Especificación de componentes térmicos - Cocinar un gran gumbo

Al igual que hacer un excelente guiso gumbo, al especificar los componentes térmicos es esencial tomar un planteamiento de sistema.

por Christopher C. Lanham

Un error habitual a la hora de especificar componentes térmicos es no considerar adecuadamente cómo un componente interactúa con su entorno y con otros componentes en el sistema. Por ejemplo, los ingenieros a menudo solicitan calefactores con una uniformidad de temperatura muy específica, sin comprender que dicha uniformidad no es un atributo de un componente de calefactor (la disipación del calor es un atributo del calefactor). De forma similar, cuando un nuevo diseño de sistema térmico no es capaz de controlar la temperatura dentro de las tolerancias deseadas, a menudo se concluye que la precisión de la unidad de control PID es el problema. Sin embargo, con más frecuencia la respuesta del sensor o calefactor es inestable debido a problemas de ajuste mecánico. Para hacer la mejor elección de componente térmico para una aplicación determinada y evitar dar muchas vuelvas durante la compra de nuevo equipo, es esencial recordar que el rendimiento de un sistema no es simplemente la suma de los rendimientos de cada componente individual. Incluso para sistemas térmicos muy sencillos, dedicar tiempo a desarrollar un sistema completo puede reducir drásticamente el tiempo de ciclo de diseño y los costes de desarrollo. Dicho planteamiento puede eliminar cualquiera de los problemas potenciales al intentar “volver a apostar” en un sistema térmico, un componente a la vez.

En su forma más básica, un sistema térmico consta de los siguientes componentes principales:

• Carga de trabajo: el elemento que se va a calentar.
• Medio de transferencia de calor: los materiales y entorno que debe transferir el calor a y desde la carga de trabajo.
• Fuente de calor/frío: el elemento que convierte la fuente de alimentación de entrada en energía de calentamiento/enfriamiento.
• Sensor de temperatura del proceso: el elemento que indica la temperatura de la carga de trabajo.
• Control de temperatura del proceso: el elemento que regula la temperatura de la carga de trabajo.
• Control de potencia: el elemento que conecta/desconecta la fuente de entrada a la fuente de calor/frío tal como determina el control de temperatura del proceso.

Cuando los tiempos son ajustados, los ingenieros de diseño frecuentemente buscan directamente en las características específicas de un componente concreto mientras dedican poco esfuerzo a comprender la interrelación entre dicho componente y el resto de elementos. Al igual que la combinación de especias proporcionan una riqueza de sabor a un plato de gumbo, la disipación de potencia en una superficie de un calefactor es tan solo un “ingrediente” de esa uniformidad de temperatura dentro de un sistema térmico. Se puede diseñar una fuente de calor/frío que haga que surja el atributo del sistema de uniformidad de temperatura, siempre que la fuente esté combinada con el resto de componentes del sistema de una forma muy específica y controlada. La definición de la relación de los componentes del sistema de forma que el rendimiento del sistema deseado emerja es el principal reto a la hora de describir un sistema térmico.

Descripción del sistema

Todo desarrollo de un sistema debería comenzar con una declaración clara de la necesidad desde la perspectiva del usuario. Cuando se empieza a cocinar un plato de gumbo, la declaración de necesidades podría ser “Me gustaría algo picante para comer”. Para un ejemplo relevante para los sistemas térmicos, considere la planificación del diseño de un plastómetro de extrusión, que es un dispositivo analítico utilizado para determinar las propiedades de fusión de plásticos o polímeros. La declaración de necesidades de este tipo de dispositivo podría ser “Me gustaría controlar la temperatura de la muestra en mi plastómetro de extrusión a ±1% T en el punto establecido”.

Una vez establecida claramente la necesidad, una descripción de sistema comienza definiendo el comportamiento del sistema necesario para satisfacer dicha necesidad. El comportamiento se puede describir en términos de “lo que hace” o las actividades que se deben realizar. Para nuestra comida, una característica de comportamiento es el sabor, en este caso, picante. Para la necesidad de nuestro plastómetro de extrusión, una característica de comportamiento es uniformidad de temperatura, en este caso ±1%. A menudo, el comportamiento se define como una función y se define en una especificación funcional que describe lo siguiente:

• Misión: objetivos que se deben cumplir, información que se debe recopilar o recibir, planificación o proceso que se debe seguir y grado de cooperación con otros en el entorno.
• Viabilidad: el grado en el que el sistema es capaz de mantener una existencia independiente en el entorno.
• Recursos: lo que es necesario para la consecución de la misión y el mantenimiento de la visibilidad.

A continuación, es útil describir la estructura del sistema, específicamente, cómo se construye y cómo cada componente interactúa con el resto. Para crear una comida picante, el uso de cayena es una buena opción. El arroz es un buen candidato para absorber el sabor de la cayena mientras que las gambas y quimbombó completarán el plato perfectamente. Por tanto, para un almuerzo picante, gumbo es potencialmente una buena solución estructural. En cuanto a la extrusión, la uniformidad de temperatura de ±1% va a requerir otra buena estabilidad de carga o una excelente respuesta dinámica. Las muestras de plastómetro son pequeñas, por lo que los cambios en la carga serán pequeños, sin embargo, la cámara de extrusión necesita ser grande para soportar un alto nivel de fuerza aplicada. Una solución estructural potencialmente buena es calentar el barril de extrusión externamente con un calefactor de banda de potencia distribuida. Esto permitirá que el calor aplicado se adapte a las zonas para compensar las pérdidas del extremo de la cámara y reducirá la carga en el tiempo de respuesta del sistema de control.

A menudo, la estructura se indica como una forma y se añade a una especificación funcional para crear una especificación de desarrollo de sistema completa. Sin embargo, es importante evitar definir la estructura de un sistema hasta que su comportamiento esté bien definido. Bastante literalmente, la forma podría seguir la función para llegar a la mejor solución. Para que una definición de estructura esté completa, debería tratar lo siguiente:

• Configuración: identificación de cada elemento físico que compone el sistema y su posición, propiedades, materiales y características.
• Contexto: el entorno que actúa en el sistema, incluido lo que lo une y trabaja para separarlo.
• Capacidad: el nivel de logro que puede esperarse basándose en las características internas.

Si bien una definición clara del comportamiento y estructura representa una descripción completa de un sistema, no representa necesariamente la mejor combinación disponible de comportamiento y estructura. Para obtener la mejor solución, se necesita una definición de eficacia.

La eficacia es la medida de lo bien que satisface el sistema una necesidad. Sin medidas definidas de eficacia, no hay ninguna forma específica de determinar si la descripción de un sistema concreto es mejor que otra, o incluso si una descripción de sistema dada es fiable. A menudo, esto se llama como “ajuste”. ¿Qué hace a un gumbo mejor que otro? Y dentro de los plastómetros de extrusión, ¿sobre qué rango de puntos establecidos es una uniformidad de temperatura de ±1% importante? ¿Tiene que mantenerse la uniformidad mientras se escala entre los puntos establecidos? Una buena definición de “ajuste” o eficacia tratará tres áreas:

• Rendimiento: los límites mínimos aceptables para características como estabilidad, capacidad de respuesta y uniformidad.
• Disponibilidad (de rendimiento): la capacidad del sistema para continuar funcionando en condiciones normales.
• Recuperación: la capacidad del sistema de restaurar el rendimiento tras unas condiciones anómalas.

Las técnicas como análisis de coste/beneficio de una solución, modelado de objetos y simulación son planteamientos de ingeniería de sistemas para medir la eficacia. Con un filtro de eficacia instaurado, el proceso de optimización se puede emplear para determinar el qué combinación de comportamiento/estructura se ajusta mejor al sistema. Con el fin de obtener el requisito de uniformidad de temperatura para un plastómetro de extrusión, se puede utilizar un proceso de optimización para determinar el grado de dificultad (y coste) asociado con la obtención del rendimiento requerido con una construcción dada. La optimización determinará que la configuración del calefactor de banda/barril de extrusión se puede controlar dentro de los límites aceptables, o descubrirá que se debería considerar un método distinto de aplicación de calor (estructura).

Mediante la optimización, se obtendrá una descripción clara de los atributos o características críticos del sistema. Si el proceso de describir el sistema, definir la eficacia y la optimización tienen éxito, las propiedades emergentes que resultan deben estar estrechamente alineadas con la declaración original de necesidad. 

Especificación de un componente 

A la hora de especificar un componente, se necesita comprender el comportamiento, la estructura, eficacia y optimización del sistema para obtener mejor el resultado deseado. Obviamente, es práctico limitar el esfuerzo empleado en esta comprensión, especialmente cuando parece haber una amplia libertad en el comportamiento o rendimiento aceptable. Es probable que la cantidad de cuidado y planificación necesarios para preparar un gran gominola en Nueva Orleans sea considerablemente mayor que en un bar & grill del medio oeste.

Para equilibrar el esfuerzo empleado (inversión) frente al beneficio potencial (retorno), se debe considerar el riesgo. Los altos costes de componentes asociados a gastos en caso de fallo dictarán que un mayor esfuerzo inicial esté garantizado. Por contra, cuando los costes de componentes son bajos y el coste de fallo es insignificante, puede que no sea necesario un esfuerzo importante inicial, y los componentes estándar puedan ser suficientes. Sin embargo, si un componente debe diseñarse de forma personalizada para una aplicación, una inversión inicial, que implique el desarrollo cuidadoso de una descripción de sistema completa, casi siempre reduce el coste general al evitar el tiempo y gasto de modificaciones repetidas.

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Comprensión del riesgo de desarrollo

Si se considera de nuevo el plastómetro de extrusión, la declaración de necesidades podría ser “cada muestra de extrusión debe mantenerse uniformemente a 300 F ±1%”. Si no se satisface esta necesidad, el riesgo de desarrollo es que la máquina no tenga un rendimiento adecuado y producirá lecturas inadecuadas para las propiedades de fusión. Por tanto, el diseño del plastómetro de extrusión también será una tarea costosa, ya que el riesgo asociado con la uniformidad de temperatura es alto.

Como resultado, se garantiza una inversión sustancial para desarrollar una descripción completa del sistema alrededor de la declaración de necesidad. En ausencia de una descripción completa, el comportamiento deseado puede identificarse de forma incorrecta como una especificación de componentes para una unidad de control de temperatura. Más probablemente, el problema real es que la variación no controlada en la resistencia de contacto térmico entre el calefactor de banda y el barril de extrusión haga imposible mantener la uniformidad en la muestra, no importa lo complejo o sofisticado que sea el control de temperatura. Para garantizar que la uniformidad deseada se obtiene en la muestra, la estructura del sistema debe definirse cuidadosamente con respecto a todas las condiciones de límites eléctricos, mecánicos y ambientales que rodean a la muestra, incluido cómo se detectará y medirá la uniformidad. Además del rendimiento de punto establecido y de uniformidad, otros atributos de eficacia como la velocidad y tiempo de rampa, tiempo de ciclo y rendimiento pueden ser importantes para considerarse.

En resumen, si el riesgo asociado con obtener una especificación es alto, intentar cumplir dicha especificación mediante la selección de componentes individuales sin una comprensión importante del sistema no se recomienda. A menudo, es necesario construir un modelo informático numérico para el sistema, que pueda tener en cuenta la multitud de factores que afectan a las interfaces entre componentes, para llegar a una solución eficaz.

Comprensión del impacto de la precisión

Un error común y adicional es imponer las exigentes especificaciones de rendimiento en componentes individuales para que se encarguen de la acumulación de tolerancias en un sistema. Cuando se utiliza este método en vez de una descripción clara del sistema, o si se impone arbitrariamente en todos los componentes, los costes del sistema pueden aumentar drásticamente.

A veces, un componente es simplemente un componente

En muchas aplicaciones, un planteamiento del sistema puede ser la clave para ahorrar tiempo y costes a la hora de seleccionar componentes térmicos. Sin embargo, frecuentemente las necesidades del sistema son muy sencillas, por lo que no son necesarias largas inversiones en descripciones detalladas y análisis. Si la tarea es simplemente mantener que el agua no se congele en un depósito, solo se necesitan algunos cálculos térmicos sencillos para seleccionar un componente estándar. En el proceso de seleccionar un calefactor para dicha aplicación, las preguntas sobre cómo se detectará el agua y cómo se controlará el calefactor se tratarán y responderán fácilmente. El riesgo es bajo, tanto si se sigue un proceso de desarrollo de sistema muy formal o no. El reto del diseñador del sistema no es convencer a todos de que los problemas son problemas del sistema. Más bien, es simplemente garantizar que la solución seleccionada produce las propiedades que satisfarán la necesidad del usuario.

¿O sí?

Una última nota de atención. A menudo, una necesidad percibida se indica como una necesidad de componentes, pero en realidad, no se puede satisfacer mediante un planteamiento de componente. Al igual que muchos buenos platos están asociados con una especia concreta, confiar solo en cayena no dará una excelente bol de gumbo.