https://doi.org/10.22463/2011642X.2044
Recibido: 11-11-2015 - Aprobado: 30-11-2015
Como citar:
Marruego-Carreazo, D. E., Guerrero-Gómez, G. ., & Gómez-Camperos, J. A. (2015). Desarrollo de instrumento virtual enfocado en la adquisición de datos para generar perfiles de temperaturas en hornos. Revista Ingenio, 8(1), 47–58. https://doi.org/10.22463/2011642X.2047
El Artículo presenta el diseño, desarrollo e implementación de un Instrumento virtual para la generación de perfiles de temperatura en el proceso de cocción en hornos, obteniendo una curva característica del proceso de cocción real, a través de una plataforma virtual acoplada a un sistema de adquisición de datos, El propósito, es la obtención de un patrón real del comportamiento térmico del proceso de cocción en su estado transitorio, para luego compararlo con un tópico ideal y así determinar las fallas en el proceso con la implementación de tecnologías disponibles, la selección de los sensores de temperaturas y de las tarjetas de adquisición de datos.
Palabras clave:Instrumento virtual, sistema de adquisición de datos, perfiles de temperatura, curva de cocción,Sistemas embebidos
This article shows the design, development and implementation of a Virtual Instrument to generate temperature profiles in the oven cooking process, getting a curve of real cooking process, through a virtual platform connected to a data acquisition system. This work aims to obtain a real pattern for thermal performance of cooking process on its transitory state,and then to compare it with an ideal topic to determine failures on process implementing available technologies, the selection of temperature sensors and data acquisition cards
Keywords: virtual instrument, data acquisition system, temperature profiles, cooking process, embedded systems.
Los perfiles de temperaturas son esenciales para el análisis de la transferencia de energía calorífica, además son de vital importancia para identificar lascausas reales de las fallas presentes en los procesos de elaboración de ladrillos y tejas; por esta razón se realizó una herramienta de aplicación, la cual permite la determinación y registro de los perfiles de temperatura con la finalidad de mejorar el funcionamiento de estos hornos, aumentando la calidad del producto final, la disminución de combustible, las pérdidas de energía y las emisiones de gases al ambiente
Estas graficas del proceso de cocción proporcionan parámetros para que el operario modifique la forma en la que se realiza el proceso de transferencia de energía, establezca las condiciones más apropiadas para operar el horno e identifique una ubicación representativa para el monitoreo de temperatura. Con este instrumento se coloca a disposición las tecnologías virtuales desde la perspectiva de la adquisición de datos, de manera fácil e interactiva para el usuario final; así mismo se encontró perfiles de temperatura para que se realicen estudios como balances de energía en estos procesos aumentando la eficiencia térmica de estos hornos y reduciendo el impacto ambiental y el consumo energético.
2. METODOLOGÍALos instrumentos virtuales se consideran “reales” en el sentido de que son capaces de adquirir y procesar datos originados a partir de un fenómeno físico producido en el mundo real, estos instrumentos están constituidos de un ordenador o estación de trabajo equipada con poderosos programas (software), tarjetas de adquisición de datos (hardware) y drivers que en conjunto completan la funciones de los instrumento tradicionales.
2.1.Comparación de un instrumento tradicional y un instrumento virtualEn la tabla 1 se especifica un paralelo entre las dos tecnologías de instrumentación utilizadas para la medición y control de un fenómeno físico
La programación grafica se basa en cuatro elementos básicos: Usos de iconos, cables gráficos y controles-indicadores. Programación en base a un diagrama de bloques. El uso de dos ventanas de programación: panel frontal y diagrama de bloques. Ejecución del programa en base al flujo de datos, en forma paralela. (GONZÁLEZ CAYUFILO, Rodrigo. PRADINES PINO,2007)
Los instrumentos virtuales en LabVIEW o VIsconstan de una pantalla de comando llamada panel frontal y un una pantalla de programación llamada diagrama de bloques. El panel frontal muestra los controles e indicadores, en contraste, el diagrama de bloques contiene toda la serie de instrucciones en secuencia serial o paralela para que los controles e indicadores funcionen de manera correcta y según la función que el usuario final requiera. En la figura 1 se muestra el panel frontal (BITTER, Richard. MOHIUDDIN,2007)
De 0°C a 400°C se elimina residuo de humedad con dilatación de la pasta. De 400°C a 600°C eliminación del agua combinada, descomposición en óxidos, retracción de la pasta y aumento de porosidad. De 600° a 900° formación de un metacaolín inestable.De 900° a 1000° formación de silicatos por reacción de los óxidos.Más de 1000° transformación molecular de los silicatos cristalizando en agujas
La cocción puede considerarse como la fase más delicada de todo el proceso de fabricación cerámica, porque un gran número de defectos del producto cerámico se manifiestan después de la misma, aunque su origen esté en una etapa anterior del proceso de fabricación. (BLANCO ÁLVAREZ, Francisco. 2011)
DISEÑO DEL INSTRUMENTO VIRTUAL ENFOCADO A LA ADQUISICIÓN DE DATOSEl diseño de esta interfaz se basó en interfaces usadas y soportadas por National instruments, las cuales sirvieron como base para el desarrollo de la interfaz del instrumento virtual
Al tener un módulo E/S NI 9213 de la serie C, que censa hasta con 16 termopares se mostró la información censada en bloques de 8 temperaturas, así pues se generaron dos bloques de temperaturas, es decir, el bloque 1 contiene las temperaturas de la número 1 hasta la número 8 y el bloque 2 las temperaturas de la número 9 hasta la 16. Esto se realizó así para facilitar la muestra de los datos al usuario ya que una gráfica y una tabla con 16 temperaturas registradas son poco entendibles para el usuario final. Las pantallas utilizadas para esta aplicación son pantalla de bienvenida, pantalla de inicio, pantalla de testeo del hardware de adquisición, pantalla principal visualización, pantalla de configuración, pantalla de reporte, pantalla secundaria de visualización bloque 1 y pantalla secundaria de visualización bloque 2. Como se muestra en la figura 2.
en la paleta de funciones avanzadas. Las colas de datos en el patrón de diseño productor/consumidor se generan por el intercambio de información del bucle productor y el bucle consumidor, las tareas a ejecutar por el usuario son producidas en el bucle productor, este bucle agregara los datos a la cola (agregar datos a la cola se conoce como "encolar) para luego descargarlos en el bucle consumidor (desencolar) en el orden en el que fueron encolados
Una vez fijadas estas colas, solamente se pueden utilizar con un tipo particular de datos. Por lo tanto, cada elemento de dato distinto que se produce en el bucle productor debe ser colocado en colas aparte. Esto puede generar un problema por la complejidad agregada en el diagrama de bloques. La solución aplicada en el desarrollo de este instrumento fue implementar clúster de datos de diferentes tipos y fijarlos en una cola para luego utilizarlos como un SubVI
El diagrama de estado para la adquisición de datos se muestra en la figura 4. En el ciclo configuración de controles se encola el mensaje “tomar”, estemensaje es desencolado en el ciclo consumidor “adquisición”, el mensaje es conectado al terminal de condición de un caso, el cual contiene el DAQ assistant. En ese mismo sentido dentro del caso se encola nuevamente el mensaje “tomar” para que se desencoleen el ciclo de adquisición, en efecto el estado “tomar” se repetirá cíclicamente hasta que se presione el control “detener”
4.1.Horno tipo hoffman
La adquisición de datos se realizó en el horno Hoffman en la ladrillera Ocaña, este tiene un producción diaria de 660 bloques por 44 apiles, los cuales son cargan en el horno en apiles de 660 bloques, luego se dispone a sellar las puertas con una pared provisional, la cual es derribada después de terminar la cocción, Así el ladrillo es enfriado a través de un ventilador de alta potencia, para poder retirar el producto por los trabajadores.
Para la inyección del carbón al proceso de cocción se utilizan dos carbojet y suministran carbón pulverizado a razón de 8Kg a 12Kg por minuto para mantener la temperatura requerida en el horno.
Los productos para la cocción son montados verticalmente, conla formación de canales entre ellos que permiten la circulación de los gases de combustión y se realiza a través del piso por la depresión causada por el ventilador de escape y la chimenea. Ver figura 5:
Por facilidad, el sistema embebido para la toma de temperatura se ubicó en un cuarto de monitoreo paralela a la puerta 5 en el apile 31, Para la toma de las temperaturas se ubicaron ocho termopares tipo k, ver figura 6 ,en las siguientes posiciones 1: Temperatura del centro interior, 2: Temperatura del piso interior, 3: Temperatura de la pared interior, 4: Temperatura de la cúpula interior, 5: Temperatura centro exterior, 6: Temperatura del piso exterior, 7: Temperatura de la pared exterior, 8: Temperatura de la cúpula exterior.
En el horno tipo Hoffman el tiempo de muestro es de 3 minutos (180 segundos). Seguidamente en el momento en que se abrió la puerta de descargue, se detuvo la adquisición de datos, el proceso de cocción tuvo una duración de 24 horas y 21 minutos
4.2.Horno circular
La adquisición de datos se realizó en el horno circular en la ladrillera el recreo ubicado en el municipio de Ocaña, este tiene una producción diaria 4300 ladrillos, luego se dispone a sellar las puertas con una pared provisional, la cual es derribada después de terminar la cocción.
Para la toma de las temperaturas se ubicaron ocho termopares tipo k en las siguientes posiciones 1: Temperatura del centro interior, 2: Temperatura del piso interior, 3: Temperatura de la pared interior, 4: Temperatura de los gases, 5: Temperatura centro exterior, 6: Temperatura del piso exterior, 7: Temperatura de la pared exterior, 8: Temperatura ambiente. Ver figura 7.
Se validó el instrumento en el horno circular, en este caso el intervalo de tiempo para el registro de temperatura fue de 5 minutos (300 segundos), el proceso de registro de los datos inicio cuando empezó el proceso combustión del carbón en la parte inferior, el monitoreo en este horno fue constante y tuvo una duración de 2 días, 16 horas y 55 minutos.
5.RESULTADOSLa temperatura máxima registrada por el instrumento en el interior de este horno fue de 941 °C, la temperatura de la pared de la puerta de descargue tuvo máxima temperatura 202 °C. El límite superior de temperatura operacional del horno se graduó en el instrumento primeramente en 750° C, cuando la temperatura interior del horno sobrepasó este límite se generó la alarma, en ese instante se notificó al operador del horno, el cual tomo acciones correctivas en la regulación de combustible en el carboyet. En efecto se aumentó en el valor de la temperatura límite superior en el instrumento virtual hasta los 850 °C que con el pasar del tiempo fue sobrepasada por la temperatura interna del horno y se generó nuevamente la alarma.
En la figura 9 Se muestra el perfil ideal de temperaturas para el proceso de cocción en comparación con la temperatura del producto en el centro del horno. Según los datos adquiridos la temperatura en el horno no alcanza la máxima temperatura recomendada, pero si está dentro del rango
En el periodo de humeo se observó que la pasta no alcanzo los 400°C en el porcentaje de tiempo estipulado idealmente.
El interior del horno alcanza los 403°C en un 24% del tiempo total de cocción; lo que representa una diferencia del 14% recomendado por la curva ideal, es decir, que la fase de humeo se extendió y en efecto hubo un aumento en la propagación de vapor de agua y en la dilatación de la pasta. La mayor cantidad humos es liberada en esta etapa, el agua higroscópica es extraída del ladrillo lo que representa un periodo de dilatación por acumulación de vapor en la pieza.
En segundo lugar entre 400°C y los 600°C se produce la fase descomposición de la materia orgánica, en esta se elimina el agua combinada, se aumenta la porosidad y se retracta la pasta. En la curva real del proceso se ve un aumento rápido de en esta fase, esto se debe a que el carboyet para precalentamiento, está pasando por el apile de ladrillos. El tiempo consumido en esta fase es del 4.14% del tiempo total de cocción y una temperatura de 589°C. Este porcentaje está por debajo del recomendado, el proceso real está desfasado encomparación con el tópico ideal, ver Figura 8. En la curva ideal entre los 400°C y los 500°C el aumento es rápido pero disminuye al llegar a los 500°C y aumenta paulatinamente hasta los 600°C, en contraste en la curva ideal sucede lo contrario, el aumentorápido ocurre entre los 488°C y los 589°C.
La temperatura máxima registrada es de 956°C, en donde la fase de maduración de la pasta se completa. En este momento la pasta empieza a vitrificarse lo que aumenta la resistentica mecánica de los productos. Estafase finaliza un porcentaje de tiempo después que la curva ideal alcanza se punto máximo de temperatura.
En el horno el calentamiento es rápido pero la cantidad de oxigeno no es abundante por lo que la oxidación no es completa ni tampoco la eliminación de azufre dando lugar a manchas rojizas y núcleo rojizo produciéndose hinchamiento y deformaciones en los ladrillos.
Finalmente se puede concluir que la fabricación de ladrillos en el municipio de Ocaña, departamento Norte de Santander (Colombia) sigue siendo principalmente un método artesanal, teniendo como principales desventajas la contaminación atmosférica, el uso irracional del suelo y la falta de eficiencia térmica
La grafica de los perfiles generados se muestra en la figura 10
La temperatura máxima registrada por el instrumento en el interior del horno fue de 1034 °C y la temperatura de la pared exterior de 173 °C.
El perfil de temperatura de este horno en comparación con el tópico ideal se muestra en la Figura 11. En cuanto a este horno, el proceso de cocción es lento, lo que puede aumentar el consumo de energía y atrasos en el producto. En este horno la temperaturainicial en el interior del horno fue de 63 °C y alcanza los 100 °C en un 42% del tiempo de cocción, esto se debe a que la cocción en este tipo de horno sucede aleatoriamente, es decir, la dirección de llama de la combustión del carbón alrededor del horno es incierta.
El proceso de humeo inicia, y la curva asciende rápidamente hasta alcanzar los 400°C en un 16% del tiempo total requerido para la cocción, evidentemente está por encima del 10% recomendado, es decir la generación de vapor de agua en la pieza se extiende un 6% más de lo ideal, haciendo que la pieza se dilate por más tiempo
El perfil de temperatura real tiende a acercarse al ideal entre los 600°C y los 900°C, lo que pone al descubierto que la energía liberada por la oxidación de carbón está muy cerca de ser la ideal, a pesar de que es este horno no se tiene ninguna especie de control. Así mismo se observó que el porcentaje real de tiempo gastado en este intervalo fue de 14%
4. CONCLUSIONESEl empleo de la tecnología seleccionada, basada en el sistema compact RIO de la empresa National instruments, facilitó el monitoreo y registro de datos adquiridos; la confiabilidad que brinda este sistema embebido garantizó datos muy precisos, además el número de lecturas de voltaje análogo producidos por estos termopares, es un beneficio a la hora de abarcar un estudio más amplio en cuanto se refiere a puntos de referencia en los hornos, en consecuencia se pudo observar un panorama mucho más real del proceso de cocción
La generación de un informe desde el instrumento virtual, ayudo a la interpretación de los perfiles de temperaturas, esto por la forma en la que se organizaron las tablas y las gráficas realizadas automáticamente por el mismo. Las posiciones de los termopares en los hornos fueron claves para este propósito
La situación real del comportamiento térmico del proceso de cocción en los hornos se puede evidenciar en las diferencias en los porcentajes de tiempo para cada fase en la cocción
En lafase de humeo los hornos no hay concordancia con la curva ideal, sin embargo la diferencia entre el patrón ideal y el real en esta fase es muy baja observando diferencias del 17.61%, 9,6% y 7.61 para los hornos tipo Hoffman, circular y cuadrado respectivamente. A pesar de esto la falta de control en este proceso puede producir el agrietamiento de la pieza, puesto que en esta fase se dilata la pieza por la acumulación de vapor de agua dentro de la misma. Un aumento lento entre los 100°C y los 400°C en esta etapa puede reducir esta falla, sin embargo este efecto produce mucho más tiempo de los ladrillos en el horno lo que disminuye la demanda de productos.
El incremento de temperatura registrada superior a los 20 grados centígrados por hora para la etapa decocción afecta con los estándares comerciales de calidad en cuanto a la coloración
Temperaturas de los gases de escape superiores a los 100 grados centígrados implican tener posibilidades de recuperación de calor residual en el aprovechamiento de secado de piezas con el calor residual en la inercia térmica del horno, secado y precalentamiento de aire de combustión
La ladrillera en su proceso de cocción no cuenta con la instrumentación y control que le permita el registro de datos de temperatura, suministro de aire y carbón no permitiéndole mejorar las condiciones de dosificación manual adicionalmente rastrear problemas particulares del horno en cada bache.
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