Implementación de un sistema de control en un prototipo de horno para el tratamiento de cascarilla de café, cascarilla de nuez de palma y ruminal bovino

La empresa INDUSTRIAS ACUÑA desarrolló un prototipo de horno destinado al secado de biomasa con el objetivo de transformar térmicamente la materia para generar subproductos como filtros, compostajes y biochar. Inicialmente, se empleó un sistema de control de temperatura de lazo abierto, lo que permi...

Full description

Autores:: Álvarez Muñoz, Luis Felipe
Rueda Amaya, Ariel David

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2024

Institución:: Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB

Repositorio:: Repositorio UNAB

Idioma:: spa

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description	La empresa INDUSTRIAS ACUÑA desarrolló un prototipo de horno destinado al secado de biomasa con el objetivo de transformar térmicamente la materia para generar subproductos como filtros, compostajes y biochar. Inicialmente, se empleó un sistema de control de temperatura de lazo abierto, lo que permitió identificar los parámetros de operación necesarios para el funcionamiento adecuado del sistema de control del horno secador basado en las características de las materias primas utilizadas. Utilizando la aplicación MATLAB, se obtuvo la función de transferencia del comportamiento del horno secador de resistencias. Posteriormente, se implementó un sistema de control PID mediante la tarjeta Arduino, instrumentado con termocuplas tipo K en su interior, conectadas al sistema de control PID que regulaba el calor generado en el horno. Además, se desarrolló una interfaz que facilita al usuario el monitoreo y ajuste de los parámetros de control de temperatura sin necesidad de reprogramar las tarjetas Arduino. Este proyecto también permitió recopilar y almacenar datos de las pruebas realizadas, lo que contribuyó al tratamiento de residuos orgánicos y al análisis de la reducción de humedad en comparación con el aumento del poder calorífico de las diferentes biomasas procesadas. Se comprobó que la implementación del sistema de control logró reducir significativamente el porcentaje de humedad de las biomasas tratadas en comparación con las muestras analizadas previamente. Esta reducción de humedad resultó en un aumento del poder calorífico de las muestras examinadas en 10.587 kj/kg, demostrando así la eficacia del sistema de control implementado en el proceso de secado de biomasas.
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Los secretos ocultos de la biomasa, gran potencial que posee Colombia. (2017). FINAGRO. Retrieved 03 19, 2024, from https://www.finagro.com.co/noticias/los-secretos-ocultos-biomasa-gran-potencial-posee-c olombia M. Bañuelos S. (2021). CONTROLADOR PID DE TEMPERATURA DE TIPO DIDACTICO. Lab. de Electrónica. Centro de Instrumentos, UNAM. Nelson Rodríguez Valencia. (2010). LOS SUBPRODUCTOS DEL CAFÉ: FUENTE DE ENERGÍA RENOVABLE. Centro Nacional de Investigaciones de Café. Novillo Aguiar, S. (2022). Residuos agroindustriales: su impacto, manejo y aprovechamiento (Puyo-Ecuador ed.). Universidad Estatal Amazónica, Departamento de Ciencias de la Tierra Perez, M. A. (2007). INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE CONTROL Y MODELO MATEMÁTICO PARA SISTEMAS LINEALES INVARIANTES EN EL TIEMPO. Universidad Nacional de San Juan Pinzón Londoño, L. A. (2016). PROPUESTA DE UN SISTEMA DE SECADO SOLAR TERMICO PARA BIOMASA DE CAFÉ TIPO BORRA EN LA PLANTA DE BUGALAGRANDE DE NESTLE S.A. 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Inicialmente, se empleó un sistema de control de temperatura de lazo abierto, lo que permitió identificar los parámetros de operación necesarios para el funcionamiento adecuado del sistema de control del horno secador basado en las características de las materias primas utilizadas. Utilizando la aplicación MATLAB, se obtuvo la función de transferencia del comportamiento del horno secador de resistencias. Posteriormente, se implementó un sistema de control PID mediante la tarjeta Arduino, instrumentado con termocuplas tipo K en su interior, conectadas al sistema de control PID que regulaba el calor generado en el horno. Además, se desarrolló una interfaz que facilita al usuario el monitoreo y ajuste de los parámetros de control de temperatura sin necesidad de reprogramar las tarjetas Arduino. Este proyecto también permitió recopilar y almacenar datos de las pruebas realizadas, lo que contribuyó al tratamiento de residuos orgánicos y al análisis de la reducción de humedad en comparación con el aumento del poder calorífico de las diferentes biomasas procesadas. Se comprobó que la implementación del sistema de control logró reducir significativamente el porcentaje de humedad de las biomasas tratadas en comparación con las muestras analizadas previamente. Esta reducción de humedad resultó en un aumento del poder calorífico de las muestras examinadas en 10.587 kj/kg, demostrando así la eficacia del sistema de control implementado en el proceso de secado de biomasas.1.1. Introducción...................................................................................................................... 9 1.2. Contexto y problemática................................................................................................. 10 1.3. Objetivos......................................................................................................................... 11 1.4. Justificación.................................................................................................................... 13 2.1. Antecedentes..................................................................................................................14 2.2. Marco referencial............................................................................................................ 16 2.2.1. Secadores de bandeja...........................................................................................17 2.2.2. Secadores rotatorios..............................................................................................18 2.2.3. Secador solar tipo túnel......................................................................................... 18 2.2.4. Sistemas de control típicos en el secado de biomasa...........................................19 2.2.5. Sistema de control de temperatura ON OFF para secado de fruta...................... 21 2.2.6. Sistema de control PID en el secado mecánico de café..........................................22 3.1. Caracterización del prototipo............................................................................................24 3.1.1. Horno de resistencias eléctricas..................................................................................25 3.1.2. Reactor tubular horizontal con agitador accionado por motor eléctrico.......................26 3.1.3. Ducto de entrada del reactor....................................................................................... 27 3.1.4. Ducto de salida del reactor.......................................................................................... 28 3.1.5. Torre de salida de gases con platos perforados.......................................................... 28 3.1.6. Intercambiador de calor de tubos y carcasa................................................................28 3.1.7. Tanque de paso de condensados................................................................................29 3.1.8. Filtro de gases y chimenea con quemador de gases.................................................. 29 3.1.9. Elementos auxiliares....................................................................................................29 3.1.10. Tanque de agua de enfriamiento del intercambiador.................................................30 3.1.11. Bombas centrífugas para transporte de agua de enfriamiento..................................30 3.1.12. Variador de velocidad de agitador del reactor........................................................... 31 3.1.13. Tanque con agua para inyección de vapor de agua al reactor..................................31 3.1.14. Bomba dosificadora de agua al reactor..................................................................... 31 3.1.15. Interruptor automático NB1-C40................................................................................32 3.1.16. Controladores de temperatura TC4S.........................................................................32 3.1.17. Relay MS-1DA........................................................................................................... 33 3.1.18. Controlador de temperatura TCN4H..........................................................................34 3.1.19. Selectores de palanca de 2 puestos (ON-OFF)........................................................ 34 3.1.20. Motor eléctrico........................................................................................................... 35 3.1.21. Kit de resistencias eléctricas interna del horno......................................................... 36 3.1.22. Termocuplas tipo K.................................................................................................... 36 3.2. Identificación de las variables críticas............................................................................. 37 3.3. Prueba M0............................................................................................................................39 3.4. Cálculos de las constantes de sintonización PID........................................................... 40 3.5. Implementación del Sistema de control PID....................................................................50 3.6 Desarrollo de la programación del sistema de control PID y sistema de grabación de datos........................................................................................................................................... 54 3.6.2 Sistema de grabación de datos.......................................................................................55 3.7. Parámetros de secado....................................................................................................... 57 3.8. Prueba M0’...........................................................................................................................57 3.8.1. Ruminal bovino............................................................................................................ 57 3.8.2. Cascarilla de nuez de palma....................................................................................... 58 3.8.3. Cascarilla de café........................................................................................................ 59 3.9. Análisis de las biomasas procesadas.............................................................................. 61 3.10. Comparación y evaluación de resultados......................................................................68 3.10.1. Porcentaje de Humedad...................................................................................... 68 3.10.2. Poder calorífico....................................................................................................68 4. CONCLUSIONES....................................................................................................................70PregradoThe company INDUSTRIAS ACUÑA developed a prototype oven designed for biomass drying with the aim of thermally transforming the material to generate byproducts such as filters, compost, and biochar. Initially, an open-loop temperature control system was used, which allowed for the identification of the necessary operating parameters for the proper functioning of the dryer's control system based on the characteristics of the raw materials used. Using MATLAB software, the transfer function of the resistance oven behavior was obtained. Subsequently, a PID control system was implemented using an Arduino board, equipped with type K thermocouples inside, connected to the PID control system that regulated the heat generated in the oven. Additionally, an interface was developed to facilitate user monitoring and adjustment of temperature control parameters without the need to reprogram the Arduino boards. This project also allowed for the collection and storage of data from the tests conducted, which contributed to the treatment of organic waste and the analysis of moisture reduction compared to the increase in the calorific value of the different processed biomasses. It was found that the implementation of the control system significantly reduced the moisture content of the treated biomasses compared to the samples analyzed previously. This reduction in moisture resulted in an increase in the calorific value of the examined samples by 10.587 kj/kg, thus demonstrating the effectiveness of the control system implemented in the biomass drying process.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Implementación de un sistema de control en un prototipo de horno para el tratamiento de cascarilla de café, cascarilla de nuez de palma y ruminal bovinoImplementation of a control system in a prototype oven for the treatment of coffee husks, palm nut husks and bovine ruminalIngeniero en EnergíaUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABPregrado Ingeniería en Energíainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPEnergy engineeringTechnological innovationsEnergyCalorific valueBiomassesBiomassOrganic wastesAgricultural residualsAutomationAutomatic controlIngeniería en energíaInnovaciones tecnológicasEnergíaBiomasaResiduos orgánicosResiduos agrícolasAutomatizaciónControl automáticoPoder caloríficoControl de temperaturaBiomasasAlvarez Noves, H. (n.d.). Consideraciones sobre el secado a alta temperatura. Dpto industrias ForestalesArias, C. A. (2018). GESTIÓN INTEGRAL DE RESIDUOS SOLIDOS. Minambiente.Barriobero Moreno, M. (2017). Diseño y Desarrollo de un Sistema de Control de Temperatura de un Horno. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓNBAUTISTA VANEGAS, L. F. (2005). IDENTIFICACIÓN DE IMPACTOS AMBIENTALES DEL PROCESO DE COMSPOSTAJE DE MATERIALES ORGÁNICOS DEL SECTOR FLORICULTORBravo, D. A. (2022). Prototipo para el control de temperatura y humedad en el secado mecánico del café. Universidad del Cauca.Cabrera Anda, P. S. (2021). Análisis térmico de un prototipo de cámara de secado estática por convección y radiación de 1000 W para uso semiindustrial. Universidad Técnica de Ambato. Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, Carrera de Ingeniería Mecánica.Canduela Ilundain, J. I. (2022). SISTEMA DE CONTROL PID DE TEMPERATURA PARA LA DOCENCIA DE ASIGNATURAS DE REGULACIÓN AUTOMÁTICA. 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Implementación de un sistema de control en un prototipo de horno para el tratamiento de cascarilla de café, cascarilla de nuez de palma y ruminal bovino

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