RAE
MECATRONICO 1. TIPO DE DOCUMENTO: Trabajo de grado para optar por el título de INGENIERO MECATRONICO 2. TÍTULO: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO AUTOMATICO PARA LA OBTENCION DE ACEITES ESENCIALES 3. AUTORES: Alfredo José Arrieta Bawab, Gabriel Páez Vélez, Juan Carlos Peña Torres 4. LUGAR: Bogotá, D.C. 5. FECHA: Junio de 2013 6. PALABRAS CLAVE: Batch, Controlador, Curva de Redacción, Esfuerzos Combinados, Esfuerzo Cortante, Función de Transferencia, Intercambiador de Calor, Lugar Geométrico de Raíces. 7. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO El presente proyecto surge en la necesidad de automatizar un proceso para mejorar la producción de aceite esencial, la implementación de esta máquina está dirigida a personas en el sector rural, y teniendo en cuenta sus necesidades se busca introducir tecnología a este sector, diseñando un prototipo accesible y fácil de utilizar sin dejar de lado un desarrollo tecnológico actual. Los aceites son utilizados en el campo de la salud, como aromatizantes y saborizante; para suplir la demanda en estos sectores comerciales se debe fabricar en grandes cantidades al menor costo. Teniendo en cuenta esto, con la ejecución de este proyecto se buscó desarrollar un prototipo para la extracción de aceite, controlando automáticamente la temperatura en las etapas de arrastre de vapor y de condensado. Siendo de vital importancia reducir el desperdicio de materia prima utilizada para la extracción del aceite, se controlan algunas de las variables que intervienen en este proceso de tal modo que se aproveche en mayor medida el porcentaje de aceite contenido en la materia prima. 8. LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN: Línea de investigación de la USB: Tecnologías actuales y sociedad. Sub línea de la facultad de ingeniería: Instrumentación y control de procesos. Campo temático del programa: Automatización de procesos, Robótica. 9. FUENTES CONSULTADAS: BEER, Ferdinand Pierre, et al. Mecánica de materiales. México D.F.: McGraw-Hill, 2007. p. 307 - 315. KAKAK, Sadik. Boilers, evaporators & condensers. Miami: John W iley & Sons, Inc, 1991. p. 9 - 29. KUO, Benjamin. Sistemas de control atomático. Naucalpan de Juárez, Estado de México: PrenticeHall, 1996. p. 189 - 191. Eugene. Manual de recipientes a presion diseño y calculo. Mexico D.F.: Editorial Limusa, 1992. p. 18, 142, 159. O’DWYER, Aidan. Handbook of pi and pid controller tuning rules. Londres: Imperial College Press, 2009. p.62. SMITH, Carlos, Ph.D., et al. Principles and practice of automatic process control. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1997. p. 309 314. 10. CONTENIDOS : El desarrollo de un prototipo para la extracción de aceite esencial inicia con la identificación de los métodos existentes para extraer aceite esencial de plantas, y la búsqueda del que permita el desarrollo de una máquina que sea tanto económica como segura y fácil de manejar, ya que esta va dirigida a personas del área rural y escasos recursos con el fin de contribuir a la integración de la tecnología en los procesos y prácticas del campo. Teniendo en cuenta los requisitos mencionados anteriormente se utiliza el método de extracción por arrastre de vapor, al identificar las características principales de este se divide el proceso en 2 etapas principales que requieren de monitoreo y control; la primera etapa consiste en un generador de vapor que contiene una estufa de gas propano, esta calienta la olla principal en la que se producirá el vapor, la olla va a tener el material vegetal en su interior y a medida que se va generando el vapor este se impregna con la esencia del vegetal utilizado, este vapor transporta el aceite esencial a través de la manguera de teflón para después pasar a la segunda etapa, que consiste en un intercambiador de calor que refrigera el vapor por medio de un serpentín sumergido en líquido refrigerante, así se condensa el vapor para obtener una mezcla de agua-aceite que posteriormente será separada. 11. METODOLOGÍA: Es de carácter empírico-analítico, con base en el estudio, diseño y control de proceso para obtención de aceites esenciales por arrastre de vapor permitiendo su visualización a través de un servidor web. 12. CONCLUSIONES : Debido a que el vapor se genera a presión atmosférica y está en contacto con el líquido del que se produce este, es caracterizado como vapor húmedo. Como el generador de vapor tiene una salida que se dirige al serpentín de refrigeración, la temperatura dentro de este se regula automáticamente en 100°C sacando el vapor fuera de la olla, por lo que no es necesario controlarla. Al mantener una temperatura constante para la producción de vapor y su condensación se logra un mayor volumen de producción de agua –aceite. Al utilizar un sistema de recirculación de agua refrigerada por medio del aire para condensar el vapor se logra un proceso más ecológico y económico, lo que disminuye los costos de producción de agua–aceite. La implementación de un intercambiador de calor se presta para ser integrada al serpentín de esencias en una sola etapa que refrigere y condense el vapor. La humedad relativa dentro de un generador de vapor es una variable que no aporta información que se pueda utilizar para controlar de una mejor manera la temperatura dentro de este. Al utilizar una estufa de gas natural en comparación a una eléctrica como fuente de calor se minimizan los costos de producción de agua – aceite.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO AUTOMÁTICO PARA LA OBTENCIÓN DE ACEITES ESENCIALES
ALFREDO JOSE ARRIETA BAWAB JUAN CARLOS PEÑA TORRES GABRIEL PÁEZ VÉLEZ
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ D.C 2012
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO AUTOMÁTICO PARA LA OBTENCIÓN DE ACEITES ESENCIALES
ALFREDO JOSE ARRIETA BAWAB JUAN CARLOS PEÑA TORRES GABRIEL PÁEZ VÉLEZ
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ D.C 2012
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO AUTOMÁTICO PARA LA OBTENCIÓN DE ACEITES ESENCIALES
ALFREDO JOSE ARRIETA BAWAB
[email protected] GABRIEL PÁEZ VÉLEZ
[email protected] JUAN CARLOS PEÑA TORRES
[email protected] [email protected] .edu.co
Trabajo de grado como requisito para obtener el título de Ingeniero Mecatrónico
Director Ing.CPhd. Pedro Nel Martínez
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BOGOTÁ D.C 2012
Nota de aceptación
Firma del Presidente del Jurado
Firma del Jurado
Firma del Jurado
Bogotá D.C 2012
3
Agradecimientos Antes que nada, queremos agradecer a Dios y a nuestros padres por siempre acompañarnos y apoyarnos en lo que fue todo el proceso de nuestra formación personal y profesional, y hacer posible que en este momento y gracias a este proyecto podamos ser considerados Ingenieros Mecatrónicos. También queremos agradecer a la Universidad de San Buenaventura Sede Bogotá, por habernos dado las herramientas necesarias para nuestro crecimiento como ingenieros. A todos nuestros profesores que colaboraron con ese granito de arena para moldear nuestras mentes, dándonos siempre la confianza y el respaldo para cometer errores, sin olvidar aprender de estos y crecer cada vez más. A nuestro asesor de proyecto el ingeniero Pedro Nel Martínez, que siempre fue ese apoyo que nos impulsó a seguir aprendiendo e investigando en aras de convertirnos en los mejores ingenieros que podamos ser. Y por último a las personas encargadas del área de hangar, sin sus concejos, su apoyo y colaboración incondicional no hubiera sido posible la fabricación de todas las partes de este proyecto.
4
CONTENIDO pág. GLOSARIO
11
RESUMEN
12
INTRODUCCIÓN
13
1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
14
1.1.
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
14
1.2.
ANTECEDENTES
14
1.2.1.
Extracción de Aceites Esenciales
14
1.2.1.1. Enfleurage
14
1.2.1.2. Extracción con Solventes
15
1.2.1.3. Extracción por Prensado
15
1.2.1.4. Extracción con Fluidos Supercríticos (EFS)
16
1.2.1.5. Hidro-Destilación o Extracción por Arrastre de Vapor
17
1.3.
ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
18
1.3.1.
Alcances
18
1.3.2.
Limitaciones
18
2.
JUSTIFICACIÓN
19
3.
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
20
3.1.
OBJETIVO GENERAL
20
3.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
20
4.
MARCO REFERENCIAL
21
4.1.
MARCO CONCEPTUAL
21
4.1.1.
Aceite Esencial
21
4.1.2.
Clasificación
21 5
4.2.
MARCO TEÓRICO
22
4.3.
Marco Legal o Normativo
22
4.3.1. Calidades, Normas Técnicas, Sellos, Registros y Control de Calidad Exigidas en los Eslabones de la Comercialización
22
4.3.1.1. Calidad de un Aceite Esencial Natural
22
4.3.2.
23
Normas de Calidad para un Aceite Esencial
4.3.3. Control de Calidad Exigido en los Eslabones de la Cadena de Comercialización
24
5.
DESARROLLO INGENIERIL
26
5.1.
DISEÑO MECÁNICO
27
5.2.
DISEÑO ELECTRÓNICO
35
5.3.
DISEÑO DEL CONTROL
48
5.4.
CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
57
5.5.
DISEÑO DEL PROCESO DE DECANTADO
61
5.6.
DISEÑO DEL TABLERO DE CONTROL WEB
62
5.7.
PRUEBAS
63
6.
PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
67
7.
CONCLUSIONES
69
8.
RECOMENDACIONES
71
BIBLIOGRAFÍA
72
ANEXO
74
6
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1 Diagrama del proceso de extracción por fluido supercrítico
16
Figura 2 Extracción por arrastre de vapor
17
Figura 3 Esquemático del diseño propuesto para el prototipo
26
Figura 4 Estructura de la máquina vista lateral
27
Figura 5 Barra principal de la estructura
27
Figura 6 Barra principal de la estructura con las reacciones
28
Figura 7 Diagrama de cortantes y momentos torsores de la estructura
29
Figura 8 Esfuerzos combinados en punto 1
30
Figura 9 Esfuerzos combinados en punto 2
31
Figura 10 Resultados del software de resistencia de materiales
34
Figura 11 Circuito equivalente de un cristal resonador (xtal)
36
Figura 12 Circuito del oscilador implementado
36
Figura 13 Interfaz de red Wiznet 5100
36
Figura 14 Motoreductor Pololu para el control de las válvulas
37
Figura 15 Convertidor AC – DC
37
Figura 16 Fuente de alimentación 12V y 5V a 1A
38
Figura 17 Circuito para calcular el disparo de los transistores
39
Figura 18 Circuito puente H para el control de válvulas
40
Figura 19 Conexión de sensores de temperatura
41
Figura 20 Circuito integrado 555 para el sensor de humedad
41
Figura 21. Curva de respuesta para el sensor de humedad relativa
42
Figura 22 Circuito de conexión para la LCD
44
Figura 23 Circuito de conexión para el teclado matricial
44
Figura 24 Acople de encendido de las bombas
45
Figura 25 Acople de encendido del chispero
45
Figura 26 Vista superior de la tarjeta diseñada
46
7
Figura 27 Vista inferior de la tarjeta diseñada
46
Figura 28 Tarjeta diseñada con el montaje de todas las etapas mostradas
47
Figura 29 Diagrama de flujo del control proporcional
48
Figura 30 Sistema de control en lazo abierto
48
Figura 31 Línea de tendencia conversión de unidades
50
Figura 32 Sistema de control en lazo cerrado
51
Figura 33 Respuesta al escalón de amplitud de la planta con T1 y T2
52
Figura 34 Comparación del modelo obtenido con la planta
53
Figura 35 Lazo cerrado con ecuación de PID
53
Figura 36 Lugar geométrico de raíces y respuesta escalón
54
Figura 37 Método de Ziegler-Nichols para hallar las constantes de tiempo del sistema.
54
Figura 38 Diagrama de bloques del sistema completo
55
Figura 39 Respuesta de la planta con el controlador calculado
56
Figura 40 Diagrama de temperatura-volumen para el agua.
57
Figura 41 Intercambiador de calor de flujo paralelo
59
Figura 42 Serpentín de esencias y sistema de refrigeración
60
Figura 43 Esquema del sistema de separacion de aceite
61
Figura 44 Tablero de control por página web
62
Figura 45 Gráfica sistema extracción
63
Figura 46 Imagen separador de aceite durante el proceso de extracción
64
Figura 47 Imagen separador de aceite al finalizar el proceso de extracción
64
Figura 48 Cantidad de aceite extraido por batch
65
Figura 49 Materia prima previa a la extracción
65
Figura 50 Materia prima después de la extracción
66
Figura 51 Foto 1 de la Máquina
68
Figura 52 Foto 2 de la Máquina
68 8
LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1 Clasificación de los parámetros analíticos utilizados en el control de calidad de aceites esenciales
25
Tabla 2 Requerimientos mínimos para el microcontrolador
35
Tabla 3 Microcontroladores homólogos seleccionados
35
Tabla 4 Valores de humedad relativa con respecto a frecuencia en hertz
41
Tabla 5 Valores de humedad relativa vs frecuencia en hertz nuevos
43
Tabla 6 Valores tomados al realizar la calibración de la planta
49
Tabla 7 Valores después del ajuste digital de la planta
49
Tabla 8 Calibración acción de control a °C
50
Tabla 9 Ecuaciones para calcular las constantes del controlador
55
Tabla 10 Propiedades Físicas del agua a 100°C
57
Tabla 11 Propiedades termodinámicas del vapor de agua a 100°C
58
Tabla 12 Propiedades físicas del aceite extraído
66
9
LISTA DE ANEXOS Pág. Anexo A Esquemático del diseño propuesto para el prototipo
74
Anexo B Plano de la estructura terminada
75
Anexo C Plano del generador de vapor
77
Anexo D Plano tapa del generador de vapor
79
Anexo E Plano de la olla de refrigeración
81
Anexo F Manual de funcionamiento de la máquina
83
Anexo G Diagrama de flujo del programa
88
Anexo H Diagrama de flujo del código para el tablero de control web
10
113
GLOSARIO BATCH: sistema de procesamiento por lotes. CONTROLADOR: componente de software usado por el sistema para poder interactuar con el hardware. CURVA DE REACCIÓN: respuesta de un sistema a un escalón de amplitud. DATASHEET: documento que resume características de un componente.
el
funcionamiento
y
otras
DINAMÓMETRO: instrumento utilizado para medir fuerzas o para pesar objetos. ESFUERZOS COMBINADOS: superposición de esfuerzos axiales y de flexión en la sección transversal de un elemento estructural que da como resultado un conjunto de esfuerzos de tracción y de compresión. ESFUERZO CORTANTE: fuerza interna que desarrolla un cuerpo como respuesta a una fuerza cortante y que es tangencial a la superficie sobre la que actúa. FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA: modelo matemático que a través de un cociente relaciona la respuesta de un sistema a una señal de entrada o excitación. INTERCAMBIADOR DE CALOR: equipo en el que dos fluidos separados fluyen a diferente temperatura para transferir energía de uno al otro. LAZO ABIERTO: sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la señal de control. LAZO CERRADO: sistemas de control en los que la salida tiene efecto sobre la señal de control. LUGAR GEOMÉTRICO DE RAÍCES: lugar geométrico de los polos y ceros de una función de transferencia a medida que se varía la ganancia del sistema K en un determinado intervalo. MODELO MATEMÁTICO: es un modelo que utiliza algún tipo de fórmula matemática para expresar una relación. MOMENTOS TORSORES: esfuerzos en sentido circular que se generan sobre un elemento. PAGINA WEB: documento o información electrónica adaptada para ser visualizada mediante un navegador en la world wide web. REBOTE: efecto mecánico-eléctrico que se presenta cuando se oprime un interruptor.
RESUMEN El desarrollo de un prototipo para la extracción de aceite esencial inicia con la identificación de los métodos existentes para extraer aceite esencial de plantas, y la búsqueda del que permita el desarrollo de una máquina que sea tanto económica como segura y fácil de manejar, ya que esta va dirigida a personas del área rural y escasos recursos con el fin de contribuir a la integración de la tecnología en los procesos y prácticas del campo. Teniendo en cuenta los requisitos mencionados anteriormente se utiliza el método de extracción por arrastre de vapor, al identificar las características principales de este se divide el proceso en 2 etapas principales que requieren de monitoreo y control; la primera etapa consiste en un generador de vapor que contiene una estufa de gas propano, esta calienta la olla principal en la que se producirá el vapor, la olla va a tener el material vegetal en su interior y a medida que se va generando el vapor este se impregna con la esencia del vegetal utilizado, este vapor transporta el aceite esencial a través de la manguera de teflón para después pasar a la segunda etapa, que consiste en un intercambiador de calor que refrigera el vapor por medio de un serpentín sumergido en líquido refrigerante, así se condensa el vapor para obtener una mezcla de agua-aceite que posteriormente será separada. El intercambiador de calor se diseña para que utilice agua como líquido refrigerante con el fin de que el dispositivo use en su mayoría insumos que se puedan conseguir fácilmente en cualquier lugar, siendo los principales insumos para el funcionamiento del dispositivo el gas propano, la electricidad y el agua.
12
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de este proyecto propone el diseño y construcción de un equipo de extracción de aceite esencial (AE) que consta de dos recipientes, un generador de vapor, una tarjeta electrónica, un tablero de control e instrumentación requerida para la automatización del proceso, esta funciona en conjunto con un microcontrolador ATMega32 que hará todo el procesamiento de señales necesario para monitorear el proceso desde un tablero de control o desde cualquier ordenador a través de internet y tomar las decisiones necesarias para mantener estable el proceso a través de los diferentes actuadores, y así obtener una herramienta para la extracción de aceites, como se ilustra en la Figura 3 Anexo A El monitoreo del proceso de extracción estas variables se hace de tres maneras: la primera es a través del tablero de control de la máquina que presenta en tiempo real los cambios en este; la segunda se hace a través del puerto USB (opcional), al conectarlo a un PC y abrir el puerto se hace posible recibir estos datos a una velocidad de 9600 Baudios; y el tercero es por medio de un servidor web, que a través de una página web arroja resultados cuantitativos de las variables monitoreadas. El control de la máquina se hace por medio de un microcontrolador ATMega32 que cuenta con 32 KB de memoria flash y 16 MHz de frecuencia de reloj, éste procesará los datos de los sensores para manipular la estufa y detener o iniciar el proceso de extracción, y además controlar la refrigeración de la etapa de condensado, el microcontrolador está acoplado adicionalmente a un chip Ethernet Wiznet W5100 Véase Figura 11 que hace posible la comunicación del servidor web con la red. El generador de vapor se compone de una estufa industrial que calienta un recipiente metálico en el que se encuentra contenida agua y el material vegetal (MV), cuando el recipiente llega al punto de ebullición del agua, esta se evapora lentamente, cuando el vapor entra en contacto con el MV se mezcla con el AE contenido en la planta, este es transportado por una manguera hasta la etapa de refrigeración, donde pasa por un intercambiador de calor de flujo paralelo, este se encarga de enfriar el vapor generado en la etapa anterior y entregar una mezcla de agua y aceite que posteriormente necesita ser separada para obtener el producto final. Este dispositivo funciona con conexión a internet o sin ella, además por medio de una memoria de almacenamiento SD es posible recopilar datos arrojados por la máquina para su posterior análisis. Automatizar este tipo de procesos permite mejorar la producción a través del estudio de la información recopilada durante este, además garantiza la seguridad del operario ya que todo el tiempo se está monitoreando la temperatura dentro del generador para evitar que esta suba más de lo necesario generando situaciones inseguras.
13
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1.
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En el área rural la mayor parte de los procesos para la extracción de aceites esenciales se realizan de una manera empírica, sin tener en cuenta factores importantes como temperatura máxima, cantidad de agua y tiempo para obtener la mayor cantidad de aceite sin necesidad de saturar la materia prima 1. Debido a la gran competencia de la industria de perfumes e industrias que tienen como materia prima los aceites esenciales, es necesario implementar una máquina para la extracción de dichos aceites a través de la cual sea posible controlar algunas variables para garantizar la utilización del 100% de la materia prima y de esta manera llegar a una reducción de costos que le permita al empresario entrar al mercado de una manera más competitiva. Con base en lo anterior, se puede sintetizar el problema de la siguiente manera: ¿Cómo diseñar y construir una máquina automatizada para la extracción de aceites esenciales que garantice la extracción de la mayoría del aceite contenido en el material vegetal? 1.2.
ANTECEDENTES
1.2.1. Extracción de Aceites Esenciales La extracción de aceites esenciales se puede realizar por diferentes métodos tales como2: 1.2.1.1. Enfleurage 1.2.1.2. Extracción con Solventes 1.2.1.3. Extracción por Prensado 1.2.1.4. Extracción con Fluidos Supercríticos 1.2.1.5. Hidro-Destilación 1.2.1.6. Extracción por Arrastre con Vapor 1.2.1.1.
Enfleurage
En este proceso se utilizan grasas naturales con puntos de ablandamiento alrededor de 40 °C, normalmente manteca de cerdo RBD (Refinada, Blanqueada, Desodorizada). Se extiende en bandejas o “chasís ” en profundidad no mayor a 5 mm y sobre ella se colocan los pétalos de flores o el material vegetal, desde donde se van a extraer los principios odoríficos, el contacto puede durar de 3 a 5 días. Luego el material vegetal es removido y remplazado por material fresco, esta operación se repite buscando la saturación de la grasa. Posteriormente la grasa impregnada del 1
ROMO, Andrea. Indígenas en el Putumayo se le miden a extraer aceites esenciales. Mi Putumayo portal informativo y comercial [en línea], Septiembre 2010 [citado el 25 de enero de 2012]. Disponible en Internet:
.
2
II SEGUNDO CONGRESO INTERNACIONAL DE PLANTAS MEDICINALES Y AROMÁTICAS. (2: 19-21, octubre, 2006: Palmira, Valle). Memorias. Palmira: Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira, 2006. p. 1 - 8.
14
neres (alcohol de perfumería), relación 1/1 dos veces consecutivas. El alcohol se filtra y se destila a vacío (21in Hg, T 30 ºC) hasta recuperar un 80 % del volumen de alcohol, como mínimo, en el fondo queda un residuo llamado “absolute”. principio activo, “lepomade”, se lava con alcohol libre de congé
1.2.1.2.
Extracción con Solventes
El material debe ser molido, macerado o picado previamente para asegurar un área mayor de contacto entre el sólido y el solvente. El proceso ha de buscar que el sólido o el líquido, o ambos, estén en movimiento continuo (agitación), para lograr mejor eficiencia en la operación. Se realiza preferiblemente a temperatura y presión ambiente. El proceso puede ejecutarse por batch (por lotes o cochadas) o en forma continua (percolación, lixiviación, extracción tipo soxhlet). Los solventes más empleados son: etanol, metanol, isopropanol, hexano, ciclohexano, tolueno, xileno, ligroína, éter etílico, éter isopropílico, acetato de etilo, acetona, cloroformo; no se usan clorados ni benceno por su peligrosidad a la salud. Los solventes se recuperan por destilación y pueden ser reutilizados. El solvente adicionalmente extrae otros componentes como colorantes, gomas, mucílagos, ceras, grasas, proteínas, carbohidratos. En la etapa de recuperación de los solventes (atmosférica o al vacío), después de los condensadores ha de disponerse de una unidad de enfriamiento, para la menor pérdida del solvente. El material residual en la marmita de destilación, contiene concentrados las materias odoríficas y se le conoce como “concrete”. En caso de emplear glicoles, aceites vegetales, aceites minerales, como solventes extractores, los componentes odoríficos son imposibles de recuperar desde allí y el p roducto se comercializa como un todo, conocido como “extractos”. 1.2.1.3.
Extracción por Prensado
También se le conoce como “expresi ón”.
El material vegetal es sometido a presión, bien sea en prensas tipo batch o en forma continua, dentro de éstos se tienen los equipos: tornillo sin fin de alta o de baja presión, extractor expeller, extractor centrífugo, extractor decanter y rodillos de prensa. Para los cítricos antiguamente se empleó el método manual de la esponja, especialmente en Italia, que consiste en exprimir manualmente las cáscaras con una esponja hasta que se empapa de aceite, se exprime entonces la esponja y se libera el aceite esencial. Otros métodos corresponden a raspado, como el d el estilete o “ecuelle”, donde la fruta se pone a girar en un torno y con un estilete se raspa la corteza únicamente; permanentemente cae un rocío de agua que arrastra los detritos y el aceite liberado. Otro proceso emplea una máquina de abrasión similar a una peladora de papas, la “pellatrice” y también hace uso del rocío de agua. En estos procesos la mezcla detritos-agua-aceite se centrifuga a 5000 rpm durante 40 minutos y el aceite esencial recuperado se coloca en una nevera a 3ºC durante 4 horas, para solidificar gomas y ceras que se localizan en la superficie. El aceite esencial se guarda en recipientes oscuros a 12 ºC. Los aceites obtenidos por prensado y/o raspado, se les comercializa como “expresión en frío” y cumplen la funciones de odorizantes (smell oils) y saborizantes (taste oils).
15
1.2.1.4.
Extracción con Fluidos Supercríticos (EFS)
Figura 1. Diagrama del proceso de extracción por fluido supercrítico
Fuente: Campos, Jorge. Procesamiento de productos forestales no madereros en Chile. Sistema de información de mercado de PFNM [en línea], Diciembre 2011 [citado el 25 de enero de 2012]. Disponible en Internet:
.
Un fluido supercrítico es una sustancia, mezcla o elemento llevado, mediante operaciones mecánicas, a unas condiciones operativas de presión y temperatura por encima de su punto crítico; pero por debajo de la presión requerida para condensarlo en un sólido. Como características de un fluido supercrítico se encuentran:
Gran poder disolvente junto con una enorme capacidad de penetración en sólidos, lo que permite el agotamiento rápido y prácticamente total de los sólidos extraíbles. Puede separarse totalmente de forma sencilla de los extractos, simplemente modificando la presión o la temperatura, hasta el extremo, si es necesario que el fluido pase al estado gaseoso.
Fluidos usados para EFS: Dióxido de carbono (CO2), Agua (H2O), Etano (C2H6), Eteno (C2H4), Propano (C3H8), Xenón (Xe), Óxido nitroso (N2O). El proceso de extracción por fluidos supercríticos Véase Figura 1 se inicia de la siguiente manera: la alimentación, generalmente un sólido molido, es cargada en un extractor. El CO2 es alimentado al extractor a través de una bomba de alta presión (100 a 400 Bar). El CO2 comprimido es calentado hasta la temperatura de extracción (30 a 60 °C). Luego ingresa al extractor y procede a extraer la esencia de la matriz herbácea cargada. La mezcla CO2-extracto es enviada a un separador (150 a 50 Bar) con un previo paso a través de una válvula de reducción. A la temperatura y presión reducidas, el extracto precipita espontáneamente un separador, mientras el CO2, libre de cualquier extracto, es reciclado al proceso, con pasos previos de enfriamiento y compresión. La EFS para una alimentación sólida es un proceso semi continuo, donde el CO2 fluye en modo continuo, mientras la alimentación sólida es cargada en una canasta del extractor por etapas. Un co-solvente es frecuentemente bombeado y mezclado con el CO2 de alta presión para aumentar el poder de solvencia o la selectividad de la separación para componentes específicos. La separación es producida comúnmente en etapas,
16
manteniendo condiciones diferentes en dos o tres separadores para fraccionar el extracto, dependiendo de las solubilidades de los componentes y las especificaciones deseadas de los productos. 1.2.1.5.
Hidro-Destilación o Extracción por Arrastre de Vapor
Figura 2. Extracción por arrastre de vapor
Fuente: Carreto, Alejandro. Destilación por arrastre de vapor. Apuntes científicos[en línea], 2011- 2012 [citado el 25 de enero de 2012]. Disponible en Internet: < http://apuntescientificos.org/nerts-ibq2.html>.
De manera general, la Hidro-destilación se describe de la siguiente manera 3: La materia prima vegetal es cargada en un Hidro-destilador Véase Figura 2, de manera que forme un lecho fijo. Su estado puede ser molido, cortado, entero o la combinación de éstos. El vapor de agua es inyectado mediante un distribuidor interno, próximo a su base y con la presión suficiente para vencer la resistencia hidráulica del lecho. La generación del vapor puede ser local (hervidor), remota (caldera) o interna (base del recipiente) Véase Figura 1 Conforme el vapor entra en contacto con el lecho, la materia prima se calienta y va liberando el aceite esencial contenido y éste a su vez, debido a su alta volatilidad se va evaporando. Al ser soluble en el vapor circundante, es “arrastrado”, corriente arriba hacia el tope del Hidro-destilador. La mezcla, vapor saturado y aceite esencial, fluye hacia un condensador , mediante un “cuello de cisne” o prolongación curvada del conducto de salida del Hidro-destilador . En el condensador , la mezcla es condensada y enfriada, hasta la temperatura ambiental. A la salida del condensador , se obtiene una emulsión líquida inestable. Que es separada en un decantador dinámico o florentino , después del condensador, en el separador (Florentino) deben formarse dos fases: una de aceite esencial y otra de agua. Si el aceite esencial presenta componentes solubles en agua estos quedarán en la fase acuosa que puede comercializarse como tal: agua de rosas, agua de jazmín, agua de ylang-ylang.
3
CHÁVEZ CERPA, Manuel Guillermo. Hidrodestilacion de aceites esenciales. Trabajo de grado Doctorado en Ingenieria Quimica. Valladolid: Universidad de Valladolid. Departamento de Ingenieria Quimica y Tecnologia del Medio Ambiente, 2007. p. 1-4, 1-6.
17
1.3.
ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO
1.3.1. Alcances El proyecto culmina con la construcción y automatización del prototipo de la máquina de extracción de aceites esenciales. Se debe tener en cuenta que el aceite esencial extraído contiene un porcentaje de agua, debido a que es un efecto del proceso de extracción por arrastre de vapor. 1.3.2. Limitaciones
Esta investigación no está enfocada al análisis de propiedades químicas puesto que nuestro objetivo es la producción de aceites con unas especificaciones similares. La recarga de materia prima tiene que ser realizada de manera manual una vez se extraiga la mayor parte del aceite, es decir es un sistema de extracción por batches. El sistema de recarga de agua para la generación de vapor se va a realizar por batches y no de manera continua. No se garantiza un aceite de calidad debido a que esta es la primera etapa (de extracción), posterior a esto se requiere un proceso químico complejo.
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2. JUSTIFICACIÓN El presente proyecto surge en la necesidad de automatizar un proceso para mejorar la producción de aceite esencial, la implementación de esta máquina está dirigida a personas en el sector rural, y teniendo en cuenta sus necesidades se busca introducir tecnología a este sector, diseñando un prototipo accesible y fácil de utilizar sin dejar de lado un desarrollo tecnológico actual. Los aceites son utilizados en el campo de la salud, como aromatizantes y saborizante; para suplir la demanda en estos sectores comerciales se debe fabricar en grandes cantidades al menor costo. Teniendo en cuenta esto, con la ejecución de este proyecto se buscó desarrollar un prototipo para la extracción de aceite, controlando automáticamente la temperatura en las etapas de arrastre de vapor y de condensado, de las que se puede obtener gran cantidad de información del proceso para estudiarlo y mejorarlo. Anteriormente este proceso se hacía de manera empírica y su metodología hacia que la calidad del aceite extraído no tuviera homogeneidad, además generaba desperdicio de materia prima como se mencionó anteriormente, siendo de vital importancia reducir el desperdicio de materia prima utilizada para la extracción del aceite, se controlan algunas de las variables que intervienen en este proceso de tal modo que se aproveche en mayor medida el porcentaje de aceite contenido en la materia prima. Al utilizar gas propano como fuente de calor y controlar la temperatura tanto en el generador de vapor como en la etapa de condensado, se garantiza un ahorro en los recursos utilizados para inyectar calor al sistema, además el factor de desperdicio de tiempo en funcionamiento innecesario de la máquina será reducido estableciendo un tiempo de extracción constante para cada batch, esto se hace debido a que entre más tiempo de extracción ha transcurrido la cantidad aceite en el vegetal disminuye, y por consiguiente la extracción de este aceite se dificulta hasta el punto de convertirse en desperdicio de tiempo y energía, con esto se logra la relación costo-producción más conveniente para el empresario.
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3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 3.1.
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y controlar el proceso para obtención de aceites esenciales por arrastre de vapor permitiendo su visualización a través de un servidor web. 3.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Formular y caracterizar el vapor generado en el proceso.
Evaluar y caracterizar el proceso de destilado.
Calcular y seleccionar el sistema de refrigeración.
Desarrollar el serpentín de esencias.
Implementar un tablero de control con LCD para la manipulación y visualización manual de la máquina. Implementar el sistema de manipulación y monitoreo del proceso a través de una página web por medio de un microcontrolador. Implementar el sistema de control de nivel de esencia y temperatura de producción, teniendo en cuenta el nivel de humedad del vapor.
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4. MARCO REFERENCIAL 4.1.
MARCO CONCEPTUAL
4.1.1. Aceite Esencial Los aceites esenciales son las fracciones líquidas volátiles, generalmente destilables por arrastre con vapor de agua, que contienen las sustancias responsables del aroma de las plantas y que son importantes en la industria cosmética (perfumes y aromatizantes), de alimentos (condimentos y saborizantes) y farmacéutica (saborizantes). Los aceites esenciales generalmente son mezclas complejas de hasta más de 100 componentes que pueden ser: Compuestos alifáticos de bajo peso molecular (alcanos, alcoholes, aldehídos, cetonas, ésteres y ácidos), monoterpenos, sesquiterpenos y fenilpropanos. En su gran mayoría son de olor agradable, aunque existen algunos de olor relativamente desagradable como por ejemplo los del ajo y la cebolla, que contienen compuestos azufrados. 4.1.2. Clasificación Los aceites esenciales se clasifican con base en diferentes criterios: consistencia, origen y naturaleza química de los componentes mayoritarios. De acuerdo con su consistencia los aceites esenciales se clasifican en esencias fluidas, bálsamos y oleorresinas. Las Esencias fluidas son líquidos volátiles a temperatura ambiente. Los Bálsamos son de consistencia más espesa, son poco volátiles y propensos a sufrir reacciones de polimerización, son ejemplos el bálsamo de copaiba, el bálsamo del Perú, Benjuí, bálsamo de Tolú, Estoraque, etc. Las Oleorresinas tienen el aroma de las plantas en forma concentrada y son típicamente líquidos muy viscosos o sustancias semisólidas (caucho, gutapercha, chicle, balata, oleorresina de paprika, de pimienta negra, de clavero, etc.). De acuerdo a su origen los aceites esenciales se clasifican como naturales, artificiales y sintéticos. Los naturales se obtienen directamente de la planta y no sufren modificaciones físicas ni químicas posteriores, debido a su rendimiento tan bajo son muy costosas. Los artificiales se obtienen a través de procesos de enriquecimiento de la misma esencia con uno o varios de sus componentes, por ejemplo, la mezcla de esencias de rosa, geranio y jazmín enriquecida con linalool, o la esencia de anís enriquecida con anetol, los aceites esenciales sintéticos como su nombre lo indica son los producidos por la combinación de sus componentes los que en su mayoría son producidos por procesos de síntesis química. Estos son más económicos y por lo tanto son mucho más utilizados como aromatizantes y saborizantes (esencias de vainilla, limón, fresa, etc.). Desde el punto de vista químico y a pesar de su composición compleja con diferentes tipos de sustancias, los aceites esenciales se pueden clasificar de acuerdo con el tipo
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de sustancias que son los componentes mayoritarios. Según esto los aceites esenciales ricos en monoterpenos se denominan aceites esenciales monoterpenoides (p.ej. hierbabuena, albahaca, salvia, etc.). Los ricos en sesquiterpenos son los aceites esenciales sesquiterpenoides (p.ej. copaiba, pino, junípero, etc.). Los ricos en fenilpropanos son los aceites esenciales fenilpropanoides (p.ej. clavo, canela, anís, etc.). Aunque esta clasificación es muy general nos resultará útil para propósitos de estudiar algunos aspectos fitoquímicos de los monoterpenos, los sesquiterpenos y los fenilpropanos, sin embargo existen clasificaciones clasificaciones más complejas. 4.2.
MARCO TEÓRICO
Para el control de la temperatura se piensa implementar un sistema PID, que consiste en modificar el comportamiento de una función de transferencia y hacer que el sistema actué de manera eficiente con respecto al tiempo. t iempo. En cuanto al monitoreo de la humedad en el vapor se requiere un sensor de humedad calibrado en un rango de operación. En cuanto al control del proceso se implementará un sistema de optimización que con base en la humedad del vapor encuentre la temperatura óptima de evaporación. Se utilizará un microcontrolador para realizar los cálculos, recibir las señales necesarias al monitorear y mostrar datos del proceso en una pantalla de LCD, además de una comunicación Ethernet, que tendrá un servidor web con datos de la máquina para su visualización y manipulación remota. 4.3.
Marco Legal o Normativo
4.3.1. Calidades, Normas Normas Técnicas, Sellos, Registros Registros y Control Control de Calidad Exigidas en los Eslabones de la Comercialización 4.3.1.1.
Calidad de un Aceite Esencial Natural
La calidad de un aceite esencial natural depende de 4: Condiciones Edáficas del Cultivo: Que tienen que ver con la existencia y disponibilidad disponibilidad de los nutrientes para las plantas.
Régimen Climático: Climático: Luminosidad, Luminosidad, temperatura, temperatura, pluviosidad, pluviosidad, vientos y altitud. Latitud: En ciertas ciertas condiciones condiciones latitudinales latitudinales las especies especies vegetales vegetales tienen a producir AE en cantidades y calidades mucho más convenientes que en otras latitudes.
Labores Agrícolas: Distancias de siembra, abonos, aporques, podas, y asociaciones.
4
HUMBOLDT, Alexander von. Estudio del mercado colombiano de aceites esenciales. Bogota D.C.: Instituto de Investigación Alexander von Humboldt, 2003. p. 26 - 31.
22
Post cosecha: cosecha: lavado, lavado, secado, empaque, almacenado almacenado y transporte. Métodos de Extracción Extracción Empleados: arrastre arrastre por vapor; extracción extracción con solventes solventes volátiles como éter de petróleo, pentano, hexano; extracción por fluidos supercríticos; estrujado y maceración con solventes no volátiles. Procesos Industriales: Industriales: A que son sometidos para mejorar sus características características organolépticas, para concentrar sus componentes útiles, para facilitar su procesamiento industrial o simplemente para homogenizar la calidad. Entre esos procesos aparecen los siguientes: rectificación, fraccionamiento, desterpenado, deserado, filtración, reacciones químicas para obtener nuevos productos aromáticos (esterificación, hidrogenación e hidratación), decoloración, lavado: estandarización estandarización y aislamiento de productos específicos.
4.3.2. Normas de Calidad Calidad para un Aceite Aceite Esencial Esencial Las normas de calidad generales de un AE las establece la legislación de cada país. Las normas para un determinado aceite suelen ser muy parecidas, pero empiezan a diferenciarse cuando se enfrentan a las normas de calidad exigidas por cada empresa, a ese nivel la norma de calidad está determinada por el USO FINAL que va a tener la esencia: Uso medicinal: Se rigen por las Farmacopeas Nacionales o Regionales que tienen fuerza de ley en cada país. En Colombia no hay una farmacopea nacional, por lo tanto se recurre a las siguiente farmacopeas oficialmente oficialmente aceptadas en el país, como consta en el Parágrafo Primero del Artículo 22 del decreto 677 de 1995: “. United State Pharmacopeia (USP), a la Brittish Pharmacopeia (Inglaterra), al Codex Francés, a la Farmacopea Alemana (DAB), a la Europea e internacional (OMS) o a la que en su momento rija para la Unión Europea. En todos los casos se aplicarán las técnicas establecidas en la edición vigente de la farmacopea respectiva”. Las empresas multinacionales se rigen por las normas de sus casas matrices. Las empresas nacionales nacionales se preocupan por cumplir las normas INCONTEC INCONT EC y por adquirir certificados ISO. Uso Cosmético y Alimenticio: Alimenticio: Existen leyes nacionales que determinan que esencias no deben usarse y cuales tienen un límite de dosificación en el producto terminado El CAS NUMBER es una guía internacional que describe los ingredientes estudiados y aprobados para uso cosmético. En el caso de los alimentos se usan los Códigos Alimenticios siendo el más universal el Codex Alimentarius, que es una publicación de la FAO y la OMS O MS y el Food Chemical Codex de los EEUU. Usadas como Sabores y Fragancia: Fragancia: Existen las normas IFRA/IOFI, que también determinan que esencias no deben emplearse o cuales tienen una limitación en cuanto a cantidad presente en el producto terminado. Esencias Usadas en Roma Terapia: Terapia: En algunos países como Francia y Canadá, existen reglamentaciones específicas en cuanto a la correcta caracterización de la toxicidad e inocuidad de su uso. Exigen conocer la toxicidad aguda (DL50), si son foto sensibilizantes, irritantes dérmicos o de la mucosa y ojos y si pueden producir efectos fisiológicos o deseables por absorción cutánea o inhalación. 23
Usos Industriales: (disolventes y agente de flotación de minerales) NOTA 1: Si bien las farmacopeas nacionales y códigos son obligatorios en cada uno de los países por tener fuerza de ley, las normas como las de IFRA/IOFI, o las nacionales como AFNOR en Francia, la ASTM en EU, AENOR en España, DIN en Alemania, IRAM-SAIPA (Argentina), Asociación Brasileña de Normas Técnicas, Instituto Nacional de Normalización en Chile, el INCONTEC en Colombia, las ISO (internacionales) son solamente opcionales porque la elige y la fija el comprador de la esencia a partir de la gama de productos que puede ofrecer o fabricar el vendedor. Muchos compradores suelen emplear normas propias o targets de calidad que en el caso de las grandes empresas del ramo tienen mayores exigencias o menores rangos de variabilidad que las normas públicas. Estas normas tocan lo referente al control de calidad, pero también abordan métodos de análisis, condiciones de transporte, empaque y etiquetado. NOTA 2: Las normas ISO para aceites esenciales son aproximadamente 70. 4.3.3. Control de Calidad Calidad Exigido en los Eslabones de la Cadena de Comercialización Desde el primer nivel de la cadena de distribución el comprador realiza un control de calidad denominado panel organoléptico. Si el AE supera esta fase, continuará en los niveles posteriores de la cadena de distribución donde se encuentra una amplia gama de exigencias que van desde el comprador que solicita certificados de calidad específicos para cada aceite y los comprueba, hasta el consumidor de AE de baja calidad que los compra sin ningún control. Los certificados de calidad pueden contener la información del material vegetal de origen para garantizar una procedencia de agricultura limpia certificada o con sellos verdes, pero para los AE naturales producidos en Colombia esta exigencia no es tenida en cuenta si se trata de los AE idénticos al natural que no la requieren porque su origen es sintético. Esto se debe a que en el país solo existen 15 hectáreas de cultivos de plantas aromáticas y medicinales y 31 en sábila con certificado de agricultura limpia. Fuera de la información sobre el material vegetal, los certificados de calidad deben contener la información de la siguiente tabla:
24
Tabla N° 1. Clasificación de los parámetros analíticos utilizados en el control de calidad de aceites esenciales
Fuente: Humboldt, 2003
25
5. DESARROLLO INGENIERIL El proyecto consiste en destilar por medio de arrastre de vapor el aceite esencial del material vegetal deseado, por lo que se realizó un diseño que pudiera ofrecer versatilidad en cuanto al procesamiento de distintos materiales vegetales Véase Figura 3, la caracterización del proceso de destilado se inicia separando el funcionamiento de la maquina en 2 etapas principales, la primera consiste en un generador de vapor que cuenta con un flujo másico de que consta de una estufa de gas propano de máximo (ver sección 5.4), esta calienta la olla principal en la que se producirá el vapor a y presión atmosférica, por lo que se caracteriza como vapor saturado (ver sección 5.3 y 5.4), la olla va a tener el material vegetal en su interior y a medida que se va generando el vapor este se impregna con la esencia del vegetal utilizado, este vapor transporta el aceite esencial a través de la manguera de teflón para después pasar a la segunda etapa, que consiste en un intercambiador de calor que refrigera el vapor por medio de un serpentín sumergido en líquido refrigerante a temperatura inicial de (ver sección 5.4), así se condensa el vapor para obtener una mezcla de agua-aceite que posteriormente será separada a una temperatura máxima de después de de funcionamiento.
Figura 3. Esquemático del diseño propuesto para el prototipo
Fuente: Autores El calor será inyectado al sistema por medio de una estufa de gas propano con una potencia máxima de (Potencia de nuestro sistema ver sección 5.4) y 2 quemadores, de los que solo se utilizará uno Véase Figura 3, Valv 1, éste será accionado por un microcontrolador ATMega32, el nivel de agua que queda en el proceso para ser convertida en vapor será determinado por el tiempo de funcionamiento de la máquina, está funcionará por batches con la misma cantidad de agua, en la olla habrá un sensor de temperatura (Sensor Temp 1), que servirá de realimentación para el PID que va a estar encargado de llevar la temperatura en la olla al set point, además se cuenta con un sensor que indicará la humedad relativa del vapor dentro de la olla, con lo que se busca saber si esta información resulta relevante en el control del proceso, para así mantener la producción de vapor, y además tener más información de que sucede dentro de la olla. Como medidas de seguridad se cuenta con un manómetro y una válvula de alivio de emergencia en caso de que la presión supere las condiciones normales de operación. En la etapa de refrigeración se cuenta con dos sensores de temperatura Véase Figura
26
3, Sensor Temp 2 y 3, que están para monitorear y garantizar que la refrigeración sea la adecuada (menos de 60 °C), además de un par de bombas Véase Figura 3, Bomba 1 y 2 para el movimiento del refrigerante de una olla a la otra. 5.1.
DISEÑO MECÁNICO
Todos estos equipos van montados sobre una estructura fabricada en Angulo L de 1x1/8 in Véase Figura 4, a continuación se realiza la validación de las cargas máximas soportadas por la estructura, y presenta la vista lateral de esta con las fuerzas ejercidas por el peso de las tres ollas dividido en dos secciones iguales 5. Figura 4. Estructura de la máquina vista lateral
Fuente: Autores Figura 5. Barra principal de la estructura
Fuente: Autores
(5.1) (5.2) (5.3)
Con base en lo anterior se hallan las reacciones en los dos apoyos A y E de la siguiente forma: ∑MA=0
5
(5.4)
BEER, Ferdinand Pierre, et al. Mecánica de materiales. México D.F.: McGraw-Hill, 2007. p. 307 - 315.
27
(5.5)
∑Fy=0
(5.6)
Por lo que queda la barra central de soporte con las siguientes fuerzas actuando sobre ella como se muestra a continuación: Figura 6. Barra principal de la estructura con las reacciones
Fuente: Autores De la figura anterior Véase Figura 6 se dibujan los diagramas de cortante y de momento flector respectivamente Véase Figura 7
28
Figura 7. Diagrama de cortantes y momentos torsores de la estructura
Fuente: Autores De los diagramas anteriores se advierte que el cortante máximo es de 180.95N (Punto 1), y el momento máximo es de 41.9N*M (Punto 2), estos puntos críticos sé analizaron por medio de esfuerzos combinados bajo el criterio de Von Mises para así seleccionar el material 6: Punto 1:
6
[ ] ] [
(5.7) (5.8)
(5.9)
SHIGLEY, Joseph y MISCHKE, Charles. Diseño en ingeniería mecánica. México D.F.: McGrawHill, 2007. p. 94 -149.
29
[ ][ ]
(5.10) (5.11)
(5.12)
Figura 8. Esfuerzos combinados en punto 1
Fuente: Autores
√
(5.13) (5.14)
(5.15) (5.16)
Esfuerzo Normal:
(5.17) (5.18)
Cortante:
30
(5.19)
Punto 2:
(5.20)
Figura 9. Esfuerzos combinados en punto 2
Fuente: Autores
(5.21) (5.22)
Esfuerzo Normal:
Cortante:
(5.23)
(5.24)
Se observa que en el Punto 2 en la Figura 9 se genera tanto el mayor esfuerzo como el mayor cortante y con base en este punto se selecciona el material para toda la estructura de soporte transversal, el siguiente paso es calcular el esfuerzo a compresión en estas columnas y el módulo de elasticidad mínimo necesario para que no ocurra pandeo con la fórmula de Euler para columnas articuladas, para así seleccionar el material adecuado para toda la estructura.
31
Columna A: Compresión:
(5.25) (5.26)
Módulo de Elasticidad:
Columna E: Compresión:
(5.27) (5.28) (5.29)
(5.30) (5.31)
Módulo de Elasticidad:
(5.32) (5.33)
Debido a que el material utilizado (Hierro AISI A-47) soporta un cortante, una tensión y un esfuerzo a compresión máximos de 330 MPa, 345MPa y 620 MPa respectivamente, además de poseer un módulo de elasticidad de 69 GPa, se concluye que la estructura no va a fallar, ya que todas las especificaciones calculadas son menores a los valores típicos del hierro, se presenta el plano completo con base en el que se construyó la estructura en el Anexo A Para la validación de la olla utilizada como generador de vapor Véase Anexo B y Anexo C se utilizó la ecuación de recipiente cilíndrico y costura longitudinal para
32
presión interna presentada a continuación 7 y asi hallar la presion maxima de trabajo permitida8.
(5.34) Dónde:
Tomando los valores de S= 12700 lbf/(in^2) para un acero AISI 1020 y una eficiencia de junta de 0.7 que corresponde a una junta a tope hecha por doble cordón de soldadura no examinada, al resolver la ecuación se obtiene que la presión máxima de trabajo permitida es:
(5.35)
Para la validación de las ollas utilizadas para el intercambio de agua y la etapa de refrigeración que son exactamente iguales Véase Anexo D, se utilizó un S= 38000 lbf/(in^2) para un acero AISI 1020 y una eficiencia de junta de 0.60 que corresponde a una junta a traslape de doble filete completo sin verificar, Al resolver la ecuación se obtiene que la presión máxima de trabajo permitida es:
(5.36)
Debido a que el proceso de producción de vapor se realiza a presión atmosférica, y a que por seguridad existe una válvula de alivio a los 30 psi, se concluye que el recipiente utilizado como generador de vapor es adecuado, además, ya que los recipientes de refrigeración e intercambio de agua son sistemas abiertos (que trabajan a presión atmosférica), concluimos que todos los recipientes funcionaran por debajo de la presión máxima para la que fueron diseñados, por lo tanto no van a fallar bajo ninguna circunstancia.
7
MEGYESY, Eugene. Manual de recipientes a presion diseño y calculo. Mexico D.F.: Editorial Limusa, 1992. p. 18, 142, 159. 8 IRIBARREN LACO, Luis, et al. Diseño de equipos e instalaciones. Barcelona: CPET (Centre de Publicacions del Campus Nord), 2002. 65 p.
33
Verificación de Cálculos Mediante MD Solids. Los cálculos fueron verificados con el software de elementos finitos MD Solids, a continuación se presenta en la Figura 10 la comprobación de las reacciones en los apoyos, además de los diagramas de cortante y de momento flector. Figura 10. Resultados del software de resistencia de materiales
Fuente: Autores 34
5.2.
DISEÑO ELECTRÓNICO
En cuanto a la selección del microcontrolador para implementar el control de hardware en la máquina, se contó con varias opciones de fabricantes que producen estos, siendo los más reconocidos dentro del mercado Freescale, Microchip y Atmel, a continuación se presenta una tabla con los requerimientos mínimos en cuanto a hardware para el adecuado desarrollo del proyecto: Tabla 2. Requerimientos mínimos para el microcontrolador Mínimo Requerido
Funciones No de Pines - E/S
24
Velocidad de Reloj
8MHz
No de Pines ADC
5
Memoria Flash
30 KB
Voltaje de operación Resolución ADC
5V-12V 8 Bits
Fuente: Autores Con base en los datos anteriores se busca un microcontrolador de cada fabricante que cumpla con los requerimientos mínimos del proyecto para la posterior selección: Tabla 3. Microcontroladores homólogos seleccionados Funciones No de Pines E/S Velocidad de Reloj No de Pines ADC Memoria Flash Voltaje de operación Resolución ADC
MC9S08GT32
ATMega32-16PU
PIC18F2550
42
32
24
40MHz
16MHz
8MHz
8
8
10
32 KB
32 KB
32 KB
5V
5V
5V
10 Bits
10 Bits
10 Bits
Fuente: Autores Cualquiera de los tres microcontroladores mencionados anteriormente pueden ser utilizados para implementar el control del prototipo, debido a que sus especificaciones cumplen con los requerimientos mínimos de éste, pero se seleccionó la familia ATMega de Atmel debido a las prestaciones ofrecidas en comparación al precio, lo que permite realizar aplicaciones más económicas, además esta familia en particular integra una función que permite auto-programar la memoria flash del microcontrolador ayudando así la implementación de sistemas más flexibles en los que se pueda actualizar el firmware (programa del microcontrolador) de la máquina de manera presencial o remota. Se comienza por seleccionar el circuito del oscilador que se encargara de suministrar la señal de reloj para el microcontrolador, según el datasheet del Atmega32 este funciona a una velocidad máxima de 16 MHz, por lo que se selecciona un cristal resonador (xtal) de esta velocidad, el cual equivale a un circuito de baja impedancia en paralelo con uno de alta impedancia como se muestra en la Figura 11, y permite crear un oscilador de alta frecuencia y fidelidad a bajo costo:
35
Figura 11. Circuito equivalente de un cristal resonador (xtal)
Fuente: Autores. Por lo que se implementó el siguiente circuito Véase Figura 12 para suministrar la señal de reloj del microcontrolador en los pines Xtal1 y Xtal2, este se conecta según la configuración típica usada para este tipo de osciladores, que consiste en colocar dos condensadores de 22pf conectados a tierra en cada pin como se a continuación Figura 12. Circuito del oscilador implementado
Fuente: Autores En cuanto a la comunicación a través de internet, para usar el microcontrolador como un servidor web se utilizó un módulo de comunicación Ethernet que posee un chip Wiznet W5100 Véase Figura 12, éste puede transmitir datos a una velocidad de hasta 25Mbps, posee dirección Mac y una fácil configuración Tcp/Ip sin necesidad de Sistema Operativo. Figura 13. Interfaz de red Wiznet 5100
Fuente: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield (Enero 25, 2012) 36
Este chip permite que el microcontrolador se encargue de suministrar las configuraciones Tcp/Ip y MAC en él y luego enviar el código HTML para la visualización de la página (Para más información consultar el datasheet del Wiznet W5100), y éste se encarga de establecer el protocolo de comunicación Web a través del puerto 80 para la visualización de la página, el módulo está diseñado para funcionar en stack (ser apilado uno sobre otro) con la tarjeta de desarrollo implementada. Para el accionamiento de las válvulas se decidió utilizar un motor dc controlado por un potenciómetro que registra la posición de este en todo momento, se utilizó un dinamómetro para determinar el torque necesario de accionamiento en la válvula, lo que determino que se necesitara un par de torsión de 6 kg/cm para el movimiento de esta, teniendo en cuenta un factor de seguridad de 3 para garantizar el accionamiento en cualquier condición (Se seleccionó un factor de seguridad alto debido al peligro que representa que la válvula falle), se seleccionó un motoreductor Pololu 37Dx52L Véase Figura 14 mm de 80 RPM, que opera a 12 V y una corriente de 300 mA, además de un torque de 18 kg/cm. Figura 14. Motoreductor Pololu para el control de las válvulas
Fuente: http://www.pololu.com/catalog/product/1107 (Enero 25, 2012) Al haber seleccionado los componentes que se utilizaran en el prototipo, se concluye que son necesarias dos fuentes de voltaje para la alimentación del sistema electrónico, la primera de 5V a 1A, y la segunda de 12V a 1A, para la implementación de las fuentes se seleccionó el transformador que proporcionara un voltaje pico de 23V a 2A: Figura 15. Convertidor AC – DC
Fuente: Autores
37
Según el diseño del convertidor AC – DC 10 Véase Figura 15 las pérdidas que vamos a tener en la fuente son: perdidas en el puente rectificador que son de 1.4V y las pérdidas del voltaje de rizo que se desea que sea de 7V, por lo tanto el voltaje mínimo requerido a la salida del transformador está dado por la siguiente expresión:
(5.37)
Para hallar los valores de C1 y R1 de acuerdo al voltaje de rizo deseado se utiliza la siguiente ecuación:
(5.38) (5.39) (5.40)
Se aproxima el valor de C a los valores comerciales y se recalcula el voltaje pico:
(5.41) (5.42)
Se determina que va a ser de 23V para poder garantizar 14.5v a la salida del filtro AC – DC, según esto se calcula el número de espiras para el devanado primario y secundario del transformador.
√
(5.43)
Debido a que la etapa de conversión DC - DC es de baja potencia, se seleccionaron los reguladores lm7805 y lm7812 para bajar el voltaje a la salida de la fuente de 5V y 12V respectivamente, estos se utilizaron en su configuración típica presentada en el datasheet, como resultado se implementó la fuente presentada a continuación: Figura 16. Fuente de alimentación 12V y 5V a 1A
Fuente: Autores 10
HART, Daniel. Electrónica de potencia. Madrid: PrenticeHall, 2001. p. 128 - 131.
38
Se procede a implementar el puente H para el control de giro del motor reductor que abre y cierra la válvula en los quemadores de la estufa, este está controlado por los pines 14 - 15 en el caso de la primera válvula, se utilizaron resistencias de 1k Ω para así limitar la corriente que entrega el microcontrolador en sus salidas a 4.3ma, el disparo de las cargas se calculó de la siguiente manera: Figura 17. Circuito para calcular el disparo de los transistores
Figura: Autores Se halló la ecuación para la malla 1:
(5.44)
Según las especificaciones del microcontrolador se selecciona un despejar en la ecuación anterior se obtiene el valor de
, y al
(5.45)
Para hallar el y seleccionar el transistor uno se debe reemplazar el valor de la corriente de colector en la ecuación 5.46, que será la misma corriente para la excitación de la segunda etapa de amplificación , para hallar esta se selecciona el transistor TIP42 como transistor dos debido a que cumple con los requerimientos máximos de y que son 12V y 300mA respectivamente y tiene un , de acuerdo a estos valores se calcula la corriente de base necesaria para que el transistor entre en saturación.
Al haber obtenido el valor de valor de .
(5.46) (5.47)
se halló la ecuación de la malla 2 para así despejar el
39
(5.48)
Al despejar la ecuación y solucionar se obtuvo el valor de , que luego es ajustado al valor comercial de resistencia y con este nuevo valor se recalculo el valor de :
(5.49)
Despeando el valor de y en la ecuación 3.46 se obtiene el necesario para que el transistor uno entre en saturación de manera adecuada, para esto se tiene en cuenta que se debe utilizar un factor de sobre excitación de 2.
(5.50)
Al haber calculado las características principales para este transistor se procede a seleccionarlo, en este caso el transistor utilizado fue el 2n2222 ya que tiene un , luego se simuló y posteriormente implementaron los circuitos mostrados en las Figura 18, Figura 23 y Figura 24:
Figura 18. Circuito puente H para el control de válvulas
Fuente: Autores Para determinar la posición de la válvula en todo momento se le colocó un potenciómetro que entrega un valor de voltaje a el pin análogo 15 dentro del microcontrolador, con lo que se obtiene la posición exacta de la válvula en un valor de 0 – 1023 bits. El paso siguiente fue la selección de los sensores e implementación de estos, se seleccionó el Lm35 como sensor de temperatura en vista que su punto de operación se encuentra dentro de su rango de medición, que para un proceso de destilación por arrastre de vapor es de 100°C, de estos se colocaron 3, el primero dentro de la olla que va a producir el vapor, el segundo en la olla del serpentín que es refrigerado, y el 40
último en la olla de intercambio del agua, los sensores están conectados a los pines análogos 8 - 9 - 10 respectivamente, la conexión de estos al microcontrolador se muestra en la Figura 19: Figura 19. Conexión de sensores de temperatura
Fuente: Autores El sensor de humedad elegido es el HS 1101 de Humirel, que mide humedad relativa y actúa como un condensador variable según la humedad, para el acondicionamiento de la salida se implementa el circuito propuesto dentro de su datasheet para obtener una variación de frecuencia según la humedad relativa con un 555, que es monitoreada por el microcontrolador con el módulo de interrupciones. El circuito se muestra a continuación: Figura 20. Circuito integrado 555 para el sensor de humedad
Fuente: Datasheet Humirel HS 1101 La variación de frecuencia, con respecto a la humedad relativa que describe el comportamiento de este circuito según el fabricante, está dada por la siguiente tabla: Tabla 4. Valores de humedad relativa con respecto a frecuencia en hertz
Fuente: Datasheet Humirel HS 1101
41
Según el datasheet del sensor, el comportamiento de la capacitancia del sensor con respecto a la humedad relativa es el siguiente: Figura 21. Curva de respuesta para el sensor de humedad relativa
Fuente: Datasheet Humirel HS 1101 Según los valores de resistencias utilizadas (comerciales) y la figura anterior, se recalculo la tabla de valores de frecuencia mostrada anteriormente tabla 4 para describir el nuevo comportamiento del circuito que consta de un 555 en configuración astable 11, el cálculo para obtener estos valores se presenta a continuación:
11
(5.51)
MALVINO, Albert Paul y LEACH. Principios y aplicaciones digitales. Baecelona: McGraw-Hill, 1993. p. 304 - 305.
42
A continuación se presentan los resultados de los cálculos para la nueva configuración en comparación a los anteriores (tabla 5): Tabla 5. Valores de humedad relativa vs frecuencia en hertz nuevos % HR
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Frecuencia Original 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6660 6468 6330 6186 6033 Frecuencia Nueva
7431 7253 7125 7002 6844 6767 6619 6478 6342 6212 5997
Fuente: Autores Para el tablero de control se utilizó una LCD de 4x20 y un teclado matricial de 4x4, la LCD está conectada a los pines 7 - 6 - 5 - 3 - 2 - 17 del microcontrolador en interfaz de 4 bits como se muestra a continuación:
43
Figura 22. Circuito de conexión para la LCD
Fuente: Autores El teclado por otra parte está conectado a los pines análogos 0 - 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7, donde los primeros cuatro pines están configurados como salidas y los cuatro restantes como entradas Véase Figura 23, además se colocan resistencias de drenaje en las salidas de los interruptores para evitar el efecto de las pequeñas vibraciones mecánicas (rebote) en estos. Figura 23. Circuito de conexión para el teclado matricial
Fuente: Autores La activación de las bombas se realiza con un acople de un transistor que enciende un relé de 110v y va conectado al pin 16 del microcontrolador, como se muestra a continuación:
44
Figura 24. Acople de encendido de las bombas
Fuente: Autor Se halló la ecuación para la malla base-emisor:
(5.52)
Según las especificaciones del microcontrolador se selecciona un despejar en la ecuación anterior se obtiene el valor de
, y al
(5.53)
Para hallar el y seleccionar el transistor se debe reemplazar el valor de la corriente de colector y de base en la ecuación 5.54, donde la primera es de 4.3mA y la segunda de 300mA ya que es la corriente consumida por el relé.
Teniendo en cuenta un factor de sobre excitación de 2 el seleccionar es:
(5.54) (5.55) final del transistor a
(5.56)
De acuerdo a este valor anterior se seleccionó el transistor 2n2222 ya que cuenta con un promedio de 150. El dispositivo eléctrico para encender la estufa automáticamente funciona con el mismo acople y va al pin 19 del microcontrolador, como se muestra a continuación:
45
Figura 25. Acople de encendido del chispero
Fuente: Autor Estos circuitos implementados en la tarjeta del tablero de control (también diseñada para funcionar en stack con el microcontrolador y la interfaz de Ethernet) con cada etapa especificada se presenta en la imagen a continuación Véase Figura 26 y Figura 27: Figura 26. Vista superior de la tarjeta diseñada
Fuente: Autores
46
Figura 27. Vista inferior de la tarjeta diseñada
Fuente: Autores Con el esquema anterior se fabrica una tarjeta del circuito y al montar los componentes electrónicos se finaliza el diseño electrónico, a continuación se presenta una imagen de la tarjeta terminada: Figura 28. Tarjeta diseñada con el montaje de todas las etapas mostradas
Fuente: Autores
47
5.3.
DISEÑO DEL CONTROL
Después de la construcción se empieza con la implementación del control para cada etapa de la máquina, empezando por el Motoreductor que controla la válvula de gas en la estufa, la posición de este todo el tiempo está siendo monitoreada por un potenciómetro que arroja un valor análogo de acuerdo al porcentaje de apertura de la válvula (valpot2), luego este pasa por un conversor ADC que entrega esta variación en un rango digital de 0 a 1023 bits. El control se realiza al comparar el valor deseado (estufa2) con la posición actual (valpot2) y con base en esto mover los MotoReductores en el sentido adecuado para llevar la válvula al valor deseado (Proporcional), se diseñó un sistema de funcionamiento por pulsos de 6 milisegundos, este tiempo se seleccionó ya que produce una variación mínima en la posición de la válvula, lo que permite una mayor sensibilidad en el control, aunque al necesitar hacer cambios de posición grandes en la válvula estos toman mucho tiempo, para solucionar esto se crearon dos casos en los que este tiempo cambia Véase Figura 29 Caso 1. La diferencia entre la posición actual de la válvula (valpot2) y la nueva (estufa2) sea mayor a 10, en este caso se aumenta el pulso a 30 mS. Caso 2. Se desea apagar la estufa (estufa2=0), en este caso se aumenta el pulso a 50 mS. En el Caso 1 el tiempo por pulso es de 30mS para que el controlador en un solo movimiento pueda disminuir la diferencia de magnitud entre el valor deseado y el actual en 10, en cuanto al Caso 2 el tiempo por pulso es de 50mS para que el cierre de la válvula de gas sea inmediato. Figura 29. Diagrama de flujo del control proporcional Inicio
Del2=6 Valpot2=0 Estufa2=0 One2=0 Two2=0
1
Estufa2=0 A
Valpot2
2
No
Si
Si
Del2=50
Estufa2 ≠ Valpot2
Del4=|Estufa2/7Valpot2|
Si
Estufa2/7 ≥ Valpot2+3 Del4>10
Si
Estufa2 < Valpot2-3
No
No
Two2=1 One2=0
Si
One2=1 Two2=0
Delay=del2
2
A
Del2=30
1
Fuente: Autores
48
No
No
Al haber anclado el sensor en una posición dentro de la olla (generador de vapor) y conectarlo al microcontrolador, además de haber diseñado el sistema para el control del actuador que funciona de 0 a 1023 bits como se mostró anteriormente, se procede a realizar la calibración de la planta, realizando una prueba de lazo abierto para así conocer las capacidades del sistema, el diagrama del sistema de lazo abierto se muestra a continuación: Figura 30. Sistema de control en lazo abierto
Fuente: Autores La calibración del sistema de control en lazo abierto se hizo muestreando cada 10 valores, y se obtuvieron los resultados que se muestran en la siguiente tabla: Tabla 6. Valores tomados al realizar la calibración de la planta Actuador (DAC) Temperatura ( ) Sensor (ADC) 0 18 38 10 18 38 20 18 38 30 18 38 40 55 114 50 80 149 60 99 203 70 124 255 80 135 277 90 146 298 100 155 314 110 165 334 120 175 339 130 175 339 Fuente: Autores
Con base en estos primeros resultados se concluye que con un solo quemador de la estufa es suficiente para el funcionamiento del proceso, luego se realizó el acondicionamiento digital de la planta, con lo que se logró que el quemador y el sensor queden calibrados para funcionar a 10 bits (entre 0 y 1023), asegurando así que la planta esté lista para implementar el control de lazo cerrado, el nuevo comportamiento de la planta sería el siguiente:
49
Tabla 7. Valores después del ajuste digital de la planta Valor (DAC) Temperatura ( ) Sensor (ADC) 0 18 114 70 18 114 140 18 114 210 18 114 280 55 342 350 80 447 420 99 609 490 124 765 560 135 831 630 146 894 700 155 942 770 165 1002 840 175 1017 910 175 1017 Fuente: Autores
Para hacer la conversión de valores de control (variable de 10 bits obtenidos por el microcontrolador al realizar la conversión Análoga-Digital) a temperatura se utilizó la siguiente tabla: Tabla 8. Calibración acción de control a °C Temperatura (°C) Valor Control (ADC)
18 18 18 18 55 80 99 124 135 146 155 165 175 175
114 114 114 114 342 447 609 765 831 894 942 1002 1017 1017
Fuente: Autores Con los valores de la Tabla 5 se construyó la Figura 31 y al extraer la ecuación de la línea de tendencia se obtuvo la ecuación para la conversión de unidades en la máquina como se muestra a continuación:
50
Figura 31. Línea de tendencia conversión de unidades Conversion valor ADC a Temperatura 200
Temp = 0,1411Vadc1,0246 150 a r 100 u t a r e p 50 m e T
0 0
200
400
600
800
1000
1200
Valor Digital del ADC (Vadc)
Fuente: Autores Luego de obtener esta ecuación se colocó en todas las partes del programa que requirieran visualizar el valor de cada variable de la siguiente forma:
(5.57)
Dónde: Temp = Temperatura del sistema en °C Vadc = Valor después de hacer la conversión Análoga a Digital del valor del sensor
Esto se realizó para cambiar el valor arrojado por los sensores al hacer la conversión análogo-digital por el valor de temperatura que corresponde, con el fin de facilitar al usuario entender el estado de cada variable al visualizarla ya sea en el tablero de control o en la página web. Para el control de la temperatura en la estufa se va a implementar un PID, éste consiste en un control en lazo cerrado con ganancia proporcional derivativa e integral, el diagrama de bloques del sistema se muestra a continuación: Figura 32. Sistema de control en lazo cerrado
Fuente: Autores
51
Para caracterizar el sistema y obtener su funcion de transferencia se utilizó el metodo de la curva de reaccion de dos puntos, debido a que el comportamiento del sistema termico permite aproximarlo a un sistema de primer orden con tiempo muerto como se presenta a continuación 12:
(5.58)
Donde: K = Constante de ganancia del proceso.
= Constante de tiempo. = Tiempo muerto.
Para hallar los valores de las constantes anteriores se comienza por hallar los dos puntos característicos de este método el primero al 28.3% y el segundo al 63.2% de la amplitud total en la curva de reacción:
(5.59) (5.60)
Estos puntos se ubican en la gráfica de la curva de reacción a continuación: Figura 33. Respuesta al escalón de amplitud de la planta con T1 y T2
Fuente: Autores Con
y
identificados se procede a calcular
12
y
:
SMITH, Carlos, Ph.D., et al. Principles and practice of automatic process control. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1997. p. 309 - 314.
52
(5.61) (5.62)
Con lo que se obtiene la función de transferencia del sistema mostrada a continuación:
(5.63)
En cuanto a la función de transferencia anterior se observa que al ser trascendental hace mucho más complicado el manejo de esta, ya que muchas de las herramientas analíticas están restringidas a funciones de transferencia racionales, existen muchas formas de aproximar a una función racional, aunque la mejor aproximación 13 resulta siendo la de Padé :
(5.64)
Al tener el tiempo muerto expresado como una función racional se procede a graficar la función de transferencia y compararla con una prueba en vacío de la planta en lazo abierto para alcanzar a temperatura de funcionamiento, como se muestra a continuación: Figura 34. Comparación del modelo obtenido con la planta
Fuente: Autores Al haber obtenido la función de transferencia que describe el funcionamiento de la planta se procede a calcular el controlador para modificar el comportamiento de esta, a continuación se presenta un diagrama de bloques que muestra de qué forma se implementa y en qué consiste el controlador PID Figura35: 13
KUO, Benjamin. Sistemas de control atomático. Naucalpan de Juárez, Estado de México: PrenticeHall, 1996. p. 189 - 191.
53
Figura 35. Lazo cerrado con ecuación de PID
Fuente: Autores Siendo Kp, Ti y Td, las constantes proporcional, integral y derivativa respectivamente, que son indicadores de cómo se va a comportar el controlador PID, existen diferentes maneras de obtener estas variables, si es posible obtener un modelo matemático de la planta existen diversas técnicas de diseño con el fin de determinar los parámetros del controlador que cumplan las especificaciones en estado transitorio y en estado estable del sistema en lazo cerrado. Sin embargo, si la planta es tan complicada que no es fácil obtener su modelo matemático y tampoco es posible un enfoque analítico para el diseño de un controlador PID se debe recurrir a los enfoques experimentales para la sintonización de los controladores PID. El proceso de seleccionar los parámetros del controlador que cumplan con las especificaciones de desempeño se conoce como sintonización del controlador, proceso que se realiza a continuación: Según los valores máximos entregados por el actuador en la planta se ha observado que esta llega a los 100°C después de 744 segundos de encendida, con este tiempo de levantamiento se diseñará el compensador para que aproveche al máximo la capacidad del actuador. De la función de transferencia que se obtuvo anteriormente (ecuación 3.57) se construyó el lugar geométrico de raíces del sistema 14 Véase Figura 36 gráfica izquierda, junto a este se grafica la respuesta al escalón unitario de la función de transferencia de lazo cerrado (línea punteada) y el comportamiento en lazo cerrado del sistema junto con la acción de control, siendo estas las curvas de pendiente positiva y negativa respectivamente que llegan a su estabilidad en 0.5 como se muestra: Figura 36. Lugar geométrico de raíces y respuesta escalón
Fuente: Autores 14
OGATA, Katsuhiko. Ingenieria de control moderna. Nucalpan de Juárez Estado de México: Pearson, 1998. p. 317 – 427, 671 – 673, 669.
54
Según el tipo de sistema (planta de temperatura) se elige un controlador PI, para implementar el control de este existen distintos métodos para calcular las constantes proporcional e integral que componen este controlador, para determinar qué método utilizar se obtiene una relación entre las constantes de tiempo del sistema Figura 37 que fueron halladas durante la extracción del modelo matemático del sistema por medio de gráficas del comportamiento en lazo abierto (ecuación 5.61 y 5.62), a continuación se presenta el método de Ziegler-Nichols como un método grafico alternativo al utilizado (método de la curva de reacción) para la obtención de las constantes de tiempo del sistema Figura 37: Figura 37. Método de Ziegler-Nichols para hallar las constantes de tiempo del sistema.
Fuente: Ogata, 1998. Para obtener esta relación se divide la variable de tiempo muerto , o ecuación 5.62) entre la variable de tiempo del sistema , o ecuación 5.61), el cálculo de esta relación se presenta a continuación:
(5.65)
Según este valor se busca un método adecuado para el cálculo de las variables y , ya que los métodos más conocidos y utilizados (Ziegler-Nichols) están diseñados para sintonizar controladores que cumplan con la condición , el método utilizado que cumple con las condiciones del sistema es el método 1 de Somani de 199215, el cual establece las siguientes ecuaciones para sintonizar el controlador PI:
Tabla 9. Ecuaciones para calcular las constantes del controlador.
Tipo de controlador PI
KP
Fuente: O’DWYER, 2009
15
Ti
O’DWYER, Aidan. Handbook of pi and pid controller tuning rules. Londres: Imperial College
Press, 2009. 62 p.
55
Donde y son variables que dependen de , para este caso son 36.599 y 3.57 respectivamente, y la amplitud de nuestra planta 102°C. Habiendo identificado las variables se procede a calcular de las ecuaciones anteriores los valores de Kp y Ti para el controlador, estos se calculan de la siguiente manera:
(5.66) (5.67)
Una vez hallados los valores para el controlador se procede a aplicarlos en el sistema de lazo cerrado y graficar el comportamiento del sistema con los valores calculados a través de una simulación en el programa Simulink, el diagrama de bloques para el sistema se presenta en la figura a continuación Figura 38 y Figura 39: Figura 38. Diagrama de bloques del sistema completo
Fuente: Autores Figura 39. Respuesta de la planta con el controlador calculado
Fuente: Autores Las restricciones que se desean para el diseño son: un tiempo de estabilización menor a 4000 seg, un tiempo de subida para el 100% de la temperatura (Set Point) menor a 1000 seg, y un sobrepaso máximo del 20%, debido a que el método utilizado cumple
56
en su totalidad con estas restricciones se da por terminada la etapa de diseño para el controlador. En cuanto a los valores entregados por el sensor de humedad relativa para el control del proceso no se obtuvieron datos relevantes que informaran del estado del proceso o ayudaran a mejorarlo Véase Numeral 5.7. Pruebas, por lo tanto se descartó este dentro del proceso y se estableció que la máquina va a trabajar por batches a una temperatura constante de 100°C, del tiempo de funcionamiento por batch se encargará un temporizador implementado en el microcontrolador que enciende las bombas de refrigeración a los 1800 segundos de funcionamiento y apaga la máquina a los 8000 segundos ya que ese es el tiempo que toma la extracción de aceite para cada batch Véase Numera 5.7. Pruebas, en los anexos se presenta la interfaz de funcionamiento Véase Anexo E y el diagrama de flujo del programa realizado para la implementación del control de la máquina Véase Anexo F 5.4.
CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Como materia prima utilizada para extraer el aceite esencial del material vegetal en el proceso de arrastre de vapor se utiliza agua , a continuación se presenta una tabla de propiedades físicas de esta a una temperatura de 100°C 16 (Tabla 10) siendo esta última la temperatura a la que se va a extraer el aceite:
Tabla 10. Propiedades Físicas del agua a 100°C. Propiedad Valor Unidades Peso específico 9399 N/m^3 Densidad 958,4 kg/m^3 Viscosidad 0,284 N*s/m^2 Viscosidad cinemática 0,296 m^2/s Tensión superficial 5,94 N/m Cabeza de presión de vapor absoluta 10,33 m Modulo de elasticidad volumétrico 207 N/m^2 Conductividad térmica 0,679 W/m*k Fuente: STREETER, 2000. Al poseer las propiedades físicas de la substancia se procede a caracterizar el vapor generado dentro del proceso según el diagrama de temperatura-volumen para el agua17 Figura 40 y la información del proceso. Se sabe que el arrastre de vapor se va a realizar a 100°C y a presión atmosférica, por definición se conoce que cuando el vapor se encuentra en contacto con el fluido del cual es producido y todo este proceso se realiza a presión atmosférica se le llama vapor saturado. Figura 40. Diagrama de temperatura-volumen para el agua.
16 17
STREETER, Victor. Mecanica de Fluidos. Mexico: McGaw-Hill, 2000. 712 p. VAN WYLEN, Gordon. Fundamentos de termodinámica. Mexico D.F.: Limusa Noriega Editores S.A., 2002. p. 63, 755.
57
Fuente: VAN WYLEN, 2002. Una vez identificado el tipo de vapor en el proceso se procede a buscar las propiedades termodinámicas de este para finalizar el proceso de caracterización del vapor producido durante la extracción de aceite, estas se presentan a continuación (Tabla 11): Tabla 11. Propiedades termodinámicas del vapor de agua a 100°C. Propiedad
Valor
Volumen específico 1,6729 Energía interna 2506,5 Entalpia 2676 Entropía 7,3548 Temperatura critica 374,14 Presión critica 22.09 Volumen critico 0,003 155 Fuente: VAN WYLEN, 2002.
Unidades m^3/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg k °C Mpa m^3/kg
Para el diseño del sistema de refrigeración se tuvo en cuenta que el proceso se realiza a presión atmosférica y que se va a trabajar con vapor saturado, este se condensa con facilidad por lo tanto se implementa un intercambiador de calor para entregar la materia prima en un rango aceptable de temperatura y que esta sea apta para su manipulación, el agua ingresando al intercambiador de calor se encuentra a 100°C y se desea entregarla en un rango de 20°C a 65°C, el flujo másico del generador de vapor es de , datos con los que se calcula el calor total que fluye del 18 sistema .
18
KAKAK, Sadik. Boilers, evaporators & condensers. Miami: John Wiley & Sons, Inc, 1991. p. 9 29.
58
()
Donde es el calor específico del agua, la temperatura final del fluido caliente.
(5.68)
la temperatura inicial del fluido caliente y
(5.69)
Con el calor hallado se calcula la temperatura final del líquido refrigerante que en este caso también es agua, para así determinar si el flujo másico de las bombas seleccionadas es el adecuado:
()
(5.70)
(5.71)
De acuerdo a los resultados se concluye que con este flujo másico en las bombas, los 65°C se alcanzan después de 4 Horas de extracción continua, ya que cada batch tiene un tiempo de extracción de 1.7 horas se procede a diseñar el intercambiador con estas características, se selecciona un intercambiado de flujo paralelo, a continuación se presenta un esquema del funcionamiento de este: Figura 41. Intercambiador de calor de flujo paralelo
Fuente: Autores El intercambiador se va a construir en tubería de cobre de longitud que este debe tener se utilizó la siguiente ecuación:
, para hallar la
(5.72)
Donde es el área total del intercambiador, es el coeficiente de transferencia de calor promedio y es un coeficiente que depende del tipo de intercambiador y de las temperaturas de entrada y salida, para intercambiadores de flujo paralelo se puede expresar de la siguiente forma:
59
(5.73)
Donde es la diferencia entre los valores iniciales de temperatura del refrigerante y el fluido a refrigerar y la diferencia entre los valores finales de estos mismos.
(5.74)
Los variables y se pueden expresar de la siguiente manera, ya que estos dependen de la resistencia a la circulación del calor en el intercambiador :
(5.75)
Donde es el radio externo de la tubería de cobre, el radio interno de este mismo, el coeficiente de conductividad térmica del material, y son la circunferencia interna y externa de la tubería de cobre, y son los coeficientes de transferencia de calor para el flujo externo e interno respectivamente y L la longitud del intercambiador, despejando se obtiene la siguiente expresión:
(5.76)
El serpentín fue construido de acuerdo a la longitud calculada anteriormente y al tamaño del recipiente que lo va a contener, cuyo diseño fue validado anteriormente, para así maximizar el área de contacto con el refrigerante, a continuación se presenta una imagen del serpentín terminado y en f uncionamiento: Figura 42. Serpentín de esencias y sistema de refrigeración
60
Fuente: Autores De acuerdo a los resultados obtenidos anteriormente se concluye que se logra refrigerar de manera adecuada el vapor producido por el generador, logrando que el proceso de condensación se dé transformando este vapor impregnado con aceite esencial en agua-aceite y refrigerándolo dentro del rango deseado para su posterior separación. 5.5.
DISEÑO DEL PROCESO DE DECANTADO
El proceso de decantado se utiliza para la separación del agua empleada en el generador de vapor y el aceite extraído de la materia prima, existen muchos diseños en el mercado para realizar este proceso, y teniendo en cuenta sus principios básicos de funcionamiento, se realizó el diseño mostrado a continuación a base de botellas plásticas recicladas, buscando así que sea fácil de implementar y de bajo costo. Figura 43. Esquema del sistema de separacion de aceite
Fuente: Autores
61
Aquí se presenta el esquemático del diseño implementado para separar el aceite Figura 43, el funcionamiento de este se basa en que al ser el aceite más liviano que el agua va a permanecer en la superficie del primer recipiente, mientras que el exceso de agua va a subir el nivel en el segundo, el separador se mantiene equilibrado expulsando agua a través de un rebosadero en el recipiente externo, para ver este prototipo en funcionamiento remitirse a la sección de pruebas. 5.6.
DISEÑO DEL TABLERO DE CONTROL WEB
Para el diseño de la comunicación entre la página web y el microcontrolador se utilizó la tecnología de comunicación asíncrona por Java Ajax, por sus siglas en inglés (Asynchronous JavaScript And XML), este tipo de tecnología provee una comunicación web en segundo plano, lo que permite actualizar el contenido de la página sin interferir con la visualización ni el comportamiento de esta como sucede al recargarla, esto hace posible páginas web más rápidas y eficientes. Al realizar la programación, la configuración de la comunicación Ajax se realiza mediante lenguaje JavaScript dentro de la misma página web, mientras que la solicitud de datos se hace mediante una petición XMLHttp (Extensible Markup Language / Hypertext Transfer Protocol). Esta es una interfaz que se encarga de realizar peticiones HTTP a servidores web para la transferencia de datos. En cuanto al diseño gráfico de la página web se buscó que fuese liviana para su rápida visualización, ya que al estar siendo cargada desde el microcontrolador esta puede afectar el desempeño del proceso, además de intuitivo y fácil de manejar, lo que genera un entorno amigable y cómodo, guardando un aspecto simple con el fin de no distraer al usuario y mantenerlo con los ojos en el proceso, como resultado se obtuvo la página web presentada a continuación: Figura 44. Tablero de control por página web
Fuente: Autores 62
Si se desea profundizar en la estructura de diseño para la página web, el diagrama de flujo del comportamiento de esta, con base en el código HTML, se puede ver en el Anexo G 5.7.
PRUEBAS
Al haber terminado la etapa de diseño para la máquina se procede con las pruebas de extracción de aceite, que se realizan con 1 batch, que consiste en 5 litros de Agua y 2.5 Kg de materia prima que en este caso es hoja de pino, a continuación se presentan la gráfica de comportamiento del sistema Figura 45: Figura 45. Gráfica sistema extracción
Comportamiento del sistema con carga
100
100
90
90
80
20
80 ) % 70 ( a v 60 i t a l 50 e r d 40 a d 30 m u 20 H
10
10
C ° 70 a r 60 u t a r 50 e p40 m e30 T
0 0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 0000
Temperatura del Generador
Temperatura olla serpentin
Temperatura olla 2
Porcentaje humedad HS 1101
Tiempo (Seg)
Fuente: Autores En esta gráfica se puede observar que la información entregada por el sensor de humedad relativa Humirel HS 1101 no indica más que el comienzo de la producción de vapor, ya que en el momento en que el vapor llega a la parte superior del generador el porcentaje de humedad relativa va desde 0 hasta el 100%, este no fue utilizado en el proceso de control ya que según la información obtenida este representa un costo adicional innecesario dentro del prototipo. También se observa que al estar cargada la olla con agua la temperatura de esta se estabiliza automáticamente a 94 °C sin importar en que temperatura se encuentre la acción de control, ya que al empezar a salir el vapor de la olla se pierde el calor adicional inyectado en esta, debido a ello el controlador PID nunca llega al set point y todo el tiempo la estufa inyecta el máximo calor de esta a la olla, que según las pruebas anteriores se determinó es de 175 °C. Adicionalmente a esta prueba se realizó otra al doble de temperatura (350 °C), pero su comportamiento dentro de la olla fue el mismo, la temperatura no subió más que un par de grados, la diferencia se notó en que a esta temperatura la presión dentro de la olla se elevó en comparación a las pruebas anteriores en las que no fue mayor a la presión atmosférica y en esta última fue de 3.5 PSI.
63
Al finalizar el proceso de extracción en el separador de aceite se retira el primer recipiente de agua y se deja salir el exceso, quedando así el aceite separado que se encuentra apto para su uso, a continuación se presenta una imagen del prototipo en funcionamiento Figura 46: Figura 46. Imagen separador de aceite durante el proceso de extracción
Fuente: Autores Al finalizar el proceso de extracción del batch en el primer recipiente del separador se puede observar la capa de aceite extraído a continuación Figura 47: Figura 47. Imagen separador de aceite al finalizar el proceso de extracción
Fuente: Autores Se presenta una imagen de la cantidad de aceite extraído por batch de materia prima en la Figura 47, este aceite contiene un porcentaje de agua debido a que el proceso de extracción por arrastre de vapor así lo contempla, por lo tanto es caracterizado como agua-aceite Figura 48, debido a que la máquina fue diseñada para extraer de la mayoría de los materiales vegetales el realizar un análisis de propiedades específicas 64
resulta ser una tarea demasiado extensa y costosa, por lo que se caracteriza de una manera general el producto extraído, y esta labor queda para una investigación química de la calidad del aceite extraído. Figura 48. Cantidad de aceite extraido por batch
Fuente: Autores A continuación en las Figuras 49 y 50 se presenta la materia prima (Pino) antes y después de la extracción; se determinó un tiempo de extracción por batch de 2 horas 22 minutos, tiempo en que el material ya perdió la mayor cantidad de aceite, y la cantidad de agua suministrada por batch esta por acabarse, se detiene el proceso antes de que esta se acabe para evitar que en la olla se quemen restos de materia prima y contaminen las siguientes extracciónes. Figura 49. Materia prima previa a la extracción
Fuente: Autores
65
Figura 50. Materia prima después de la extracción
Fuente: Autores Al analizar las propiedades del aceite obtenido de este proceso se obtuvo la siguiente información: Tabla 12. Propiedades físicas del aceite extraído Propiedades físicas Características del aceite Color Verde oscuro Olor Característico materia prima
Densidad
Rendimiento PH Estado a presión atmosférica Inflamable Volátil Sublima Fuente: Autores
5 Liquido No Si No
La información presentada anteriormente se obtuvo al someter el producto terminado a pruebas de laboratorio, con las que se logró caracterizar exitosamente el aceite esencial extraído por el prototipo.
66
6.
PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
De las pruebas experimentales realizadas a la máquina se obtuvieron los siguientes resultados presentados en orden cronológico de descubrimiento:
La temperatura dentro de la olla se va a estabilizar automáticamente por medio de la producción de vapor y posterior evacuación de este a través de la manguera con el serpentín de refrigeración como destino. Existen diversos factores que influyen en el proceso de extracción de aceites esenciales, pero el más relevante es la temperatura a la que se está calentando la olla, de esta depende el volumen de vapor producido y la velocidad de evaporación del agua, y al aumentar estas dos últimas el proceso se acelera. El vapor producido al no encontrarse bajo presión y estar en contacto con la atmosfera se caracterizó como vapor húmedo saturado. No es posible realizar un control de nivel de esencia y temperatura de producción a partir del dato de humedad relativa del vapor. El aumento en la temperatura genera un aumento en la presión dentro del generador de vapor, así que la presión máxima soportada por la olla es una limitante respecto a qué tanto se puede aumentar la temperatura. En cuanto a la refrigeración del vapor en el serpentín, se observa que con mantener la temperatura a menos del punto de ebullición (93 °C) se realiza una condensación adecuada de este. La extracción disminuye cuando se aprisiona la materia prima para aumentar la cantidad de esta en la olla. El aceite extraído después de la etapa de decantado contiene un porcentaje de agua debido al método de extracción utilizado, por lo tanto se caracteriza el producto terminado como agua-aceite.
En cuanto a estos resultados se determina las condiciones de operación adecuadas para la máquina, que se presentan a continuación:
La cantidad de agua utilizada para la extracción en el batch es de 5 litros, se halló que esta es la adecuada para realizar la extracción y que quede un buffer para prevenir daños en la olla. La cantidad de materia prima utilizada para la extracción en el batch es de 2.5 Kg, para no causar aplastamiento o saturación de materia prima, y así obtener una buena extracción. La temperatura de la olla para la extracción es de 170°C, con esta se logra una velocidad de extracción adecuada para la cantidad de materia prima indicada. El tiempo de funcionamiento total de la máquina por batch es de 2 Horas 30 Minutos, donde los primeros 36 minutos son de calentamiento y la siguiente Hora y 54 Minutos de extracción. 67
Por último, en las imágenes a continuación se presentan fotos de los acabados finales de la máquina Véase Figura 51 y Figura 52 Figura 51. Foto 1 de la Máquina
Fuente: Autores Figura 52. Foto 2 de la Máquina
Fuente: Autores
68
7. CONCLUSIONES
A partir del diseño de un proceso para la obtención de aceites esenciales se obtuvo un prototipo que permite la extracción de manera autónoma que puede ser monitoreado y manipulado de manera presencial o remota según las necesidades del usuario. Debido a que el vapor se genera a presión atmosférica y está en contacto con el líquido del que se produce este, es caracterizado como vapor húmedo. Como el generador de vapor tiene una salida que se dirige al serpentín de refrigeración, la temperatura dentro de este se regula automáticamente en 100 °C sacando el vapor fuera de la olla, por lo que no es necesario controlarla. Entre más calor se le introduzca a la olla se tendrá un mayor volumen de vapor, lo que genera una extracción más rápida.
Al mantener una temperatura constante para la producción de vapor y su condensación se logra un mayor volumen de producción de agua –aceite.
En cuanto al transporte del vapor, la tubería metálica ayuda el proceso de refrigeración al estar en contacto con el aire, y al ser flexible facilita la tarea de introducir y sacar la materia prima en la olla. Que la temperatura de refrigeración se encuentre por encima de la temperatura ambiente no influye significativamente en la condensación del vapor. Una forma eficiente de disminuir la temperatura a la que se entrega la materia prima es cambiando el agua por un mejor refrigerante en el intercambiador de calor. Al utilizar un sistema de recirculación de agua refrigerada por medio del aire para condensar el vapor se logra un proceso más ecológico y económico, lo que disminuye los costos de producción de agua –aceite. La implementación de un intercambiador de calor se presta para ser integrada al serpentín de esencias en una sola etapa que refrigere y condense el vapor. El tener un tablero de control con la información del proceso permite identificar problemas y aplicar acciones correctivas sobre la marcha, que permitan mantener un proceso de extracción constante.
69
El poder monitorear y manipular el proceso a través de una página web permite la manipulación de manera remota, lo que ayuda a que la producción sea más rápida, eficiente y segura. La humedad relativa dentro de un generador de vapor es una variable que no aporta información que se pueda utilizar para controlar de una mejor manera la temperatura dentro de este. Al utilizar una estufa de gas natural en comparación a una eléctrica como fuente de calor se minimizan los costos de producción de agua – aceite.
70
8. RECOMENDACIONES
Respecto al generador de vapor, no es necesario monitorear o realizar un control de la temperatura, al ser un sistema abierto el exceso de calor sale en forma de vapor. Se deben realizar pruebas al aceite para determinar las características de este y saber para qué usos es apto. Si se desea acelerar el proceso de extracción se puede aumentar la temperatura en el generador, teniendo cuidado de no sobrepasar el 70% de la presión máxima soportada por la olla según los cálculos. El Firmware (programa del microcontrolador) de la máquina está en la versión 6.0, se recomienda respetar el diseño original en caso de realizar alguna modificación, ya que estos cambios pueden resultar en el mal funcionamiento de la máquina y situaciones de riesgo para los usuarios. La máquina no necesita mantenimiento de los componentes electrónicos utilizados para su funcionamiento, ya que la vida útil de todas sus partes es bastante prolongada, sin embargo se recomienda un chequeo anual para garantizar el adecuado funcionamiento de esta. En cuanto al mantenimiento del generador de vapor, la manguera de teflón y el serpentín, se recomienda limpiar con abundante agua removiendo todos los restos de material vegetal y aceite al terminar el proceso de extracción, o al cambiar de material vegetal a extraer. Se deja abierta la posibilidad de aumentar la velocidad de producción por batch al aumentar la temperatura utilizando los dos quemadores de la estufa y aprovechar al máximo los 77000 btu/h, pero para esto se deberá buscar una mejor opción de refrigeración, ya sea cambiando el agua por refrigerante o construyendo una torre de enfriamiento con la olla de intercambio de agua. Ambas fueron las opciones que se contemplaron para hacer esto.
71
BIBLIOGRAFÍA BEER, Ferdinand Pierre, et al. Mecánica de materiales. México D.F.: McGraw-Hill, 2007. p. 307 - 315. II SEGUNDO CONGRESO INTERNACIONAL DE PLANTAS MEDICINALES Y AROMÁTICAS. (2: 19-21, octubre, 2006: Palmira, Valle). Memorias. Palmira: Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira, 2006. p. 1 - 8. CHÁVEZ CERPA, Manuel Guillermo. Hidrodestilacion de aceites esenciales. Trabajo de grado Doctorado en Ingenieria Quimica. Valladolid: Universidad de Valladolid. Departamento de Ingenieria Quimica y Tecnologia del Medio Ambiente, 2007. p. 1-4, 1-6. HART, Daniel. Electrónica de potencia. Madrid: PrenticeHall, 2001. p. 128 - 131. HUMBOLDT, Alexander von. Estudio del mercado colombiano de aceites esenciales. Bogota D.C.: Instituto de Investigación Alexander von Humboldt, 2003. p. 26 - 31. IRIBARREN LACO, Luis, et al. Diseño de equipos e instalaciones. Barcelona: CPET (Centre de Publicacions del Campus Nord), 2002. 65 p. KAKAK, Sadik. Boilers, evaporators & condensers. Miami: John Wiley & Sons, Inc, 1991. p. 9 - 29. KUO, Benjamin. Sistemas de control atomático. Naucalpan de Juárez, Estado de México: PrenticeHall, 1996. p. 189 - 191. MALVINO, Albert Paul y LEACH. Principios y aplicaciones digitales. Baecelona: McGraw-Hill, 1993. p. 304 - 305. MEGYESY, Eugene. Manual de recipientes a presion diseño y calculo. Mexico D.F.: Editorial Limusa, 1992. p. 18, 142, 159. OGATA, Katsuhiko. Ingenieria de control moderna. Nucalpan de Juárez Estado de México: Pearson, 1998. p. 317 – 427, 671 - 673. O’DWYER, Aidan. Handbook of pi and
College Press, 2009. p.62.
pid controller tuning rules. Londres: Imperial
72
ROMO, Andrea. Indígenas en el Putumayo se le miden a extraer aceites esenciales. Mi Putumayo portal informativo y comercial [online], Septiembre 2010. Disponible en Internet: . SHIGLEY, Joseph y MISCHKE, Charles. Diseño en ingeniería mecánica. México D.F.: McGraw-Hill, 2007. p. 94 -149. SMITH, Carlos, Ph.D., et al. Principles and practice of automatic process control. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1997. p. 309 - 314. STREETER, Victor. Mecanica de Fluidos. Mexico: McGaw-Hill, 2000. 712 p. VAN WYLEN, Gordon. Fundamentos de termodinámica. Mexico D.F.: Limusa Noriega Editores S.A., 2002. 755 p.
73
ANEXO A ESQUEMÁTICO DEL DISEÑO PROPUESTO PARA EL PROTOTIPO
74
ANEXO B PLANO DE LA ESTRUCTURA TERMINADA
75
+8
1
/
-
,
8 <
8 .
;"
".;
/
<"
0
<
-
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2 # 2 "!. 3 "#*4 #' &-04 5 # 5 # *
9
8
9
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-
1
,
0
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# &
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$ %= >" , " "
ANEXO C PLANO DEL GENERADOR DE VAPOR
77
56,
9 "
+
+
+ " "
8 5 7 +
",
+
% ( !!" !!" # $ % &' &' "!!" # $ # ) #* #* 4)
&
- .# &
/0 // "
$ %2 3 1 1 " "
ANEXO D PLANO TAPA DEL GENERADOR DE VAPOR
79
, 7 8
,7
"
5 4 6 7
""+7
8 8 4
, 7 9
",
+
% ( !!" # $ % &' "!!" # $ # ) #* 5)
&
# - .# &
/0 // "
$ %2 34 1 " "
ANEXO E PLANO DE LA OLLA DE REFRIGERACIÓN
81
,
+ " ,
+ " ,
".
+
% ( !!" # $ % &' "!!" # $ # ) #* 0)
&
/ 0) &
12 11 "
$ %4 5+ 3 " "
ANEXO F MANUAL DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA
Se empieza por la identificación de las partes del tablero de control:
Fuente: Autores
1. 2. 3. 4. 5.
LCD 4x20 con Back light. Teclado Matricial alfa-numérico 4x4. Entrada USB para reprogramar. Puerto Ethernet para comunicación Web. Entrada de energía auxiliar.
A continuación se especifica paso por paso cada parte del software que compone el sistema del tablero de control para un mejor uso, Empezando por la pantalla de inicio:
Fuente: Autores 1. Título y versión del firmware (programa del microcontrolador). 2. Set Point para temperatura de la estufa. 3. Temperatura Olla para intercambio de agua.
83
4. Tiempo restante de funcionamiento. 5. Valor del actuador de la estufa. 6. Temperatura Olla de refrigeración para el serpentín 7. Temperatura actual de la olla En la pantalla de inicio los botones del teclado habilitados son los siguientes:
Fuente: Autores 1. 5. 8. *. #.
Ingresar al menú. Aumentar la acción de control de la estufa (Modo Manual). Disminuir la acción de control de la estufa (Modo Manual). Encender la máquina. Apagar la máquina.
Al oprimir el botón 1 se ingresa al menú, éste se puede ver a continuación:
Fuente: Autores 1. 2. 3. 4.
Titulo ubicación en el programa. Menú para cambiar set point de la temperatura para la estufa. Menú para encender las bombas de refrigeración y la estufa. Menú para cambiar los Tiempos y modificar el comportamiento del PID.
Y los botones habilitados en el teclado son: 1. Ingresar al Sub Menú 1. 2. Ingresar al Sub Menú 2.
84
3. Ingresar al Sub Menú 3. A. Regresar a la pantalla de inicio. Al ingresar al Sub Menú 1 se presenta la pantalla mostrada a continuación:
Fuente: Autores 1. Valor Actual de temperatura para el set point de la estufa. 2. Valor Actual de la Temperatura (esta en 0 si la máquina está apagada). 3. Valor nuevo ingresado como set point. Y los botones habilitados en el teclado son: T.N. Todos los números están habilitados para ingresar nuevo set point. A. Regresar al sub menú anterior. D. Remplazar el valor del set point por el ingresado abajo. Al ingresar al Sub Menú 2 se presenta la pantalla mostrada a continuación:
Fuente: Autores 1. Estado de las bombas de refrigeración. 2. Estado del dispositivo para encendido automático de la estufa. Y los botones habilitados en el teclado son: 1. Bombas Off. 2. Chispa Off. 4. Bombas On.
85
5. Chispa On. A. Regresar al sub menú anterior. Al ingresar al Sub Menú 3 se presenta la pantalla mostrada a continuación:
Fuente: Autores 1. 2. 3. 4.
Tiempo proporcional del PID. Tiempo derivativo del PID. Tiempo integral del PID. Nuevo valor para reemplazar.
Y los botones habilitados en el teclado son: T.N. *. A. B. C. D.
Todos los números están habilitados para ingresar nuevo valor. Colocar punto decimal. Regresar al sub menú anterior. Remplazar el valor del tiempo proporcional por el nuevo valor. Remplazar el valor del tiempo derivativo por el nuevo valor. Remplazar el valor del tiempo integral por el nuevo valor.
Además de este menú ubicado en el tablero de control para la visualización y modificación del proceso, la máquina cuenta con visualización Web, que consiste en el monitoreo del estado del proceso a través de internet, para acceso remoto solo se debe enrutar el ip local de la máquina para poder ser accedido desde cualquier computador en el mundo, para un acceso local solo se debe estar en la misma red de la máquina e introducir en su navegador la siguiente URL: http://192.168.2.10 Esta los llevara a través del servidor web incorporado en el microcontrolador a una página web almacenada dentro de este que visualiza variables, a continuación se muestra la página web de la máquina en funcionamiento, y delante de cada descripción está el valor de la variable en el programa del microcontrolador, este modo de visualización y manipulación se realizó especialmente para que la máquina fuese fácil de manipular y funcional.
86
Fuente: Autores Al ingresar a la página se presentara un tablero de control digital para el monitoreo y control de la máquina, este mostrara la magnitud de temperatura en grados centígrados de las etapas principales de la máquina, excepto el estado de bombas para refrigeración, en este caso solo se verá un 1 o un 0 que representara cuando las bombas están encendidas y apagadas respectivamente. A continuación en el Anexo G se presenta el diagrama de flujo del programa en el microcontrolador para el manejo de la máquina, este se realizó con base en el programa en su lenguaje original (C++), el tablero de control también cuenta con visualización de variables del proceso por USB, este cuenta con un adaptador USB a serial, y con solo abrir el puerto al estar conectado a 115200 baudios se podrá tener información del proceso y el servidor web.
87
ANEXO G DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA Inicio
|Val=0 |Vale=0 |Vale1=0 |Vale2=0 |Vale3=0 |Vale4=0 |Vale111=0 |Vale11=0 |Vale21=0 |Vale31=0 |Vale41=0 |Menu=0 |Submenu=0 |Numar=0 |Numar1=0 1Dec=9
|Teclado0=A0 |Teclado1=A1 |Teclado2=A2 |Teclado3=A3 |Teclado4=A4 |Teclado5=A5 |Teclado6=A6 |Teclado7=A7 |Buttonstate0=0 |Buttonstate1=0 |Buttonstate2=0 |Buttonstate3=0 |Buttonstate4=0 |Sensorpin0=A8 |Sensorpin1=A9 |Sensorpin2=A10
|Sensorvalue0=0 |Pidon=0 |Chispa12=0 |Sensorvalue1=0 |Pidtemp=0 |Sensorvalue0f=0 |Sensorvalue2=0 |Tempfix=0 |Utf=0 |One2=15 |M=630 |Estufa2f=0 |Two2=14 |M1=0 |Valpot2f=0 |Bombas=16 |Q=1.24 |Pidtemp99=0 |Chispa=19 |W=0.6 |Tempfix99=0 |Estufa3=0 |E=7.25 |Tempreset99=0 |Pot1=A14 |Ito=0 |Bombas99=0 |Pot2=A15 |Eto=0 |Client=0 |Valpot1=0 |Et=0 |Lcd=1 |Valpot2=0 |It=0 |Del1=0 |Dt=0 |Del2=0 |Ut=0 |Del3=0 |Bombas1=0 |Del4=0 |Chispa1=0
25
Client=server.availa ble()
Client > 0
No
Si
Código Pagina Web
Client=0
Pidtemp=1
Si
Tempfix = Tempfix + Pidtemp
1
88
No
1
Pidtemp > 8000
Si
Lcd=0 Pidon=0 Estufa2=0 Ito=0 Eto=0 Bombas=0 Bombas1=0 SensorValue0=0 Tempreset99=0 Bombas99=0
Delay=200 Lcd=1
Pidtemp99=milllis/1000-Tempfix99 Pidtemp=millis/1000-Tempfix
Sensorvalue1=Sensorpin1 Sensorvalue2= Sensorpin2
Sensorvalue1=Sensorvalue1*3 Sensorvalue2=Sensorvalue2*3 SensorValue1=0.141*SensorValue1^1.024 SensorValue2=0.141*SensorValue2^1.024
2
89
No
2
Menu=0
41
No
Si
Pidon=99
Si
26
Pidtemp=1
Si
Tempreset99 = 0
No
Si Tempfix99=Tempfix99+PidTemp99 Tempreset99=1 Pidtemp99=millis/1000-Tempfix99
Pidtemp99 > 2000
No
Si
Bombas99 = 0
Si Bombas=1 Bombas1=1 Bombas99=1
Sensorvalue0=Sensorpin0
Sensorvalue0=Sensorvalue0*3 Et=M-Sensorvalue0 It=W*Et+Ito Dt=E*(Et-Eto) Ut=It+Q*Et+Dt Ut=Ut/5 Estufa2=Ut Ito=It Eto=Et
3
90
No
3
Estufa2 > 1023
No
Si
No
Estufa2 < 100
Estufa2=1023 Si Estufa2=100
Sensorvalue0f=0.141*Sensorvalue0^1.024
Estufa2 Sensorvalue0f Sensorvalue1 Sensorvalue2 26
Valpot2 > 29
No
Si
Chispa12 = 0
No
Si Chispa=1 Chispa12=1 Delay=500 Chispa=0
Valpot2 < 10
No
Si
Chispa12=1
No
Si Chispa12=0
Valpot1=Pot1 Valpot2=Pot2
4
91
4
Submenu = 0
27
No
Si Estufa2f=0.141*Estufa2f^1.024 Valpot2f=0.141*Valpot2f^1.024
Tesis V5.0 Sensorvalue0f M1 Sensorvalue1 Sensorvalue2 Estufa2f
Teclado0=1 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate3 = 1
No
Si Pidon=99 Delay=200
Buttonstate0 = 1
Si Submenu=1 Lcd.clear Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=1 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
5
92
No
5
Buttonstate1 = 1
No
Si Estufa2=Estufa2+10 Delay=200
Buttonstate2 = 1
No
Si Estufa2=Estufa2-10 Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=0 Teclado2=1 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate3 = 1
No
Si Pidon=0 Estufa2=0 Ito=0 Eto=0 Lcd.clear Delay=200 Sensorvalue0=0
Del2=6
Del4=|Estufa2/7-Valpot2|
Del4>10
No
Si Del2=30
6
93
6
Estufa2=0
No
Si Del2=50
Estufa2/7 ≥ Valpot2+3
No
Si One2=1 Two2=0 Delay=Del2
Estufa2 < Valpot2-3
No
Si Estufa2 ≠ Valpot2
No
Si Two2=1 One2=0 Dealy=Del2
Two2=0 One2=0 Dealy=100 27
Submenu = 1
Meu 1. Temp. Vapor 2. Temp. Agua 3. Conf. PID
Teclado0=1 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
7
94
No
28
7
Buttonstate0 = 1
No
Si Submenu=7 Lcd.clear Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=1 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Submenu=8 Lcd.clear Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=0 Teclado2=1 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
Si Submenu=9 Lcd.clear Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=1
8
95
No
8
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
No
Buttonstate0 = 1
Si
28
Submenu=0 Lcd.clear Delay=200
Submenu = 7
29
No
“et Poit
M1 Valor:
Sensorvalue0f Nuevo “et Poit
Teclado0=1 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Vale=1 Numar=Numar+1 Delay=200
Buttonstate1 = 1
Si Vale=4 Numar=Numar+1 Delay=200
9
96
No
9
Buttonstate2 = 1
No
Si Vale=7 Numar=Numar+1 Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=1 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Vale=2 Numar=Numar+1 Delay=200
Buttonstate1 = 1
No
Si Vale=5 Numar=Numar+1 Delay=200
Buttonstate2 = 1
No
Si Vale=8 Numar=Numar+1 Delay=200
Buttonstate3 = 1
Si Vale=0 Numar=Numar+1 Delay=200
10
97
No
10
Teclado0=0 Teclado1=0 Teclado2=1 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Vale=3 Numar=Numar+1 Delay=200
Buttonstate1 = 1
No
Si Vale=6 Numar=Numar+1 Delay=200
Buttonstate2 = 1
No
Si Vale=9 Numar=Numar+1 Delay=200
Numar = 1
No
Si Vale1=vale Vale1
Numar = 2
No
Si Vale2=vale1*10+vale
Vale2
11
98
11
Numar = 3
No
Si Vale3=vale2*10+vale Vale3
Numar = 4
No
Si Vale4=vale3*10+vale Vale4
Teclado0=0 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=1
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Submenu=1 Lcd.clear Delay=200
Buttonstate3 = 1
30
No
Si Vale=4 Numar=Numar+1 Delay=200
Vale4 > 1023
No
Si Vale4=1023
12
99
12
Numar = 1
No
Si M1=Vale1
Numar = 2
No
Si M1=Vale2
Numar = 3
No
Si M1=Vale3
Numar = 4
No
Si M1=Vale4
Numar=0 M=(M1^0.9765625)/(0.141) Delay=200 30
29
Submenu = 8
Si Chispa:
Chispa1 Bobas :
Bombas1
Teclado0=1 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
13
100
No
31
13
Buttonstate0 = 1
No
Si Bombas=0 Bombas1=0 Delay=200
Buttonstate1 = 1
No
Si Bombas=1 Bombas1=1 Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=1 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Chispa=0 Chispa1=0 Delay=200
Buttonstate1 = 1
Si Chispa=1 Chispa1=1 Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=1
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
14
101
No
14
Buttonstate0 = 1
No
Si Submenu=1 Lcd.clear Delay=200 31
Submenu = 9
32
No
Si T. Prop:
Q T.Deri:
W T. Ite
E
Teclado0=1 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Vale111=1 Numar1=Numar1+1 Delay=200
Buttonstate1 = 1
Si Vale111=4 Numar1=Numar1+1 Delay=200
15
102
No
15
Buttonstate2 = 1
No
Si Vale111=7 Numar1=Numar1+1 Delay=200
Buttonstate3 = 1
No
Si Dec=Numar1 Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=1 Teclado2=0 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Vale111=2 Numar1=Numar1+1 Delay=200
Buttonstate1 = 1
No
Si Vale111=5 Numar1=Numar1+1 Delay=200
Buttonstate2 = 1
Si Vale111=8 Numar1=Numar1+1 Delay=200
16
103
No
16
Buttonstate3 = 1
No
Si Vale111=0 Numar1=Numar1+1 Delay=200
Teclado0=0 Teclado1=0 Teclado2=1 Teclado3=0
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
No
Si Vale111=3 Numar1=Numar1+1 Delay=200
Buttonstate1 = 1
No
Si Vale111=6 Numar1=Numar1+1 Delay=200
Buttonstate2 = 1
No
Si Vale111=9 Numar1=Numar1+1 Delay=200
Numar1 = 1
Si Vale11=Vale111
Vale11
17
104
No
17
Numar1 = 2
No
Si Vale21=Vale11*10+Vale111
Vale21
Numar1 = 3
No
Si Vale31=Vale21*10+Vale111
Vale31
Numar1 = 4
No
Si Vale41=Vale31*10+Vale111
Vale41
Teclado0=0 Teclado1=0 Teclado2=0 Teclado3=1
Buttonstate0=teclado4 Buttonstate1=teclado5 Buttonstate2=teclado6 Buttonstate3=teclado7
Buttonstate0 = 1
Si Submenu=1 Lcd.clear Delay=200
18
105
No
18
Buttonstate1 = 1
33
No
Si
Numar1 = 1
No
Si
Dec = 0
No
Si Vale11=Vale11/10
Dec=9 Q=Vale11
No
Numar1 = 2
Si
Dec = 0
No
Si Vale21=Vale21/100
Dec = 1
No
Si Vale21=Vale21/10
Dec=9 Q=Vale21
19
106
19
No
Numar1 = 3
Si
Dec = 0
No
Si Vale31=Vale31/1000
Dec = 1
No
Si Vale31=Vale31/100
Dec = 2
No
Si Vale31=Vale31/10
Dec=9 Q=Vale31
Numar1 = 4
34
No
Si
Dec = 0
No
Si Vale41=Vale41/10000
Dec = 1
No
Si Vale41=Vale41/1000
20
107
20
Dec = 2
No
Si Vale41=Vale41/100
Dec = 3
No
Si Vale41=Vale41/10
Dec=9 Q=Vale31 Numar1=0 Delay=200 34
33
Buttonstate2 = 1
35
No
Si
Numar1 = 1
No
Si
Dec = 0
No
Si Vale11=Vale11/10
Dec=9 W=Vale11
Numar1 = 2
36
No
Si
Dec = 0
Si Vale21=Vale21/100
21
108
No
21
Dec = 1
No
Si Vale21=Vale21/10 36 Dec=9 W=Vale21
No
Numar1 = 3
Si
Dec = 0
No
Si Vale31=Vale31/1000
Dec = 1
No
Si Vale31=Vale31/100
Dec = 2
No
Si Vale31=Vale31/10
Dec=9 W=Vale31
Numar1 = 4
37
No
Si
Dec = 0
Si Vale41=Vale41/10000
22
109
No
22
Dec = 1
No
Si Vale41=Vale41/1000
Dec = 2
No
Si Vale41=Vale41/100
Dec = 3
No
Si Vale41=Vale41/10
Dec=9 W=Vale31 Numar1=0 Delay=200 37
35
Buttonstate3 = 1
38
No
Si
Numar1 = 1
No
Si
Dec = 0
No
Si Vale11=Vale11/10
Dec=9 E=Vale11
Numar1 = 2
Si 23
110
No
39
23
Dec = 0
No
Si Vale21=Vale21/100
Dec = 1
No
Si Vale21=Vale21/10
Dec=9 E=Vale21 39
No
Numar1 = 3
Si
Dec = 0
No
Si Vale31=Vale31/1000
Dec = 1
No
Si Vale31=Vale31/100
Dec = 2
No
Si Vale31=Vale31/10
Dec=9 E=Vale31
Numar1 = 4
No
Si 24
111
40
24
Dec = 0
No
Si Vale41=Vale41/10000
Dec = 1
No
Si Vale41=Vale41/1000
Dec = 2
No
Si Vale41=Vale41/100
Dec = 3
No
Si Vale41=Vale41/10
41
Dec=9 E=Vale31 Numar1=0 Delay=200
32
40
38
25
112
