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Isto traduz-se em custos operacionais mais baixos e impacto ambiental reduzido.

Uma abordagem clássica ao controlo do sobreaquecimento é a utilização da regulação PID. Infelizmente, quando nos propomos o ambicioso objectivo de funcionamento do mobiliário com sobreaquecimento extremamente baixo, deparamo-nos com as limitações de tal abordagem; líquido a sair do evaporador, o que significa perda de eficiência, líquido a regressar ao compressor ou um sistema instável com um nível de sobreaquecimento altamente variável.

O sistema de reaquecimento DOMINO sob DOMINO desenvolvido por Eliwell é baseado em um modelo matemático do ciclo termodinâmico do evaporador, que segue o enchimento do evaporador, antecipando e limitando o excesso de refrigerante. O controlador realiza uma estimativa das características do armário de refrigeração que tem em conta, entre outras coisas, quaisquer erros ou atrasos de medição, tamanho não óptimo da válvula e velocidade do refrigerante.

Além disso, o sistema DOMINO é um sistema preditivo, ou seja, o modelo é constantemente actualizado para compensar as alterações na unidade ou gabinete de refrigeração. Isto resulta em baixo sobreaquecimento em todas as condições de funcionamento com poupanças significativas de energia na instalação.

ALGORITMO PID PARA CONTROLO DE SOBRECALIZAÇÃO

Os sistemas electrónicos de modulação da válvula de expansão baseiam-se nos valores de sobreaquecimento na saída do evaporador, este sobreaquecimento depende do grau de abertura da válvula de expansão, bem como do calor absorvido.

Os sistemas convencionais utilizam algoritmos PID para decidir o grau de abertura da válvula de expansão electrónica num dado instante com base no valor de sobreaquecimento medido na saída do evaporador.

O algoritmo PID é o mais utilizado quando não há conhecimento do processo a ser controlado, uma vez que com apenas 3 variáveis a ajustar, é possível obter uma resposta aceitável. As 3 variáveis de controlo são aquelas que dão ao algoritmo o seu nome, P - Proporcional, I - Integral e D - Derivado.

Normalmente são utilizados os 2 primeiros componentes, P+I Proporcional e Integral e em alguns casos é adicionado o componente derivado D.

Factores tais como a não linearidade das válvulas de expansão, o atraso na medição e acção de controlo, juntamente com outros factores chave para a regulação, tais como o tempo de enchimento do evaporador ou a velocidade do refrigerante, significam que o algoritmo PID não permite a obtenção de valores baixos e estáveis de sobreaquecimento.

Para evitar estas oscilações, é estabelecido um valor de sobreaquecimento mais elevado e a pressão de evaporação é reduzida para evitar fugas de líquido do evaporador.

ANÁLISES LABORATORIAIS

A fim de comparar o desempenho do controlo PID com o desempenho baseado no modelo matemático, foi realizada uma série de testes com diferentes unidades de refrigeração.

O mobiliário foi instalado numa câmara climática que controla a temperatura e humidade com valores de 25ºC e 60 %Hr. Para o estudo comparativo, foram feitas medições de temperatura e humidade a cada minuto.

Foram instalados três sensores de alimentação, três de retorno e dois de inércia em cada uma das unidades frigoríficas. Além disso, 2 sondas de temperatura e 2 sondas de humidade foram instaladas na câmara climática para monitorização.

O mobiliário foi colocado na câmara para simular o funcionamento de uma instalação real.

As unidades de refrigeração são ligadas a uma unidade de refrigeração com refrigerante R134a com controlo de velocidade no primeiro compressor, bem como nos ventiladores de condensação.

A imagem seguinte mostra uma câmara frigorífica onde foi instalado um sistema de controlo baseado no algoritmo PID e o sistema baseado no modelo matemático do evaporador. O armário está localizado numa câmara com temperatura e humidade controladas, onde também existem outros armários frigoríficos em funcionamento.

Foram também instaladas múltiplas sondas de temperatura ambiente no armário de refrigeração, bem como uma sonda de inércia para analisar o comportamento da temperatura com as diferentes opções.

Os 2 testes foram realizados com o mesmo armário de refrigeração, a mesma válvula electrónica e a mesma unidade de refrigeração, simplesmente alterando o firmware de controlo do controlador, um com um algoritmo PID e o outro com um algoritmo baseado num modelo matemático do ciclo termodinâmico do evaporador.

Durante a simulação, foram realizados vários testes operacionais com o sistema baseado no algoritmo PID. Especificamente, foram realizados testes com temperaturas de evaporação de -10ºC, -8ºC, -6ºC, -4ºC e finalmente com temperaturas de evaporação de -2ºC.

Durante os diferentes testes foi possível verificar que com temperaturas de evaporação até -6ºC, o controlador com algoritmo PID mantém correctamente a temperatura da unidade de refrigeração e o seu funcionamento é correcto. Se, por outro lado, aumentarmos a evaporação acima deste valor, o comportamento do sobreaquecimento torna-se instável e, a fim de evitar fugas de líquido, os parâmetros do algoritmo PID tiveram de ser modificados sem obter estabilidade suficiente na temperatura do armário frigorífico.

Durante os testes, o objectivo é manter uma temperatura de 0°C no armário.

A imagem mostra o valor do sobreaquecimento com controlo PID no topo em vermelho e com controlo matemático baseado em modelos na parte inferior em vermelho.

O sistema com o modelo matemático mantém o sobreaquecimento entre os valores de sobreaquecimento de 5,4 e 4,3, enquanto que o sistema PID mantém o sobreaquecimento entre 6,1 e 2,5.

A imagem mostra o comportamento do grau de abertura da válvula. Pode-se ver como o sistema baseado no modelo matemático (abaixo em verde) mantém a quantidade certa de refrigerante necessária para a unidade de refrigeração em qualquer momento.

Com uma temperatura de evaporação de -2°C e um ajuste de sobreaquecimento de 4°C o sistema com algoritmo PID tenta manter o valor de sobreaquecimento ajustado, mas como o refrigerante leva algum tempo a percorrer o evaporador, há um intervalo de tempo entre o sinal enviado para a válvula e o valor de sobreaquecimento.

Pelo contrário, o sistema baseado num modelo matemático adapta-se ao valor do tempo necessário para percorrer o evaporador, permitindo-lhe antecipar o que vai acontecer, de modo a injectar a quantidade certa de refrigerante com baixos valores de sobreaquecimento e permitindo manter a temperatura da unidade de refrigeração a uma temperatura de evaporação de -2ºC.

A imagem seguinte mostra o valor da temperatura do mobiliário. No topo com o algoritmo PID e na base com o sistema baseado no modelo matemático.

Como se pode ver, o sistema que utiliza o modelo matemático permite manter a temperatura com valores médios de 1ºC, enquanto que o sistema que utiliza o algoritmo PID não pode manter a temperatura dentro dos limites requeridos.

Além disso, o sistema controlado pelo PID tem flutuações de temperatura no armário de refrigeração devido a flutuações de sobreaquecimento e o PID da válvula electrónica entra em conflito com o PID do controlador do compressor. Isto significa arranques e paragens desnecessários de compressores.

Por outro lado, o sistema baseado no modelo matemático permite que o compressor equipado com um variador de velocidade seja mantido em funcionamento, com ambos os algoritmos afinados um ao outro.

ANÁLISE REAL COM R744 EM FASE TRANSCRÍTICA

Vejamos agora uma aplicação prática onde a solução baseada no modelo matemático do evaporador Eliwell fez a diferença.

Escolhemos uma instalação de tamanho médio, um supermercado de 1.200^m2 com 9 armários de refrigeração, uma câmara de temperatura positiva, 3 armários de congelação e uma câmara de congelação.

A unidade de controlo de reforço de_CO2 Transcritical consiste em 3 compressores para temperatura positiva e 2 compressores para temperatura negativa. O controlo electrónico da instalação frigorífica foi realizado com uma unidade EWCM 9000 PRO / CO2T DOMINO.

Nesta planta, a pressão de evaporação foi aumentada de 25 Bar para 30 Bar, atingindo uma eficiência energética de mais de 10%. A possibilidade de aumentar ainda mais a pressão para 32 Bar pode levar a pelo menos mais quatro pontos percentuais de optimização do consumo, assegurando não só a máxima eficiência e sustentabilidade da solução, mas também a qualidade da conservação.

Com o controlo PID tradicional, pode-se ver como a capacidade de trabalho dos compressores na instalação frigorífica mostra oscilações típicas deste tipo de controlo, produzindo activações por curtos períodos de tempo.

No entanto, com o sistema DOMINO, é possível verificar que a instalação funciona com carga constante, reduzindo significativamente o número de intervenções do compressor.

Em condições ambientais iguais, o número de compressores arranca e pára de 50-80 para apenas 10 por dia, permitindo que a taxa de evaporação seja aumentada para 30 Bar (-4ºC).

Além disso, ao equipar o sistema com a electrónica de monitorização Eliwell TelevisGO e graças ao seu algoritmo de análise das temperaturas do mobiliário e das câmaras, seria possível aumentar ainda mais a evaporação, atingindo até 32 Bar (-2ºC).

Uma das melhorias no funcionamento do sistema modelo matemático é que evita o esvaziamento do evaporador e torna possível uma melhor manutenção da temperatura da unidade de refrigeração.

As imagens seguintes mostram o comportamento de 3 peças de mobiliário em ON-OFF e operação modulante.

Em vermelho os valores do gabinete 1, em azul os do gabinete 2 e em verde os do gabinete 3.

A imagem mostra a estabilidade da temperatura ambiente no próprio armário do frigorífico.

Na imagem acima, pode-se ver que os sistemas clássicos de controlo de sobreaquecimento PID entram em ressonância com o controlo evaporativo da instalação frigorífica sob certas condições de funcionamento. Isto resulta em oscilações de sobreaquecimento e, portanto, no risco de refluxo de líquido, para resolver este comportamento o conjunto de sobreaquecimento é aumentado.

O sistema baseado no modelo matemático do evaporador permite a utilização de_CO2 com sobreaquecimentos entre 4K e 2K, procurando a máxima troca de calor no evaporador, sem retorno de líquido para os compressores.

A imagem mostra o funcionamento da válvula de expansão. Deve-se notar que as válvulas utilizadas são do tipo de pulso, pois são as que permitem uma resposta rápida no controlo da injecção de líquido no evaporador.

Como se pode ver na imagem, os controlos PID clássicos variam a sua percentagem de abertura de 0% a 100% sem obter estabilidade no sobreaquecimento e penalizando a troca térmica.

Por outro lado, a regulação baseada no modelo matemático do evaporador consegue uma modulação contínua, com fluxo de massa constante, permitindo que o controlo do evaporador e o controlo da instalação frigorífica estejam em sintonia entre si.

ANÁLISE ENERGÉTICA NUMA INSTALAÇÃO REAL INSTALAÇÃO REAL

O consumo de energia de uma central eléctrica positiva de uma instalação real tem sido monitorizado. Esta análise é baseada na metodologia de trabalho de acordo com as normas desenvolvidas no protocolo internacional de medição e verificação desenvolvido pela organização de verificação da poupança EVO.

O principal objectivo desta análise é verificar a poupança de energia obtida com a instalação do dispositivo baseado no modelo matemático com sobreaquecimento de 4K e evaporação durante a noite a (-2,5°C) e durante o dia a (-4,8°C) versus um controlador PID com sobreaquecimento de 10K e evaporação de (-10°C).

Os dados de consumo de energia da planta são mostrados abaixo.

CONCLUSÕES

Os sistemas tradicionais com algoritmos PID podem gerar fugas de líquido do evaporador ou tornar o sistema instável, com valores de sobreaquecimento muito variáveis ao longo do tempo.

Em contraste, com o sistema baseado no modelo matemático do evaporador, obtém-se um sobreaquecimento baixo em todas as condições de funcionamento com poupanças significativas de energia na instalação frigorífica.

Da mesma forma, com este sistema, obtém-se estabilidade na temperatura de cada unidade de refrigeração, devido ao facto de o valor do sobreaquecimento ser mais estável (obtido com válvulas electrónicas pulsadas para uma velocidade de resposta mais rápida).

Este aumento na estabilidade da pressão de evaporação significa uma redução do número de ciclos de arranque-paragem do compressor, o que é benéfico em termos de manutenção e aumenta o ciclo de vida dos compressores, reduzindo os custos de gestão da instalação.

É preciso lembrar que cada instalação tem um sobreaquecimento mínimo estável e ideal, que depende de muitos factores, incluindo aqueles externos ao regulamento. O algoritmo baseado no modelo matemático do evaporador consegue encontrar este valor mínimo e defini-lo para um valor muito baixo, próximo de 4K.