Instrumentacion de quemador

Hugo Gonzàlez Zepeda, Código: 399383224, [email protected] Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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Control Automático para Horno de Gas por Ionización

Hugo Gonzàlez Zepeda [email protected]

índice resumen 1. Calor 2. Transferencia de calor 3. Convección 4. Historia 5. Desarrollo 6. Diagrama de control automático 7. Secuencia 8. Partes principales 9. Formula, gráfica y tabla del PT100 10. diagramas Es este proyecto se presenta todos los controles electrónicos de un horno de convección que funciona con gas lp y que genera calor seco, estos hornos se utilizan en la industria de alimentos. Comercialmente tenemos estos controles relativamente caros y presento un circuito que detecta flama por ionización y no por luz ultravioleta como los controles tradicionales, comercialmente solo 1 marca tiene controles de flama por ionización es estadounidense y obviamente no nos muestra su diagrama electrónico. Calor En física, el calor se define como energía en tránsito entre dos cuerpos a distinta temperatura. El cuerpo a mayor temperatura se enfría, y el otro se calienta, hasta que ambos alcanzan una temperatura final igual, de equilibrio térmico. Generalmente, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser creado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el que dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibra. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre ellos radiación, conducción y convección.


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Transferencia de calor Transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. Convección Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la falta de uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos. Historia Hasta el siglo XIX se explicaba que el efecto del calor en la variación de la temperatura por medio de un fluido invisible llamado calórico que se producía cuando algo se quemaba y que podía pasar de un cuerpo a otro. La teoría del calórico afirmaba que una sustancia con mayor temperatura que otra poseía mayor cantidad de calórico. El Conde Rumford y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía convertirse en calor o en un incremento de la energía térmica determinando que simplemente era un cambio en la forma de la energía. Desarrollo. El funcionamiento del control y la instrumentación para el horno de gas es el siguiente Se utiliza un programador el cual nos sirve para poner a funcionar el horno. Este controlador hace una secuencia de seguridad para evitar peligros.

1. Manualmente se abre la válvula de seguridad


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2. El programador abre la válvula del quemador piloto y al mismo tiempo crea un arco eléctrico por medio del transformador de ignición.

3. Una varilla detecta si existe flama en el pilo, de detectar flama se pasa al siguiente paso.

4. Una vez detectada la flama por la varilla el programador abre la válvula principal y quedando totalmente la regulación de la temperatura en manos del controlador.

5. Por medio de un sensor de temperatura se le hace llegar la señal al controlador y este a su vez abre o cierra así sea necesario a la válvula principal.

El programador en todo momento sensa la presencia de flama, si en cualquier momento la flama se apagara el programador cierra la válvula principal y acciona el transformador de ignición. Si en 75 segundos no hay flama se acciona una alarma. A continuación se muestra un diagrama del horno

La secuencia que sigue es la siguiente


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Los equipos que se necesitan para el control del horno son los siguientes: Programador Funciona como detector de flama, recibe la señal por medio de un amplificador el cual esta conectado a una sensor de ionización. Este dispositivo esta registrando a cada momento la presencia de flama. Al no detectar flama activa de nuevo el transformador de ignición y cierra la válvula principal, si al cabo de 75 segundos no detecta flama activa una alarma.


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detector de flama por ionización Este dispositivo esta conectado al programador, se puede emplear también un sensor ultravioleta ajustable, pero este tiene un alto costo y el sensor por ionización es más confiable y barato. Controlador Este instrumento es el encargado de la regulación de temperatura. Recibe una señal de un sensor de temperatura PT100, controlando a su vez la válvula principal. Este se ajusta a la temperatura requerida. Detector de Temperatura PT100 Este dispositivo va conectado al controlador Detecta la temperatura en el horno es una resistencia variable con la temperatura (ptc), se usa este sensor porque es altamente lineal, a 0ºC tiene una resistencia de 100 ohm. Ventajas y desventajas al utilizar el horno de gas.

• Los fabrican en el país. • El costo de la instalación es más económico. • Su costo no es tan elevado como los hornos eléctricos. • Requiere de mayor instrumentación. • Es mas riesgos en su operación (fugas de gas) que los eléctricos. • Es mas barato el gas que la electricidad • Se puede quemar no solo gas LP o natural también biogas o hidrogeno


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A continuación se muestra una gráfica de respuesta a la temperatura del PT100


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Enseguida se muestra una tabla de valores medidos del PT100

Con respecto a estos valores se diseña el acondicionamiento de la señal. Primero se muestra el diagrama del control de temperatura analógico la temperatura deseada se ajusta con un potenciometro


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En la simulación puse una resistencia de 100 ohm más una variable que hacen las veces de sensor de temperatura PT100. Enseguida se muestra el diagrama del transformador de ignición o generador de chispa.

R1

Key = A 75.84 Ohm

98%

R2100 Ohm

VCC

12V

R3100 Ohm

R4

Key = B 10kOhm

51%

6

5

7

2

1

R6

680 Ohm

VCC

12V

VEE

-12V

6

5

7

2

1 6

5

7

2

1

6

5

7

2

1

VCC

12V

VEE

-12V

VCC

12V

VEE

-12V

R5

100 Ohm

VCC

12V

VEE

-12V

R7

100 Ohm

R8

100 Ohm

R9

100 Ohm

R10

Key = D 10kOhm 99%

VCC

12V

U5

CR

S1

PT100

R1

1kOhm

R2

1kOhm

C1

3uF C23uF

V1

127 V 60 Hz 0Deg alto_voltaje

20000V

S1

1


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La chispa de 20 000 volts se hace de la varilla de ignición hacia tierra. Continuación se presenta el circuito detector de flama.

Ahora solo falta el circuito que cuenta 75 segundos y si no hay flama antes se activa una alarma y se debe reiniciar el proceso.

R1

Key = A 75.84 Ohm

98%

R2100 Ohm

VCC

12V

R3100 Ohm

R4

Key = B 10kOhm

51%

6

5

7

2

1

R6

680 Ohm

VCC12V

VEE

-12V

6

5

7

2

1 6

5

7

2

1

6

5

7

2

1

VCC12V

VEE

-12V

VCC12V

VEE

-12V

R5

100 Ohm

VCC

12V

VEE

-12V

R7

100 Ohm

R8

100 Ohm

R9

100 Ohm

R10

Key = D 10kOhm

99%

VCC12V

U5

CR

S1


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Y por ultimo muestro un diagrama de control de los contactos de cada etapa

A1

555_VIRTUALGND

DISOUTRST

VCC

THR

CONTRI

75V

U1A

74LS112D

1Q 5

~1Q 6

~1PR

4

1K2

~1CLR

15

1J3

1CLK1

U2A

74LS112D

1Q 5

~1Q 6

~1PR

4

1K2

~1CLR

15

1J3

1CLK1

U3A

74LS04D

VCC5V

7

4

0

8

10

1112

13

VCC 14

A2

555_VIRTUALGND

DIS

OUTRSTVCC

THR

CONTRI

VDD5V

20

21

0

19

VDD

22

CR

S1

24 0

inicio

RETARDO

INIC

IO

RETARDO

FLAMAIGNICION

RETARDOPILOTO

FLAMA

FLAMA TEMPERATURAPRINCIPAL

FLAMASENSOR_DE_FLAMA

PT100

RETARDOALARMA

TEMPERATURA

VENTILADORSENSOR_PUERTA

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Conclusiones El sistema de control automático presentado es para un horno de convección, es importante mencionar que se puede jugar con los materiales y crear nuevas secuencias, esta es una de las más seguras sin embargo hay otras un poco más simples donde no se requiere mas que una sola válvula pero el riesgo es mas alto.

El ventilador es muy importante para que el calor se distribuya uniformemente dentro del horno, se pueden agregar accesorios como luces, temporizadores ajustables fácilmente de hacer. Dentro de la industria alimenticia se pueden encontrar hornos de convección nuevos de buenas marcas hasta de 150 000 pesos mexicanos, seminuevos de 35 000 pesos mexicanos, y un control de temperatura cuesta alrededor de 700 pesos y el control de flama que ya incluye el temporizador y el transformador de ignición cuesta alrededor de1500 pesos, esta es una alternativa para abaratar los costos de automatización de un horno para pequeñas industrias de alimentos. Bibliografía: www.monografias.com www.ilustrados.com/ www.ingecozs.com www.bosch.com

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