Automatización y rediseño del sistema de agua caliente del Hotel Plaza en Sancti Spíritus (página 2)

Partes: 1, 2

Desde épocas muy lejanas el ser humano luchó por hallar la forma de simplificarse la vida y por ello ha echado mano a su ingenio para lograrlo. Una herramienta cumbre a la que acudió para tener hoy la cantidad y calidad de tecnologías que han cumplido el objetivo de manera espectacular e insospechada por los primeros pioneros de la ingeniería es el control automático, rama de la ingeniería que mediante el concepto básico de la realimentación y luego de cientos de años de evolución llegó a ser imprescindible en la implementación de toda clase de sistemas tan variados que van desde el sencillo control del nivel de agua en un tanque, pasando por la manipulación de temperatura de un edificio hasta el complejo sistema que debe pilotear un avión bombardero y lanzar un ataque sobre un punto exacto.

A pesar de todos los avances que se tienen hasta el momento no debe pensarse que ya se llegó al límite del conocimiento en este campo.

Desarrollo

El alto nivel competitivo a que están sometidas las entidades turísticas les impone cambios en sus sistemas de administración. La implantación de sistemas de gestión energética es una de las vías a optar por los hoteles para disminuir los costos de producción producto del uso de energéticos, los consumos de energéticos físicos e impactos ambientales.

La provincia Sancti Spíritus sin ser un polo turístico de gran envergadura cuenta con un grupo de hoteles que atienden mas de 100 000 turistas anuales y busca a toda costa reducir sus costos de producción e incrementar las utilidades.

El presente trabajo tiene como objetivo automatizar y moderniza sistema o proceso seleccionado, en este caso se tendrá presente en el diseño de propuesta de automatización del sistema hibrido de agua caliente del hotel Plaza perteneciente a la cadena Cubanacán.

El alcance de este trabajo está limitado al marco del proceso de calentamiento de agua en el citado hotel, el cual se desarrolla mediante el uso de un sistema hibrido formado por ocho colectores solares y dos calentadores eléctricos que como sabemos su consumo energético proviene de un combustible fósil, su uso debe ser el menor posible y solo en los casos debido a la agresión que provoca su uso al medio ambiente. Por tanto el trabajo se traza como objetivo fundamental la automatización del proceso de calentamiento de agua con la finalidad de hacerlo lo mas eficiente posible en aras de disminuir el consumo de combustible, obtener un producto de mejor calidad y a mas bajo costo.

En los sistemas de control se usan algunas definiciones que se expresan a continuación para una mejor comprensión de los sistemas descritos.

Proceso: es una operación o desarrollo natural, progresivamente continua, caracterizada por una serie de cambios graduales que llevan de una a otra de un modo relativamente fijo y que tienden a un determinado resultado final; o una operación artificial o voluntaria, progresivamente continua que consiste en una serie de acciones controladas o movimientos dirigidos sistemáticamente hacia determinado resultado o fin.

Perturbación: es una señal que tiende a afectar adversamente el valor de la salida de un sistema.

Variable controlada: es la variable de proceso que debe mantenerse en un valor determinado, se puede llamar también punto de consigna; valor prescrito o mando.

Variable manipulada: es la variable sobre la que actúa el controlador, con el fin de mantener el parámetro controlado en valores próximos al punto de consigna o variable controlada.

Censores: son los instrumentos utilizados para la detección y medición de magnitudes físicas. Se basan en fenómenos físicos para obtener señales que pueden ser medidas, típicamente voltajes o corrientes.

Actuadores: también llamados elementos finales de control son los que proveen la potencia mecánica en un sistema de control. Normalmente convierten energía eléctrica en movimiento mecánico.

Descripción del proceso

El agua en el hotel se recibe del sistema de acueductos de la ciudad y se almacena en una cisterna desde la cual se bombea hacia un tanque que se encuentra en la parte mas alta de la azotea del inmueble este liquido llega a este tanque con una temperatura que puede oscilar unos cuantos grados por debajo de la temperatura ambiente (promedio anual de 25 Co) provocado por su recorrido por las conductoras soterradas de la ciudad y la baja temperatura que alcanza en la cisterna. En días de poca demanda y altas temperaturas en el ambiente alcanza unos grados más al entrar en los colectores pero se requiere que la misma llegue al punto final a 50 Co.

Un sistema de agua caliente censillo esta formado de la siguiente manera

ESQUEMA TÍPICO DE LA INSTALACIÓN

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Partes del colector Solar:

Caja: Elemento metálico que contiene los demás elementos.
Absorbedor: Elemento encargado de transformar la radiación solar en calor. Se trata de una superficie de color negro de diferentes características según el tipo de de colector
Cubierta: Elemento transparente encargado de provocar el efecto invernadero dentro de la caja y para aumentar la temperatura y el aprovechamiento del calor en el absorbedor.
El acumulador o tanque: Depósito donde se almacena el agua caliente para su consumo.

Como hemos visto con unas pocas partes se puede formar un sistema de agua caliente con colectores solares. El proceso de calentamiento es muy sencillo el agua que llega al tanque, pasa al colector por el efecto de la gravedad de al llegar a este por la acción del sol se produce la conversión térmica sin consumo eléctrico alguno y de acuerdo con su diseño el es capas de entregar 260 L a una temperatura de 50 Co al consumidor.

Para este proceso en el hotel se usan ocho colectores del tipo compacto, pero dadas que las demandas de agua son muy altas en horas de la noche y madrugada por los turistas y algunas áreas del hotel se hace necesario para mantener en estas horas la temperatura estable instalar en el sistema calentadores eléctricos. Pero si estos no se acoplan al sistema de forma automática se pueden incurrir en gastos innecesarios por el consumo de electricidad, y además seria imposible lograr una temperatura adecuada.

En estos momentos el sistema cuenta con los siguientes componentes:

Un tanque de suministro de agua fría.
Ocho colectores compactos.
Dos calentadores eléctricos de 200 L y 3000 W de consumo eléctrico.
Una bomba de recirculación.

En la figura: 1 mostramos el diagrama de conexión de estos elementos en el cual podemos ver que los colectores se encuentran uno tras de otro en lo que se conoce como conexión en serie. A la salida de estos el agua tenia una temperatura de 70 Co, este liquido es ingresado en un tubo de recolección al cual también llega la salida de la bomba de recirculación. En el recolector hay dos salidas cada una por separado para los calentadores eléctricos, estos controlan su temperatura mediante termostatos incorporados en su tanque que crean una ventana con un valor mínimo de temperatura la cual es fijada en 50 Co y un máximo de 60 Co la salida agua caliente de los calentadores eléctricos es llevada a otro tubo recolector y de este es llevada a todos los consumidores del hotel. Esta distribución no es de forma radial sino en laso para lograr que al final de la entrega el agua restante pueda hacerse llegar nuevamente al sistema mediante la bomba de recirculación.

Este sistema tiene una dificultad. La bomba de recirculación siempre que no cense 50 Co en la línea de retorno arrancará el proceso de recirculación. Con esto el agua que se encuentra en la línea pasa al tubo de recolección de la entrada de los calentadores eléctricos y se mezcla con la que viene de los calentadores solares. Si la temperatura resultante de la misma, por razón de días de poco sol o por ser de noche no llega con una temperatura de 50 Co los calentadores eléctricos conectaran sus resistencias al mismo tiempo provocando una demanda eléctrica de 6000 W.

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Figura 1: Sistema de agua caliente

Propuesta del sistema de automatización

Se propone la implementación de un sistema de control en cascada en el cual se realice:

Cada calentador eléctrico tendrá un termostato con una temperatura fijada para comenzar a calentar en 50 Co.
Cada calentador eléctrico conectara su resistencia mediante un contactor magnético que permitirá accionar sobre los mismos de forma automática.
En el circuito de control se insertara un relé de tiempo que controlara la entrada de uno de los calentadores.
El termostato de la bomba de recirculación formara un laso con el sistema de control de los calentadores.
Los calentadores solares se conectaran en dos módulos de 4 en serie

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Figura: 2

Como se pude apreciar en el diagrama Figura 2 anterior cuando el termostato de la bomba de recirculación detecte que la temperatura del agua en el retorno sea menor de 50 Co la bomba comenzará a funcionar mezclándola con la que viene de los calentadores solares. También los dos calentadores eléctricos quedaran habilitados para funcionar pero estarán controlados por sus propio termostato que censará el agua que llega al tubo colector y mandaran una señal a un contactor magnético que es el que conecta la resistencia. En el circuito de control del calentador 2 de insertara un temporizador que comenzara a contar siempre que el interruptor que controla el calentado 2 este cerrado. Fijamos el tiempo de conteo en 30 mm. El temporizador tendrá uno de sus contactos normalmente abierto con tiempo para cerrar insertado en el circuito de control del calentador eléctrico 1 lo que permitirá que si pasados los minutos fijados la temperatura del agua no esta en 50 Co este accionara el mando del calentador eléctrico 1 y comenzara a funcionar controlado por su termostato. Cuando la temperatura del agua retome los 50 Co la bomba de recirculación se apagara y el calentador eléctrico saldrá de operación.

Con este sistema se lograra que en los momentos que los calentadores solares no sean capaces de entregar el agua con una temperatura de 50 Co los calentadores eléctricos entren a funcionar de forma escalonada y controlada para evitar el aumento de la demanda eléctrica en el Hotel sin que se pierda el confort.

Ventajas de la automatización del proceso

El ahorro de portadores energéticos, en este caso diesel, ya que con el sistema automático se consume lo necesario en cada instante.
Disminución de la demanda máxima del Hotel.
La consiguiente disminución de emanaciones de gases tóxicos a la atmósfera haciendo la producción mas limpia.
Disminución de los costos de producción obteniéndose un producto más competitivo para el mercado.
Humanización del trabajo.
Mayor eficiencia de la instalación Hotelera.