RESUMEN

Este artículo presenta un estudio experimental del consumo de energía de un sistema de refrigeración por compresión de vapor operando bajo los esquemas de control ON-OFF y continuo en varios escenarios de prueba. Los escenarios de estudio propuestos pretenden emular condiciones reales de operación en un sistema de refrigeración como la carga impuesta cuando la puerta de un cuarto frio es abierta. El banco de prueba usado en este estudio permite la implementación del control ON-OFF, PID y lógica difusa usando Labview® y un sistema de adquisición y procesamiento de datos de National Instruments®. El sistema proporciona el consumo de energía para cada estrategia de control implementada para un escenario de prueba dado. Adicionalmente se observa el ajuste de la temperatura de evaporación del refrigerante con respecto a la temperatura de referencia. Los resultados experimentales obtenidos revelan mayores ahorros energéticos, cercanos al 25% y un comportamiento satisfactorio del control de la temperatura de evaporación en los esquemas de control continuo comparados con el ON-OFF. Los resultados obtenidos pueden utilizarse como información de soporte en la determinación del esquema de control en sistemas de refrigeración de gran tamaño donde los costos de operación son considerables.

Palabras clave: Refrigeración, consumo energético, control ON-OFF, PID, lógica difusa, carga parcial.

ABSTRACT

This paper presents an experimental study, in several scenarios of energy consumption in a vapor compression refrigeration system when it operates using ON-OFF, linear and fuzzy logic control schemes. The proposed study scenarios pretend to emulate real operation conditions in refrigeration systems such as a disturbance produced by the door opening. In the test bench used in this study the ON-OFF, PID and fuzzy logic control strategies were implemented via Labview® and National Instruments® hardware. The system provides the energy consumption in each control strategy for a given set of conditions. In addition, the vapor temperature tuning is observed. The results reveal larger energy savings, near 25%, via linear control and fuzzy logic and a satisfactory tracking of the reference compared with ON-OFF. The results of this study can be used as support information when determining a control scheme for a large refrigeration system.

Keywords: Cooling, energy consumption, ON-OFF, PID, fuzzy logic, partial load.

UIS Ingenierías, Volumen 11, No. 1, pags. 73 - 82, Junio 2012; Facultad de Ingenierías Fisicomecánicas, UIS

1. INTRODUCCIÓN

En general, la capacidad de diseño de cualquier sistema de refrigeración excede la carga real debido a la naturaleza aleatoria de la carga (variaciones de la temperatura del ambiente exterior, la apertura de puertas y la disminución de la temperatura del producto una vez ha sido introducido). De lo anterior se concluye que la mayor parte del tiempo, un sistema de refrigeración trabaja a carga parcial. Para asegurar que la temperatura del ambiente refrigerado se mantenga dentro de un intervalo de temperatura aceptable se requiere de un sistema de control de temperatura que adapte los requerimientos de carga a la capacidad de extracción de calor del sistema. El esquema de control más común y de más fácil implementación corresponde al control ON-OFF, el cual determina los ciclos de trabajo del compresor. Sin embargo, existen otros esquemas de control como el control continuo o control de velocidad del compresor que ha reportado un mejor desempeño en el control de los sistemas de refrigeración [1-2]. En [3] se propuso la implementación de un esquema de control para el motor basado en lógica difusa pero buscando optimizar la operación del compresor de un sistema de refrigeración. En [4-5] se implementan esquemas de control basados en lógica difusa en sistemas de acondicionamiento de aire. En ambos casos aunque se simulan algunos escenarios de operación, en ninguno de ellos se evalúa el impacto energético del esquema de control. En este estudio se compara el consumo de energía de un sistema de refrigeración operando mediante las estrategias de control ON-OFF y control continuo bajo esquemas PID y lógica difusa para diferentes escenarios. Las distintas condiciones de operación estudiadas se obtienen variando la temperatura de evaporación de referencia, la carga impuesta y las perturbaciones del sistema. El sistema de adquisición y procesamiento de datos es desarrollado usando LabVIEW®, herramienta que permite la interacción entre el sistema de refrigeración y las estrategias de control implementadas.

2. MARCO TEÓRICO

2.1 Capacidad de Refrigeración

Se entiende por capacidad de refrigeración de un sistema la cantidad de calor que el refrigerante extrae del medio refrigerado. La Capacidad de Refrigeración (CAP), se determina usando (1)

Donde m_r es la rata de flujo de masa del refrigerante, (h₂ - h₁ es la variación de la entalpía entre la salida y la entrada del refrigerante al evaporador, también llamada efecto refrigerante (ER). La rata de flujo de masa del refrigerante es la cantidad de masa movilizado en el compresor por unidad de tiempo, el cual se determina usando (2)

El sistema de refrigeración por compresión de vapor utilizado en este estudio consistió de un banco de prueba para estudios de operación de cuartos fríos, el cual se representa en la Figura 4. El banco experimental tiene una cámara de enfriamiento con un volumen de 3,45 m3, recubierta con paredes de de poliuretano. El sistema de refrigeración se compone de un motocompresor hermético de 1,35 kW, 220 V y 3φ que opera con refrigerante R134a y que cuenta con una capacidad nominal de enfriamiento de 4,10 kW y 3,15 kW para 0ºC y -5ºC respectivamente. Otros componentes principales son un condensador, un evaporador aleteado y dos válvulas de expansión.

El banco cuenta además con elementos adicionales que permiten una mejor operación, como son: separador de aceite, recipiente de líquido, filtro secador, visor, intercambiador, recipiente de succión y amortiguador de vibraciones. Para el manejo de los escenarios de este estudio se incorpora un autotransformador variable en el tablero de control, lo que permite cambiar la carga térmica variando las resistencias eléctricas al interior de la cámara de enfriamiento.

El sistema de adquisición de datos y control se desarrolla usando Field-Point® de National Instruments, que permite el registro y almacenamiento de temperaturas diferentes, localizadas en la entrada y la salida del compresor, el evaporador, la VET, el ambiente y el cuarto frío. Adicionalmente permite la implementación de las estrategias de control ON-OFF y de las de control continuo (PID y Lógica difusa). El software de control se desarrolla en LabVIEW 8.0® y las mediciones de potencia eléctrica se realizan por medio de pinzas amperimétricas tipo RMS.

1. IMPLEMENTACIÓN DE LAS ESTRATEGIAS DE CONTROL

4.1 Control ON-OFF

El control implementado en este estudio para el esquema ON-OFF se configuró para un rango de diferencia de temperatura de 2ºC y funciona con distintas tareas para cada uno de los 4 estados (temperaturas de evaporación) del sistema, como se observa en la Figura 5. En los estados 1 y 2, el compresor permanece encendido y en los estados 3 y 4, el compresor deja de funcionar. Esta distribución de operaciones asignadas a cada uno de los estados genera los ciclos de trabajo del compresor. Esta estrategia de control se implementa para temperaturas de evaporación de 0ºC y -5ºC.

El diagrama de bloque de funcionamiento de este control en el banco de prueba se ilustra en la Figura 6.

4.2 Control Continuo PID

El control continuo basado en el esquema PID es un mecanismo de control por realimentación (ver Figura 7) y reúne tres acciones: proporcional (P), integral (I) y derivativa (D). Matemáticamente se expresa en (7) [6]:

Donde u(t) es la salida del controlador, K_p es la ganancia proporcional, T_i el tiempo integral, T_d el tiempo derivativo y e(t) es la señal de error.

Donde µ_i(λ)es el grado de membresía de en E={e∈E MB(Muy Bajo), B (Bajo), M(Medio), A(Alto), MA(Muy Alto)}, λ € A,B,C . Donde X,Y,Z representan los universos de discurso de las dos entradas y la salida. Las funciones de membresía de las tres variables lingüísticas empleadas se muestran en las Figuras 9, 10 y 11.

Las reglas utilizadas en el control difuso implementado son 15 (Ver Figura 8) y están basadas en el estudio realizado por C. Aprea, R Mastrullo, C. Renno [9].

1. ESCENARIOS DE INVESTIGACIÓN

En concordancia con los factores que determinan el consumo energético mencionado en el análisis teórico, se estableció un conjunto de escenarios de prueba para evaluar los consumos, usando los esquemas de control ON-OFF y control continuo. Los elementos determinantes en el consumo energético de un sistema de refrigeración considerados en este estudio se presentan a continuación.

5.1 Temperatura ambiente externa

Debido al efecto de la temperatura del sumidero en el consumo energético del sistema y a la imposibilidad de controlarla en el banco de pruebas dispuesto para este estudio, las pruebas se realizan en horas de la noche, tiempo en el cual se encontró una menor fluctuación de la temperatura ambiental.

5.2 Temperatura de evaporación de referencia

Se establecieron como temperaturas de referencia 0°C y -5°C. La temperatura de referencia determina la temperatura del ambiente refrigerado y por lo tanto el flujo de calor del exterior al interior de la cámara de enfriamiento a través de las paredes de la misma.

5.3 Carga térmica a extraer

La carga térmica a extraer se establece en dos niveles, carga alta y carga baja. La carga alta corresponde al 60% de la capacidad nominal del compresor, para la temperatura de evaporación correspondiente, y la carga baja al 20%, respectivamente.

5.4 Perturbaciones del sistema

Las perturbaciones son cargas térmicas temporales adicionadas al sistema de refrigeración aplicadas por 30 segundos cada 30 minutos por un término de prueba de 2 horas. Estas perturbaciones son emuladas con la apertura de la puerta del cuarto frío. Esta condición da lugar a una carga térmica debido a la filtración de aire a temperatura y humedad del ambiente exterior del cuarto. En este estudio se tendrán escenarios con perturbaciones (CP) y sin perturbaciones (SP). Los escenarios planteados para este estudio se pueden resumir en la Tabla 2.

1. RESULTADOS EXPERIMENTALES

El análisis experimental que resulta de la observación del sistema en estudio para los distintos esquemas de control y en los escenarios propuestos, se divide en dos partes. En la primera se observa y evalúa la capacidad de cada esquema de control para alcanzar y mantener la temperatura de referencia en condiciones cuasi-estables y en transitorios de importancia. En la segunda parte se evalúan los consumos energéticos del sistema en cada uno de los esquemas de control, causados en la etapa de estado estable y en la transitoria.

6.1 Comportamiento transitorio y estable de la temperatura de evaporación.

La Figura 12 permite observar el comportamiento transitorio de la temperatura de evaporación desde el arranque del sistema, en respuesta a cada uno de los esquemas de control implementados. Se observa que el control ON-OFF alcanza la temperatura de referencia en el menor tiempo. Esta rápida respuesta se debe a que en este esquema de control el compresor opera a su velocidad nominal de 1750 rpm (60 Hz). Este comportamiento le confiere ventajas operativas al control ON-OFF con respecto al control continuo en cuanto se refiere al arranque del sistema. En la Figura 13 se puede observar el grado de ajuste que se logra con cada uno de los esquemas de control implementados en la condición cuasi-estable del sistema para una temperatura de referencia de 0ºC. En esta figura se observa que el control ON-OFF produce una mayor variación de la temperatura de evaporación dentro del rango de diferencia ajustado, con una tendencia a sobrepasar los límites debido a la inercia térmica del sistema. Por otro lado, en el control PID la temperatura de evaporación presenta una menor fluctuación en comparación con el control ON-OFF, alrededor de la temperatura de referencia. En el control difuso, la temperatura de evaporación no alcanza la temperatura de referencia, presentando un ligero desplazamiento del valor de referencia, el cual puede ajustarse estableciendo una temperatura de referencia un poco menor que la requerida. Esta variación entre la temperatura de referencia y la temperatura promedio alcanzada con el esquema de control difuso no afecta significativamente la evaluación del consumo energético. Por otra parte, la variación antes mencionada no altera las conclusiones derivadas del análisis energético que se explica más adelante, por cuanto si se ajusta la referencia buscando alcanzar los 0ºC el consumo teórico y por ende experimental, sería aun menor que el consumo encontrado al usar esta estrategia.

6.2 Consumos energéticos para cada uno de los esquemas implementados.

La síntesis de los resultados experimentales en cuanto al consumo energético correspondiente a un periodo de análisis de 1 hora se muestran en las Figuras 14 y 15 para los niveles de temperatura de referencia establecidas, 0ºC y -5ºC, respectivamente. En la Figura 14 se puede observar que para una temperatura de referencia de 0°C el control que produce más consumo de energía es el ON-OFF, seguido del PID y el de la lógica difusa, en todos los escenarios de experimentación propuestos. En la Figura 15, para el caso de la temperatura de evaporación de -5°C se observa un mayor consumo de energía del control ON-OFF respecto al PID en todos los escenarios de investigación.

En la Figura 15 se ilustra el porcentaje de ahorro de las estrategias de control continuo (PID y difuso) con respecto a la estrategia de control ON-OFF, en cada uno de los escenarios estudiados. El porcentaje de ahorro de energía al comparar cada uno de los esquemas de control se determina usando (11-13).

En la Figura 16 se observa que el mayor porcentaje de ahorro se logra implementando el control difuso en lugar del ON-OFF, independientemente del escenario manejado. En el escenario de carga al 60% y temperatura de evaporación 0ºC, el porcentaje de ahorro PID vs. ON-OFF presenta una gran diferencia entre los casos CP (2.25%) y SP (17.61%). Las razones de esta diferencia en consumo energético se deben principalmente a que en el control PID las perturbaciones sobre el sistema producen un efecto transitorio que llevan al compresor desde un estado de bajas revoluciones y bajo consumo energético a un estado de máximas revoluciones y alto consumo energético, en un periodo corto, aumentando sustancialmente el consumo de energía. Por el contrario en el esquema ON-OFF las perturbaciones llevan el compresor al estado de máximas revoluciones que es el estado normal de funcionamiento de éste (ver Figuras 17 y 18). Los porcentajes de ahorro a baja carga, CP o SP, son muy similares para una misma temperatura de evaporación debido a que la carga no tiene un efecto significativo en la respuesta del control.

1. CONCLUSIONES

En este estudio se demostraron las ventajas de la estrategia de control continuo respecto a la de ON-OFF aplicados al control de temperatura de vaporación de la planta en estudio. Los resultados experimentales permitieron concluir que el esquema continuo consume menos energía en todos los escenarios planteados.

Es importante señalar que los porcentajes de ahorro del esquema continuo sobre el control ON-OFF varían de acuerdo con el escenario. Por otro lado, desde el punto de vista de operación, la estrategia de control ON-OFF, especialmente a bajas cargas, produce tiempos de encendido del compresor muy cortos, que tienden a producir más desgaste en el compresor debido a los ciclos de arranque y parada a los que es sometido; mientras que en las estrategias de control continuo no es recomendable trabajar a frecuencias bajas debido a que se generan problemas de vibraciones y ruido como se constató experimentalmente. La comparación de los distintos esquemas de control en posibles escenarios reales permite establecer la ventaja en control y ahorro de energía de la estrategia de control difuso.

A pesar de las ventajas que ofrecen los controles continuos en ahorro de energía, esta ventaja se pierde por causa de las perturbaciones. Por lo tanto se recomienda, en una operación normal, reducir al mínimo las perturbaciones producto de situaciones como apertura de puertas, ventanas o filtraciones.

1. REFERENCIAS

[1] Unezaki, F.; Anzai, Y.; Ikeda, T.; Matsuoka, F., “Energy Saving Refrigeration System for Supermarket”, Fourth International Symposium on Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing, 2005. Eco Design 2005, vol.12, no 14, pp.482-483, Dec. 2005.
[2] Wicks, F., “2nd law analysis of ON/OFF vs. frequency modulation control of a refrigerator”, Energy Conversion Engineering Conference and Exhibit, 2000. (IECEC) 35th Intersociety, vol.1, pp.340-344 , 2000.
[3] Sousa, G.C.D.; Bose, B.K.; Cleland, J.G., “Fuzzy logic based on-line efficiency optimization control of an indirect vector controlled induction motor drive”, International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, Proceedings of the IECON ‘93., pp.1168-1174 vol.2, Nov. 1993.
[4] Tobi, Toshikazu, “A practical application of fuzzy control for an air-conditioning system”, International Journal of Approximate Reasoning, Vol.5, (3), pp. 331-348, May 1991.
[5] Becker, M.; Oestreich, D.; Hasse, H.; Litz, L.; , “Fuzzy control for temperature and humidity in refrigeration systems”, Proceedings of the Third IEEE Conference on Control Applications, 1994., vol.3, pp.1607-1612, Aug 1994.
[6] Orhan Ekren, Savas Sahin, Yalcin Isler, “Comparison of different controllers for variable speed compressor and electronic expansion valve”, International Journal of Refrigeration, Volume 33, Issue 6, September 2010, Pages 1161-1168. [7] Ziegler, J.G, and N. B. Nichols, “Optimum setting for Automatic controllers”, Trans ASME, vol 64, pp 759, 1942.
[8] Ross, T. 2004. “Fuzzy Logic with Engineering Applications”, Chichester, UK: Wiley. [9] Aprea C, Mastrullo R, Renno C, “Fuzzy control of the compressor speed in a refrigeration plant”, International Journal of Refrigeration, Vol. 27 (6), pp. 639-648, 2004.