1. REVISTA COLOMBIANA DE F´
ISICA, VOL.38, No.2, 2006
˜ ´
DISENO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE
´ PARA EQUIPOS DE LABORATORIO
REFRIGERACION
D. Bravo-Montenegro 1 , M. L´pez-Ortega 1
o
1
Grupo DSC, Programa de Ingenier´a F´sica, Universidad del Cauca, Popay´n, Colombia.
ı ı a
Recibido xx de Feb.2006; Aceptado xx de Abr.2006; Publicado xx de Jun.2006
RESUMEN
En este trabajo se muestra el dise˜ o de un sistema de refrigeraci´n mediante recircu-
n o
laci´n de agua para un equipo de laboratorio (destilador). El sistema de refrigeraci´n
o o
auxiliar se aproxima a uno de primer orden en el que se dise˜ o un control PI el cual se
n
encarga de mantener la temperatura del fluido refrigerante en un valor fijo. El sistema
de refrigeraci´n principal y el sistema de refrigeraci´n auxiliar se implementan sobre un
o o
recipiente contenedor de agua con las caracter´ ısticas de un condensador evaporativo y
el controlador de temperatura y de nivel se implementan en un dispositivo programable
PIC18F452, los valores de las temperaturas, fecha, hora y valores de nivel (renovaci´n de
o
fluido refrigerante) se pueden leer directamente del dispositivo a trav´s de una pantalla
e
LCD. El instrumento es totalmente autom´tico en las variables de llenado y vaciado del
a
tanque, control de fugas, encendido y apagado de la recirculaci´n de agua, control de
o
temperatura del agua y control de temperatura del tubo y permite un ahorro del fluido
refrigerante (agua) y tiempo de destilaci´n.
o
Palabras claves: Autom´tico, Control PI, Instrumento, Sistema, Refrigeraci´n.
a o
ABSTRACT
This work showed the design of a refrigeration system by means of water recirculation
for a laboratory equipment (distiller). The system of auxiliary refrigeration comes near
to one of first order in which design a PI control who is in charge to maintain the
temperature of the cooling fluid in a fixed value. The main refrigeration system and the
system of auxiliary refrigeration are implemented on a receiving water container with
the characteristics of a condenser to evaporate and the level and temperature controller
implements itself in a programmable device PIC18F452, the values of the temperatures,
date, hour and values of level (renovation of cooling fluid) can be read directly of the
device through a screen LCD. The instrument is totally automatic in the filling variables
and drained of the tank, control of flights, ignition and extinguished of the refrigeration
recirculation, water temperature control,of the water and tube temperature and allows
to a saving of the cooling fluid (water) and distillation time.
Keywords: Automatic, PI Control, Instrument, System, Refrigeration.
1. Introducci´n
o
En algunos laboratorios de investigaci´n se necesitan refrigerar diversos procesos sin la
o
necesidad de disminuir tanto la temperatura y de maneras mas econ´micas, en estos
o
casos se hace uso del agua como refrigerante. Una de las fallas de este tipo de sistemas
de refrigeraci´n es la dependencia de la continua circulaci´n del fluido para garantizar
o o
una temperatura fija, ya que, de recircularla, ganar´ calor, y por ende la eficiencia
ıa
en el proceso se ver´ reducida con el paso del tiempo. Se hace necesario implementar
ıa
un proceso de control en la temperatura del fluido, para garantizar una temperatura
estable si se quiere recircular el agua; adem´s se necesitar´ de otro proceso auxiliar
a ıa
de refrigeraci´n que tenga la eficiencia adecuada para remover el calor ganado por el
o
refrigerante y de esta manera generar un proceso cont´ ınuo y estable.
En este art´ıculo se propone el dise˜ o y construcci´n de un sistema de refrigeraci´n aux-
n o o
iliar autom´tico, que tiene la capacidad de medir y evaluar las variables necesarias para
a
un desempe˜ o aut´nomo; haciendo uso de tecnolog´ accesible, a un costo menor en
n o ıa
comparaci´n a un sistema de refrigeraci´n de compresor y de f´cil uso.
o o a
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ISICA, VOL.38, No.2, 2006
2. Modelado del Sistema de Refrigeraci´n
o
Para modelar el sistema se toma al condensador como un unico sistema, en el cual se
´
cumple la primera ley de la termodin´mica. Existe una superficie de frontera, la del
a
tubo intercambiador de calor, cuyo cambio de temperatura en funci´n del tiempo nos
o
brinda informaci´n sobre el proceso t´rmico. Para el an´lisis de flujo de calor en estado
o e a
transitorio, asumimos que la temperatura es unicamente funci´n del tiempo y que es
o
uniforme en cualquier instante en el medio, esta suposici´n es v´lida cuando el valor de
o a
la conductancia interna del material por unidad de longitud es mayor que diez veces el
coeficiente de transferencia de calor, esta relaci´n esta determinada por el n´mero de
o u
Biot [1], en nuestro caso tenemos Bi = 0.087, para una temperatura m´xima del tubo de
a
60 ◦ C. Para el modelado del sistema auxiliar de refrigeraci´n tenemos lo siguiente (Fig.
o
1):
P (t)
v(t)
h(t) Q
m T (t)
H2 O
Figura 1: Nomenclatura para el modelo del sistema de refrigeraci´n auxiliar.
o
d
Q + Ah[T∞ − T (t)] = mcp T (t)
dt
En el sistema de la figura (1), el flujo de agua que sale del tanque de almacenamiento
es el mismo flujo de agua que entra a ´l pero con una temperatura menor, debido a la
e
acci´n del ventilador axial; es evidente que la p´rdida de calor del agua es directamente
o e
proporcional a la potencia suministrada al motor. Suponemos que, a flujo constante de
agua, introducimos una masa de agua m1 [kg] con una temperatura T1 [◦ C] a una masa
de agua m2 [kg], la cual se encuentra a una temperatura T2 [◦ C],el sistema se describe
entonces, de la siguiente manera:
Calor ganado por la masa Calor perdido por la masa
=
de agua m1 . de agua m2
Matem´ticamente esto esta descrito por:
a
dT
m 1 cp = hA(T − T2 ) (1)
dt
2

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3. Dise˜o Electr´nico del Sistema de Refrigeraci´n
n o o
El sistema de refrigeraci´n implementado depende de una unidad central en la cual esta
o
programada el algoritmo de control y de la cual se generan las sen˜les para los actuadores
a
correspondientes. La configuraci´n del PIC18F452 para el manejo de los sensores y los
o
actuadores, asi como el despliegue de informaci´n se indica en la figura (2).
o
Out
In
pwm
T1 Bmb
T2
T3
Nivel
Figura 2: Diagrama esquem´tico simplificado del sistema de control.
a
El sistema dispone de tres amplificadores de instrumentaci´n AD620 para el acondi-
o
cionamiento de las sen˜les de temperatura (dos) y nivel del agua, un reloj de tiempo
a
real DS1302 que se encarga de entregar el patron de tiempo para los actuadores de nivel,
2 sensores de temperatura LM35 encapsulado m´talico, un sensor potenciom´trico para el
e e
nivel, 2 electrov´lvulas (actuador), una bomba de agua (actuador), un motor D.C (actu-
a
ador), un mosfet de potencia IRF540N, un optoacoplador LTV4N35, un dipositivo para
despliegue de informaci´n LCD PC2004, un teclado y un Microcontrolador PIC18F452
o
quien se encarga de implementar la acci´n de control PI, digitalizar las se˜ales de en-
o n
trada y hacerles un filtrado digital (filtro pasa-bajas FIR)e implementar una se˜al de
n
control PWM aplicada al motor.
Para el modelado experimental del sistema de refrigeraci´n auxiliar se verific´ que es de
o o
primer orden (sec. 2) y se calculan sus par´metros de tiempo de respuesta y amplitud de
a
la se˜ al en funci´n de una exitaci´n tipo escal´n [3]. La implementaci´n del control PI
n o o o o
en el microcontrolador se realiza con el m´todo de ecuaciones de diferencias, el control
e
PI digital genera una se˜al de control proporcional al ciclo util en la se˜al de PWM en
n ´ n
3

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un rango de 0 % a 100 %, para controlar la velocidad de la h´lice, y por tanto regular la
e
temperatura en el agua.
[∆T]
26.5
21.2
16.5
15.9
10.6
5.3
[t]
0 5 10 15 20 25 30
Figura 3: Curva de respuesta de la planta (azul) y el control PI (negro) ante una entrada
escal´n de 16.5o C.
o
El sistema est´ calibrado para generar una se˜al de control en un intervalo de 0 % a 100 %
a n
con un rango de entrada de 20o C, por lo que el valor de salida de ciclo util (66.4 %) en la
´
figura (3) ante una entrada de 16.5oC es v´lido para el control del motor del ventilador,
a
el sobrepaso m´ximo de la se˜ al de control es del 8.43 %
a n
4. Conclusiones
El modelo del proceso a controlar, es la parte primordial del dise˜o de un sistema de
n
control, a partir de este es posible obtener la estrategia de control mas sencilla posible
que cumpla con los requerimientos de desempe˜o. n
Del modelado del sistema se obtuvo informaci´n acerca de los detalles del proceso (canti-
o
dad de condensado, coeficiente promedio de transferencia de calor), que, de ser necesario,
se pueden implementar en la visualizaci´n del sistema, adem´s se propone un modelo para
o a
la caracterizaci´n de motores dc en funci´n de la velocidad generada por medio de una
o o
h´lice y la presi´n din´mica.
e o a
Aprovechando el desarrollo del controlador digital, se dise˜o un filtro digital para el
n
tratamiento de las se˜ ales medidas, con lo que se obtiene una mejor calidad en las vari-
n
ables obtenidas, y se garantiza la resoluci´n de conversi´n anal´gica–digital de la se˜al
o o o n
medida.
Referencias
[1] Marlekar, B. V. y Desmond, R.M. Transferencia de Calor. 2a Edici´n. M´xico
o e
Interamericana, 1985.
[2] Creus, Antonio. Instrumentaci´n Industrial. 6a Edici´n. M´xico Alfaomega, 2000.
o o e
[3] Ogata, Katsuhiko. Sistemas de control en tiempo discreto. 2a Edici´n. M´xico Pear-
o e
son Educaci´n, 1996.
o
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