Identificación y control de temperatura para un tanque de agua vertical de gran capacidad

Abstract

[ES] Mantener bajo control la temperatura de un líquido almacenado en un gran tanque vertical es un problema complejo. Parte de ese problema reside en la imposibilidad de conocer la temperatura en todos los puntos del tanque, reduciéndose en la mayoría de los casos a 2 o 3 puntos de medición. Cuando el número de puntos de medida es pequeño, la suposición de que reflejan la temperatura del volumen del líquido puede ser aceptada dependiendo de varios factores, uno de ellos la posibilidad de que el líquido se estratifique por temperatura en el interior del tanque.

Este problema puede ser solucionado mediante la instalación de un mezclador mecánico en el sistema, pero esta solución no siempre es posible. Este TFG se centra en resolver este problema para un tanque de 500 l que se utiliza en un laboratorio de geotermia somera que utiliza agua. La temperatura del agua que se utiliza en la instalación depende de la temperatura que sale de un tanque que se puede calentar. El caudal de agua utilizado es tan pequeño comparado con la capacidad del tanque que la instalación ha sufrido problemas debidos a la estratificación por temperatura del agua en el interior del tanque.

Las variables que se conocen del tanque son las temperaturas de entrada y salida, el caudal de entrada/salida y una temperatura del líquido contenido en el tanque. Para aumentar la temperatura del tanque (única acción de control posible) se cuenta con una resistencia eléctrica de potencia desconocida. El objetivo de este TFG será diseñar un sistema control que reduzca la variabilidad de la temperatura de salida del tanque, para ello será imprescindible realizar la identificación del sistema formado por el depósito y la resistencia de calentamiento.

[EN] Keeping under control the temperature of a liquid stored in a large vertical tank is a complex problem. Part of this problem lies in the impossibility of knowing the temperature at all points in the tank, being reduced in most cases to 2 or 3 measurement points. When the number of measurement points is small, the assumption that they reflect the temperature of the liquid volume can be accepted depending on several factors, one of them being the possibility that the liquid is stratified by temperature inside the tank.

This problem can be solved by installing a mechanical mixer in the system, but this solution is not always possible. This TFG focuses on solving this problem for a 500 l tank used in a shallow geothermal laboratory using water. The temperature of the water used in the installation depends on the temperature coming out of a tank that can be heated. The water flow rate used is so small compared to the capacity of the tank that the installation has experienced problems due to temperature stratification of the water inside the tank.

The known variables of the tank are the inlet and outlet temperatures, the inlet/outlet flow rate and a temperature of the liquid contained in the tank. To increase the tank temperature (the only possible control action) an electrical resistance of unknown power is available. The objective of this TFG will be to design a control system that reduces the variability of the outlet temperature of the tank, for which it will be essential to identify the system formed by the tank and the heating resistor.

[CA] Mantindre sota control la temperatura d'un líquid emmagatzemat en un gran tanc vertical és un problema complex. Part d'aqueix problema resideix en la impossibilitat de conéixer la temperatura en tots els punts del tanc, reduint-se en la majoria dels casos a 2 o 3 punts de mesurament. Quan el nombre de punts de mesura és xicotet, la suposició de que reflecteixen la temperatura del volum del líquid pot ser acceptada depenent de diversos factors, un d'ells la possibilitat que el líquid s'estratifique per temperatura a l'interior del tanc. Aquest problema pot ser solucionat mitjançant la instal·lació d'un mesclador mecànic en el sistema, però aquesta solució no sempre és possible. Aquest TFG se centra en resoldre aquest problema per a un tanc de 500 l que s'utilitza en un laboratori de geotèrmia succinta que utilitza aigua. La temperatura de l'aigua que s'utilitza en la instal·lació depèn de la temperatura que ix d'un tanc que es pot calfar. El cabal d'aigua utilitzat és tan xicotet comparat amb la capacitat del tanc que la instal·lació ha patit problemes deguts a l'estratificació per temperatura de l'aigua a l'interior del tanc. Les variables que es coneixen del tanc són les temperatures d'entrada i eixida, el cabal d'entrada/eixida i una temperatura del líquid contingut en el tanc. Per a augmentar la temperatura del tanc (única acció de control possible) es compta amb una resistència elèctrica de potència desconeguda. L'objectiu d'aquest TFG serà dissenyar un sistema control que reduïsca la variabilitat de la temperatura d'eixida del tanc, per a això serà imprescindible realitzar la identificació del sistema format pel depòsit i la resistència de calfament.