El modo de control todo o nada para sistemas de vapor es una de las maneras en las cuales se puede relacionar el movimiento de la válvula con el cambio de temperatura en el medio controlado.
Pero, antes de entrar en materia, ¿Qué es el modo de control? Para explicarlo con un ejemplo, supongamos que estamos ante un control automático de temperatura consistente en una válvula, actuador y un sensor detectando la temperatura de una habitación. Se dice que el sistema de control está “en equilibrio” cuando el sensor de temperatura no registra más o menos temperatura que la requerida por el sistema de control. Lo que le sucede a la válvula de control del sistema de vapor cuando el sensor registra un cambio en la temperatura (una desviación de la temperatura) depende del tipo de sistema de control utilizado y, se denomina, modo de control.
Básicamente, existen dos modos de control:
- Modo de control todo o nada para sistemas de vapor: La válvula está totalmente abierta o totalmente cerrada sin posición intermedia.
- Modo de control en continuo para sistemas de vapor: La válvula puede moverse continuamente entre totalmente abierta o totalmente cerrada o mantenerse en cualquier posición intermedia.
En ambas existen derivaciones, pero vamos a comenzar a examinar el modo de control todo o nada para sistemas de vapor, que es, algunas veces, conocido como control de dos pasos o dos posiciones, que es el control más básico.
Consideremos el tanque de agua mostrado en la primera figura. El objetivo es calentar el contenido del tanque utilizando un intercambiador de serpentín simple alimentado con agua a alta temperatura. En la tubería de entrada al serpentín, se monta una válvula de dos vías y su actuador se conecta a un termostato situado en el agua del tanque.
El termostato está ajustado a 60oC, que es la temperatura a la que deseamos mantener el agua del tanque. La lógica nos dice que, si el punto de conmutación está a 60oC, la válvula nunca funcionará adecuadamente. Ciertamente, la regulación indicará que la válvula abra hasta detectar que el agua del tanque llega a 60oC. A partir de este momento abrirá y cerrará muy rápidamente, produciendo un desgaste excesivo.
Por esta razón, convendría que el termostato tuviese un punto de conmutación superior y un punto de conmutación inferior. Esto es esencial para prevenir oscilaciones o ciclos demasiado rápidos. Supongamos que el punto de conmutación superior está a 61oC (el punto al que el termostato decide que la válvula debe cerrar) y el inferior a 59oC (el punto donde la válvula debe abrir). Hay una diferencia de conmutación en el termostato de ± 1oC en torno a los 60oC del punto de consigna.
Esos 2oC (± 1oC) son conocidos como el diferencial de conmutación. (El diferencial variará de un tipo a otro de termostato). El diagrama de la acción de conmutación del termostato será del tipo reflejado en la siguiente gráfica:
El gráfico muestra que la temperatura del contenido del tanque baja a 59oC antes de que la válvula sea requerida a abrir, y asciende a 61oC antes de que se ordene cerrar a la válvula. Así, muestra unas líneas de conmutación rectas, pero el efecto de la transferencia de calor del serpentín al agua del tanque no será inmediato. Pasará un cierto tiempo hasta que el medio caliente en el serpentín afecte la temperatura del agua del tanque. No únicamente esto, sino que por inercia la temperatura del agua del tanque se elevará por encima del límite superior de 61oC y bajará por debajo del límite inferior de 59oC.
Podemos utilizar las dos últimas figuras para explicar el modo de control todo o nada para sistemas de vapor, pero primero hay que describir lo que está pasando. En el punto A de la última figura mostrada, la señal del termostato abre la válvula completamente. Debe pasar un tiempo para que la transferencia de calor desde el serpentín afecte la temperatura del agua como muestra la pendiente de elevación de la temperatura. En el punto B (61oC), el termostato ordena cerrar la válvula, pero el serpentín está lleno de vapor que continuará condensado y cediendo calor. Por tanto, la temperatura del agua del tanque continúa elevándose un poco alcanzando su punto de sobrecalentamiento en C antes de descender eventualmente.
Desde este punto, la temperatura del agua en el tanque empieza a bajar hasta que en el punto D (59oC) el termostato ordena abrir la válvula. El medio calefactor es admitido en el serpentín, pero, de nuevo, necesita tiempo para tener un efecto positivo y la temperatura del agua continúa descendiendo durante un cierto tiempo, alcanzando un punto bajo en el punto E.
La diferencia entre picos es conocido como diferencial de operación. El diferencial de conmutación del termostato depende del tipo de termostato utilizado. El diferencial de operación depende de las características de la aplicación, por ejemplo, el tanque, su contenido, las características de transferencia de calor del serpentín, etc.
Con el modo de control todo o nada para sistemas de vapor hay límites
Esencialmente, con el modo de control todo o nada para sistemas de vapor, hay simplemente límites superior e inferior de conmutación y la válvula está totalmente abierta o totalmente cerrada, es decir, no hay estados intermedios. Sin embargo, existen controladores disponibles que proporcionan un control de tiempo dosificado, en el que es posible modificar la relación del tiempo “on” al tiempo “off” para controlar la condición controlada. Esta acción de dosificación se produce dentro de un ancho de banda seleccionado alrededor del punto de consigna, siendo el punto de consigna el punto medio del ancho de banda.
Si la condición es controlada fuera del ancho de banda, la señal de salida del controlador está o totalmente “on” o en totalmente “off”, portándose como un dispositivo en modo de control todo o nada para sistemas de vapor. Si la condición controlada está dentro del ancho de banda, la salida del controlador será “on” o “off” con respecto a la desviación entre el valor de la condición controlada y el punto de consigna.
Con la condición controlada estando en el punto de consigna, el ratio de tiempo “on” a tiempo “off” es de 1:1, es decir, el tiempo de “on” es igual al tiempo de “off”. Si la condición controlada está por debajo del punto de ajuste, el tiempo “on” será más largo que el tiempo “off”, mientras que si está por encima del punto de consigna, el tiempo “off” será más largo, en relación con la desviación dentro del ancho de banda.
Las principales ventajas del modo de control todo o nada para sistemas de vapor son que es simple y de coste muy bajo. Por esto se encuentra con frecuencia en aplicaciones de tipo doméstico, como calderas de calefacción central y ventiladores de calefacción. Su principal inconveniente es que el diferencial operativo pueda caer fuera de la tolerancia de control requerido por el proceso.
Por ejemplo, en una línea de producción de alimentos, donde el sabor y la repetibilidad del gusto están determinados por el control preciso de la temperatura, un control todo/nada podría no ser adecuado. Por el contrario, en el caso de calefacción de locales, a menudo hay grandes capacidades de almacenamiento (una gran zona para calentar o enfriar que responda lentamente a los cambios de temperatura) y que sea aceptable una ligera variación en el valor deseado. En muchos casos el modo de control todo o nada para sistemas de vapor sería muy adecuado para este tipo de aplicación.
Si el modo de control todo o nada para sistemas de vapor no es adecuado porque se requiere un control más preciso de la temperatura, la siguiente opción sería el modo de control en continuo para sistemas de vapor.
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Puesta en marcha de válvulas de control en sistemas de vapor
