Introducción a los controles automáticos en los procesos térmicos (I)

La importancia de los controles automáticos en los procesos térmicos que trabajan con fluidos térmicos es enorme hoy en día. Nos referimos a una disciplina que abarca el control de variables tales como temperatura, presión, caudal, nivel y velocidad. En este nuevo artículo sobre los procesos térmicos vamos a introducir los controles automáticos, centrándonos fundamentalmente en la eficiencia energética, y abordaremos la descripción en dos partes diferenciadas:

·         Sistemas de control de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

·         Control de procesos.

Ambas son cuestiones inmensas ya que el rango de control va desde las simples cocinas a completos sistemas de producción o procesos como los de los grandes complejos petroquímicos.

¿Cómo se controlan los procesos?

El control generalmente se logra mediante la variación del caudal de los fluidos mediante válvulas de accionamiento.  Para los líquidos el requisito habitual es medir y responder a los cambios de temperatura, presión, nivel, humedad y caudal.  Casi siempre, la respuesta a los cambios en estas propiedades físicas debe conseguirse en un tiempo determinado. Pero el control de los fluidos no se limita a las válvulas.  Algunos caudales del proceso son manipulados por la acción de las bombas de velocidad variable o ventiladores.

¿Por qué son necesarios los controles del proceso?

Hay tres razones principales por las que se requieren controles automáticos:

·   Seguridad - La planta o proceso debe ser de operación segura. Cuanto más compleja o peligrosa es la planta o proceso, mayor es la necesidad de controles automáticos y respetar los procedimientos.

·    Estabilidad - La instalación o procesos deben trabajar de manera constante, predecible y repetible, sin fluctuaciones ni paradas imprevistas.

·    Precisión - Este es un requisito fundamental en las fábricas y los edificios para evitar el deterioro, mejorar la calidad y los niveles de producción, y mantener el confort.

Elementos de un control automático

Los elementos de un control automático son los siguientes:

·         Controlador.

·         Sensor.

·         Actuador.

·         Dispositivo controlado.

·         Proceso.

El error o diferencia entre el punto de consigna y el valor real que se denomina desviación.  Cuando la desviación es constante, o el estado de equilibrio, se denomina desviación sostenida o compensación.

Control automático

Condiciones que pueden ser controladas son la temperatura, presión, humedad, nivel o caudal.  Esto significa que el elemento de medición podría ser un sensor de temperatura, un transductor de presión o un transmisor, un detector de nivel, un sensor de humedad o un sensor de flujo.

Las variables manipuladas pueden ser vapor, agua, aire, electricidad, petróleo o gas, contra el dispositivo controlado que puede ser una válvula, un registro, bomba o ventilador. A los efectos de demostrar los principios básicos, nos centraremos en las válvulas como el dispositivo de control y en la temperatura como la condición controlada, con sensores de temperatura como el elemento de medición.

 Componentes de un control automático

En un sistema de control básico el sensor da señales del controlador.  El controlador, que puede tomar las señales de más de un sensor, determina si se requiere un cambio en la variable manipulada, sobre la base de estas señales.  A continuación, los comandos del actuador mueven la válvula a una posición diferente, más abierta o cerrada dependiendo de las necesidades.

Los controladores se clasifican generalmente por su fuente de energía, eléctrica, neumática, hidráulica o mecánica.

Un actuador puede ser un motor. Los actuadores, de la misma manera como los controladores, también se clasifican por las fuentes de energía que los de alimentan.

Las válvulas se clasifican por la acción que utilizan para llevar a cabo la apertura y cierre del orificio del caudal, y por las configuraciones de su cuerpo. Por ejemplo, si consisten en un eje deslizante o un movimiento de rotación.

Modos de control

Un control de temperatura automático puede consistir en una válvula, actuador, controlador y sensor detectando la temperatura del espacio en una habitación. El sistema de control está en equilibrio cuando el sensor de temperatura del espacio no registra más o menos temperatura que la requerida por el sistema de control. Lo que ocurre a la válvula de control cuando los sensores registran un cambio de temperatura depende del tipo de sistema de control usado. La relación entre el movimiento de la válvula y el cambio de la temperatura en el medio controlado se conoce como el modo de control o acción de control.

Hay dos modos básicos de control:

·   On/off – La válvula está completamente abierta o completamente cerrada, sin estados intermedios.

·   Continuo – La válvula puede moverse entre completamente abierta o completamente cerrada, o puede mantenerse en una posición intermedia. El control continuo a menudo se denomina control modulante. Esto significa que la válvula es capaz de moverse continuamente para cambiar el grado de apertura o cierre de la válvula. No solamente se mueve a completamente abierta o cerrada, como con el control on-off.

Hay tres acciones de control básicas que pueden aplicarse a un control continuo:

·         Proporcional.

·         Integral.

·         Derivativo.

También es necesario considerar combinaciones tales como P+I, P+D, P+I+D. Es importante recordar que tanto las acciones integral como derivativa son usualmente funciones correctivas de una acción de control proporcional básica.

·       Control proporcional: Es el modo más básico dentro del control continuo y usualmente es referido con la letra “P”. El principio de un control proporcional es controlar el proceso cuando las condiciones cambian.

El control proporcional se caracteriza por:

·    Cuanto más grande es la banda proporcional, el control es más estable, pero mayor es la compensación.

·   Cuanto más estrecha es la banda proporcional, menos estable es el proceso, pero más pequeña la compensación.

El propósito a conseguir será introducir la banda proporcional aceptable más pequeña que siempre mantendrá el proceso estable con la mínima compensación.

El uso del vapor

El uso del vapor es ambientalmente responsable. Las empresas continúan eligiendo vapor porque generan alta eficiencia en el uso del combustible. Pero los controles ambientales son cada vez más exigentes, por lo que todas estas cuestiones deben considerarse durante el diseño y fabricación de plantas de vapor.

¿Cómo afectan los costes de operación y mantenimiento del sistema de vapor?

Una planta de caldera centralizada es altamente eficiente y puede incluso usarse con residuos como parte de una planta de ciclo combinado de energía eléctrica y calor.

Los equipos de vapor típicamente disfrutan de una larga vida, siendo usuales cifras de treinta años o más con bajo mantenimiento.

Las plantas de vapor modernas pueden ser automatizadas completamente. Esto recorta dramáticamente los costes operacionales de la planta. Los controles sofisticados del equipo aseguran que la planta funciona con alta eficiencia energética y bajos requerimientos operacionales.

El vapor es ideal en grandes instalaciones porque puede generarse de forma centralizada a alta presión y distribuido a largas distancias, reduciendo la presión en el punto de uso. Esto significa que una única caldera de alta presión puede usarse para todas las aplicaciones del hospital. Por ejemplo, el calor puede usarse para humidificación de aire, cocinar alimentos en grandes cantidades y esterilización de equipos.

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