Relatorio da Unidade de C Temperatura RT644

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INSTITUTO INDUSTRIAL E COMERCIAL DE PEMBA 
CURSO DE PROCESSAMENTO DE GÁS NATURAL 
LABORATÓRIO DE PROCESSAMENTO DE GÁS NATURAL 
TURMA: OPGNN5- 2021 
Gabriel Manuel Antônio Nacuatiana
Codigo: 10010987
UNIDADE DO EXPERIMENTO DE DEMONSTRAÇÃO DE CONTROLE DE TEMPERATURA RT 644
			
PEMBA, MARÇO, 2023
	
Gabriel Manuel Antônio Nacuatiana
Codigo: 10010987
UNIDADE DO EXPERIMENTO DE DEMONSTRAÇÃO DE CONTROLE DE TEMPERATURA RT 644
 Relatório de práticas laboratoriais apresentado ao 
 Departamento do Curso de Processamento de Gás 
 Natural para efeitos de conclusão do módulo.
IICP
PEMBA, MARÇO, 2023
	
Gabriel Manuel Antônio Nacuatiana
Codigo: 10010987
UNIDADE DO EXPERIMENTO DE DEMONSTRAÇÃO
DE CONTROLE DE TEMPERATURA RT 644
Aprovado em_____/______/20____ 
Resultado de Avaliação___________
 
_________________________________
O Supervisor
_________________________________
A Comissão científica do curso 
IICP
PEMBA, MARÇO, 2023
Resumo
Esta unidade experimental fornece uma introdução experimental abrangente aos fundamentos da engenharia de controle usando um exemplo de controle de temperatura. Todos os componentes são claramente dispostos em um painel frontal vertical. O esquema de processo de grande formato fornece uma ajuda para a compreensão. O sistema compreende dois circuitos de água. No circuito secundário, a água doce é aquecida por um trocador de calor. A temperatura é medida por um sensor de temperatura na saída de água doce. A temperatura de saída da água doce é controlada pelo caudal de água quente no circuito primário. O circuito primário compreende um tanque aquecido eletricamente, uma bomba e uma válvula proporcional eletromagnética como atuador.
Ambos os circuitos incluem rotâmetros. O controlador utilizado é um controlador industrial digital de última geração. Uma válvula de esfera no circuito secundário permite a geração de variáveis ​​de perturbação definidas. A variável controlada X e a variável de manipulação Y podem ser tocadas como sinais analógicos nas tomadas do laboratório.
Palavras chave: Temperatura, trocador/ permutador de calor, água quente/ fria.
Abstract
This experimental unit provides a comprehensive experimental introduction to the fundamentals of control engineering using a temperature control example. All components are clearly laid out on a vertical front panel. The large-format process outline provides an aid to understanding. The system comprises two water circuits. In the secondary circuit, fresh water is heated by a heat exchanger. The temperature is measured by a temperature sensor at the freshwater outlet. The fresh water outlet temperature is controlled by the hot water flow in the primary circuit. The primary circuit comprises an electrically heated tank, a pump and an electromagnetic proportional valve as an actuator.
Both circuits include rotameters. The controller used is a state-of-the-art digital industrial controller. A ball valve in the secondary circuit allows the generation of defined disturbance variables. The controlled variable X and the manipulation variable Y can be played as analog signals on the lab taps.
Keywords: Temperature, heat exchanger, hot/cold water.
LISTA DE FIGURA
Figura 1- Operador Atuando em Malha Aberta..............................................................................6
Figura 2 - Controlador Atuando em Malha Fechada.......................................................................7
Figura 3 - Diagrama Demonstrando os Caminhos de Fluxo Em Um Trocador de Calor de Placas Vedadas..........................................................................................................................................10 
Figura 4 - Representa o esquema de funcionamento do equipamento de controle de temperatura RT644, e os seus componentes.......................................................................................................12
Figura 5 - Representa o equipamento de controle de temperatura RT644, e os seus componentes...................................................................................................................................15
ÍNDICE
CAPITULO I	6
1.	INTRODUÇÃO	6
2.	OBJECTIVOS	8
CAPITULO II	9
3.	METODOLOGIA	9
1.	Local	9
1.1.	Transferência de calor	9
1.2.	Trocadores de calor	9
1.3.	Trocadores de Calor de Placas	9
1.4.	DESCRIÇÃO DO PROCESSO	12
CAPITULO III	14
4.	RESULTADOS E DISCUSSÃO	14
1.	Experimentos nos trocadores de calor	14
1.1.	Coleta dos Dados	14
1.2.	Especificação	16
CAPITULO IV	17
5.	CONCLUSÕES	17
6.	REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	18
7.	ANEXOS	19
CAPITULO I
1. INTRODUÇÃO
O controle é a área que analisa diversas formas de descrever modelos matemáticos e proferir ações para que processos produtivos funcionem de maneira previamente determinada, uma vez que a finalidade de se otimizar um processo é reduzir ou eliminar desperdício de tempo, gastos e recursos. Sendo assim, as área de controle, automação e otimização de processos estão diretamente ligadas entre si e são fundamentais para aumentar a rentabilidade de uma indústria.
o controle de temperatura da água para atender um determinado processo, que é apresentado neste relatorio, pode ser em malha aberta ou em malha fechada. Para o processo considerado, de modo a realizar um controle em malha aberta, é necessário que um operador defina a abertura de uma válvula por onde passa um determinado fluído que irá alterar a característica termodinâmica e, consequentemente, a temperatura daquele determinado processo. O controle por faixas, em malha aberta, pode ser feito no campo ou via supervisório. Para isto o operador depende de uma curva de calibração (abertura × temperatura), ou considera a sua experiência para executar esta tarefa. De acordo com Ogata (2010), os sistemas de controle em malha aberta, são aqueles em que o sinal de saída, no caso em análise, a temperatura do tanque, não exerce nenhuma.
 ação de controle no sistema. Ou seja, em malha aberta tem-se uma operação manual do sistema. A desvantagem do controle em malha aberta é que não considera as perturbações da planta. No exemplo citado, ao se controlar a temperatura da água em um tanque com a abertura de uma válvula, não há como o operador prever qual a perturbação que ocorrerá quando o tanque for abastecido com água fria para completar seu nível. Sendo assim, a temperatura irá diminuir devido a entrada de água fria. Portanto, o controle em malha aberta não compensa a entrada de água fria no tanque.
Figura 1 – Operador Atuando em Malha Aberta.
 Fonte: (VERLY, 2017).
Segundo Campos e Teixeira (2010), outra desvantagem do controle em malha aberta é a sobrecarga de trabalho repetitivo e sem interesse para o operador. O operador passa a operar em uma região mais segura e menos econômica, sendo mais conservativo. No exemplo da Figura 1, se existisse o risco por baixa temperatura, ele tenderia a operar em uma temperatura mais alta por segurança. Para isto, ele teria que abrir mais a válvula e, consequentemente, iria ser consumido mais vapor. O vapor, por sua vez, é produzido por uma caldeira que aumenta o consumo de combustível.
Assim, para solucionar o problema, é necessário utilizar o controle em malha fechada. Basta adicionar uma realimentação ao sistema, juntamente com um controlador, de modo que ele compare o valor desejado (setpoint) com o valor real de temperatura e controle a válvula automaticamente para que o erro entre as duas medidas seja eliminado e o valor desejado seja atingido. Para Ogata (2010), o termo “controle em malha fechada” sempre implica a utilização de controle com realimentação para reduzir o erro do sistema. Portanto, o operador passa a ajustar o setpoint para que o próprio controlador compense as perturbações do sistema, como a entrada de água fria, atuando na válvula.
Figura2 – Controlador Atuando em Malha Fechada.
Fonte: (VERLY, 2017).
Para que a temperatura fique idêntica ao setpoint.
Para que o controlador atue na válvula de modo satisfatório dentro de um ponto de operação pré-estabelecido e tenha um bom desempenho, é necessário encontrar os ganhos proporcional, integral e derivativo da malha de controle, cujo algoritmo é conhecido como controlador Proporcional Integral Derivativo (PID). Muitas vezes, para utilizar o algoritmo é necessário um Controlador Lógico Programável (CLP), ou do inglês Programmable Logic Controller (PLC), que é um dos componentes básicos de um sistema de automação.
2. OBJECTIVOS
· Objetivo geral deste ensaio é desenvolver o controle de temperatura da água, utilizando um trocador de calor alimentado por vapor de água proveniente de uma caldeira, e sintonizar a malha de controle, encontrando os ganhos proporcional, integral e derivativo do controlador para que o controle atue de maneira satisfatória e o sistema atenda o processo com o valor de temperatura desejado.
· Objetivos específicos deste relatório é a descrição do processo em detalhes com destaque para o automatismo de equipamentos, malhas de controle e tecnologias disponíveis para o desenvolvimento do projeto. E, além disso, os testes em malha aberta para obtenção dos parâmetros do modelo matemático do sistema e os testes em malha fechada para sintonia do controlador.
CAPITULO II
3. METODOLOGIA
A seguir, serão demonstradas as diretrizes metodológicas que foram utilizadas para a realização do presente ensaio, descrevendo o local onde foram realizados os experimentos e como foram tomados e analisados os dados. 
1. Local 
O local utilizado para a realização deste trabalho foi o Laboratório de Processo de Gás, que se situa nas instalações da Instituto Imdustrial e Comercial de Pemba, campus da IICP, na cidade de Pemba.
1.1. Transferência de calor 
Transferência de calor é o processo pelo qual a energia é transportada sempre que dois sistemas em temperaturas diferentes entram em contato, ou ainda quando existir um gradiente de temperatura dentro de um sistema. A energia em transporte nestes casos é chamada de calor e esta não pode ser medida diretamente, nem observada, mas sim os efeitos causados pela sua adição ou remoção. Assim, a transferência de calor não visa apenas expressar a quantidade de calor transferida, como no caso da termodinâmica, mas sim o tempo e o modo pelo qual esse fenômeno ocorre. 
1.2. Trocadores de calor 
Trocadores de calor são equipamentos vastamente utilizados pelas indústrias em geral e são responsáveis por fazer com que ocorra a troca térmica entre duas substâncias. A força motriz responsável pela troca de calor é a diferença de temperatura entre dois meios. Dessa forma, pode-se dizer que estes aparelhos trabalham sempre com dois materiais, geralmente fluidos, em diferentes temperaturas. No presente trabalho, sera utilizado um tipo específico de trocador de calor, sendo este o de placas.
1.3. Trocadores de Calor de Placas 
O outro equipamento a ser utilizado no trabalho é o trocador de calor de placas, que tem seu projeto mais elaborado que o de tubos concêntricos, trazendo diversas vantagens em sua utilização, como será exemplificado neste tópico. De acordo com Kakaç, Liu e Pramuanjaroenkij (2012), os trocadores de calor de placas podem ser classificados como sendo de placas vedadas, placas espirais ou ainda de lamelas. O tipo de trocador utilizado neste presente trabalho é de placas vedadas, que será explicado mais detalhadamente a seguir. Os trocadores de placas vedadas são descritos por Kakaç, Liu e Pramuanjaroenkij (2012) como sendo equipamentos constituídos de séries de placas finas com superfícies onduladas que separam os fluidos de trabalho. 
Estas placas possuem partes de canto que são dispostas de tal forma que os dos meios de comunicação entre as placas por onde o calor deve ser trocado, flui alternadamente nos espaços entre as placas. Se os equipamentos forem adequadamente projetados e as placas forem corretamente vedadas, é possível que os pacotes de placas possam ser mantidos juntos por parafusos de compressão. As vedações são o agente responsável por manter os fluidos de trabalho sem se misturar, bem como previne que haja vazamentos no equipamento e direciona os fluidos nos espaços entre as placas, onde ocorrerá a troca térmica. 
A Figura 2 ilustra essa característica de fluxo entre placas.
Figura 3 - Diagrama Demonstrando os Caminhos de Fluxo Em Um Trocador de Calor de Placas Vedadas. 
Fonte: Kakaç, Liu e Pramuanjaroenkij (2012)
De forma análoga aos trocadores de calor de tubos concêntricos, o fluxo dos fluidos pode ser contracorrente ou paralelo, porém, por ser tratar de uma configuração mais eficiente, normalmente os projetos dos trocadores de placas são realizados de forma que o fluxo seja sempre contracorrente. (KAKAÇ, LIU e PRAMUANJAROENKIJ, 2012) 
As principais características destes equipamentos, de acordo com Kakaç, Liu e Pramuanjaroenkij (2012), são a temperatura de trabalho de até 250 ºC, altos coeficientes de troca térmica, elevadas queda de pressão, e uma alta tensão de cisalhamento local, o que faz com que se diminuam as incrustações. Além disso, estes trocadores fornecem uma superfície de troca térmica leve e compacta. Por fim, eles têm manutenção bastante fácil, pois são totalmente desmontáveis, fazendo com que a limpeza e esterilização deles sejam fácil e efetiva, motivo pelo qual estes trocadores são tão utilizados em indústrias alimentícias. 
Os transmissores recebem o sinal proveniente dos sensores e convertem para um sinal elétrico a ser enviado a um controlador. Os atuadores são os elementos finais de controle que recebem o sinal de correção do controlador para atuar sobre a variável manipulada, a válvula de controle por exemplo. Sendo assim, pode-se definir da seguinte maneira, segundo Alves (2005):
Sensores: É a parte do instrumento que primeiro “sente” a variável de processo e envia o sinal a um transmissor.
Transmissores: São circuitos que recebem o sinal dos sensores na entrada e produzem uma saída padronizada (4-20 mA, 0-10V, etc) proporcional ao valor da variável de processo, enviando esta saída a uma entrada analógica de um CLP.
Válvula de Controle
As válvulas de controle têm um papel muito importante no controle automático de processos industriais e fazem parte do conjunto de elementos finais de controle, sendo responsável pela manipulação do fluxo de matéria e/ou energia, que tem como finalidade atuar no processo de modo a corrigir o valor da variável controlada sem que haja algum desvio em relação ao valor desejado (BEGA, 2011). Os componentes de uma válvula de controle são basicamente o corpo mecânico e o atuador.
1.4. DESCRIÇÃO DO PROCESSO
2. Volume de enchimento e de 15 L.
3. Conectar o fluxo da água no bocal da ligação.
4. Garantir a saída do liquido.
5. Ligar a corrente eléctrica na tomada.
6. Ligar o modelo de ligação com o comutor eléctrico.
7. Comutar o regulador para modulo manual.
8. Verificar o nível de enchimento no circuito primário.
Não há mistura entre os dois fluidos, ou seja, há um contato indireto entre a água e o vapor por meio do feixe de placas. É desejável que a água seja aquecida a uma temperatura específica, e armazenada dentro do próprio tanque que tem capacidade de 15 L, o mesmo tanque está acoplado com aquecedor logo que o tanque contem a água o aquecedor entra em funcionamento fazendo com que a água tenha temperatura muito elevada, em seguida a bomba e acionada criando força (succiona) o liquido quente do tanque libertando o liquido em alta pressão, escoando na tubulação até ao trocador de calor onde ocorre a troca térmica com a injeção do segundo liquido frio, depois de houver a troca térmica o sensor instalado no topo da saída do trocador de calor tem a função de medir o nível da temperatura do liquido morno e direcionado para a tubulação em que o liquido (primeiro circuito) vai até a válvula de escala que direcionava o liquido para o exterior de acordo com as especificações,no (segundo circuito) o liquido flui até ao atuador passa pelo termômetro que esta acoplado na tubulação direcionado se novamente para o tanque, e o ciclo continua.
Figura 4: Representa o esquema de funcionamento do equipamento de controle de temperatura RT644, e os seus componentes. 
Fonte: www.gunt.de We reserve the right to modify our products without any notifications, 2023.
1 tanque aquecido, 2 bombas, 3 atuadores: válvula de controle, 4 controladores industriais digitais, 5 elementos de medição: sensor de temperatura, 6 variáveis de geração de perturbação via válvula de esfera, 7 trocadores de calor de placas;
x variável controlada: temperatura, y variável manipulada: grau de abertura da válvula de controle, z variável de perturbação: grau de abertura da válvula de esfera, w variável de referência: valores de entrada, e desvio de controle, fluxo F, temperatura T, chave de nível LSL
CAPITULO III
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
1. Experimentos nos trocadores de calor 
Para avaliar a eficiência de troca térmica foram utilizados trocadores de placas de escala laboratorial. Os dados foram coletados e analisados a partir dos experimentos nestes equipamentos com a variação das temperaturas de entrada e vazões volumétricas do fluido quente, sendo que o fluido utilizado é água, que no caso passa em maior temperatura para ceder calor, e é obtido através de uma caixa de aquecimento do equipamento, enquanto que o fluido frio é o que passa em menor temperatura e foi obtido diretamente de uma fonte de água do laboratório à temperatura ambiente. Foi utilizado planejamento estrela e a metodologia de superfície de resposta para análise das variáveis significativas do processo e sua otimização em relação a troca térmica. 
1.1. Coleta dos Dados 
Para realização da coleta de dados referentes às tomadas de temperatura e vazão foram utilizados os módulos de trocadores de placas e a unidade base de operação destes. O fluido escolhido para os testes, tanto o quente quanto o frio, foi a água. A unidade base consiste em um tanque de aquecimento para a água quente, uma bomba para auxiliar a vazão desta, um sistema de encanamento, medidores de vazão e as válvulas independentes para cada um dos fluidos. O sistema de encanamentos tem quatro terminais para que sejam conectadas as tubulações dos módulos dos trocadores de calor através de mangueiras flexíveis, dois para a entrada dos fluidos e dois para a saída destes.
O modo de tomada de dados se dá pela determinação da temperatura em diferentes pontos pelo comprimento dos trocadores, sendo variada a temperatura de entrada e a vazão volumétrica do fluido quente, com escoamento contracorrente. A forma de coleta de dados é análoga a ambos os módulos, e se dá através de uma caixa de controle, onde são conectados os sensores de temperatura dos trocadores de calor. É importante citar que a caixa de controle é também responsável pelo controle de temperatura do tanque de aquecimento e o acionamento e desligamento da bomba de vazão da água quente. Para iniciar os ensaios, foi necessário preencher o tanque de aquecimento de água a ponto de cobrir a resistência. A resistência e a bomba são então ligadas e a temperatura de aquecimento da água é ajustada na caixa de controle. Depois que a água é aquecida, abriu-se o fluxo da água quente e fria. Para isso, uma mangueira conectada a uma torneira disponível no laboratório foi anexada à entrada da água fria de forma a entrar pela válvula Profield, sendo esta a válvula que controla a vazão da água fria. Em seguida, quando os fluidos já estavam em movimento, monitorou-se a temperatura de entrada da água quente até que esta atingisse a desejada no experimento. Então foram coletadas as temperaturas de saída de ambos os fluidos e também a de entrada do fluido frio. Este procedimento foi repetido para todos os ensaios experimentais, em que alterou-se a vazão e temperatura do fluido quente.
Figura 5: Representa o equipamento de controle de temperatura RT644, e os seus componentes. 
Fonte: www.gunt.de We reserve the right to modify our products without any notifications, 2023.
1 controlador, 2 válvulas de controle, 3 termômetros, 4 rotâmetros, 5 bombas, 6 aquecedores com termostato, 7 tanques, 8 trocadores de calor de placas, 9 válvulas de esfera com escala, 10 sensores de temperatura na saída de água doce.
1.2. Especificação
1. Unidade experimental para experimentos de engenharia de controle.
2. Controle de temperatura com trocador de calor de placas e 2 circuitos de água
3. Circuito primário com tanque aquecido eletricamente, bomba, válvula de controle, rotâmetro e proteção contra falta de água
4. Circuito secundário com conexão de água doce, transdutor de temperatura, rotâmetro
5. Válvula de esfera para gerar variáveis ​​de perturbação no circuito de água doce
6. Trocador de calor de placas, 30 placas
7. Válvula de controle: válvula proporcional eletromagnética
8. Controlador industrial digital, livremente parametrizável
9. Esquema de processo grande no painel frontal
10. Variáveis de processo X e Y acessíveis como sinais analógicos via tomadas de laboratório
Tabela ilustra os dados técnicos
	Tanque
	Aquecedor
	Bomba,3 estágios
	Sensor de temperatura
	Capacidade: 15L
	20...80°C
	máx. taxa de fluxo: 70L/min
	Pt100: -50...400°C
	
	20…60°C 
	
	20…50°C
	
	20…40°C
	
	20…40°C
CAPITULO IV
5. CONCLUSÕES 
O estudo da troca de calor nos trocadores de calor de placas utilizando planejamento experimental mostrou que, dentro da faixa estudada, a temperatura de entrada do fluido quente e vazão de entrada de fluido quente, influenciam significativamente na variável resposta. Além disso, foi possível verificar que as condições ideais para a maior troca térmica foram para temperatura e vazão de entrada elevadas no trocador de calor de placas. Nos ensaios realizados no trocador de calor verificou-se que houve um aumento de 2kW na taxa de transferência de calor quando se aumentou a temperatura do fluido quente com a vazão constante 20...80°C para a situação inversa. Assim, para o trocador de calor o aumento de temperatura se mostrou mais significativo. O trocador apresentou uma boa estabilidade durante os testes o que pode ser demonstrado pela pequena variação de nos pontos centrais. A análise estatística mostrou que para um nível confiança de 95% o efeito que têm maior influência estatística sobre a variável resposta na faixa estudada para o trocador de calor de placas as duas variáveis apresentaram efeitos significativos na variável de resposta. O dois (2) circuitos monstraram uma eficiencia aceitavel tanto no fluido quente ou no fluido frio as variaveis de saida e de entrada nos ambos os circuitos respondem com as especificações. Com base nestas e noutras decrições mencionadas anteriormente chega-se a conclusão de que a o ensaio da unidade de control de temperatura respondeo com eficiencia.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CAMPOS, M. C. M. M. de; TEIXEIRA, H. C. Controles típicos de equipamentos e processos 
 industriais. [S.l.]: Edgard Blücher, 2010. 1, 2, 17, 23, 24, 25, 27, 29, 30, 37, 38, 39
ÇENGEL, Yunus A.; GHAJAR, Afshin J.. Transferência de Calor e Massa: Uma Abordagem 
 Prática. São Paulo: Amgh, 2012
KAKAÇ, Sadik; LIU, Hongtan; PRAMUANJAROENKIJ, Anchasa. Heat Exchangers: Selection, 
 Rating, and Thermal Design. Boca Raton: Crc Press, 2012.
OGATA, K. Engenharia de controle moderno. KATSUHIKO Ogata, 5th Ed. 809p, 2010. 1, 2, 22, 
 23, 27, 37, 38, 39, 40.
VERLY, A. Instrumentação. Notas de aula, 2017. 2,3.
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7. ANEXOS
19
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