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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACION

TESIS

CONTROL DE TEMPERATURA PARA UN

EVAPORADOR DE OXÍGENO MEDICINAL

QUE PRESENTAN:

MAULEÓN CORTÉS LUCIA

MELÉNDEZ MUÑOZ JULIO CÉSAR

RAMÍREZ LÓPEZ MIGUEL ÁNGEL

ASESORES:

DR. IGNACIO CARVAJAL MARISCAL

M. EN C. RUBÉN VELÁZQUEZ CUEVAS

MÉXICO D.F. DICIEMBRE 2011

ÍNDICE

OBJETIVO GENERAL. I OBJETIVOS ESPECÍFICOS. I ANTECEDENTES. II JUSTIFICACIÓN. III INTRODUCCIÓN. IV

CAPÍTULO 1 1 FUNDAMENTOS TÉCNICOS PARA EL SISTEMA DE SUMINISTRO DE OXÍGENO MEDICINAL. 1.1 TRANSFERENCIA DE CALOR. 1

1.2 MECANISMOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR. 2

1.3 INTERCAMBIADORES DE CALOR. 6

1.3.1 Clasificación. 7

1.3.2 Coeficiente global de transferencia de calor. 11

1.4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN EVAPORADOR. 12

1.4.1 Evaporador aletado. 13

1.5 OXÍGENO. 16

1.5.1 Propiedades. 17

1.5.2 Usos. 18

1.5.3 Toxicidad. 18

1.5.4 Obtención. 19

1.5.5 Grados de pureza disponibles. 19

1.6 DISTRIBUCIÓN DE OXÍGENO MEDICINAL EN EL MERCADO. 20

CAPÍTULO 2 21 DEFINICIÓN DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE OXÍGENO Y LA PROBLEMÁTICA. 2.1 DESCRIPCION DEL TANQUE TERMO. 21

2.1.1 Sistema de relevo. 22

2.1.2 Sistema de elevo. 24

2.1.3 Sistema de soporte y fijado a la cimentación. 24

2.1.4 Seguridad en los factores que intervienen en el almacenamiento de

Oxígeno en el tanque termo. 25

2.1.5 Resistencia de la tubería a la salida del tanque termo. 26

2.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. 29

2.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 30

CAPÍTULO 3 34 PROPUESTA DE CONTROL E INSTRUMENTACIÓN. 3.1 DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA. 35

3.2 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE EQUIPO E INSTRUMENTACIÓN. 37

3.2.1 Selección de la bomba. 38

3.2.2 Selección de relevador 40

3.2.3 Selección del sensor de temperatura. 41

3.2.4 Selección del controlador de temperatura. 43

3.2.5 Selección de la electroválvula. 46

3.2.6 Selección del control de nivel. 49

3.2.7 Selección de la tubería para la alimentación de agua caliente. 51

3.2.8 Selección de las boquillas de aspersión. 52

3.2.9 Selección de la tina. 53

3.3 DIAGRAMA DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN (DTI) DE LA

PROPUESTA. 54 3.3.1 Condiciones de operación. 57

3.4 ESTRATEGIA DECONTROL. 58 3.4.1 Función de transferencia del proceso. 64

3.4.2 Función de transferencia del sensor de temperatura. 66

3.4.3 Función de transferencia de la válvula de control. 68

CAPÍTULO 4 71 SIMULACIÓN Y RESULTADOS. CAPÍTULO 5 83 COSTOS DE INVERSIÓN. CONCLUSIONES. 88 BIBLIOGRAFÍA. 90 ANEXOS. 91

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. II Imagen del congelamiento de tubería. Figura2. 3 Flujo de calor a través de una pared. Figura 3. 5 Transferencia de calor de una superficie caliente al aire por medio de convección. Figura 4. 7 Intercambiadores de calor tubos concéntricos.

(a) Flujo paralelo. (b) Contracorriente.

Figura 5. 8 Intercambiadores de calor de flujo cruzado.

(a) Con aletas y ambos fluidos sin mezclar. (b) Sin aletas con fluido mezclado y el otro sin mezclar.

Figura 6. 9 Intercambiador de calor de carcasa y tubos con un paso por la carcasa y un paso por tubos (modos de operación de contracorriente cruzado). Figura 7. 9 Intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

(a) Dos pasos por la carcasa y cuatro pasos por tubos. (b) Un paso por la carcasa y dos pasos por tubos.

Figura 8. 10 Diagrama de las trayectorias de flujo en un intercambiador de placas. Figura 9. 10 Cubiertas de intercambiadores de calor compactos.

(a) Tubos con placas. (b) Tubos con aletas circulares.

Figura 10. 11 Perfil de temperatura y circuito térmico. Figura 11. 14 Evaporador aletado. Figura 12. 22 Componentes del tanque termo de almacenamiento. Figura 13. 30 Esquema del tanque termo con accesorios para la distribución de Oxígeno. Figura 14. 32

(a) Vista del congelamiento en la salida del tanque-termo. (b) Vista del congelamiento en la salida del tanque-termo.

(c) Vista del congelamiento en la salida del tanque-termo. Figura 15. 33 Evaporador aletado congelado.

(a) Vista superior. (b) Vista inferior.

Figura 16. 35 Diagrama de proceso por etapas. Figura 17. 36 Diagrama de proceso por etapas. Figura 18. 39 Bomba centrifuga con cabezal de policarbonato.

Figura 19. 40 Curvas de operación. Figura 20. 41

Relevador de fines generales.

Figura 21. 43 RTD Pt100. Figura. 22. 43 Características del controlador tc4s. Figura 23. 45 Panel frontal del panel. Figura 24. 46 Diagrama de conexión modelo tc4s. Figura 25. 48 Válvula de control de caudal de dos vías. Figura 26. 51 Diagrama de conexión del controlador CN5. Figura 27. 52 Boquillas de aspersión. Figura 28. 53 Tina de Acero Inoxidable. Figura 29. 55 Diagrama de tubería e instrumentación para el control de temperatura para un evaporador de Oxígeno Medicinal. Figura 30. 59 Diagrama de bloques del sistema de control de temperatura del evaporador. Figura 31. 64

Función de transferencia del proceso. Figura 32. 65 Comportamiento de la entrada y salida del proceso. Figura 33. 67 Comportamiento del sensor de temperatura. Figura 34. 69 Comportamiento con relación al flujo y tiempo de apertura de la válvula. Figura 35. 70 Relación del porcentaje de apertura y la señal de la válvula. Figura 36. 71 Diagrama de bloques del modelo. Figura 37. 72 Datos del controlador. Figura 38. 73 Datos del sensor de temperatura. Figura 39. 73 Datos del controlador. Figura 40. 76 Datos del intercambiador. Figura 41. 77 Datos de la válvula. Figura 42. 78 Dinámica del proceso. Figura 43. 79 Dinámica del proceso con un valor diferente de set point. Figura 44. 79 Dinámica del proceso con un valor de set point diferente Figura 45. 80 Dinámica del proceso con un valor de set point diferente. Figura 46. 80 Dinámica del proceso con una perturbación de 0°C. Figura 47. 81 Dinámica del proceso con una perturbación de 5°C. Figura 48. 81 Dinámica del proceso con una perturbación de 23°C.

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. 17 Propiedades físicas del Oxígeno. Tabla 2(parte 1). 27 Propiedades mecánicas del Cobre. Tabla 2(parte 2). 28 Propiedades mecánicas del Cobre Tabla 3. 29 Propiedades mecánicas del Acero Inoxidable. Tabla 4. 39 Datos técnicos de la bomba. Tabla 5. 44 Especificaciones técnicas del controlador. Tabla 6. 56 Elementos del tanque termo de Oxígeno Medicinal. Tabla 7. 57 Elemntos de seguridad del tanque termo de Oxígeno Medicinal. Tabla 8. 57 Nomenclatura de la instrumentación. Tabla 9. 62 Unidades de los bloques. Tabla 10. 75 Parámetros de sintonización Tabla 11. 83 Costos de la instrumentación. Tabla 12. 84 Herramientas e insumos. Tabla 13. 85 Actividades del trabajo. Tabla 14. 86 Análisis del ahorro de Agua.

I

I. OBJETIVO GENERAL. Propuesta de un sistema de control de temperatura de un evaporador para evitar el congelamiento en la tubería que transporta Oxígeno Medicinal, utilizando como fluido de intercambio de calor agua caliente.

II. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

• Prevenir la formación de una capa de hielo en la tubería del

evaporador.

• Reducir el desperdicio de agua, mediante un sistema de

recirculación.

• Establecer las condiciones de seguridad y secuencia para el

arranque y paro del sistema.

Disminuir costos de mantenimiento y posibles problemas derivados por la falta de suministro de Oxígeno Medicinal.

II

III. ANTECEDENTES. En los hospitales, para los pacientes es indispensable el uso de Oxígeno Medicinal, lo cual implica tener un depósito con el cual se lleve a cabo el suministro a las instalaciones del lugar. Para facilitar el transporte y almacenamiento de los gases, estos se someten a altas presiones y con ello se reduce su volumen. En este caso, para almacenar Oxígeno Medicinal líquido se requiere de un contenedor especial que recibe el nombre de tanque termo/criogénico. El tanque termo almacena el Oxígeno en estado líquido, a su salida tiene las líneas de distribución para el hospital. El Oxígeno llega a las tomas de los pacientes en estado gaseoso. Debido a que el Oxígeno presenta un cambio de fase de líquido a gas, se produce un fenómeno endotérmico y en consecuencia la tubería se congela, tal y como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Imagen del congelamiento de tubería.

III

IV. JUSTIFICACIÓN. En el trabajo se plantea el problema de congelamiento de la tubería de alimentación al evaporador. En un evaporador de tipo aletado, las aletas absorben el agua del medio ambiente para el intercambio de calor (indispensable para el cambio de fase del Oxígeno Medicinal de líquido a gaseoso) y se genera escarcha. El exceso de la misma se convierte en una capa de hielo, la cual empieza a aislar el sistema. La estrategia es utilizar un insumo del hospital (agua caliente) y establecer un sistema de intercambio de calor por el método de convección, que es el modo de transferencia de energía entre una superficie sólida y un líquido o gas adyacente que está en movimiento, e implica los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido. Si el agua caliente hace contacto directo con el evaporador para su descongelamiento, se logrará un eficiente cambio de fase en esta etapa (evaporación) y se evitará la formación de escarcha o hielo en el evaporador y en la tubería.

IV

V. INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se describirá el Proceso de Alimentación de Oxígeno Medicinal a un Hospital. El Oxígeno Medicinal es un fluido cuyas características fisicoquímicas se detallarán más adelante. Se describirán también las redes centralizadoras para el abastecimiento del fluido, así como los sistemas que la conforman y las medidas de seguridad para transportarlo y/o almacenarlo. La problemática que presenta el proceso es el congelamiento de la tubería a la salida del tanque termo y a la entrada del evaporador, por lo que se pretende desarrollar un Sistema de Control de Temperatura haciendo uso del intercambio de calor en forma directa. Para comprender todos estos conceptos, es necesario tener conocimientos de Termodinámica y Operaciones Unitarias como la Transferencia de Calor y Evaporación. Se ilustrará la simulación del Proceso con ayuda del Software MATLAB, que indicará la respuesta ideal del Sistema de Control de acuerdo a las condiciones propuestas. Finalmente, se detallará el costo de la instrumentación y la inversión total del Sistema de Control de Temperatura.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

INGENIERIA EN CONTROL Y AUTOMATIZACION 1

CAPÍTULO 1

FUNDAMENTOS TÉCNICOS PARA UN SISTEMA DE SUMINISTRO DE OXÍGENO MEDICINAL.

Generalmente, el Oxígeno Medicinal se maneja en fase líquida para un

almacenamiento en mayor cantidad y su fácil transporte en comparación con su

fase gaseosa. Un litro de Oxígeno líquido Medicinal al evaporarse equivale a

aproximadamente 860 litros de Oxígeno Medicinal gaseoso. Un tanque

estacionario típico, el cual tiene una capacidad de alrededor de 30 litros de líquido,

puede suministrar al paciente más de 25.000 litros de Oxígeno Medicinal gaseoso,

lo suficiente para una o dos semanas de terapia, dependiendo del flujo requerido

por el paciente.

El Oxígeno Medicinal líquido se vaporiza en gas y es calentado a temperatura

ambiente dentro del equipo antes de ser administrado al paciente por medio de un

tubo de plástico llamado cánula en los orificios nasales del paciente.

Dentro del suministro de Oxígeno Medicinal las siguientes consideraciones

técnicas son necesarias para un mayor entendimiento del sistema.

1.1. TRASFERENCIA DE CALOR.

La ciencia de la Termodinámica trata de las transiciones cuantitativas y

reacomodos de energía como calor en los cuerpos de materia. La ciencia de la

transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre

cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor.

Cuando se vaporiza un gramo de agua o se condensa un gramo de vapor, el

cambio de energía en los dos procesos es idéntico.



La velocidad a la que cualquiera de estos procesos puede hacerse progresar con

una fuente o recibidor independiente es, sin embargo, inherentemente muy

diferente. Generalmente, la vaporización es un fenómeno mucho más rápido que

la condensación.

Las fases de una sustancia simple, sólida, líquida y gaseosa, están asociadas con

su contenido de energía. En la fase sólida, las moléculas o átomos están muy

cercanos, dando esto rigidez. En la fase líquida existe suficiente energía térmica

para extender la distancia de las moléculas adyacentes, de manera que se pierde

la rigidez. En la fase de gas, la presencia de energía térmica adicional resulta en

una separación relativamente completa de los átomos o moléculas, de manera

que pueden permanecer en cualquier lugar de un espacio cerrado. También se ha

establecido que, dondequiera que ocurra un cambio de fase fuera de la región

crítica, se involucra una gran cantidad de energía en esa transición.

Para una misma sustancia en sus diferentes fases, sus varias propiedades

térmicas tienen diferente orden de magnitud. Por ejemplo, el calor específico por

unidad de masa es muy bajo para los sólidos, alto para los líquidos y, usualmente,

de valores intermedios para los gases. Así mismo, en cualquier cuerpo que

absorba o pierda calor, deben guardarse especiales consideraciones respecto a si

el cambio es de calor latente, o sensible, o de ambos. Más aún, se conoce

también que una fuente caliente es capaz de grandes excitaciones subatómicas, a

tal grado que emite energía sin ningún contacto directo con el recibidor, y éste es

el principio fundamental de la radiación. Cada tipo de intercambio exhibe sus

propias peculiaridades. [1]

1.2. MECANISMOS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR.

Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al

recibidor, aun cuando muchas de las aplicaciones en la ingeniería son

combinaciones de dos o tres. Estas son, conducción, convección y radiación.



Conducción: La conducción es la transferencia de calor a través de un material

fijo tal como la pared estacionaria mostrada en la Figura 2.

Figura 2. Flujo de calor a través de una pared.

La dirección del flujo de calor será a ángulos rectos a la pared, si las superficies de

las paredes son isotérmicas y el cuerpo es homogéneo e isotrópico. Supóngase

que una fuente de calor existe a la izquierda de la pared y que existe un recibidor

de calor en la superficie derecha. Es conocido y después se confirmará por una

derivación, que el flujo de calor por hora es proporcional al cambio de temperatura

a través de la pared y al área de la pared.

Si “T” es la temperatura en cualquier punto de la pared y x es el grueso de la

pared en dirección del flujo de calor, la cantidad de flujo de calor dQ es dada por:

(1-1)

El término -dt/dx se llama gradiente de temperatura y tiene un signo negativo si se

supuso una temperatura mayor en la cara de la pared en donde x = 0 y menor en



la cara donde x = x. En otras palabras, la cantidad instantánea de transferencia de

calor es proporcional al área y a la diferencia de temperatura dt que impulsa el

calor a través de la pared de espesor dx. La constante de proporcionalidad k es la

conducción de calor por conductividad y se le conoce por conductividad térmica.

Esta conductividad se evalúa experimentalmente y está básicamente definida por

la ecuación (1-1).

La conductividad térmica de los sólidos tiene un amplio rango de valores

numéricos dependiendo de si el sólido es relativamente un buen conductor del

calor, tal como un metal, o un mal conductor como el asbesto. Estos últimos sirven

como aislantes. Aun cuando la conducción de calor se asocia usualmente con la

transferencia de calor a través de los sólidos, también es aplicable a gases y

líquidos, con sus limitaciones.

Convección: La convección es el modo de transferencia de energía entre la

superficie sólida y un líquido o gas adyacente que está en movimiento, e implica

los efectos combinados de la conducción y del movimiento de un fluido. Cuando

mayor es el movimiento de un fluido, tanto mayor es la transferencia de calor por

convección. Ante la ausencia de cualquier movimiento del fluido, la transferencia

de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente se da mediante

conducción pura. La presencia de movimientos en el fluido incrementa la

transferencia térmica entre la superficie sólida y el fluido, pero también complica la

determinación de las tasas de transferencia de calor.

Considere el enfriamiento de un bloque caliente mediante la circulación de aire frío

sobre su superficie exterior, como se muestra en la Figura 3. El calor se transfiere

a la capa de aire adyacente a la superficie por medio de la conducción. Entonces,

el calor es llevado fuera de la superficie por convección. Esto es, por los efectos

combinados de la conducción dentro del aire que se debe al movimiento aleatorio



de las moléculas del mismo, y el movimiento en masa o macroscópico del aire que

separa el aire calentado cerca de la superficie y lo sustituye por aire más frío.

Figura 3. Transferencia de calor de una superficie caliente al aire por medio de

convección.

La transferencia de calor del líquido caliente del fondo del recipiente al resto, es

convección natural o convección libre. Si se produce cualquiera otra agitación, tal

como la provocada por un agitador, el proceso es de convección forzada. Este tipo

de transferencia de calor puede ser descrito en una ecuación que imita la forma de

la ecuación de conducción y es dada por:

(1-2)

La constante de proporcionalidad h es un término sobre el cual tiene influencia la

naturaleza del fluido y la forma de agitación, y debe ser evaluado

experimentalmente. Se llama coeficiente de transferencia de calor. Cuando la

ecuación (1-2) se escribe en su forma integrada, Q = hAt, se le conoce como la ley

del enfriamiento de Newton.



Radiación: La radiación involucra la transferencia de energía radiante desde una

fuente a un recibidor. Cuando la radiación se emite desde una fuente a un

recibidor, parte de la energía se absorbe por el recibidor y parte es reflejada.

Basándose en la segunda ley de la termodinámica. Boltzman estableció que la

velocidad a la cual una fuente da calor es como muestra la ecuación (1-3):

(1-3)

Esto se conoce como la ley de la cuarta potencia, T es la temperatura absoluta.

es una constante dimensional, pero es un factor peculiar a la radiación y se

llama emisividad. La emisividad, igual que la conductividad térmica k o el

coeficiente de transferencia de calor h, debe determinarse también

experimentalmente.

1.3. INTERCAMBIADORES DE CALOR.

El intercambio de calor entre dos corrientes de fluidos distintos es uno de los

procesos más importantes que se encuentra frecuentemente en el campo de la

ingeniería.

El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una gran importancia ante

la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos, no sólo en función

de su análisis térmico y el rendimiento económico de la instalación, sino también

en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la

disponibilidad, la cantidad de energía y de materias primas necesarias para

cumplir una determinada función.

Desde el momento que un intercambiador de calor se instala y se pone en

funcionamiento dentro de un proceso de transferencia térmica, se precisa un

determinado gradiente de temperatura para que se pueda lograr la transferencia



de calor, la magnitud de este gradiente se puede reducir utilizando un

intercambiador mayor, pero esto a su vez implica un mayor costo económico y

energético. [2]

1.3.1 Clasificación.

Los intercambiadores de calor pueden ser clasificados de acuerdo a los siguientes

criterios:

• Recuperadores y regeneradores.

• Procesos de transferencia: contacto directo y contacto indirecto.

• Geometría de construcción: tubos, platos y superficies extendidas.

• Arreglo en flujo: paralelo, contracorriente o flujo cruzado.

Los intercambiadores de calor más sencillos son los concéntricos, por el tubo

interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el espacio

anular. Dependiendo del sentido de flujo, se clasifican en flujo paralelo o

contracorriente, ambos arreglos son mostrados en la Figura 4 (a) y (b).

Figura 4. Intercambiadores de calor tubos concéntricos (a) y (b).

De manera alternativa a los intercambiadores de calor concéntricos, los fluidos se

pueden mover en flujo cruzado (perpendiculares entre sí), llamándose así,

intercambiadores de calor de flujo cruzado. [2]



La Figura 5 (a) muestra un fluido que no está mezclado debido a que las aletas

impiden el movimiento en la dirección y, que es transversal a la dirección del flujo

principal x, en este tipo de configuración la temperatura del fluido varía con las

direcciones x y y.

En cambio la Figura 5 (b) muestra un conjunto de tubos sin aletas, aquí si es

posible el movimiento del fluido en la dirección transversal que en consecuencia

es mezclado y las variaciones de temperatura se producen en la dirección del flujo

principal x.

Figura 5. Intercambiadores de calor de flujo cruzado (a) y (b).

La otra configuración muy común en intercambiadores de calor, es el de carcasa y

tubos, estos equipos son ampliamente usados en enfriadoras. Las configuraciones

difieren de acuerdo al número de pasos por tubos y carcasa, la forma más simple

implica un solo paso por tubos y carcasa como se muestra en la Figura (6). En

estos intercambiadores normalmente se instalan deflectores (bafles) para

aumentar el coeficiente de convección del fluido del lado de la carcasa. [2]



Figura 6. Intercambiador de calor de carcasa y tubos con un paso por la carcasa y un

paso por tubos (modos de operación de contracorriente cruzado).

En la Figura 7 se muestran otras dos configuraciones de intercambiadores de

calor carcasa y tubos.

Figura 7. Intercambiadores de calor de carcasa y tubos. (a) dos pasos por la carcasa y

cuatro pasos por tubos. (b) un paso por la carcasa y dos pasos por tubos.

Otra geometría muy común en los sistemas de compresión de vapor, son los

intercambiadores de calor de placas, éstos son construidos con placas delgadas

formando canales de flujo. Las corrientes de los fluidos son separadas por las

placas (pueden ser lisas o corrugadas), las cuales son usadas para la

transferencia del calor, como se ilustra en la Figura (8). [2]



Figura 8. Diagrama de las trayectorias de flujo en un intercambiador de placas.

Una clase especial de intercambiadores de calor es usada para conseguir un área

superficial de transferencia de calor por unidad de volumen muy grande (arriba de

los 700 m2/m3). Estos son llamados intercambiadores de calor compactos, los

cuales tienen arreglos complejos de tubos con aletas o placas, se usan

normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas, en consecuencia se

caracterizan por un coeficiente de convección pequeño. Los tubos pueden ser

planos o circulares y las aletas pueden ser de placa o circular, ejemplo de estos se

muestran en la Figura 9 (a) y (b).

Figura 9. Cubiertas de intercambiadores de calor compactos. (a) Tubos con placas (b)

Tubos con aletas circulares.



Hasta el momento se han mencionado las configuraciones generales de los

intercambiadores de calor, en el siguiente apartado se describirá

fundamentalmente las metodologías más usuales para el análisis térmico de un

intercambiador de calor. El análisis térmico se realiza con el objetivo de expresar

la cantidad total de calor transferido del fluido caliente al fluido frío, en términos del

coeficiente global de transferencia de calor, temperaturas de entrada o salida y la

superficie de transferencia de calor. [2]

1.3.1 Coeficiente global de transferencia de calor.

Un parámetro muy importante en cualquier análisis térmico de intercambiadores,

es el coeficiente global de transferencia de calor, el cual se puede definir en

términos de una resistencia térmica total para la transferencia de calor de un fluido

a otro, ya sea a través de una placa o de la pared de un tubo, siendo este último,

el caso predominante. La Figura 10 muestra la sección transversal de un tubo

típico, así como el perfil de temperatura y el circuito térmico correspondiente. [2]

Figura 10. Perfil de temperatura y circuito térmico.

En libros de transferencia de calor se puede encontrar el análisis térmico a detalle

de los intercambiadores. Para los intercambiadores sin aletas como los mostrados

en las Figuras 4 y 7, y basándonos en el circuito térmico de la Figura 10, el

coeficiente global de transferencia de calor se obtiene a partir de la ecuación:



(1-4)

Donde los subíndices i y o se refieren a las superficies interna y externa del tubo

que se pueden exponer al fluido caliente o al fluido frío.

Cuando un intercambiador de calor ha estado en operación durante un periodo

largo de tiempo, a menudo las superficies quedan sujetas a la obstrucción debido

a impurezas entre el fluido y el material de la pared, afectando de esta manera la

transferencia de calor. Este efecto se trata mediante la implicación de una

resistencia por ensuciamiento, Por lo tanto, el coeficiente global de transferencia

de calor se puede determinar a partir del conocimiento de los coeficientes de

convección de los fluidos caliente y frío, de las resistencias de ensuciamiento y de

los parámetros geométricos. [2]

1.4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN EVAPORADOR.

Se conoce por evaporador al intercambiador de calor que genera la transferencia

de energía térmica contenida en el medio ambiente hacia un gas refrigerante a

baja temperatura y en proceso de evaporación. Este medio puede ser aire o agua.

Este cambio de estado permite absorber el calor sensible contenido alrededor del

evaporador y de esta manera el gas, al abandonar el evaporador lo hace con una

energía interna notablemente superior debido al aumento de su entalpía,

cumpliéndose así el fenómeno de refrigeración.

El flujo de refrigerante en estado líquido es controlado por un dispositivo o válvula

de expansión la cual genera una abrupta caída de presión en la entrada del

http://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Refrigerante

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

http://es.wikipedia.org/wiki/Evaporaci%C3%B3n_(proceso_f%C3%ADsico)

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_sensible

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_interna

http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Dispositivo_de_expansi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1lvula_de_expansi%C3%B3n



http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n



evaporador. En los sistemas de expansión directa, esta válvula despide una fina

mezcla de líquido y vapor a baja presión y temperatura. Debido a las propiedades

termodinámicas de los gases refrigerantes, este descenso de presión está

asociado a un cambio de estado y, lo que es más importante aún, al descenso en

la temperatura del mismo.

De esta manera, el evaporador absorbe el calor sensible del medio a refrigerar

transformándolo en calor latente el cual queda incorporado al refrigerante en

estado de vapor.

Para que el Oxígeno sea transformado del estado líquido a gas, se requiere que

pase por un serpentín o evaporador aletado que actúa como intercambiador de

calor con el medio ambiente. Este evaporador debe quedar ubicado cerca del

termo estacionario.

1.4.1 Evaporador aletado.

Los serpentines aletados son serpentines de tubo descubierto sobre los cuales

colocan placas metálicas o aletas. Las aletas, sirven como superficie secundarias

absolvedoras de calor y tienen el efecto de aumentar el área superficial externa

del evaporador, mejorando por lo tanto la eficiencia para enfriar aire u otros gases.

Con los evaporadores de tubo descubierto mucho del aire que circula sobre el

serpentín pasa a través de los espacios abiertos entre los tubos y no hace

contacto con la superficie del serpentín como se muestra en la Figura 11.

http://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente



Figura 11. Evaporador aletado.

Cuando se agregan las aletas al serpentín, estas se extienden hacia afuera

ocupando los espacios abiertos entre los tubos y actúan como colectores de calor.

Estos absorben calor del aire que ordinariamente no estaría en contacto con la

superficie principal y conducen este calor a la tubería.

Es evidente que para que las aletas sean efectivas deberán estar unidas a la

tubería de tal manera que se asegure un buen contacto térmico entre ambas. En

algunos casos, las aletas están soldadas directamente a la tubería; en otros, las

aletas se hacen deslizar sobre la tubería y se hacen expandir al tubo por presión o

cualquier otro medio, lo que les permite quedar bien sujetas en la superficie del

tubo estableciéndose un buen contacto térmico. Una variación de este último

método es acampanar ligeramente el agujero de la aleta para permitir que esta se

deslice sobre el tubo. Después que la aleta ha sido instalada, se endereza y se

asegura con firmeza al tubo.



El tamaño y espacio en las aletas depende, en parte, del tipo de aplicación para el

cual está diseñado el serpentín. El tamaño del tubo determina el tamaño de la

aleta. Tubos pequeños requieren de aletas pequeñas. A medida que se aumenta

el tamaño del tubo puede aumentarse el tamaño de la aleta. El espacio entre

aletas varía desde 1 a 14 aletas por pulgada, dependiendo principalmente de la

temperatura de operación del serpentín.

La acumulación de escarcha es inevitable en serpentines usados en enfriamiento

de aire, trabajando a temperaturas bajas debido a que la acumulación de escarcha

sobre serpentines aletados tiende a restringir el paso del aire entre las aletas y a

retardar la circulación del aire a través del serpentín. Los evaporadores diseñados

para aplicaciones de baja temperatura deben tener un mayor espacio (dos o tres

por pulgada) a fin de minimizar el daño por la restricción en la circulación del aire.

Por otra parte, el diseño de serpentines para aire acondicionado y otras

instalaciones donde los serpentines trabajan a temperaturas suficientemente altas

de tal modo que no haya acumulación de escarcha sobre la superficie del

serpentín, podrán tener hasta 14 aletas por pulgada.

Cuando la circulación de aire sobre serpentines aletados es por gravedad, es

importante que el serpentín ofrezca la mínima resistencia al flujo del aire; por lo

tanto, en general, el espacio entre aletas deberá ser mayor para serpentines de

convección natural que para serpentines que emplean ventiladores.

Ya se ha determinado que existe una relación definida entre la superficie interior y

exterior de un evaporador. Debido a que el aletado externo afecta solo la

superficie exterior, el agregar aletas más allá de cierto límite no necesariamente

aumentará la capacidad del evaporador. De hecho, en algunos casos un aletado

excesivo podrá reducir la capacidad del evaporador porque restringirá

innecesariamente la circulación de aire a través del serpentín.



Debido a que la capacidad se afecta más por la acumulación de escarcha, los

serpentines aletados darán mejores resultados en aplicaciones de enfriamiento

con aire donde la temperatura sea superior a los 1.11°C. Al utilizar serpentines

aletados para aplicaciones de baja temperatura, se deberá tener algunos medios

de deshelar el serpentín a intervalos regulares.

Porque poseen aletas, los serpentines aletados tienen más área superficial por

unidad de longitud y ancho que los evaporadores de superficie primordial y por lo

mismo pueden construirse de forma más compacta. Por lo general un serpentín

aletado ocupa menos espacio que cualquier otro evaporador, sea de tubo

descubierto o de superficie de placa, esto para igualdad de capacidad. Lo anterior

proporciona un ahorro considerable de espacio, lo que hace que los serpentines

aletados sean idealmente apropiados para usarse con ventiladores en unidades

de convección forzada.

1.5. OXÍGENO.

El Oxígeno es el elemento más abundante en la tierra. En su forma combinada,

constituye una quinta parte del aire, mezclado con el Hidrógeno forma el agua

(H2O), en otras combinaciones cubre el 49% de la corteza terrestre.

Se produce por la destilación fraccionada del aire, favorece la vida y es vital para

la combustión. A presión atmosférica y temperaturas inferiores a -183°C tiene un

color ligeramente azul (fase líquida).



Las propiedades físicas se muestran en la Tabla 1.

Fórmula Química O2

Peso molecular 32.0 g/mol

Temperatura de ebullición (1 atm) -183 °C

Temperatura de congelación (1 atm) -128.8 °C

Temperatura crítica -118.4 °C

Presión crítica 50.1 atm

Densidad gas (20°C, 1 atm) 1.32 g/l

Densidad líquido (1 atm) 1.140 kg/lt

Gravedad específica gas (aire=1,20°C 1 atm) 1.10

Volumen específico (20°C, 1 atm) 0.75 m³/kg

Solubilidad en agua (20°C, 1 atm) 3.16% por volumen

Tabla 1. Propiedades físicas del Oxígeno.

1.5.1 Propiedades.

El Oxígeno gaseoso es incoloro, inodoro, sin sabor y no inflamable. Se combina

fácilmente con otros elementos. Es un potente oxidante, y un oxidante es

necesario para soportar la combustión. El Oxígeno reacciona con casi todos los

materiales orgánicos y metales. Los materiales que pueden prenderse fácilmente

en el aire, lo harán más intensamente en presencia del Oxígeno.

El equipo usado en el servicio de Oxígeno, debe estar diseñado para utilizar

materiales con temperaturas elevadas de ignición y no reactivos con el Oxígeno.

Los envases deben estar diseñados en base a normas ASME o normas DOT

para recipientes a presión, sometidos a variaciones de temperatura.



La cantidad de Oxígeno contenida en un cilindro, se determina en base a la

presión y temperatura de éste. El símbolo molecular para el Oxígeno es O2.

1.5.2 Usos.

Los principales usos del Oxígeno surgen de su fuerte propiedad como oxidante,

así como de sus propiedades para soportar la vida. El Oxígeno se usa en

industrias metalmecánicas en combinación con acetileno en procesos de

soldadura oxiacetilénica, para corte de metales, templado, ensamblado, limpieza

y deshidratación. El Oxígeno también se utiliza mucho en la fabricación de Acero

y tratamiento de aguas residuales.

En las ramas químicas y petroquímicas, el Oxígeno se usa para la producción de

síntesis gaseosa a partir del carbón, gas natural o combustibles líquidos utilizados

para producir gasolinas, metanol y amoniaco. Usado en los procesos de

producción de aldehídos y alcoholes y en la obtención de acetileno por oxidación

parcial de hidrocarburos.

También es empleado en la fabricación de ácido nítrico por oxidación catalítica de

amoniaco y en la producción de etileno y óxidos de propileno. En la medicina en

aplicaciones de terapia respiratoria.

1.5.3 Toxicidad.

El Oxígeno no es tóxico en condiciones normales de uso (ver Anexo A). Es

necesario para soportar la vida. Sin embargo, el respirar Oxígeno puro a presión

atmosférica puede producir tos y dolores en el cuello en lapsos de 8 a 24 horas.

Si las concentraciones de Oxígeno son del 60%, los síntomas señalados pueden

durar varios días.



Si se suministra el Oxígeno a presiones mayores de 2 atmósferas se puede

producir afecciones al sistema nervioso central, con punzadas en los dedos de

las manos y de los pies, disturbios visuales y auditivos, sensaciones anormales,

falta de coordinación, confusión, tensiones musculares y movimientos de tipo

epiléptico en un lapso de 2 a 3 horas.

Los niños expuestos a niveles que exceden del 35-40% de Oxígeno, pueden

sufrir daños permanentes en la vista o incluso la ceguera debido a fibroplasia

retro-óptica.

1.5.4 Obtención.

La fuente principal de obtención del Oxígeno es la destilación del aire líquido.

Cuando es enfriado a -183°C, el Oxígeno cambia del estado gaseoso al líquido y

puede ser almacenado en tanques estacionarios bien aislados térmicamente

denominados “tanques criogénicos”, instalados en hospitales o clínicas de salud.

Otra alternativa de suministro de Oxígeno líquido es la utilización de recipientes

criogénicos móviles denominados “termos” que son generalmente utilizados para

abastecer a instituciones de menor consumo y/o con limitaciones de espacio.

Por medio de un adecuado sistema de intercambio de calor, el Oxígeno se

evapora y llega al paciente en estado gaseoso y a temperatura ambiente.

1.5.5 Grados de pureza disponibles.

• Industrial.

• Extra seco.

• Respiración.

• Ultra puro de acarreo.



1.6. DISTRIBUCIÓN DE OXÍGENO MEDICINAL EN EL MERCADO.

Dada la importancia en la aplicación del Oxígeno Medicinal (asistencia respiratoria,

anestesia, etc.) es lógico pensar que el control del suministro juega un papel importante

en el abastecimiento del mismo.

Dentro de las empresas más importantes a nivel nacional que se encargan del suministro

y almacenamiento del Oxígeno Medicinal se encuentran:

• INFRA MÉDICA.

• AIR LIQUIDE.

• MESSER.

Dichas empresas cuentan con las líneas más completas de gases Medicinales y de

equipo de suministro gaseoso, comprimido o en forma líquida criogénica. Sin

embargo, en la actualidad no existe un proyecto presente relacionado con el control para

evitar el congelamiento de las tuberías de abastecimiento. Esto es debido a que cuando

se presenta un problema de este tipo (congelamiento) provocando una avería en el

equipo, las empresas simplemente reemplazan la parte dañada.



CAPÍTULO 2

DEFINICIÓN DEL SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE OXÍGENO Y LA PROBLEMÁTICA.

Por medio de redes centralizadas se pueden suministrar gases medicinales a

áreas críticas de un hospital tales como: quirófanos, salas de expulsión, terapia

intensiva, recuperación, urgencias, hospitalización, etc. por medio de tomas

murales y equipamiento básico (flujómetros).

Para este caso práctico, se hace referencia al tanque termo de almacenamiento

de Oxígeno Medicinal del Hospital General de Zona No. 76 del Instituto Mexicano

del Seguro Social (IMSS), cuya descripción se detalla.

2.1. DESCRIPCIÓN DEL TANQUE TERMO.

Los tanques termos son utilizados para almacenar Oxígeno en forma de líquido

criogénico y suministrarlo en su forma gaseosa. El tanque lo constituye un

recipiente interior y uno exterior o “camisa“, al espacio entre los dos recipientes se

le hace vacío y se llena con material aislante, generalmente perlita. El recipiente

interior está preparado para resistir una presión máxima de 15 Kg/cm2 (en este

caso se maneja una presión a su salida de 7Kg/cm2) y está fabricado de Acero

Inoxidable o Acero con 9% de Níquel. La “camisa” está fabricada en Acero al

carbón.

En el interior del tanque termo, se mantiene una temperatura menor a -183ºC, por

lo que el Oxígeno permanece en estado líquido, el aislamiento se forma por el

espacio anular (vacío) y la perlita. En la Figura 12 se muestra el tanque termo.



Los sistemas que integran un tanque termo estacionario que contiene Oxígeno

líquido son:

• Sistema de Relevo, dividido en 2 partes:

a) Llenado.

b) Seguridad.

• Sistema de Elevo.

• Sistema de Soporte y Fijado a la Cimentación.

Figura 12. Componentes del tanque termo de almacenamiento.

2.1.1 Sistema de Relevo.

Llenado: El tanque termo es alimentado por Oxígeno en estado líquido que llega

en pipas termo con capacidad de 10,000 litros. La pipa ingresa al área de

maniobras y la parte posterior se coloca frente al tanque termo.



El operador junto con el técnico de fluidos y energéticos revisa las lecturas en los

manómetros de operación.

• El primero indica la presión interna (en Kg/cm²).

• El segundo indica el porcentaje de llenado (en %).

Cuando el nivel de Oxígeno del tanque termo está alrededor del 50%, se procede

a la conexión de la pipa para suministro utilizando una manguera de 2 pulgadas de

diámetro de Acero Inoxidable flexible. Ya conectados los equipos, se abren las

válvulas de llenado superior e inferior del tanque termo. Por cuestiones de

seguridad el suministro de Oxígeno líquido al tanque termo no debe exceder del

90% de su capacidad.

Al finalizar la carga se cierran las válvulas antes mencionadas y se abre la válvula

de purga (eliminando de la línea de llenado el exceso de Oxígeno).

Posteriormente, se procede a descongelar la línea de llenado con agua hasta que

no se perciba escarcha o hielo a su alrededor.

Seguridad: Los tanques termos están equipados con válvulas de alivio y discos

de ruptura, para liberar la presión si hay un aumento excesivo de ésta a causa de

algún imprevisto.

Este sistema consiste de tres válvulas, una de alivio que se encuentra en la parte

superior del tanque termo y las dos restantes son de seguridad porque regulan la

liberación de Oxígeno líquido.

En caso de que el suministro de Oxígeno líquido llegara a más del 90% de

capacidad del tanque termo, se dispara la válvula de alivio y también alguna de las

dos válvulas de seguridad. Son dos porque si una llega a fallar, existe la

posibilidad de que entre en acción otra.



2.1.2 Sistema de elevo.

Los tanques termos tienen un sistema que vaporiza líquido para aumentar la

presión (elevo) cuando esta baja a medida que se descarga el tanque termo, esto

sucede cuando el manómetro registra un 40% de su capacidad. En caso de

presión excesiva, entrega gas a la línea de consumo, con lo que la presión baja

rápidamente por medio de un evaporador que se encuentra en la parte inferior del

ya mencionado. Este sistema está diseñado para que el tanque termo trabaje a

una presión constante, adecuada a las necesidades del usuario.

2.1.3 Sistema de soporte y fijado a la cimentación.

Antes de la planificación del suministro de Oxígeno líquido se debe considerar la

aprobación del sitio con los bomberos locales y el proveedor y justificar su

colocación con un consumo de gas aproximadamente de 1800 m³ mensuales, lo

que implica que la central de Oxígeno gaseoso es problemática e ineficiente. Esto

se ve reflejado en el riesgo asociado al movimiento de grandes cantidades.

El tanque del Oxígeno líquido debe estar ubicado al aire libre o en un lugar

especial fuera de la caseta de la central de gases. Debe estar a 5 metros como

mínimo de la vía de tránsito general o una carretera general, 10 metros del límite

del terreno y de cualquier lugar donde pueda existir aglomeración de gente, fuera

del local o dentro del mismo, 10 metros mínimo de pozos de aguas negras,

registro eléctrico u otras cavidades o huecos en donde exista la posibilidad de

acumulación de Oxígeno. Se debe evitar la colocación de otro tipo de tanque o

cercano a las líneas de alta o baja tensión.

El camión debe tener libre acceso hasta la instalación, esta debe ser señalizada y

rodeada de un espacio libre cercada con un material no inflamable y ser

restringido su acceso.



El tanque termo debe ser colocado sobre una plataforma elevada o sobre un

soporte de hormigón o de Acero adecuado para aguantar el peso del termo con

producto. Se deben evitar utilizar materiales porosos y orgánicos, así como

asfalto.

El estacionamiento del camión también debe ser una plataforma de hormigón, u

otro material no inflamable completamente lisa. Por lo tanto no se debe usar

asfalto para cubrir la plataforma de llenado ya que este puede saturarse de

Oxígeno líquido y puede aumentar el riesgo de explosión o incendio, a causa de

un objeto metálico que pudiera caer, o por el calor de la fricción cuando el vehículo

arranca o frena.

Con respecto al peligro de incendios es especialmente grande tratándose de

Oxígeno líquido, ya que existe el riesgo de que ocurra un derrame durante la

maniobra, que pueda saturar al aire con Oxígeno y provocar el fuego. Por lo tanto

debe estar prohibido fumar es este local a una distancia de 5 metros de la

instalación y contar con equipos para la extinción del fuego.

Las instrucciones para el mantenimiento de la instalación, el letrero de "Oxígeno

Líquido" además de letreros de prohibición de fumar y de la entrada de personas

ajenas deben estar colocadas en lugares visibles y debe estar actualizadas según

las normas de señalización y ser legibles.

2.1.4 Seguridad en los factores que intervienen en el almacenamiento de Oxígeno en el tanque termo.

Los tanques termos que contengan Oxígeno líquido a alta presión, necesitan un

control periódico de su estado, para seguridad de los usuarios.

Inspección Visual: Se revisan externamente las paredes del tanque para apreciar

la existencia de algún daño como cortes, hendiduras, abolladuras, corrosión y



señales de exposición a altas temperaturas y/o arco eléctrico. En el caso de

observarse algún deterioro, este es analizado para determinar su gravedad.

Inspección de Olor: Antes de llenar un cilindro, se comprueba el olor de su

contenido anterior para detectar una posible contaminación.

Inspección de Sonido: Sirve para verificar si el tanque tiene alguna falla, (grieta,

oxidación interna, líquido, etc.), También indica si está lleno o vacío (sonido de

campana).

El área de almacenamiento de gases debe cumplir con las siguientes

características:

• Excelente ventilación natural.

• Piso nivelado.

• Protección adecuada a la intemperie.

• Alejada de fuentes de calor.

• Instalación eléctrica bajo norma.

• Rotulación de seguridad.

• Construida con materiales no combustibles.

2.1.5 Resistencia de la tubería a la salida del tanque termo.

Conociendo la descripción del tanque termo, es importante mencionar las

propiedades mecánicas de la tubería, ya que esta es la que se congela y por esta

razón no corre el riesgo de sufrir daños graves como lo es una fractura. Se debe

tomar en cuenta el valor del choque térmico por las temperaturas que se están

utilizando, a continuación se muestra como calcular este valor:



Dónde:

R - resistencia al choque térmico.

λ - conductividad térmica.

σ F - resistencia a la flexión.

α - coeficiente de expansión térmica (CTE).

E - módulo de elasticidad.

La tubería utilizada es de Cobre tipo k y Acero Inoxidable a continuación se

mencionan algunas de sus propiedades mecánicas.

Tubería de Cobre tipo K, es la denominación para las tuberías que por sus

características se recomiendan usar en instalaciones de tipo industrial,

conduciendo líquidos y gases en condiciones más severas de presión y

temperatura. En la Tabla 2 (parte 1 y 2) se muestran las propiedades mecánicas

del Cobre.

Bajas

Temperaturas

Temperatura

Elevada

Temperatura

Ambiente

Magnitud Unidad Estado a-196°C a-200°C Estado

Resistencia a

la tracción

R

F

36

39

16

17.5

R1

R2

F1

F2

22

23-26

27-38

38-45

Límite

elástico

R

F

7

26

6

14.5

R1

F1

5

18-34

Alargamiento % R

F

57

45

57

34

R1

R2

48

26-37

Dureza

Brunell - - - -

R1

F1

45

75-105

Tabla 2 (parte 1). Propiedades mecánicas del Cobre.



Bajas

Temperaturas

Temperatura

Elevada

Temperatura

Ambiente

Resistencia a

la cazilladura - - -

F1

R

16

18-20 R= estado recocido

F= estado de forja(reducción 5-7% en frío)

R1= estado recocido

F1= estado de forja(reducción 5-7% en frío)

R2=estado recocido (alambre)

F2= estado de forja (alambre)

Tabla 2 (parte 2). Propiedades mecánicas del Cobre.

Resistencia a la Congelación: En la actualidad la mayoría de tuberías no resiste

la contracción de algún material al congelarse pero el tubo de Cobre tiene la

cualidad que al contraerse no pierde sus propiedades mecánicas.

La razón de la ruptura de un tubo por congelamiento es simple, al congelarse, se

contrae su volumen en un 9%. Si esta disminución de volumen encuentra

resistencia, el punto de congelación baja, la presión ejercida por algún líquido con

densidad muy cercana a la del agua sobre las paredes internas del tubo alcanza

aproximadamente a 60 Kg/cm2 por cada grado centígrado de disminución del

punto de congelación. Este aumento de presión es el que puede producir el

rompimiento del tubo.

Tubería de Acero Inoxidable serie 300 (austeníticos), son los más utilizados por su

amplia variedad de propiedades, se obtienen agregando Níquel a la aleación, por

lo que la estructura cristalina del material se transforma en austenita y de aquí

adquieren el nombre. El contenido de Cromo varía de 16 a 28%, el de Níquel de

3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%.

Las propiedades básicas son:

• Excelente resistencia a la corrosión.



• Excelente factor de higiene.

• Limpieza.

• Fáciles de transformar.

• Excelente soldabilidad.

• No se endurecen por tratamiento térmico.

• Se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas

temperaturas.

En la Tabla 3 se presentan las propiedades mecánicas del Acero Inoxidable.

Tabla 3. Propiedades mecánicas del Acero Inoxidable.

2.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO.

Ya que conocemos los sistemas principales del tanque termo ahora conoceremos

los sistemas complementarios para realizar la distribución de Oxígeno Medicinal.

Consiste en un evaporador aletado y un regulador de presión. La salida del tanque

termo tiene una presión de 7 kg/cm2; está conectada al evaporador aletado el cual

cambia de estado líquido a gaseoso el Oxígeno Medicinal; la salida del mismo



llega al sistema de regulación de presión el cual baja la presión a 5 Kg/cm2 y es

entregada a la red de distribución. En cada área crítica del hospital se encuentran

seccionados reguladores de presión, los cuales hacen que se entreguen 3 Kg/cm2

de presión en las tomas murales para el uso del paciente. En la Figura 13 se

muestra un esquema del tanque termo con los accesorios para la distribución de

Oxígeno Medicinal.

Figura 13. Esquema del tanque termo con accesorios para la distribución de Oxígeno.

2.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

El problema presente es el congelamiento de la tubería que se encuentra en la

salida del tanque termo, esta es la línea principal que alimenta al evaporador

aletado.

Pero ¿por qué se congela?

El inconveniente de los evaporadores es que el agua contenida en el aire se



condensa y se congela sobre la superficie de los tubos para formar hielo y

escarcha. Cuanto menor es la temperatura del evaporador mayor es la velocidad

de formación de escarcha. Por supuesto no se tiene formación de escarcha en

aquellos evaporadores donde la temperatura de trabajo es superior a 0º C.

La escarcha es mala conductora del calor por lo que la velocidad de transferencia

de calor desde el espacio refrigerado hacia el refrigerante se reduce. Esto provoca

que la temperatura de evaporación del refrigerante sea cada vez más baja por lo

que se formará más escarcha lo que hace más difícil que entre en calor desde el

exterior. De esta manera, se reduce la capacidad frigorífica del evaporador. En los

evaporadores aleteados la escarcha que se forma entre las aletas reduce la

superficie de contacto entre las aletas y el aire. Esto reduce también la transmisión

de calor por lo que disminuirá la temperatura de evaporización y se producirá una

mayor formación de escarcha. El agua como se dilata conforme se congela, la

expansión que se produce puede dañar las aletas.

Este tipo de evaporador aletado trabaja según el sistema llamado "sistema de

circulación forzosa". Este sistema funciona de la siguiente manera:

Cuando se abre la válvula de presión superior del tanque, se extrae líquido en el

tanque termo por la tubería de buceo hacia el evaporador principal en el cual se

realiza la evaporación del líquido. Cuando el líquido se evapora la presión

aumenta en el evaporador teniendo como consecuencia que solamente la

cantidad de líquido equivalente al consumo trate de bajar la presión en el

evaporador y la presión del tanque se iguale a la presión de salida. Cuando el

nivel del líquido en el tanque baja, debido al consumo de gas, la presión en este

baja.

Entonces por consecuencia, cuando el evaporador tiene una capacidad baja, el

dispositivo de evaporación para aumentar la presión está congelado debajo del

tanque como se muestra en la Figura 14 (a),(b) y (c).



Figura 14 (a).Tubería congelada del tanque termo.

Figura 14 (b).Tubería congelada del tanque termo.

Figura 14 (c).Tubería congelada del tanque termo.



Cuando el evaporador tiene una capacidad elevada el dispositivo de evaporación

para aumentar la presión está congelado alrededor de las aletas como se muestra

en la Figura 15 (a) y (b). El dispositivo de evaporación para aumentar la presión

tiene como misión que junto con el regulador de presión mantenga una presión

constante en el tanque.

Figura 15 (a). Parte superior del evaporador aletado.

Figura 15 (b). Parte inferior del evaporador.

Figura 15. Evaporador aletado congelado (a) vista superior, (b) vista inferior.



CAPÍTULO 3

PROPUESTA DE CONTROL E INSTRUMENTACIÓN.

La escarcha que se produce sobre el evaporador debe retirarse periódicamente

porque puede provocar un daño en la seguridad del equipo y la de los pacientes.

Debido a que el Oxígeno presenta un cambio de fase súbito por ese motivo se

genera escarcha en la tubería de alimentación así como en el evaporador.

Una propuesta inicial para descongelar la tubería y el evaporador fue la utilización

de vapor de agua; sin embargo, de la investigación sobre las propiedades

mecánicas en los materiales se constató que tanto el Acero Inoxidable como el

Cobre resisten temperaturas bajas sin presentar daño; y que el uso de vapor para

la transferencia de calor puede producir un choque térmico que se refiere al

rompimiento de la tubería al sufrir un cambio drástico de temperatura, que provoca

que se fracture la tubería al someterse a un brusco aumento y descenso de la

temperatura, como se mostró en las Tablas 2 y 3.

La propuesta definitiva para descongelarla tubería y el evaporador es mediante un

intercambiador de calor utilizando agua caliente. Por lo tanto, la prioridad es evitar

el congelamiento del evaporador con la finalidad de mejorar el cambio de fase del

Oxígeno Medicinal en el evaporador, ya que este utiliza al medio ambiente como

medio de intercambio y por ese motivo presenta escarcha.

El descongelamiento periódico previene la formación de una capa de hielo que

aísla las aletas del evaporador e impide el intercambio de calor del medio

ambiente con el evaporador. En consecuencia, el cambio de fase correcto en el

Oxígeno evita el congelamiento de las tuberías de distribución, ya que en el peor

de los casos se pueden expulsar partículas de Oxígeno líquido a los pacientes,

provocándoles un daño irreversible.



3.1. DESCRIPCIÓN DE LA PROPUESTA.

En la Figura 16 se muestra el diagrama de proceso por etapas que se detalla a

continuación.

La idea es colocar rociadores en la parte superior del evaporador, proporcionando

agua caliente o templada para evitar la formación de escarcha. Cada rociador es

controlado por una electroválvula que a su vez recibe una señal eléctrica de un

sensor que proporciona la temperatura más baja del evaporador en la parte

inferior. Con este sensor se establece una temperatura que envía una señal para

la apertura o cierre de la válvula. En la parte inferior del evaporador se encuentra

una charola o tina, cuya función es recolectar el agua esparcida en el evaporador

mediante una bomba de succión. Para evitar derramamiento de la charola y

cavitación de la bomba, por seguridad del sistema se propone un control de nivel

ON-OFF.

Figura 16. Diagrama de proceso por etapas.



En la Figura 17 se muestra el diagrama de flujo de arranque/paro y puesta en

marcha.

Figura 17. Diagrama de flujo de arranque/paro y puesta en marcha.

A continuación se muestra la explicación del diagrama de flujo.

CONTROL DE TEMPERATURA

1.- Inicio.

2.-Arranque y paro del proceso.

3.- Se realiza la asignación del set point (como se pretende que sea un punto de

referencia fijo es de -60°C).

4.- Función del sensor de temperatura.



5.- Evaluación de condición < -60°C.

Si cumple pasa al punto 5.1.

No cumple pasa al punto 6.

5.1.- Abre la válvula periódicamente y regresa al punto 4.

6.- Cierra la válvula.

7.- Fin.

CONTROL DE NIVEL

1.- Inicio.

2.- Arranque y paro del proceso.

3.- función del sensor del nivel.

4.- Evaluación de condición ≥ 45 cm.



4.1.- Enciende la bomba y regresa al punto 3.

5.- Evaluación de condición ≤ 10 cm.



5.1.- Apaga la bomba y regresa al punto 3.

6.- Fin.

3.2. CRITERIOS DE SELECCIÓN DE EQUIPO E INSTRUMENTACIÓN.

Los instrumentos de medición y control permiten la regulación de las variables

principales con la exactitud que ningún operador podría realizar. En este proceso

se requiere del control de variables como: temperatura del evaporador y nivel de

agua. El sistema de control compara el valor de una variable a controlar con un

valor deseado y cuando existe una desviación se efectúa una acción correctiva sin

que exista la intervención humana. Los instrumentos de control son: registradores,

transmisores, controladores y válvulas de control.



A continuación se muestra la instrumentación seleccionada para la propuesta de

control, con un análisis previo que sustente su viabilidad y conveniencia

económica.

3.2.1 Selección de la bomba.

Para la bomba se requiere que envíe un flujo a una distancia aproximada de 7 a

20 metros, esto es para la recirculación que se desea enviar a la cisterna o al

tanque de condensado del hospital. Existen diversas marcas en el mercado pero

se ha seleccionado la que a continuación se muestra ya que es una de las marcas

más comerciales y por tanto se tiene una garantía de su correcto funcionamiento,

así mismo las bombas para uso industrial de otras marcas manejan de una

potencia mayor y por consecuencia un costo más elevado.

En la selección de la bomba que se utilizará en la recirculación y desfogue de la

tina de almacenamiento se tomaron en cuenta los siguientes criterios que son:

• Las propiedades del líquido a utilizar, en este caso no se toman medidas de

seguridad ya que es agua lo que se va a utilizar.

• Las características físicas del circuito hidráulico, que es la altura de

elevación.

• El medio en el cual va a estar instalada, esta se encontrará a la intemperie

la cual necesita una protección contra corrosión, polvos, humedad.

Se pretende utilizar una bomba centrifuga con cabezal de policarbonato de la

marca Siemens ya que esta es la que más se adecua a nuestra necesidad. En la

Tabla 4 se muestran las especificaciones y rangos de operación.



Datos Técnicos

Modelo A7B93000069239

HP 0.50

F.S. 1.10

RPM Min-1 3524

Voltaje (V) 127

Hz. 60

Corriente nominal (A) 5.7

Corriente a FS (A) 6.0

Flujo máximo 110 l/min

Altura Max. a flujo l/min. 26 m.

Diámetro de succión 1 1/4"

Diámetro de descarga 1"

Tabla 4. Datos técnicos de la bomba.

A continuación se hace mención de algunas de las características que tiene esta

bomba centrifuga con cabezal de policarbonato, como se muestra en la Figura 18.

• Motor con factor de servicio de acuerdo a NEMA MG-1.

• Abierta a prueba de goteo.

• Cabeza de bomba e impulsor cerrado de policarbonato.

• Operación silenciosa.

• Diseño compacto.

• Motor color naranja RAL 2001.

Figura 18. Bomba centrifuga con cabezal de policarbonato.



En la Figura 19 se muestra las curvas de operación de la bomba de 0.5 HP, de

dos polos.

Figura 19. Curvas de operación.

La gráfica de la Figura 19 corresponde a la carga dinámica total de la bomba y la

eficiencia en porcentaje en función de la capacidad que está dada en litros por

minuto.

3.2.2 Selección de relevador

Para arrancar la bomba es necesario el uso de un relevador como se muestra en la Figura 20. En este caso se tomo uno de fines generales modelo MK2P ya que con este es suficiente para poder proteger las instalaciones para el arranque y algún sobre carga a continuación se presentan las características:

• Voltaje de la bobina: DC6V a 110 VCA 220V AC6V

• capacidad de contacto: 10A 110/1220VAC 220/240VAC

• energía de la bobina: C.C.: CA de ≤1.2W: ≤2.2VA

• cogen: EL DC≤75% Los AC≤80%

• salen: C.C.: CA del ≥10%: El ≥30%

• resistencia de aislamiento: : ≥100MΩ



• resistencia de contacto: ≤50mΩ

• vida eléctrica: 100,000 horas

• vida mecánica: 10,000,000 horas

• temperatura de funcionamiento: -40°C a +55°C

Figura 20.Relevador de fines generales.

3.2.3 Selección del sensor de temperatura.

Para poder seleccionar el sensor de temperatura se presentan dos sensores que

podrían ser utilizados, donde son el termopar y RTD, para ello se analizan las

ventajas y desventajas del termopar, y del RTD.

Se busca un sensor que pueda captar temperaturas criogénicas y también tenga

una alta exactitud.

TERMOPAR

VENTAJAS

• Económicos y robustos.

• Muy fáciles de encontrar en el mercado.

• Cubren amplios rangos de temperatura (-180 a 1370ºC).

DESVENTAJAS

• No tienen una alta precisión (+/- 0.5ºC).



• No pueden extenderse a más de 10 ó 20 metros del indicador por las

interferencias de corriente y por el costo del cable.

RTD

VENTAJAS

• Alta precisión (hasta +/-0.1ºC).

• Ideal para bajas temperaturas, en industrias alimenticias.

• Puede ser extendido fácilmente hasta 30 metros con cable de Cobre

común.

DESVENTAJAS

• Tiene un costo más elevado que los termopares.

• Trabajan en un rango de temperatura limitado (máximo. 700ºC).

• Frágiles, no utilizables en lugares donde haya mucha vibración.

Evaluando estos factores se decide por la utilización de un RTD. Como el proceso

presenta temperaturas criogénicas, se ha seleccionado un RTD Pt100 ya que

tiene una lectura de temperatura de -200 a 629°C (ver Anexo B), los rangos son

muy amplios a la necesidad del proceso, pero es el único que tiene estabilidad en

la lectura y que llega a leer temperaturas extremadamente bajas.

A continuación se presentan las características del sensor de temperatura:

• Elemento: Pt100 a 3 hilos, sólo los RTD´s presenta a 3 hilos.

• El tipo de unión es aislada ya que de esta forma fabrican los RTD´s.

• El diámetro de cable de compensación (ф), es de 3/16” en Acero Inoxidable

304, debido a las características del proceso es la medida que se requiere

para el evaporador.

• Terminales tipo zapata para la entrada del controlador de temperatura.

• Longitud de cabeza de detección (L) es de 30 cm.

• Longitud de cable de compensación (l) de 1.5 m.



En la Figura 21. Se muestra el sensor que se seleccionó.

Figura 21. RTD Pt100.

3.2.4 Selección del controlador de temperatura.

Existe gran diversidad de controladores, entre ellos están los PLC. Los PLC

pueden utilizarse para controlar temperaturas, sin embargo para este proceso no

son los ideales, ya que se requiere un mínimo de entradas y salidas.

Se decide utilizar un PID, ya que en la mayoría de los controles de temperatura es

necesario utilizar este algoritmo de control (no es estrictamente necesario

utilizarlo, se puede utilizar solo un PI, PD). En la Figura 22 se muestra el

controlador que se seleccionó, en realidad es el más pequeño de esta marca, ya

que solo se manejara una entrada y una salida. En la Tabla 5 se muestran sus

especificaciones técnicas.

Figura. 22. Características del controlador TC4S.



Tabla 5. Especificaciones técnicas del controlador.

MODELOTC4S

DIMENSIONES ANCHO 48 X ALTO 48 X LARGO 64.5 mm

ALIMENTACIÓN 100-240 VCA 50/60 Hz.

RANGO DE VOLTAJE DISPONIBLE

Rango de voltaje de 90~110%

CONSUMO DE ALIMENTACIÓN Max. 5VA

MÉTODO DE DISPLAY 7 segmentos (rojo), otro display (verde, amarillo, led rojo)

TIPO DE CARÁCTER ANCHO 7.0 X ALTO 15.00 mm

TIPO DE ENTRADA

RTD Din pt 100Ω (tol. En la línea de resistencia y lo Max. 5Ω por cable)

TC K( ca), j (ic)

MÉTODO DE DISPLAY

TC (•1) (PV ± 0.5 % O ± 1 °C O EL MAYOR) rdg ± 1 DIGITO

RTD (•2) TC4SP (TIPO ENCHUFE) ES (PV ± 0.5 % O ± 2°C O EL MAYOR )

rdg ± 1 DIGITO

SALIDA

RELEVADOR 250 VCA 1-3 A

SSR 12VCC ± 2V 20ma MAX.

ALTERNA Salida de relevador al 1, AL 2 : 250VCA 1A

MÉTODO DE CONTROL Control on/off, P, PI, PD, PID

HISTÉRESIS 1~100°c (kca, jic, pt1) / 0.1 ~ 50.0 °C (pt2)

BANDA PROPORCIONAL 0.1~999.9°c

TIEMPO INTEGRAL (I) 9999 seg.

TIEMPO DERIVATIVO (D) 9999 seg.

PERIODO DE CONTROL 0.5 ~ 120.0 seg.

RESET MANUAL 0.0 ~ 100.0 %

PERIODO DE MUESTREO 100 ms

RIGIDEZ DIELÉCTRICA 2000vca 50/60 HZ. Para 1 min. (entre la terminal de entrada y la terminal

de alimentación)

VIBRACIÓN 0.75 mm DE AMPLITUD A UNA FRECUENCIA DE 5 ~ 55Hz EN CADA

DIRECCIÓN X,Y,Z POR 2 HORAS

CICLO DE VIDA DEL

RELEVADOR

MECÁNICO Min. 10,000,000 OPERACIONES

ELÉCTRICO Min. 100,000 operaciones (a carga resistiva 250VCA 3A)

RESISTENCIA DE AISLAMIENTO Min. 100 MΩ A (500 VCC)

RUIDO Onda de ruido en forma cuadrada, proporcionada por un simulador de

ruido (ANCHO DE PULSO 1μ) ± FASE- 2kv R Y FASE-S-

RETENCIÓN DE MEMORIA Aprox. 10 años (al usar memoria tipo semiconductor tipo volátil)

TEMPERATURA AMBIENTE Es de -10~ 50 °C (sin congelación)

TEMP. DE ALMACENAMIENTO Es de -20~ 60 °C (sin congelación)



Se puede observar la identificación frontal del panel como se muestra en la Figura

23.

Figura 23. Panel frontal del panel.

Dónde:

1.- Display de Temperatura: Muestra la temperatura actual (PV) en el modo RUN

y el parámetro y valor de ajuste para cada grupo de parámetros en el modo de

ajuste de parámetros.

2.- Indicador de Desviación y Autosintonía: Muestra la temperatura actual (PV)

basado en el ajuste de temperatura (SV) por LE.

3.- Indicador de Ajuste de Temperatura (SV): Se presiona una vez cualquier

tecla frontal para revisar o cambiar el ajuste de temperatura actual (SV). El

indicador de ajuste de temperatura se enciende y el valor de ajuste pre establecido

se indica (SV).

4.- Indicador de la Unidad de Temperatura (°C/°F): Se muestra la unidad de

temperatura actual.

5.- Indicador de Salida de Control/Salida Auxiliar.

OUT: Se ilumina cuando la salida de control este encendida (Salida principal de

control).

(•) Arriba de 30 % del funcionamiento en el control CICLO/FASE.

AL1/AL2: Se ilumina cuando se encuentren encendidas las salidas de alarma AL1

/AL2.



6.- Tecla Modo: Se usa cuando se entra en el grupo de ajuste de parámetros,

regresa al modo RUN, seleccionar los parámetros y guarda el valor de ajuste.

7.- Ajuste: Se usa cuando se entra en el modo de cambio del valor de ajuste,

mover y cambiar dígitos.

8.- Tecla Función: Presionar las teclas ↑+ ↓ - por 3 segundos. Para operar la

función (RUN/STOP), cancela la salida de alarma).

El diagrama de conexión se muestra en la Figura 24.

Figura 24. Diagrama de conexión modelo TC4S.

3.2.5 Selección de la electroválvula.

Se requiere de una electroválvula con un caudal variable para proporcionar agua

al sistema de intercambio de calor. Debe ser desenchufable para su fácil

mantenimiento y resistente al medio ambiente. Puede ser de Latón o Acero

Inoxidable que maneje una tensión de 0 a 24 VCC, una anchura de impulsión

modulada de 300 Hz, con un rango de operación de 0 a 90 °C. La electroválvula

seleccionada es de Latón, ya que es más económica.



Adicionalmente para selección de la válvula de control se requiere tener ciertos

datos como:

• El tipo de fluido.

• La presión de entrada y de salida, (siempre será constante).

• Flujo.

• La temperatura del fluido.

A continuación se muestran las especificaciones técnicas de la válvula de control

según la aplicación (Anexo F).

• Válvula de control de caudal de 2 vías.

• 2/2 (todos los puertos en cuerpo) válvula electromagnética normalmente

cerrada/normalmente abierta de actuación directa.

Características:

• Conveniente para el ciclo de alta velocidad.

• Vida mayor a 10 millones de ciclos.

• Voltaje de la bobina 24 CC., 110V CA, CA 220V.

• Recinto de la bobina, prueba del tiempo, a prueba de explosiones, de

seguridad inherente, energías bajas, cierre.

• Certificación, UL, CE, ATEX, DGMS, CCOE, GORTS.

• Cuerpo de la válvula: Se emplea de latón en la Figura 25 se muestra

físicamente.



Figura 25. Válvula de control de caudal de dos vías.

En la actualidad los proveedores recomiendan que válvula sea la que satisface las

necesidades requeridas, proporcionándole datos como la presión, temperatura y el

flujo que se va a ocupar.

Si se requiere realizar un dimensionamiento en la válvula, a continuación se

muestra como realzar el cálculo de esta, cuando se van a utilizar líquidos, gases o

vapor de agua.

Utilizando el principio de conservación de la energía de Bernoullí quien descubrió

que cuando un líquido fluye a través de un orificio, el cuadrado de la velocidad del

fluido es directamente proporcional a la presión diferencial a través del orificio e

inversamente proporcional a la densidad relativa del fluido. De ahí que a mayor

presión diferencial, es mayor la velocidad, a mayor densidad relativa, menor

velocidad. Lógicamente, el flujo volumétrico para líquidos puede ser calculado

multiplicando la velocidad del fluido por el área del flujo. Las ecuaciones que se

dan a continuación son las más usadas para el cálculo de válvulas de control. Sin



embargo para válvulas especiales el proveedor de las mismas, realizará sus

memorias de cálculo con ecuaciones propias.

3.2.6 Selección del control de nivel.



Existen gran variedad en modelos de control de nivel de tipo on/off pero para este

proceso se requiere utilizar un punto de referencia en ello es donde se basa para

poder seleccionar el que a continuación se describe.

El controlador es el modelo CN5, el cual contiene una alarma de alto y bajo nivel.

Detecta los niveles de líquido utilizando un juego de electrodos y la conductividad

del líquido. A continuación se muestra las características de entrada, salida y su

alimentación del controlador:

Entradas:

• Sensores: electrodos/ flotadores.

• Tensión: 17 VCA, aislados.

• Sensibilidad: menor a 12 KΩ.

• Distancia máxima control-electrodos: 50m.

Salidas:

• Relé inversor, bornes: NA, C, NC.

• Capacidad de los contactos: 5A a 220VCA.

Alimentación:

• Tensión: 127/220 VCA +/-15%, 50/60 Hz.

• Consumo: 3 VA.

• Bornes: 127V, 220V.

•

A continuación se muestra en la Figura 26, el diagrama del modelo CN5.



Figura 26. Diagrama de conexión del controlador CN5.

3.2.7 Selección de la tubería para la alimentación de agua caliente.

En la tubería se presentan diferentes tipos de tubería, la “M”, “L” y “K”.

El tipo M tiene un uso domiciliario, donde se manejan bajas presiones, la tipo L es

para uso en plomería de hospitales, para líquidos refrigerantes y la K maneja

temperaturas extremas y altas presiones. Se propone utilizar una tubería de Cobre

tipo L.

Características:

• Temple: Rígido.

• Color de identificación: Azul.

• Grabado (bajo relieve) SI.

• Longitud del tramo 6.10 metros (20 pies).

• Diámetros 1/4" a 4".

• Esta tubería está fabricada cumpliendo con la Norma Mexicana NMX - W

018 – SCFI (ver Anexo C).



3.2.8 Selección de las boquillas de aspersión.

Ahora bien para la parte de aspersión se pueden utilizar regaderas y boquillas de

aspersión; en las regaderas el máximo flujo que presentan son de 10Lts/min.

La etapa en la cual el proceso requiere un máximo de flujo es en el suministro de

agua caliente. Las boquillas de aspersión son ideales en este caso.

Características:

• Combinan la instalación tipo abrazadera con puntas de aspersión de

conexión rápida para un mantenimiento fácil y rápido.

• Bola ajustable que permite un cambio rápido de la orientación de la

aspersión.

• Se acopla a tubos de 1”, 1-1/4”, 1-1/2” y 2” con orificios taladrados de 9/16”

(14.3mm) o 21/32” (16.7mm).

• Disponibles con abrazadera simple o doble.

• Fabricadas en poliuretano reforzado lo que ofrece una excelente

resistencia.

• Las puntas de aspersión plana se alinean automáticamente en un sitio y

puede ser vistas con facilidad por su diseño de aleta exterior.

Figura 27. Boquillas de aspersión.



3.2.9 Selección de la tina

De acuerdo a las medidas tomadas desde la salida del tanque de Oxígeno

Medicinal hasta el evaporador, se tienen diversos materiales para la tina, donde el

proceso requiere que no se contamine el agua a recircular, ya que esta se le dará

el tratamiento correspondiente para poderla reutilizar en diversas áreas del

hospital. Por esta causa se llega a la decisión que sea de material Acero

Inoxidable, ya que es este va a presentar menos contaminantes en el agua.

De acuerdo con las medidas en la salida del tanque y el evaporador se tomó que

el contenedor tiene dimensiones de 1.90 metros de largo, 1 metro de ancho, y 50

centímetros de altura. El cual tiene un volumen de 950 litros. Además el material

por el cual está fabricado es de Acero Inoxidable de un grosor de 3mm. En la

Figura 28. Se muestra el ejemplo de una tina.

Figura 28. Tina de Acero Inoxidable.

En la parte inferior cuenta con una conexión roscada para realizar la conexión de

una válvula o una bomba.



3.3. DIAGRAMA DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN (DTI) DE LA PROPUESTA.

En el DTI se representan los equipos y la instrumentación que permitirá llevar a

cabo el monitoreo y control de cada una de las variables del proceso y los

diferentes tipos de señalización empleados en la comunicación de la

instrumentación de campo con el sistema de control y este a los elementos finales

de acuerdo con las norma ISA 5.1S (ver Anexo D), y estándares de ingeniería.

Se tiene que determinar la instrumentación adecuada para:

• El control de las variables del proceso.

• Contar con los dispositivos que garanticen la seguridad del sistema.

• Tener la instrumentación para dar seguimiento a la operación de los

equipos.

• Representar el grado de automatización del sistema.

• Determinar la interacción con el equipo motriz.

El DTI contiene la siguiente información:

• Condiciones de operación (presión, temperatura, nivel, etc.).

• Capacidades de los equipos de proceso.

• Dimensiones de los equipos de proceso.

• Tubería para la interconexión del equipo (tamaño, identificación del tipo de

fluido que maneja, identificación y especificación de la tubería). [3]

En la Figura 29 se muestra el DTI del proceso.



Figura 29. Diagrama de Tubería e Instrumentación para el control de temperatura para un evaporador de Oxígeno Medicinal.



En las siguientes Tablas se muestra el significado de la simbología mostrada en el

diagrama de tubería e instrumentación.

Tabla 6. Elementos del tanque termo de Oxígeno Medicinal.

V-1 VÁLVULA DE CONSUMO V-3 VÁLVULA DE BLOQUEO GAS EN RELEVO V-4 VÁLVULA DE BLOQUEO GAS EN ELEVO V-5 VÁLVULA DE VENTEO V-6 VÁLVULA DE LLENADO SUPERIOR V-7 VÁLVULA DE LLENADO INFERIOR V-8 VÁLVULA DE ELEVAR PRESIÓN V-9 VÁLVULA DE DERRAME V-10 VÁLVULA DE IGUALACIÓN V-11 VÁLVULA DE EVACUACIÓN V-12 VÁLVULA DE VACÍO P/ TERMO COPLE V-13 VÁLVULA DE BLOQUEO LÍQUIDO P/INSTRUMENTOS V-14 VÁLVULA DE BLOQUEO GAS P/INSTRUMENTOS V-15 VÁLVULA DE PURGA SV-1 VÁLVULA DE SEGURIDAD RECIPIENTE SV-2 VÁLVULA DE SEGURIDAD LÍNEA DR DISCO DE RUPTURA VC-1 VÁLVULA CHECK RELEVO VTV VÁLVULA DE TRES VÍAS E-2 GASIFICADOR DE ELEVO DE PRESIÓN M-1 MANÓMETRO DE RECIPIENTE R-2 REGULADOR DE RELEVAR PRESIÓN R-3 REGULADOR DE ELEVAR PRESIÓN S-1 FILTRO DE ELEVO DE PRESIÓN C-1 CONEXIÓN DE CARGA L INDICADOR DE NIVEL FS FUSIBLE DE SEGURIDAD LV LANZA DE VACÍO T TERMO COPLE



Tabla 7.elemntos de seguridad del tanque termo de Oxígeno Medicinal.

Tabla 8. Nomenclatura de la instrumentación.

3.3.1 Condiciones de operación.

El control de temperatura trabaja de la siguiente forma; la temperatura de salida o

variable controlada se mide con un sensor (TT) que genera una señal

proporcional, la señal del transmisor o medición se envía al controlador (TIC),

donde se compara contra el punto de control, entonces la función del controlador

es generar una señal de salida o variable manipulada, con base en el error o

diferencia entre la medición y el punto de control. La señal de salida del

controlador se conecta entonces al actuador de la válvula de control. [3]

S LLENADO INFERIOR

J DRENADO A LA BOMBA

N INDICADOR DE LÍQUIDO

D DERRAME

G INDICADOR DE GAS

L LLENADO SUPERIOR

E ELEVO DE PRESIÓN

S SEGURIDAD

RP RELEVO DE PRESIÓN

C CONSUMO

TC CONTROL DE TEMPERATURAS

TT TRANSMISOR DE TEMPERATURA

LSH SWICHT DE NIVEL ALTO

LSL SWICHT DE NIVEL BAJO



La función del actuador es situar la válvula en proporción con la señal de salida

del controlador, entonces el flujo de agua caliente es una función de la posición de

la válvula.

Los sensores de alto y bajo nivel nos permitirán mantener un control sobre el nivel

de agua que caerá en la tina al rociar las aletas del evaporador, de tal manera que

cuando este llegue a un nivel máximo se activará la bomba enviando el agua a un

tanque de almacenamiento para ser reutilizada y así evitar un derrame; y cuando

el nivel en la tina sea el mínimo, la bomba se desactivará para evitar la cavitación.

[3]

3.4. ESTRATEGIA DECONTROL.

La estrategia de control que se propone es por retroalimentación, el objetivo es

mantener la temperatura de salida de las aletas del evaporador, en el valor que se

desea o punto de control. La variable que se puede ajustar para controlar la

temperatura de salida es el flujo de agua caliente, ya que determina la cantidad de

energía que se suministra al evaporador.

La retroalimentación proviene cuando se mide la variable controlada y esta

medición es alimentada hacia atrás para reajustar la válvula de agua lo cual

ocasiona que las variaciones en la temperatura de salida se capten en el sensor y

se envía al controlador, donde varia la señal de salida, lo cual a su vez, ocasiona

que la posición de la válvula de control y, consecuentemente, el flujo de agua

caliente varíen; las variaciones en el flujo de agua caliente ocasionan que varíe la

temperatura de salida con lo que se completa la retroalimentación.

El desempeño del sistema de control se puede analizar con el diagrama a bloques

como se muestra en la Figura 30. [4]



Figura 30. Diagrama de bloques del sistema de control de temperatura del evaporador

Dónde:

Es el factor de escala para el punto de control de la temperatura, mA/°C.

Es la función de transferencia del controlador, mA/mA.

Es la función de transferencia de la válvula de control, (lt/s)/mA.

Es la función de transferencia del proceso que relaciona la temperatura de

salida con el flujo de agua caliente, °C/(lt/s).

Es la función de transferencia del sensor, mA/°C.

Señal proporcional a K-temperatura.

Es la señal de error, mA.

Variable manipulada.

Temperatura de salida.

Los bloques en el diagrama representan relaciones lineales entre las señales de

entrada y salida. Las señales son desviaciones de los valores iniciales de estado

estable y no valores absolutos de variables.

En la señal del punto de control se incluye el término para indicar la

conversión de la escala del punto de control, generalmente se calibra en las

mismas unidades que la variable controlada, contra la misma base que la señal

del sensor, es decir, °C a mA. Cuando el controlador se indica la medición y el



punto de control en la misma escala, , entonces es numéricamente igual a la

ganancia de estado estacionario del transmisor.

Mediante el análisis del diagrama a bloques del sistema cerrado como se muestra

en la Figura 29 se ve que en el sistema hay una señal de salida, la variable

controlada , una señal de entrada, el punto de control . Puesto que el

flujo de agua caliente se conecta con la temperatura de salida mediante el sistema

de control, se puede esperar que la “respuesta de circuito cerrado”, del sistema a

las diferentes entradas sea diferente respecto a la respuesta que se tiene cuando

el circuito está “abierto”. La mayoría de los sistemas de control se pueden abrir

mediante el accionamiento de un interruptor en el controlador, de “automático” a

“manual”; cuando el controlador está en la posición manual, su salida no responde

a la señal de error y, por tanto, es independiente del punto de control y de las

señales de medición; por otro lado, cuando está en automático, la salida del

controlador varía cuando varía la señal de medición.

Se desea obtener la respuesta de la temperatura de salida a la temperatura

de entrada ), se obtienen las ecuaciones para cada bloque del diagrama,

como sigue:

Señal de error (3-1)

Variable manipulada (3-2)

Flujo de agua caliente (3-3)

Temperatura de salida (3-4)

Señal del transmisor (3-5)

Se supone que el punto de control no varía, es decir que la variable de desviación

es cero, por lo tanto:



Y todas las variables intermedias se eliminan mediante la combinación de las

ecuaciones anteriores, para obtener la relación entre y :

Como:

Enconces:

Por lo tanto:

Sustituyendo en tenemos:

Ahora:

Sustituyendo en tenemos:

Ahora:

Sustituyendo en obtenemos la relacion entre y :

(3-6)

Esta ecuacion se puede reordenar de la siguiente manera despejando y

:

(3-7)



Se supone que el flujo del proceso no varían , es decir sus variable de desviacion

son cero por lo tanto .

Finalmente al hacer , y combinar la ecuacion 3.1 y 3. se obtiene la

función de transferencia del lazo cerrado entre el punto de control y la temperatura

de salida:

(3-8)

El denominador es el mismo para las dos entradas, mientras que el numerador es

diferente para cada entrada. El denominador es uno mas el producto de las

funciones de tranferencia de los bloques del sistema; mientras que el numerador

de cada funcion de tranferencia es el producto de los bloques que están sobre la

trayectoria entre la entrada especifica y la salida del sistema.

También se verifican las unidades del producto de losbloques en el sistema, como

se muestra la Tabla 9.

H(s) Gs(s) Gv(s) Gc(s)

Tabla 9. Unidades de los bloques.

Con esto se demuestra que, el producto de las funciones de transferencia de los

bloques en el sistema no tiene dimensiones. Tambien se puede comprobar que

las unidades del numerador de cada una de las funciones de transferencia del

sistema a lazo cerrado son las variables de salida entre las unidades de la variable

de entrada correspondiente. [4]



Ecuación característica del sistema.

El denominador de la función de transferencia del sistema de control por

retroalimentacion es independiente de la ubicación de la entrada en el sistema . La

respuesta sin forzamiento del sistema y su estabilidad dependen de los

eigenvalores o raíces de la ecuación que se obtiene cuando el denominador de la

funcion de transferencia del sistema se iguala a cero:

(3-9)

Esta es la ecuacion caracteristica del sistema, se observa que la funcion de

transfrerencia del controlador constituye parte de la ecuacion caracteristica del

sistema; a esto se debe que se pueda dar forma a la respuesta del sistema

mediante el ajuste del controlador. Los otros elementos que forman parte de la

ecuacion caracteristica son el sensor-transmisor, la VÁLVULA de control y aquella

parte del proceso que afecta la respuesta de la variable controlada a la variable

manipulada, es decir todas las , por otro lado, las funciones de transferencia

del proceso que se relacionan con las perturbaciones no son parte de la

ecuación característica. Para demostrar que la ecuacion característica determina

la respuesta sin forzamiento del sistema, se deriva la respuesta del sistema en

lazo cerrado a un cambio en la temperatura de entrada, mediante la inversión dela

transformada de Laplace de la señal de salida. [4]

De la ecuacion (3-7), se tiene:

(3-10)



3.4.1 Función de transferencia del proceso.

En el modelado de los sistemas en general se tienen expresiones matemáticas no

lineales. Sin embargo las aproximaciones lineales son confiables cuando la

complejidad del sistema es baja.

Para el caso de los sistemas Térmicos, se sabe que existen diferentes modelos

lineales.

Por ejemplo:

Dónde:

K es la ganancia del sistema

τ es la constante de tiempo del sistema

es el tiempo de retardo

En este caso, debido a que el retardo es insignificante, se puede concluir que la

función de transferencia del proceso es como se muestra a continuación:

La obtención de la función de transferencia se logra calculando la ganancia del

proceso y la constante de tiempo como se muestra en la Figura 31.

Ganancia:

Figura 31. Función de transferencia del proceso.

La relación que existe es el flujo con respecto a la temperatura que tenemos en

condiciones iniciales como se muestra:



(3-11) Dónde:

Es la temperatura mínima.

Es la temperatura máxima.

Es el flujo mínimo.

Es el flujo máximo.

En la Figura 32 se muestra la gráfica del comportamiento de la entrada y salida

del proceso.

Figura 32. Comportamiento de la entrada y salida del proceso

Constante de Tiempo:



Se obtiene calculando:

(3-12)

Dónde:

Es el tiempo transitorio del proceso.

Este es el tiempo que tarda el evaporador para descongelarse aproximadamente

son 29 minutos.

Entonces sustituyendo este valor en la ecuación (3-12):

Ahora ya que tenemos estos valores la función de transferencia queda de la

siguiente forma:

(3-13)

3.4.2 Función de transferencia de sensor de temperatura.

Debido a las características del sistema, se propuso un sensor cuyos intervalos se

pueden modificar de tal modo que el mínimo de temperatura que va a registrar sea

de -10°C con 4mA y el máximo de temperatura de sensado sea de -110°C con

20mA. Como ya se dijo anteriormente el comportamiento del sensor es lineal, y la

señal mínima que puede ofrecer es de 4-20 mA, tomando en cuenta esto se



puede definir su comportamiento como una recta como se muestra en la Figura

33, de la cual se parte para obtener su ecuación.

Figura 33. Comportamiento del sensor de temperatura.

Se tiene la ecuación general de una recta:

(3-14)

Dónde:

(3-15)

En este caso del sensor la pendiente está dada por:

(3-16)

Entonces:



(3-17)

Por lo tanto la ecuación del sensor de temperatura es la siguiente:

(3-18)

La ganancia es 0.16 y la constante 21.6.

3.4.3 Función de transferencia de la válvula de control.

La relación que existe entre el porcentaje de apertura y el flujo que atraviesa la

válvula con pérdida de carga constante.

Las distintas características posibles quedan definidas por los incrementos del

flujo, o lo que es igual incrementos de Cv (coeficiente de flujo de la válvula), que

se producen con pequeños incrementos del porcentaje de apertura de la válvula.

si esta relación de incrementos es constante se tiene la característica lineal

Por lo tanto como se tiene un flujo constante en el agua caliente es totalmente

lineal su comportamiento, y por ello no se toma una válvula con comportamiento

isoporcentual [5]

Para la obtención de la ecuación de la válvula se relaciona el flujo de agua

caliente y el porcentaje de apertura de la válvula, de esta forma calculamos la

ganancia como se muestra:

(3-19)



En las especificaciones de la válvula viene la frecuencia, este valor se tomará

como el tiempo de apertura, para eso se debe realizar una conversión sacando la

inversa de la frecuencia, para obtener la constante de tiempo:

Frecuencia de la válvula es por lo tanto:

(3-20)

En la siguiente grafica que se observa en la Figura 34 se muestra el

comportamiento de la válvula con relación al flujo y al porcentaje de apertura.

Figura 34. Comportamiento con relación al flujo y tiempo de apertura de la válvula.

Ahora se calcula la relación del porcentaje de apertura con respecto a la señal que

es de 4-20mA. En la Figura 35 se muestra la relación de apertura y la señal.



(3-20)

Figura 35. Relación del porcentaje de apertura y la señal de la válvula.



CAPÍTULO 4

SIMULACIÓN Y RESULTADOS.

Para llevar a cabo la simulación del modelo matemático que describe el

comportamiento de la temperatura de salida, es necesario realizar un diagrama de

simulación con la herramienta Simulink incluida en el programa de MATLAB.

A continuación se explica paso a paso la secuencia de simulación.

Con la herramienta de Simulink se armó un diagrama de bloques Figura 36 en el

cual se incluyen los elementos del proceso.

Figura 36. Diagrama de bloques del modelo.

En cada bloque se le introducen los datos que se calcularon en el capítulo

anterior, iniciando por el controlador que se muestra en la Figura 37 que se



conecta al intercambiador y al bloque de medición que es el sensor de

temperatura que hace la función de la retroalimentación.

Figura 37. Datos del controlador.

Se inicia poniendo el set point con un valor de -60°C, que es la temperatura a la

que queremos llegar ya que es la ideal en la que debe estar el evaporador, se

conecta con el bloque del sensor. Este bloque contiene la ganancia y la constante

de tiempo también se le conecta un scope para observar la dinámica del sensor

como se muestra en la Figura 38.

Controlador:



Figura 38. Datos del sensor de temperatura.

El bloque del sensor se conecta al PID es un control por retroalimentación que

calcula el error entre el valor que le demos en condiciones iniciales y el set point,

para aplicar una acción correctiva que ajuste el proceso, como se muestra en la

Figura 39.

Figura 39. Datos del controlador.



Donde es la inversa de la constante de tiempo del proceso:

Es la constante de tiempo de la válvula con un valor de 0.003

Se utilizó una fórmula de ajuste para síntesis de Dahlin es la siguiente:

(4-1)

Los parámetros de sintonización se obtienen por el método de Dahlin, utilizando la función de transferencia del proceso: es la constante de tiempo de la respuesta del proceso, es el tiempo muerto, y es la ganancia del proceso. La respuesta de lazo cerrado más simple que se puede lograr es la de retardo de primer orden, en ausencia de tiempo muerto en el proceso, esta respuesta es la que se muestra en la ecuación (4-2) y resulta de la funcion de transferencia del proceso:

(4-2)

Donde es la constante de tiempo de la respuesta del sistema en lazo cerrado y, si se ajusta se convierte en el único parámetro de ajuste del controlador sintetizado; mientras más pequeña es el ajuste del controlador es más estricto. Dahlin fue quien propuso originalmente esta respuesta y definió el parámetro de ajuste como recíproco de la constante de tiempo del lazo cerrado, =1/ , al substituir la ecuación (4-2) en la ecuación (4-3), se obtiene:



(4-3)

(4-4)

Dahlin propone unos parámetros de ajuste de controladores de acuerdo al tipo de proceso al cual se le introducirá al controlador. En la Tabla se expresa los parámetros de sintonización de un controlador por el método de Dahlin.

Proceso Controlador Parámetros de ajuste I

ajustable

PI

ajustable

PID

ajustable

ajustable

Tabla 10. Parámetros de sintonización

La mayoría de los sistemas de control se pueden abrir mediante el accionamiento

de un interruptor en el controlador, de “automático” a “manual”; cuando el

controlador está en la posición manual, su salida no responde a la señal de error

y, por tanto, es independiente del punto de control y de las señales de medición;



por otro lado, cuando está en automático, la salida del controlador Figura 40 varía

cuando varía la señal de medición, esta es la función del switch normalmente

abierta que se colocó.

Figura 40. Datos del intercambiador.

Se coloca una entrada con valor a uno, se conecta al bloque que contiene los

datos de la válvula que son la ganancia y la constante, como se muestra en la

Figura 41.

Intercambiador:



Figura 41. Datos de la válvula.

Se conecta a la dinámica de la válvula que es la función de transferencia, y esto

va conectado a una saturación de la misma válvula, se incluye la función de

transferencia general del proceso y un función que representa una perturbación

que es la temperatura del medio ambiente también se agrega la temperatura en

condiciones iniciales.

Resultados:

Teniendo estos datos la dinámica que genera el proceso es la que se muestra en

la siguiente Figura 42.



Figura 42. Dinámica del proceso.

La gráfica muestra que si se logra llegar a la temperatura deseada que es -60°C

en un tiempo aproximado de 15 minutos, en el escalón que se coloca en la función

de transferencia de la perturbación se pueden variar los valores para demostrar

que no afecta la dinámica del sistema.

Ahora, para demostrar el correcto funcionamiento del sistema se cambian los

valores del set point y también valores diferentes de perturbaciones.

Prueba 1. Valores diferentes del set point con una perturbación de -5°C.

En la Figura 43 se muestra el valor del set point= -80°C.



Figura 43. Dinámica del proceso con un valor diferente de set point.

Como se mostró en la Figura anterior se llega al valor de referencia que es d

-80°C pero en un lapso mayor de tiempo que es de aproximadamente 20 minutos.

En la Figura 44 se muestra el valor del set point= -40°C

Figura 44. Dinámica del proceso con un valor de set point diferente.

Como se mostró en la Figura anterior se llega al valor de referencia que es de

-40 °C en un tiempo aproximado de 15 minutos.



En la Figura 45 se muestra el valor del set point= 0°C

Figura 45. Dinámica del proceso con un valor de set point diferente.

Al poner valores diferentes de set point se observa que el sistema si trabaja

correctamente.

Figura 46. Dinámica del proceso con una perturbación de 0°C.

Prueba 2. Valores diferentes de perturbaciones con un set point de -60°C.



Como se puede observar en la Figura 46 al tener una perturbación de 0°C que es

proveniente del medio ambiente o el entorno el que se encuentre el proceso, no

afecta al sistema.


Como se observa en la Figura 47 el sistema logra llegar al valor deseado que es

-60°en 20 minutos aproximadamente, la perturbación afecta al transcurrir un de

tiempo de 25 minutos y se restablece la dinámica del sistema en un tiempo

aproximado de 13 minutos.




Como se observa en la Figura 48 el sistema también logra llegar al valor deseado

de -60°C en un tiempo de 25 minutos, la perturbación afecta en el momento en el

que llega al set point deseado y se restablece en un tiempo aproximado de 15

minutos.

Las perturbaciones no son muy significativas en la dinámica del sistema, porque

se restablecen en un lapso de tiempo pequeño y esto no afecta con el valor

deseado al que se pretende llegar.



CAPÍTULO 5

COSTOS DE INVERSIÓN.

En este capítulo se presenta la suma total de todos los esfuerzos y recursos

materiales que se han necesitado, estos factores se enfocan en cuestión

económica y el tiempo que se requiere para la realización de este proyecto. En la

Tabla 10, se mostraran los costos de los equipos o de instrumentación.

Los costos de cada insumo contemplado en las Tablas siguientes están sujetos a

cambio con respecto al tiempo, se realiza la estimación para visualizar que es

tangible este proyecto.

INSTRUMENTACIÓN Y EQUIPO CANTIDAD PRECIO UNITARIO

PRECIO TOTAL

Controlador digital de temperatura

1 pieza $ 1,522.50 $ 1,522.50

RTD PT-100 3 hilos 1 pieza $ 658.00 $ 658.00

Electroválvula 1 pieza $ 1,181.50 $ 1,181.50

Tubería de Cobre 2 tubo $ 1,065.43 $ 2,130.86

Aspersores 3 pieza $ 750.00 $ 2,250.00

Controlador de nivel 1 pieza $ 1,115.50 $ 1,115.50

Tina 1 pieza $ 2,300.00 $ 2,300.00

Relevador de fines generales 1 pieza $ 220.00 $ 220.00

Bomba de agua 1 pieza $ 1,252.00 $ 1,252.00

TOTAL $12,630.36

Tabla 11. Costos de la instrumentación.



A continuación se mostrara en la Tabla 11 los costos de inversión de materiales

que se están llevando a cabo en este trabajo.

HERRAMIENTAS E INSUMOS

CANTIDAD PRECIO UNITARIO

PRECIO TOTAL

Cople de Cobre 2 pieza $ 25.95 $ 51.90

Codos de Cobre 9 pieza $ 12.50 $ 112.50

Tee de Cobre 4 pieza $ 24.00 $ 96.00

Yee de Cobre de ¾” 1 pieza $ 24.00 $ 24.00

Conector ¾” con rosca interior

1 pieza $ 22.00 $ 22.00

Pasta fundente 1 pieza $ 30.00 $ 30.00

Rollo de soldadura 50/50 1 pieza

450 kg $ 179.50 $ 179.50

Lija para Cobre 1 rollo

1.83 m $ 51.00 $ 51.00

Franela 1 metro $ 12.00 $ 12.00

Tapón soldable ¾” 1 pieza $ 26.00 $ 26.00

Cinta teflón 1 pieza $ 12.00 $ 12.00

Cinta de aislar 1 pieza $ 20.00 $ 20.00

Set de desarmadores 1 pieza $ 269.00 $ 269.00

Set de pinzas y perico 1 pieza $ 225.00 $ 225.00

Abrazaderas omega 17 pieza $ 2.00 $ 34.00

Software Matlab 1 pieza $ 1,950.00 $ 1,950.00

TOTAL $3,114.90

Tabla 12. Herramientas e insumos.



En la Tabla 12. Se muestra el trabajo expresado en tiempo y el costo de las

etapas del proyecto.

ACTIVIDAD TIEMPO COSTO

Identificación del problema 1 día $ 800.00

Propuesta de control 7 días $ 1,500.00

Simulación 3 días $ 1,500.00

Selección y compra de instrumentación

7 días $ 1,000.00

Puesta en marcha un aproximado 3 días $ 5,000.00

3 Ingenieros ($8,000.00 c/u) - $24,000.00

TOTAL 21 días $33,800.00

Tabla 13. Actividades del trabajo.

En el costo del proyecto se incluye la ingeniería básica y la ingeniería de detalle,

así mismo, no se incluye el IVA. Por lo tanto se estima un costo total de todo el

proyecto en $49,545.26 MXN.

El Hospital General de Zona No. 76 consume bimestralmente en promedio

1,187m3 de Agua y al no ser de uso doméstico, el precio por metro cubico es de

$54.6851 MXN. Entonces, el Ayuntamiento de Ecatepec de Morelos del Estado de

México cobra la cantidad de $64,911.21 MNX por bimestre.

En la Tabla 13 se muestra un análisis detallado de las condiciones actuales para

el descongelamiento del evaporador vs. la propuesta al que hace referencia este

trabajo.



Tiempo (minutos) Agua Utilizada (litros)

1 min 30

Tiempo que tarda en descongelar al evaporador

29 870

No. de Veces que se realiza esta operación al día

3 2,610

Al bimestre (60 días) (2,610 lts/día)(60 días)= 156,600

Precio bimestral por metro cúbico de Agua

$54.6851 MNX

Consumo bimestral Real del Hospital General de Zona No. 76 en metros cúbicos

1,187 m3

Por Bimestre

Total a Pagar Real ($54.6851 MNX/m3 )(1,187 m3)= $64,911.21

Anual

Total a Pagar Real ($64,911.21)(6 bimestres) $389,467.28

Agua Utilizada: Propuesta para Etapa de Descongelamiento

Tiempo (minutos) Agua Utilizada (litros)

1 min 30

Tiempo que tarda en descongelar al evaporador

15 450

No. de Veces que se realiza esta operación al día

3 1,350

Al bimestre (60 días) (1,350 lts/día)(60 días)= 81,000

Litros de Agua que se ahorrarían comparando los datos de la propuesta vs. las condiciones actuales por bimestre

156,600 lts-81,000 lts=

75,600

que equivalen a

75.6 m3

Por lo que el Total a Pagar Real Hospital General de Zona No. 76 utilizando la propuesta sería:

Por Bimestre

1,187 m3 - 75.6 m3 = 1,111.4 m3

($54.6851 MNX/m3 )(1,111.4 m3)= $60,777.02

AHORRO BIMESTRAL $64,911.21-$60,777.02= $4,134.19 AHORRO ANUAL ($4,139.19)(6 bimestres) $24,805.16

Tabla 14. Análisis del ahorro de Agua.



Para alargar la vida útil del equipo se recomienda al hospital un mantenimiento preventivo semestral. Este mantenimiento preventivo cuesta alrededor de $ 1,500.00 MXN al semestre y al año $ 3,000.00 MXN. Esto incluye el mantenimiento a bomba, sensor PT-100, controlador y pintura a tubería.



CONCLUSIONES. Una propuesta inicial para descongelar la tubería y el evaporador era mediante el uso de vapor; sin embargo, de la investigación sobre las propiedades mecánicas en los materiales se constató que tanto el Acero Inoxidable como el Cobre resisten temperaturas bajas sin presentar daño; pero con el uso de vapor para la transferencia de calor se puede producir un choque térmico que fracture la tubería. Se decidió entonces utilizar agua caliente como medio de descongelamiento a través de un intercambiador de calor, que además de ser un insumo accesible dentro del Hospital, en la etapa final del proceso, ésta se recupera y posteriormente es tratada para ser distribuida nuevamente. El descongelamiento periódico previene la formación de una capa de hielo que aísla las aletas del evaporador ubicado en el Hospital, e impide el intercambio de calor del medio ambiente con el evaporador. Por otro lado, analizando los consumos de Agua del Hospital de Zona No. 76 con la estructura actual y con la propuesta para la etapa de descongelamiento, se manifiesta que hay un ahorro por bimestre de 75.6 m3, mismos que fueron asignados en su momento para evitar la escarcha/hielo en el evaporador y las tuberías. Entonces el ahorro bimestral sería de $4,134.19 MNX. Por lo que si tomamos en cuenta que actualmente se paga al Ayuntamiento de Ecatepec de Morelos, Estado de México la cantidad de $64,911.21 MNX, tenemos que:

$64,911.21 - $4,134.19 = $60,777.02 Donde $60,777.02 es el monto que se pagaría bimestralmente utilizando la opción propuesta. La inversión total del proyecto propuesto es la suma de los costos totales de las Tablas 10, 11 y 12:

$12,410.36 + $3,114.90 + $33,800.00 = $49,545.26 MNX Instrumentación y Equipo + Materiales + Etapas del Proyecto = Inversión Total



Si se considera que se ahorra al bimestre $4,134.19 MNX, la inversión total del proyecto se recuperaría en 11.93 bimestres o 1.98 años:

Inversión Total $49,325.26 = 11.93 Bimestres Ahorro Bimestral $4,134.19



BIBLIOGRAFÍA. Donald Q. Kern, Proceso de Transferencia de Calor, 30ª. Edición, Editorial McGraw Hill, México, 1999, páginas 13-143. [1] Creus, Antonio, Instrumentación Industrial. 7ª. Edición, Editorial Alfaomega, México, 2006, página 775. [3] Carlos A. Smith, Armando B. Corripio, Control Automático de Procesos. Editorial Limusa, México, 2004, página 306. [4] J. Acedo Sánchez, Control Avanzado de Procesos. Editorial Díaz de Santos, México, 2003, página 175.[5] Ogata, Katsuhiko, Ingeniería de Control Moderno. 4ª. Edición, Editorial Prentice Hall, España, 2003, página 965. Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Termodinámica, 2a. Edición, Editorial McGraw Hill, México, página 91. http://repositori.uji.es/xmlui/bitstream/handle/10234/9753/Desarrollo_modelo_fisico.pdf?sequence=1[2]. Tesis doctoral presentada por: Juan Manuel Belman Flores. Dirigida por: Dr. Joaquín Navarro Esbrí. Castellón, España [2].



ANEXOS



ANEXO A NORMAS DE SEGURIDAD APLICADA A LOS GASES





ANEXO B TABLA DE CONVERSIÓN DE TEMPERATURA PARA UN RTD





ANEXO C NORMA MEXICANA NMX - W 018 – SCF



ANEXO D Norma ISA 5.1S CÓDIGO DE IDENTIFICACIÓN DE INSTRUMENTOS PRIMERA LETRA LETRAS SUCESIVAS

VARIABLE MEDIDA

LETRA MODIFICADORA LECTURA PASIVA FUNCION DE

SALIDA LETRA MODIFICADORA

A Análisis ( 1 ) Alarma

B Quemador Combustión Libre ( 2 ) Libre ( 2 ) Libre ( 2 )

C Libre ( 2 ) Control D Libre ( 2 ) Diferencial (3)

E Voltaje Sensor ó Elemento primario

F Caudal Relación ( 3 )

G Libre ( 2 ) Vidrio, dispositivo para ver ( 4 )

H Manual Alto ( 5 )

I Corriente (eléctrica) Indicación ( 6 )

J Potencia Exploración (7)

K Tiempo Variación de tiempo ( 8 ) Estación de control

L Nivel Luz ( 9 ) Bajo ( 5 )

M Libre ( 2 ) Momentáneo (3) Medio, Intermedio

( 5 ) N Libre ( 2 ) Libre ( 2 ) Libre ( 2 ) Libre ( 2 )

O Libre ( 2 ) Orificio, Restricción

P Presión, Vacío Punto (Ensayo), Conexión

Q Cantidad Integrar, Totalizar ( 3 )

R Radiación Registro ( 10 ) Regulación

S Velocidad, Frecuencia Seguridad (11) Interruptor (12)

T Temperatura Transmisor (13) U Multivariable (14) Multifunción (14) Multifunción (14) Multifunción (14)

V Vibración Válvula, Regulador (12 )

W Peso, Fuerza Vaina, Sonda, Termopozo

X Sin clasificar (15) Eje X Sin clasificar (15) Sin clasificar (15) Sin clasificar (15)

Y Evento, Estado o presencia (16) Eje Y Relé, Cálculo,

Convertidor (12,17)

Z Posición, Dimensión Eje Z

Motor, Actuador, Elemento final de control.



SÍMBOLOS Y LÍNEAS EMPLEADAS EN INSTRUMENTACIÓN Conexión a proceso Señal indefinida Señal neumática Señal eléctrica ó Señal hidráulica Tubo capilar Señal electromagnética o señal sónica guiada Señal electromagnética o señal sónica no guiada Enlace software o enlace de datos Enlace mecánico Símbolos opcionales binarios ( on – off) Señal neumática Señal eléctrica ó

SÍMBOLOS Y LÍNEAS EMPLEADAS EN INSTRUMENTACIÓN

Ubicación primaria, normalmente accesible al operador

Montaje en campo Ubicación auxiliar, normalmente accesible al operador

Ubicación normalmente inaccesible al operador

Instrumentos discretos

Control compartido, visualización compartida

Función de computadora

Controlador lógico programable (PLC)



SÍMBOLOS PARA VÁLVULAS DE CONTROL



ANEXO E MÉTODO DE DAHLIN Como se vio anteriormente, y utilizando el método de la curva de reacción, se puede obtener los parámetros de la función de transferencia: es la constante de tiempo de la respuesta del proceso, es el tiempo muerto, y es la ganancia del proceso. Dahlin propone unos parámetros de ajuste de controladores de acuerdo al tipo de proceso al cual se le introducirá el controlador. En la Tabla se expresa los parámetros de sintonización de un controlador por el método de Dahlin.

Proceso Controlador Parámetros de ajuste I

ajustable

PI

ajustable

PID

ajustable

ajustable



ANEXO F HOJA DE ESPECIFICACIÓN DE LA VÁLVULA DE CONTROL



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