Subido por viel.pavon

Proyecto Hotel Imperial

Anuncio
Universidad de Oriente
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Automática
Metodología de Proyectos de Automatización
Título: Diseño de un sistema de automatización para el control de la
producción y distribución del agua caliente sanitaria en el Hotel Imperial de
Santiago de Cuba
Autores: Bessie Domínguez Dáger
Antonio Mojena Barcena
Viel Lorenzo Pavón Zaldívar
Juan Carlos Pérez Roy
Erick Santana
Miguel Mock Machado
Andris Lescaille Gómez
Luis Molina
Profesor: PT. Dr. Ing Luis Vázquez Seisdedos
Curso: 2018 - 2019
Resumen
Abstract
INDICE
Introducción5
Capítulo 1. Introducción al proyecto de automatización y descripción de la
instalación9
1.1. Introducción9
1.2. Tarea Técnica9
1.2.1. Denominación y alcance9
1.2.2 Bases para la elaboración9
1.2.3. Objetivo del proyecto9
1.2.4. Fuentes de elaboración9
1.3. Criterios de diseño10
1.3.1. Demanda de referencia a 60ºC10
1.3.2. Consumo diario a 70ºC11
1.3.3. Consumo energía A.C.S.11
1.3.4. Separación mínima entre primera fila de colectores y muro12
1.3.5. Separación mínima entre filas de colectores12
1.3.6. Intercambiador de Calor13
1.3.7. Bomba centrífuga14
1.3.8. Depósitos de inercia14
1.4. Descripción de la instalación15
Capítulo 2. Presentación del proyecto de automatización17
2.1 Introducción17
2.2 Automatización del sistema.17
2.3. Diseño del sistema de monitorización18
2.4. Programa de mantenimiento18
2.5. Consideraciones generales de la instalación20
2.6. Datos técnicos de la instrumentación20
2.7. Ventajas y desventajas de los colectores solares31
2.7.1. Ventajas31
2.7.2. Desventajas32
2.8. Criterios de montaje de la instrumentación32
2.9. Aspectos medioambientales33
Conclusiones34
Anexos35
Bibliografía37
Introducción
Desde tiempos remotos, las energías renovables han constituido una parte importante
en el desarrollo de la humanidad, especialmente la solar, la eólica y la hidráulica.
Ejemplos de ello fueron la navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las
disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la energía del sol.
Con la invención de la máquina de vapor, se fueron abandonando estas formas de
aprovechamiento, por considerarse inestables en el tiempo, y se comenzaron a utilizar
cada vez más los motores térmicos y eléctricos. En esa época todavía existía un
consumo relativamente escaso; por lo que no se previó un agotamiento de las fuentes
energéticas, ni otros problemas ambientales que más tarde se presentaron
Hacia 1970 las energías renovables empezaron a considerarse una alternativa a las
energías tradicionales, tanto por su disponibilidad presente y futura garantizada (a
diferencia de los combustibles fósiles que precisan miles de años para su formación)
como por su menor impacto ambiental para el caso de las energías limpias, y por esta
razón fueron llamadas energías alternativas. Actualmente muchas de estas energías
son una realidad, no una alternativa, por lo que el nombre de alternativas ha quedado
en desuso para ser utilizado el término renovables.
Una de las soluciones más eficientes son los colectores solares térmicos cuya función
es captar la energía del sol mediante paneles solares y transformarla en calor, el cual
es generalmente empleado en sistemas para el calentamiento de agua sanitaria pues
este representa una parte importante del consumo de la energía en instalaciones
colectivas como edificios de viviendas, hoteles, edificios comerciales, edificios
institucionales, etc.
Fig. 1. Calentador solar
Los calentadores solares constan de un tubo interior, mucho más largo que ancho y
dotado de un cierto vacío, donde hay un líquido que vaporiza en el rango de
temperaturas deseado. Al vaporizar, asciende por el interior del tubo hacia la parte
superior (condensador) donde está el foco frío, cediendo a éste su calor y volviendo a
estado líquido. En este proceso libera el llamado “calor latente de vaporización”, que
es el necesario para su cambio de estado de líquido a gas y viceversa, y que es mucho
mayor que el necesario para simplemente aumentar su temperatura. Al licuarse,
desciende de nuevo por el tubo hasta el foco caliente, donde el proceso comienza de
nuevo. Así se consigue evacuar mucho calor sin un gran aumento de temperatura.
Este tubo metálico está dotado de unas aletas de aluminio con un recubrimiento
especial que optimiza la captación, todo ello cerrado en una cápsula de borosilicato al
vacío para minimizar las pérdidas. De esta manera se consiguen eficiencias muy
superiores a los dispositivos solares convencionales.
La aplicación de los sistemas de energía solar conlleva importantes reducciones en
los gastos energéticos y grandes ahorros económicos. Pero debido a que la radiación
solar llega a la tierra de forma dispersa y no se puede almacenar de forma directa, se
requieren sistemas de control capaces de actuar en consecuencia a las variaciones
de dicha fuente de energía, así como una supervisión periódica que garantice a los
proyectistas disponer de datos relacionados con la eficiencia y comportamiento de
estas instalaciones; con el objetivo de continuar perfeccionando esta importante
tecnología.
En el nuevo Hotel Imperial de la cuidad de Santiago de Cuba, se ha diseñado un
sistema a base de calentadores solares para la producción y distribución del agua
caliente sanitaria en la instalación. Se plantea utilizar colectores solares con
circulación forzada para cubrir hasta un 70% de la demanda de agua caliente del hotel
y el resto obtenerlo a partir de la recuperación de calor de las enfriadoras de agua que
se utilizaran para la climatización de las áreas prevista. También se plantea un sistema
de calentamiento de agua alternativo para cubrir el 100% de la demanda de agua
caliente, en caso que no sea posible utilizar la instalación solar y/o la recuperación de
calor. Además, el sistema de producción de agua caliente tendrá la capacidad de
elevar la temperatura del agua en los tanques a 70ºC, como mecanismo para combatir
la legionella. Esta elevación de la temperatura se hará en condiciones de no consumo
de agua caliente.
Esta compleja instalación deberá contar con un sistema de control capaz de asegurar
el
correcto
funcionamiento
de
la
misma,
procurando
obtener
un
buen
aprovechamiento de la energía solar captada y asegurando un uso adecuado de la
energía del sistema de apoyo.
Basándose en lo anteriormente planteado, surge La necesidad de controlar
eficientemente la producción y distribución del agua caliente sanitaria en el Hotel
Imperial de Santiago de Cuba, por lo que se toma esta situación como problema de
investigación.
Se tomó como objeto de investigación: El proceso de producción y distribución del
agua caliente sanitaria en el Hotel Imperial.
Por lo que se ha tomado como objetivo de este trabajo: Diseñar un sistema de control
automático para el proceso de producción y distribución del agua caliente sanitaria en
el Hotel Imperial.
Por tanto, se decidió orientar la investigación hacia el campo de acción del control
automático de la producción y distribución del agua caliente sanitaria en el Hotel
Imperial empleando un PLC (Programmable Logic Controller) como dispositivo de
control.
Se planteó la siguiente hipótesis: Si se diseña un sistema de control automático de
la distribución de agua sanitaria utilizando PLC, se podría garantizar en el Hotel
Imperial una mayor eficiencia energética, ahorro económico y un mayor confort en los
servicios.
Para el cumplimiento del objetivo propuesto se han asumido las siguientes tareas de
investigación:
1. Caracterizar el sistema de calentamiento de agua del Hotel Imperial.
2. Seleccionar la tecnología que mejor se adecue al sistema en cuestión y a las
características de nuestro país.
3. Estudiar las principales características de la tecnología seleccionada.
4. Realizar el diseño del sistema de control automático y de conexiones de
tuberías.
Las cuales han sido desarrolladas utilizando como base las siguientes Técnicas y
métodos:
1. Técnicas empíricas.
2. Análisis de fuentes documentales.
3. Observación.
4. Método histórico – lógico.
5. Método de análisis – síntesis.
Aporte de esta investigación:
Obtención de un sistema de monitorización y control para instalaciones solares
térmicas, basado en una tecnología históricamente comprobada como son los PLC,
donde se muestran las potencialidades de la misma en sistemas de automatización
industrial.
Capítulo 1. Introducción al proyecto de automatización y
descripción de la instalación
1.1. Introducción
En este capítulo se ofrece la tarea técnica del proyecto de automatización de la
producción y distribución del agua caliente sanitaria en el Hotel Imperial de la ciudad
de Santiago de Cuba. Además, se hace referencia a cuestiones de diseño de este
proyecto y se incluye la descripción del sistema que se desea instalar.
1.2. Tarea Técnica
1.2.1. Denominación y alcance
La automatización del control de la producción de agua sanitaria se realizará sobre un
sistema cerrado de recirculación de agua por un intercambiador de placa y colectores
solares.
1.2.2 Bases para la elaboración
 Tecnologías que se disponen
 Hojas de datos técnicos originales de los equipos
 Necesidad del cliente de que el agua llegue a la habitación con una temperatura
y presión adecuada para su utilización
1.2.3. Objetivo del proyecto
 Diseñar la automatización del proceso de producción y distribución del agua
caliente sanitaria en el Hotel Imperial.
1.2.4. Fuentes de elaboración
 Se parte de la documentación de los suministradores de los equipos,
aplicaciones previas de este sistema en empresas internacionales y
nacionales, así como información de internet.
Se acomete el anteproyecto de la instalación de agua sanitaria en el Hotel Imperial de
Santiago de Cuba. Para realizar esta tarea se recibió de parte de la inmobiliaria
Santiago (Inversionista de la obra) un programa donde se trazan las pautas a seguir
en la elaboración del proyecto en general y también en lo particular para el sistema a
utilizar para la producción y distribución del agua caliente sanitaria en la instalación.
Se plantea utilizar colectores Solares con circulación forzada para cubrir hasta un 70%
de la demanda de agua caliente del hotel y el resto obtenerlo a partir de la
recuperación de calor de las enfriadoras de agua que se utilizaran para la climatización
de las áreas prevista. También se plantea un sistema de calentamiento de agua
alternativo para cubrir el 100% de la demanda de agua caliente, en caso que no sea
posible utilizar la instalación solar y/o la recuperación de calor. Además, el sistema de
producción de agua caliente tendrá la capacidad de, eventualmente, elevar la
temperatura del agua en los tanques a 70ºC, como mecanismo para combatir la
legionella. Esta elevación de la temperatura se hará en condiciones de no consumo
de agua caliente.
1.3. Criterios de diseño
Para realizar los cálculos necesarios y definir el equipamiento necesario se tomaron
datos de la obra como:
 Cantidad de habitaciones y huéspedes en las mismas,
 Cantidad de aparatos donde se necesita llevar el agua caliente,
 Orientación solar del edificio.
Además, se realizó un estudio de sombras en el área donde se prevé instalar los
colectores solares y se determinó el tipo de colector solar a utilizar.
1.3.1. Demanda de referencia a 60ºC
Criterio de demanda
Litros/día*unidad
Unidad
Vivienda
28
Por persona
Hospitales y clínicas
55
Por persona
Ambulatorio y centro de
salud
Hotel *****
41
Por persona
69
Por persona
Hotel ****
55
Por persona
Hotel ***
41
Por persona
Hotel/hostal **
34
Por persona
Camping
21
Por persona
Hostal/pensión *
28
Por persona
1.3.2. Consumo diario a 70ºC
Di(T) = Di(60c)*(60-Ti/T-Ti)
Donde:
Di(T)= Demanda de agua caliente sanitaria para el mes “i” a la temperatura T elegida.
T= Temperatura de acumulación final
Ti = temperatura media fría para el mes “i”
Resultado = 1322 litros de agua por día
1.3.3. Consumo energía A.C.S.
Las cargas caloríficas determinan la cantidad de calor necesaria mensual para
calentar el agua destinada al consumo doméstico, calculándose mediante la
expresión:
Qa = Ce*M*N*(tac – tr)*O
Donde:
Qa: carga calorífica mensual de calentamiento de ACS (KJ/Mes)
Ce: calor específico. Para el agua 4187 J/(Kg ºC)
M: consumo medio diario, expresado en l/d a 55ºC
N: Número de días del mes
tac: temperatura del agua para la que se ha calculado el consumo diario de agua
caliente, en este caso a 70ºC.
tr: temperatura del agua de red (ºC)
O: ocupación (tanto por uno)
Ejemplo para el mes de enero
Mes
Ce
(KJ/Kg ºC )
N
M
Ta
Ta
(litros día)
Acumulada
red
O QACS
(KJ)
Q A.C.S
( KWh)
Enero
4,187
31
1322
70
10
1
16456831
10295KWh
1.3.4. Separación mínima entre primera fila de colectores y muro
La distancia D, medida sobre la horizontal, entre una fila de captadores y un obstáculo,
de altura h, que pueda producir sombras sobre la instalación deberá garantizar un
mínimo de 4 horas de sol en torno al mediodía del solsticio de invierno.
Así pues, la distancia D medida sobre la horizontal entre una fila de captadores y un
obstáculo de altura H que pueda producir sombra sobre la instalación, debe ser, como
mínimo, el valor obtenido en la siguiente expresión:
D = H/tg*(67grados – latitud)
Donde:
- D: Distancia media sobre la horizontal entre una fila de captadores y un obstáculo de
altura H.
-H: Altura de obstáculo respecto a la superficie horizontal en la que se sitúan
colectores.
-Latitud: 37.98 grados.
H = Altura muro – Altura sobre el suelo paneles = 1.10 – 0.20 = 0.90 metros

D = H/tg (67-latitud) = 1.62 metros.
La distancia mínima entre la pared y los colectores será de 1,62 metros.
1.3.5. Separación mínima entre filas de colectores
La distancia que interesa determinar es la que existe entre la proyección sobre el suelo
de la parte posterior de una fila de colectores y la parte baja de la fila siguiente, D.
Este valor se calcula mediante la fórmula siguiente:
D = d + ( Lxcos ∝) = ( Lxsen ∝)/tg( 67grados – latitud) + Lxcos ∝
Donde:
D: Separación entre filas de colectores.
d: Separación entre la proyección sobre suelo de la parte posterior de una fila de
colectores y la parte baja de la fila siguiente.
L: Longitud de los colectores.
∝: Inclinación de los captadores respecto a la horizontal.
Fig. 2. Separación entre filas de colectores
La distancia entre filas de colectores será de al menos 4 metros de distancia. Por
tanto, la distancia entre filas de colectores será de 6 metros para que sea superior a
los 4 metros mínimos calculados.
1.3.6. Intercambiador de Calor
Es el elemento de relación entre los circuitos primario y secundario en el circuito solar.
Su acción es la de transferir la energía calorífica del primario (circuito de captación) al
secundario.
El intercambiador escogido debe cumplir con la condición en el caso del circuito solar:
P≥500*A
Donde:
P = Potencia mínima del intercambiador (W)
A = Área de captadores (metros cuadrados)
Así pues, se usará un intercambiador de placas. La potencia del intercambiador será
de 0.65 kW por m² de superficie colectora, lo que hace un total de 43 kW de potencia.
1.3.7. Bomba centrífuga
La bomba centrífuga deberá compensar las caídas de presión del circuito mediante la
presión que imprimirá al fluido que circule por ellas.
Los circuladores escogidos para todos los circuitos de ambas instalaciones son
bombas centrifugas ya que presentan las siguientes ventajas:
1- Ocupan menor espacio.
2- Su coste es menor.
3- Aunque no son capaces de alcanzar grandes presiones, para las presentes
aplicaciones ofrecerán sobrepresiones más que suficientes para compensar las
pérdidas de carga.
4- Son capaces de atender fácilmente las variaciones de caudal, que es previsible que
se produzcan con motivo de la regulación de la instalación.
Δpcircuito primario(agua) = ΔpTuberías + ΔpCaptadores + ΔpIntercambador
1.3.8. Depósitos de inercia
Son los elementos de la instalación encargados de almacenar energía calorífica en
forma de agua caliente. Una de las grandes ventajas del agua es su capacidad para
retener el calor, lo que la hace especialmente interesante para su uso en una
instalación de almacenamiento de energía térmica.
Teniendo en cuenta que estos acumuladores desarrollaran una función en la
instalación solar, hay que tener en cuenta que el volumen de acumulación de los dos
tiene que ser, de 50 litros a 180 litros de acumulación por metro cuadrado de superficie
captadora.
50 < V/A < 180
Donde:
A: La suma de las áreas de los captadores [m²];
V: El volumen del depósito de acumulación solar [litros].
1.4. Descripción de la instalación
El sistema está compuesto por dos circuitos: uno primario en el que se realiza el
calentamiento del agua a través de los colectores solares y se la hace circular por un
intercambiador de placas que es el encargado de transferir el calor al circuito
secundario que almacena el agua caliente en los tanques de almacenamiento, de los
cuales es extraída según la demanda.
Se disponen de 10 colectores solares dispuestos en dos baterías. Cada batería cuenta
con 5 colectores conectados en paralelo, a través de cada uno debe de existir un flujo
máximo de 0.188 m3/h, lo que impone un flujo total en cada batería de 0.94 m 3/h.
Como las baterías están conectadas en paralelo se tendrá un flujo máximo en el
circuito de 1.88 m3/h. Además, a través del intercambiador de placas no debe de haber
un flujo mayor de 1.88 m3/h, y una caída de presión de 1.5 m.c.a. Por tanto, la bomba
seleccionada debe de garantizar que no se excedan estos límites.
El circuito primario es abierto con conexión a la atmosfera por medio de un tanque de
expansión de 100 litros, esto permite facilitar el llenado del mismo con agua
desmineralizada para evitar las incrustaciones de los elementos que conforman el
mismo y como elemento de alivio de presión del sistema en caso de
sobrecalentamientos excesivos del agua. Se tienen dos bombas de recirculación de
línea, colocadas en paralelo, de las cuales solo trabajará una y la otra será utilizada
en caso de fallo de la primera. Estas mantendrán el fluido en movimiento para trasferir
el calor absorbido en los colectores solares hasta el intercambiador de placas y de
este al agua para uso sanitario en el circuito secundario.
El circuito secundario será del tipo cerrado, en el mismo el flujo máximo permitido será
de 1.88 m3/h con dos bombas de recirculación de línea se mantendrá el fluido en
movimiento para calentar el agua dentro de los tanques termo acumuladores a través
del intercambiador de placas. De estas bombas solo trabajará una a la vez y la otra
solo se usará en caso de fallo de la primera. La utilización de Tanques Acumuladores
verticales permitirá lograr la estratificación del agua y así extraer la más caliente en la
parte superior. Se colocará una resistencia eléctrica de dos pasos, 10 kW cada una
para calentar el agua en caso de que no se pueda suplir la demanda con los colectores
solares u otras fuentes. Dichos tanques deben tener una presión máxima de trabajo
de 7 bar. Los sensores de temperatura utilizados no deben tener un error mayor de
1ºC.
En el sistema propuesto, un PLC será el encargado de realizar el control del sistema.
Al mismo deberán llegar las señales de los sensores de temperatura los cuales
estarán ubicados uno a la salida de los colectores y el otro en la parte inferior de los
tanques de almacenamiento. Se propone la colocación de un presostato, y de una
válvula de seguridad para prevenir un exceso de presión en el circuito secundario.
Además, se colocarán indicaciones lumínicas para conocer el estado (encendido,
apagado) de las bombas.
Los tanques acumuladores de agua caliente tendrán las siguientes características:

Presión de trabajo: 3-7 bar.

Resistencia eléctrica (con 2 escalones como mínimo) como sistema de apoyo para
suplir el déficit de energía (20 Kw).

Tomas para conexión de sensores de temperatura.
Capítulo 2. Presentación del proyecto de
automatización
2.1 Introducción
En este capítulo se abordan las diferentes cuestiones referentes a las partes que
constituyen el proyecto de automatización en la producción y distribución del agua
caliente sanitaria en el Hotel Imperial. Se ofrece cuestiones de la automatización y
diseño de este proyecto; además se especifican los instrumentos y equipos que se
van a emplear y cuestiones de montaje y mantenimiento del sistema que se desea
instalar. Por último, se realiza un análisis del impacto medioambiental del proyecto
propuesto.
2.2 Automatización del sistema.
El sistema de control asegurará el correcto funcionamiento de la instalación,
procurando obtener un buen aprovechamiento de la energía solar captada y
asegurando un uso adecuado de la energía del sistema de apoyo. El sistema de
regulación y control comprenderá el control de funcionamiento de las bombas de los
circuitos primario y secundario, así como el circuito de recirculación del agua caliente
en la línea de consumo. El control de funcionamiento normal de las bombas de
recirculación deberá ser siempre de tipo diferencial para actuar en función de la
diferencia entre la temperatura del fluido portador en diferentes puntos del sistema.
El sistema de control actuará y estará ajustado de manera que las bombas no estén
en marcha cuando la diferencia de temperaturas sea menor de 2 ºC y no estén
paradas cuando la diferencia sea mayor de 7 ºC. La diferencia de temperaturas entre
los puntos de arranque y de parada de termostato diferencial no será menor que 2 ºC.
Las sondas de temperatura para el control diferencial se colocarán en la parte superior
de los captadores de forma que representen la máxima temperatura del circuito de
captación. El sensor de temperatura de la acumulación se colocará en la parte inferior
en una zona no influenciada por el calentamiento del sistema de apoyo.
La localización e instalación de los sensores de temperatura deberá asegurar un buen
contacto térmico con la parte en la cual hay que medir la misma. Para conseguirlo en
el caso de las de inmersión, se instalarán en contracorriente con el fluido. Los
sensores de temperatura deberán estar aislados contra la influencia de las
condiciones ambientales que le rodean. La ubicación de las sondas ha de realizarse
de forma que éstas midan exactamente las temperaturas que se desean controlar,
instalándose los sensores en el interior de vainas y evitándose las tuberías separadas
de la salida de los captadores y las zonas de estancamiento en los depósitos. No se
permite el uso permanente de termómetros o sondas de contacto. Preferentemente,
las sondas serán de inmersión. Se tendrá especial cuidado en asegurar una adecuada
unión entre las sondas de contactos y la superficie metálica.
El sistema de control asegurará que en ningún caso se alcancen temperaturas
superiores a las máximas soportadas por los materiales, componentes y tratamientos
de los circuitos.
2.3. Diseño del sistema de monitorización
El tratamiento de los datos proporcionará la energía solar térmica acumulada a lo largo
del tiempo.
El sistema de control incluirá señalizaciones luminosas de la alimentación del sistema
y del funcionamiento de bombas.
El tiempo mínimo entre fallos especificados por el fabricante del sistema de control
diferencial no será inferior a 7000 horas.
Los sensores de temperaturas soportarán las máximas temperaturas previstas en el
lugar en que se ubiquen. Deberán soportar sin alteraciones de más de 1 °C, las
siguientes temperaturas en función de la aplicación:
– A.C.S. y calefacción por suelo radiante y “fan-coil”: 100 °C
– Refrigeración/calefacción: 140 °C
2.4. Programa de mantenimiento
Criterios generales
Se definen tres escalones de actuación para englobar todas las operaciones
necesarias durante la vida útil de la instalación para asegurar el funcionamiento,
aumentar la fiabilidad y prolongar la duración de la misma:
a) Vigilancia
b) Mantenimiento preventivo
c) Mantenimiento correctivo
a) Plan de vigilancia
El plan de vigilancia se refiere básicamente a las operaciones que permiten asegurar
que los valores operacionales de la instalación sean correctos. Es un plan de
observación simple de los parámetros funcionales principales, para verificar el
correcto funcionamiento de la instalación. Será llevado a cabo, normalmente, por el
usuario, que, asesorado por el instalador, observará el correcto comportamiento y
estado de los elementos.
b) Plan de mantenimiento preventivo
Son operaciones de inspección visual, verificación de actuaciones y otras, que
aplicadas a la instalación deben permitir mantener dentro de límites aceptables las
condiciones de funcionamiento, prestaciones, protección y durabilidad de la misma. El
mantenimiento preventivo implicará, como mínimo, una revisión anual para aquellas
instalaciones con una superficie de captación inferior a 20 m2 y una revisión cada seis
meses para instalaciones con superficie de captación superior a 20 m2.
El plan de mantenimiento debe realizarse por personal técnico especializado que
conozca la tecnología solar térmica y las instalaciones mecánicas en general. La
instalación tendrá un libro de mantenimiento en el que se reflejen todas las
operaciones realizadas, así como el mantenimiento correctivo.
El mantenimiento preventivo ha de incluir todas las operaciones de mantenimiento y
sustitución de elementos fungibles o desgastados por el uso, necesarias para
asegurar que el sistema funcione correctamente durante su vida útil.
Dado que el sistema de energía auxiliar no forma parte del sistema de energía solar
propiamente dicho, sólo será necesario realizar actuaciones sobre las conexiones del
primero a este último, así como la verificación del funcionamiento combinado de
ambos sistemas. Se deja un mantenimiento más exhaustivo para la empresa
instaladora del sistema auxiliar.
c) Mantenimiento correctivo:
Son operaciones realizadas como consecuencia de la detección de cualquier
anomalía en el funcionamiento de la instalación, en el plan de vigilancia o en el de
mantenimiento preventivo. Incluye la visita a la instalación, en los mismos plazos
máximos indicados en el apartado de Garantías, cada vez que el usuario así lo
requiera por avería grave de la instalación, así como el análisis y elaboración del
presupuesto de los trabajos y reposiciones necesarias para el correcto funcionamiento
de la misma. Los costes económicos del mantenimiento correctivo, con el alcance
indicado, forman parte del precio anual del contrato de mantenimiento. Podrán no
estar incluidas ni la mano de obra, ni las reposiciones de equipos necesarias.
2.5. Consideraciones generales de la instalación

Los tanques podrán construirse de chapas de acero inoxidable de espesor 6mm,
registrable para facilitar la limpieza, el recubrimiento interior del mismo será con
resinas epóxicas de calidad alimentaria. El aislamiento con espuma rígida de
poliuretano inyectado de 40 mm de espesor, densidad 50 kg/cm³. llevará prevista
protección catódica, sensor de temperatura. válvula de seguridad, entrada de
agua fría y de recirculación de agua caliente, salida de agua caliente y purgas de
aire y agua,

Los tanques deben colocarse en forma vertical para garantizar la estratificación
del agua dentro de los mismos.

Las tuberías de agua caliente de los circuitos primario, secundario y de suministro
serán de acero galvanizado, las cuales se protegerán con aislamiento térmico
tubular de espuma elastomerica con terminación exterior resistente al
intemperismo (similar al armaflex finish) o con el propio armaflex con
recubrimiento de pinturas de color claro preferentemente blanco.
2.6. Datos técnicos de la instrumentación
I.
Bombas de circulación
Datos técnicos:

Modelo: MXH 202-60/A

Fabricante: Calpeda

Construcción:
Son bombas horizontales de acero inoxidable de cromo-nickel. Son construidas de
forma compacta y robusta, sin rebordes sobresalientes y con una pieza simple como
base y con soporte para una linterna.
Fig. 3. Bombas de circulación
Tienen una carcasa gruesa, en forma de barril, con el puerto de succión al frente de
la bomba y el puerto de entrega en la parte superior.

Aplicaciones:
Es aplicable como fuente de alimentación de agua, para líquidos limpios, y no
corrosivos del acero inoxidable. Es una bomba universal, para uso doméstico,
aplicaciones civiles e industriales, como para usar en el riego de jardines.

Condiciones de operación:
Temperatura del fluido entre -15 0C y 110 0C.
Temperatura ambiental hasta 40 0C.
Presión máxima permisible en la bomba: 8 bar.

Motor:
Emplea un motor de inducción trifásico de dos polos, con las siguientes
características:
No. Polos
2
Velocidad
3450 rpm
Potencia de salida
0.55 kW
Fuente de alimentación
220/380 V
Corriente de arranque
4.3 A
60 Hz
/nominal
Protección térmica
Hasta 1.1 kW
Aislamiento
Clase F
Nivel de Protección
IP 54
Flujo
2 m3/h
H
28.5 m
Criterio de selección
Como se puede observar la bomba elegida cumple los criterios de diseño, puesto que
es capaz de suministrar el flujo de agua requerido tanto para el circuito primario como
para el secundario (1.88 m3/h), siempre y cuando la distancia entre la bomba y el
intercambiador de placas no supere 30 m (vertical), aproximadamente. Además, esta
bomba puede manejar la potencia requerida en la instalación, y la presión a la que
estará sometido el flujo no sobrepasará 7 bar.
II.
Transmisores de temperatura
El STC300 es un transmisor de temperatura electrónico para tuberías que convierte
la temperatura medida en una señal de 4-20 mA. Este transmisor es entregado como
una unidad completa, compuesta de una abrazadera de tubería, el elemento sensor y
un amplificador.
Fig. 4. Transmisores de temperatura
El sensor y el amplificador son encapsulados en unidades separadas, para proteger
la parte electrónica del calor excesivo. Un cable de 2 m conecta las unidades. El
elemento transmisor tiene el propósito de ser montado directamente en la parte
externa de tuberías de diámetro máximo de 100 mm.
Datos técnicos:
Salida
4-20 mA
Rango
0-160 0C
Precisión
±0.3 a 25 0C
Alimentación
Min.15Vdc, Max.36Vdc
Fabricante
Schneider Electric
Criterio de selección:
Este sensor es elegido no solo porque puede medir el rango de temperatura deseado,
sino también porque encapsula en una misma unidad el elemento sensor y el
transmisor, el cual cuenta con salida 4-20 mA, que será conectada directamente al
autómata seleccionado. Además, está diseñado para ser ubicado en tuberías.
Se ubica en la tubería más cercana en la parte superior de los captadores solares de
manera que represente la máxima temperatura del circuito de captación (60 0C). Esta
es uno de las dos mediciones de temperatura necesarias que permiten el control
automático de las bombas permitiendo un intercambio eficiente de calor entre los dos
circuitos térmicos.
El sistema de control asegurará que en ningún caso se alcancen temperaturas
superiores a las máximas soportadas por los materiales, componentes y tratamientos
de los circuitos.
III.
Termorresistencia Pt100:
Los sensores de temperatura Pt100 son detectores de temperatura por variación de
la resistencia (RTD) del elemento platino (DIN 43 760). Tienen tan alta precisión que
permiten el reemplazo del sensor sin necesidad de reajustar los dispositivos de
medición o termostatos conectados.
Fig. 5. Termorresistencia Pt100
Datos técnicos:
Fabricante
KOBOLD
Modelo y cód. de orden
MWD-A 4 000 A 2 G A 0
Principio de medición
Resistencia dependiente de la temperatura
Elemento sensor
1xPt100 clase B
Conexión Eléctrica
M20x1.5
Presión máx.
30 bar (a 20 oC)
Tubo de protección
de acuerdo a DIN 43772,
llenado con óxido de magnesio (MgO).
Diámetro: Ø4
Conexión del sensor RTD
2 hilos
Transmisor en la cabeza
Transmisor 5333D, 4-20 mA , 2 hilos
Material
Acero inoxidable 1.4404 (316L)
Rango de medición
-70...+250 oC
Criterio de selección:
Este sensor se puede ubicar en las tomas de temperatura de tanques, y cumple con
el rango de medición necesario. Además, se comunica con el autómata por una
conexión de 4-20 mA, sin necesidad de adquirir un transmisor adicional.
El sensor se ubica en el tanque termo acumulador, en la parte inferior en una zona no
influenciada por el calentamiento del sistema de apoyo.
Esta es uno de las dos mediciones de temperatura necesarias que permiten el control
automático de las bombas permitiendo un intercambio eficiente de calor entre los dos
circuitos térmicos.
El sistema de control asegurará que en ningún caso se alcancen temperaturas
superiores a las máximas soportadas por los materiales, componentes y tratamientos
de los circuitos.
IV.
Presostato
Un presostato, también conocido como interruptor de presión, es un aparato que cierra
o abre un circuito eléctrico dependiendo de la lectura de presión de un fluido.
Principio de operación:
El fluido ejerce una presión sobre un pistón interno haciendo que se mueva hasta que
se unen dos contactos. Cuando la presión baja, un resorte empuja el pistón en sentido
contrario y los contactos se separan.
Un tornillo permite ajustar la sensibilidad de disparo del presostato al aplicar más o
menos fuerza sobre el pistón a través del resorte. Usualmente tienen dos ajustes
independientes: la presión de encendido y la presión de apagado.
No deben ser confundidos con los transductores de presión (medidores de presión);
mientras estos últimos entregan una señal variable con base al rango de presión, los
presostatos entregan una señal apagado/encendido únicamente.
Tipos:
Los tipos de presostatos varían dependiendo del rango de presión al que pueden ser
ajustados, temperatura de trabajo y el tipo de fluido que pueden medir. Puede haber
varios tipos de presostatos:

Presostato diferencial: Funciona según un rango de presiones, alta-baja,
normalmente ajustable, que hace abrir o cerrar un circuito eléctrico que forma
parte del circuito de mando de un elemento de accionamiento eléctrico,
comúnmente motores.

Alta diferencial: Cuando se supera la presión estipulada para el compresor, el
rearme puede ser manual o automático.

Baja diferencial: Cuando la presión baja más de lo estipulado para el
compresor, el rearme puede ser manual o automático.
Fig. 6. Presostato
El presostato seleccionado presenta las siguientes características:
Fabricante
Schneider Electric
No. de serie
9012G A R 5
Salida
SPDT (1 N.O., 1 N.C.)
Idc max: 10 A
Vmax = 600V
Tipo de actuador
Fase simple con diafragma y de presión ajustable
Rango
3-150 psi
Presión diferencial ajustable
6.0–30.0 psi
Criterio de selección:
Este dispositivo trabaja en el rango de presión adecuado, y permite el ajuste de la
presión máxima de seguridad para los tanques termo acumuladores, cuya señal recibe
el PLC, y este puede emitir una advertencia, además de detener el sistema y abrir las
válvulas de seguridad.
V.
Intercambiador de calor de placas
Los intercambiadores de calor de placas (PHE) se utilizan comúnmente en todo tipo
de aplicaciones de calefacción que demanden confort, fiabilidad y seguridad.
Además de transferir calor de un circuito a otro, el intercambiador de calor también
maneja eficientemente las diferencias de presión que normalmente existen entre el
lado primario y el secundario.
Patrón de funcionamiento
El patrón corrugado de las placas proporciona flujos paralelos y resistencia.
El diseño en “tableta de chocolate” del área de distribución garantiza una distribución
regular del fluido a lo largo de toda la superficie de la placa, mientras que el diseño en
forma de espina de pescado en el área principal de transferencia de calor crea una
turbulencia máxima. El conjunto de estas características garantiza una alta eficiencia
en la transferencia de calor y elimina los puntos muertos que podrían provocar
incrustación y corrosión. Con los flujos paralelos, sólo se requiere un único tipo de
placa y un único tipo de junta en el intercambiador de calor. Esto se traduce en un
menor requerimiento de piezas de recambio y en una instalación y mantenimiento más
simples. Como las corrugaciones de las placas están apoyadas diagonalmente a lo
largo de toda la superficie, se puede lograr una mayor presión de diseño, o las placas
pueden fabricarse más delgadas.
Calentamiento de agua corriente sanitaria
Las ventajas de utilizar un PHE para producir agua caliente sanitaria, si lo
comparamos con el serpentín tradicional en los sistemas de caldera, son numerosas.
El PHE calienta instantáneamente el agua corriente a la temperatura deseada cuando
pasa a través del intercambiador de calor. Esto significa que el agua caliente está
inmediatamente disponible en todo momento. Otro beneficio de utilizar los
intercambiadores de calor para la producción de agua caliente sanitaria es que el
sistema necesita mucho menos espacio que el sistema tradicional de caldera
serpentín. Si se utiliza energía solar para la producción de agua caliente, un PHE hace
posible la separación del agua tratada en los paneles solares del circuito del agua
sanitaria. Además, los problemas de incrustaciones y los riesgos de corrosión en los
paneles solares se reducen cuando los circuitos se separan con un PHE.
Criterio de selección:
La elección del modelo y del número de placas se realiza en función del caudal y de
las temperaturas de diseño de la instalación.
VI.
Datos técnicos
Modelo
Fabricante
Tipo
Potencia Térmica
Cantidad de placas
CBH16-25H
Alfa Laval
Termosoldado
20 kW
25
Caudal 1
DP 1
Caudal 2
1.8 m3/h
1.5 m.c.a
1.8 m3/h
DP 2
1.3 m.c.a
Colector solar de tubos al vacío
Los colectores solares de tubos de vacío están formados por hileras paralelas de tubos
de vidrio transparente (figura 1.4). Cada tubo contiene a su vez otro tubo interior de
absorción recubierto con pintura selectiva para mejorar la absorción de calor, por
donde circula el líquido caloportador.
Fig. 7. Colector solar de tubos al vacío
Este tipo de captador incluye una innovación respecto a los paneles solares planos
convencionales, que consiste en hacer el vacío en el espacio que queda entre el cristal
protector del tubo exterior y la superficie absorbente del tubo interior. Con este cambio
se consigue eliminar las pérdidas por convección interna, dado que se elimina el aire
que pueda transferirlas, por lo que se puede aumentar así la temperatura de trabajo y
el rendimiento de la instalación. En un captador de vacío, la radiación solar atraviesa
el tubo exterior de vidrio, incide en el tubo de absorción interior y se transforma en
calor. El calor se transfiere al líquido que fluye dentro del tubo interior a través de sus
paredes. Por la propia configuración de los tubos de vacío que componen el colector
solar, éstos son capaces de capturar la radiación difusa, incluso de días nublados,
llegando a calentar el agua a niveles aceptables.
Este tipo de colector trabaja mediante el sistema antilegionella, dado que el agua que
recorre los tubos y se almacena en la parte alta del colector nunca se mezcla con el
agua caliente sanitaria (ACS) de consumo, sino que el agua de consumo circula por
el interior del depósito superior del colector gracias a un serpentín de cobre que actúa
como intercambiador de calor.
Datos técnicos
Modelo
LPC-471530
Fabricante
Sunny Power
Área útil de captación
3.75m2
Eficiencia
85%
Pérdidas globales por transmisión de calor 0.7 W/m2 0C
Caudal recomendado
40-50 L/h
DP en el colector
0.15 bar
Capacidad
1.3 L
Temperatura de salida
60 0C
Criterio de selección:
….
VII.
Unidad de Control
Se propone un PLC (Programmable Logic Controller) para procesar las tareas de
control y automatización del sistema. Este dispositivo recibirá las mediciones de
temperatura del colector y del acumulador, y actuará en consecuencia sobre las
bombas; si la diferencia de temperatura es menor de 2 0C entonces se detendrán las
bombas, cuando la diferencia sea mayor de 7 0C se pondrán en marcha. También se
recibirá la señal del presostato, con lo cual se registra una señal de alarma y manda
a detener el sistema y abrir las válvulas de seguridad, hasta que la presión normal en
los tanques termo acumuladores sea restablecida. Además, este controlador podrá
activar las bombas de respaldo ante fallas o ante tareas de mantenimiento.
.Fig 8. PLC (Programmable Logic Controller)
El autómata registrará las mediciones de temperatura y permitirá la recopilación de
datos que proporcione la energía solar térmica acumulada a lo largo del tiempo, que
permitan hacer estudios del rendimiento y eficiencia del sistema instalado, como parte
del mantenimiento preventivo.
Se selecciona un controlador lógico Modicon M221 del fabricante MachineStruxure de
Schneider Electric. Este es uno de los más simples y baratos del mercado, pero
cumple con todos los requisitos requeridos en la instalación, además de las
características de seguridad, eficiencia y rentabilidad de todos los productos de este
fabricante.
Datos técnicos:
Designación
Modelo
Alimentación
Entradas/salidas lógicas
N.º y tipo de entradas
Entradas/salidas
Comunicación
incorporada
Número y tipo de salidas
Entradas analógicas
Conexión Ethernet
Conexión serie
Modicon M221
TM221CE16R
100-240 V / 24 V c
16 E/S lógicas
9 entradas PNP/NPN de 24 Vdc,
incl. 4 entradas rápidas
7 salidas de relé
2 entradas analógicas de 0…10 V
• Modbus TCP (cliente y servidor),
Modbus TCP esclavo, cliente de
DHCP, programación, descarga,
monitorización
• SMS y correos electrónicos
1 puerto serie (conector RJ45),
RS232/485 con alimentación de + 5 V
Programación
Memoria
USB
Software de programación
Lenguajes de
programación
RAM
Flash
USB Mini-B
Con software SoMachine Basic
IL (Instruction List)
LD (Ladder Diagram)
Grafcet (List)
512 Kb, de los cuales 256 Kb está
disponible para la aplicación.
1.5 Mb, de los cuales 256 Kb son
usados para salvar la aplicación del
usuario y los datos en caso de pérdida
de energía.
2.7. Ventajas y desventajas de los colectores solares
2.7.1. Ventajas
-No requiere ningún tipo de combustible para su funcionamiento.
-El sistema solar no genera ningún tipo de contaminante ambiental.
-Por cada m2 instalado de paneles se deja de emitir 700kg de dióxido de carbono
(CO2).
-Por cada kW/h que se genera a partir de este tipo de energía se evita la emisión de
400 gramos de CO2 con gas natural.
-Requiere un mantenimiento sencillo, que se pude hacer por outsourcing.
-No requiere de mano de obra adicional para labores de mantenimiento.
-Su uso contribuye a un desarrollo sostenible empresarial.
2.7.2. Desventajas
-Limitaciones técnicas de instalación en proyectos ya construidos.
-Las condiciones ambientales pueden afectar la eficiencia de los paneles solares.
-Para la instalación de los paneles se requiere un área mínima de entre 8 y 10 m2 por
cada kW/h generado, es decir 4 paneles instalados. Esta es un área que no siempre
está disponible en los hoteles.
-Requiere de una inversión relativamente alta.
-Los sistemas solares son ideales para suplir demandas energéticas relativamente
bajas, pero no para grandes demandas energéticas.
-Se necesitan que cuenten con un equipo anexo de apoyo en momentos en que la
eficiencia de los paneles solares baje o se presente alguna falla en el sistema.
2.8. Criterios de montaje de la instrumentación
Intercambiador de calor de placas:

Debe estar colocado horizontalmente

Dispondrá del espacio necesario para realizar su mantenimiento
Bombas centrífugas:

Se deben colocar horizontalmente

Para lograr el flujo deseado se deben colocar a una altura no mayor de 28.5 m
Colectores solares:

Deben tener una inclinación de 45 grados

La separación entre los colectores debe ser de 4 m
Sensor de temperatura de inmersión:

Se colocará en la parte inferior del tanque, y alejado del sistema de apoyo
Sensor de temperatura de contacto:

Se colocará lo más cercano posible a la salida de los colectores solares
2.9. Aspectos medioambientales
Se afirma que, con el uso de esta tecnología, definitivamente no hay ningún efecto
negativo sobre el medio ambiente. El único inconveniente que se puede presentar con
los paneles solares tiene que ver con un tema de confort, tal como lo explica el experto:
el efecto negativo ambientalmente es más de bien de confort alrededor del sitio donde
están instalados, pues de forma tradicional están instalados en las cubiertas de los
edificios y los vidrios con lo que están cubiertos, generan reflejo y ese reflejo puede
afectar a los edificios vecinos que van a tener siempre ese reflejo de esos puntos pero
del resto son cien por ciento amigables con el medioambiente. Otra ventaja ambiental
de la utilización de paneles solares es que por cada m2 de paneles instalados se deja
de emitir 700kg de C02 por año a comparación con otros sistemas tradicionales de
calentamiento de agua explicó el experto.
Al contrario de los sistemas solares térmicos el método tradicional usado para el
calentamiento de agua, las calderas de gas, presentan un grave problema de
contaminación pues el gas solo tiene una eficiencia del 37%. Luis Carlos Díaz afirma
que, en la combustión de gas natural, que es más comúnmente usado, se libera
dióxido de carbono y metano, que son los gases responsables del efecto invernadero
y también produce el dióxido de azufre que es el causante de la lluvia ácida.
Conclusiones
Con la realización del presente informe se logró, desde el punto de vista técnico
automático, una solución factible a la necesidad de automatizar el proceso de
calentamiento de agua sanitaria en el hotel Imperial de la ciudad de Santiago de Cuba.
Considerando que se pueden solucionar los problemas que originaron esta
investigación, de esta forma queda validada la hipótesis expuesta en el informe.
Se determinó a partir de las necesidades del proceso y la situación económica del
hotel la instrumentación adecuada para llevar a cabo el proceso, atendiendo además
a las condiciones medioambientales, de forma tal que el proceso llevado a cabo no
impactara de manera negativa ni directa en el medio ambiente.
Anexos
Circuito Primario
Circuito Secundario
Bibliografía
[1].
Alfa Laval. (2004). Intercambiadores de calor de placas de Alfa Laval.
Catálogo de productos para una calefacción y refrigeración confortables. doi:
ECR00047ES 0602.
[2].
Calpeda. (04/2012). MXH, Horizontal Multi-Stage Close Coupled Pumps.
Catálogo técnico.
[3].
Coditer, Soluciones y Sistemas Ecológicos. (2016). Intercambiadores de
calor de placas. Catálogo técnico.
[4].
Creus Solé, Antonio. (2010). Instrumentación Industrial, 8va edición.
Alfaomega Grupo Editor, México.
[5].
ISA Standards Library for Measurement and Control. Versión 00-02.
[6].
KOBOLD. (04/2018). Model MWD. Industrial Resistance Thermometers
according to DIN. Pag.3.
[7].
Lianeth Portal Morales. (2016). Propuesta tecnológica para el empleo de
energía térmica solar en el Hospital Militar “Comandante Manuel Fajardo Rivero”
de Santa Clara (TRABAJO DE DIPLOMA). UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA
ABREU DE LAS VILLAS”. Santa Clara, Cuba.
[8].
Schneider Electric. (2009). Industrial Pressure Switches and Vacuum
Switches. Catalog 9012CT9701R04/09. Pág.84.
Descargar
Fichas aleatorios
Explore flashcards