto que se desea realizar, es por ello que en esta ocasión que se trabajó con un intercambiador de calor, se buscó implementar un PWM, el cual sirva para poder regular la velocidad del motor de agua caliente y así obtener la temperatura que se desea . Asimismo se tiene que usar el DAC Y ADC para poder dar la lógica necesaria del pwm, por otro lado también para transformar la señal a analógica y poder accionar el motor de bomba centrifuga de fluido caliente.

Se utilizaron 5 entradas y una salida, las primera cuatro entradas sirvieron para poder ingresar los 4 bits generados por el teclado matricial, asimismo una entrada analógica que será generada de la salida del PID (out), el cual se encuentra en voltaje, por otro lado en cuanto a las salidas, se tomara solo una de tipo analógico, ya que con esta se podrá controlar la velocidad del motor de bomba centrifuga.

al momento de conectar las entradas o salidas de los circuitos externos con las del fpga, es recomendable colocar un optocoplador para que así se pueda proteger dicha tarjeta, en este caso se usó el siguiente diagrama.

Figura 27

en esta figura 27 se puede apreciar el esquema del optocoplador usado, en este caso se usó el opto Darlington 4n33, es así que cuando el led que posee internamente se enciende, saturara al Darlington y así hará que funcione como interruptor, pero el problema es que cada vez que no se sature el Darlington, se estará mandando una señal que sale del pin 5 , es por ello que se necesita emplear un inversor (7404), para poder invertir dicha señal.

VHDL MODULE (PWM)

TEST BENCH

COMENTARIO

SIMULACIÓN

COMENTARIO

En la figura se muestra el resultado de la simulación ejecutada durante 30 us de pueba.

OBSERVACIONES:

- para poder usar adecuadamente el fpga, es necesario hacer la programación en lenguaje vhdl y compilarlo adecuadamente mediante el diagrama de tiempos, el cual muestra si es la lógica que se espera obtener.

- para poder conectar los circuitos externos con las entradas y salidas del fpga, se recomendó el uso de un optocoplador para evitar daños a la tarjeta.

- al momento de diseñar el esquema de los optocopladores para las entradas y salidas, se debe considerar que se deben colocar dos tierras diferentes, una que es del mismo fpga y la otra que es de la fuente de alimentación que se usara.

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