Desenvolvimento experimental Desenvolvimento experimental de um sistema de refrigeração de um sistema de refrigeração

inteligenteinteligente

Adriano BatistaAdriano BatistaMônica GontijoMônica Gontijo

Máquinas Térmicas IIIMáquinas Térmicas III

ObjetivoObjetivo

Comparar o sistema de refrigeração Comparar o sistema de refrigeração

convencional convencional (on-off) (on-off) e o sistema de controle e o sistema de controle

por lei potencial para operação em malha por lei potencial para operação em malha

fechada (com inversor de freqüência).fechada (com inversor de freqüência).

IntroduçãoIntroduçãoResponsável por 30% do consumo de energia Responsável por 30% do consumo de energia

elétrica brasileira, o mercado de refrigeração elétrica brasileira, o mercado de refrigeração

comercial ainda não tem consciência das medidas comercial ainda não tem consciência das medidas

para reduzir o consumo de energia de suas para reduzir o consumo de energia de suas

instalações frigoríficas. Alguns projetistas do setor instalações frigoríficas. Alguns projetistas do setor

agravam a situação quando adotam técnicas de agravam a situação quando adotam técnicas de

seleção e projeto pelo máximo dos máximos. Os seleção e projeto pelo máximo dos máximos. Os

resultados são instalações superdimensionadas resultados são instalações superdimensionadas

que desperdiçam energia elétrica.que desperdiçam energia elétrica.

Unidade experimentalUnidade experimental1.1. Montagem do sistema de refrigeração industrial de Montagem do sistema de refrigeração industrial de

compressão a vapor funcionando apenas com compressão a vapor funcionando apenas com on-off.on-off.

3.3. Instrumentação e instalação de um sistema de Instrumentação e instalação de um sistema de

aquisição de dados computacional, utilizado para a aquisição de dados computacional, utilizado para a

medição de temperaturas em tempo real. Pressões medição de temperaturas em tempo real. Pressões

foram medidas através de manômetros instalados nas foram medidas através de manômetros instalados nas

linhas de sucção e de descarga do sistema, sendo linhas de sucção e de descarga do sistema, sendo

realizadas leituras visuais no decorrer dos testes.realizadas leituras visuais no decorrer dos testes.

Unidade experimentalUnidade experimental1.1. Instalação de um inversor de freqüência no Instalação de um inversor de freqüência no

sistema, para realizar o controle de velocidade do sistema, para realizar o controle de velocidade do

compressor, juntamente com o sistema de compressor, juntamente com o sistema de

aquisição de dados que foi utilizado também para aquisição de dados que foi utilizado também para

receber o novo sistema de controle proposto receber o novo sistema de controle proposto

através de programação computacional realizada através de programação computacional realizada

com o “software” LABVIEW com o “software” LABVIEW

Unidade experimentalUnidade experimental

Unidade experimentalUnidade experimental

Equipamentos utilizadosEquipamentos utilizadosCâmara fria formada por paredes de madeira de 5 Câmara fria formada por paredes de madeira de 5

cm de espessura, isolada com lã de vidro.cm de espessura, isolada com lã de vidro.

Como carga térmica nos experimentos, foi utilizado Como carga térmica nos experimentos, foi utilizado

um tanque cilíndrico de ferro no interior da câmara, um tanque cilíndrico de ferro no interior da câmara,

com um volume de água de 1,46 mcom um volume de água de 1,46 m33. O objetivo foi . O objetivo foi

o de simular a inércia térmica de uma carga térmica o de simular a inércia térmica de uma carga térmica

existente em aplicações reais e de verificar a sua existente em aplicações reais e de verificar a sua

variação em relação à temperatura interna do ar da variação em relação à temperatura interna do ar da

câmara.câmara.

Equipamentos utilizadosEquipamentos utilizadosPara o resfriamento da câmara foi utilizado um Para o resfriamento da câmara foi utilizado um

evaporador McQuay, modelo FBA 215, com válvula evaporador McQuay, modelo FBA 215, com válvula

de expansão de equalização externa.de expansão de equalização externa.

O inversor de freqüência utilizado foi um modelo O inversor de freqüência utilizado foi um modelo

Siemens MDV550/2, adequado para controlar a Siemens MDV550/2, adequado para controlar a

velocidade de motores trifásicos. O medidor de velocidade de motores trifásicos. O medidor de

energia utilizado foi ESB, modelo SAGA 2300 / energia utilizado foi ESB, modelo SAGA 2300 /

1388 RS 485 eletrônico de demanda ativa e reativa.1388 RS 485 eletrônico de demanda ativa e reativa.

Funcionamento GeralFuncionamento GeralA temperatura do ar interno do ambiente controlado A temperatura do ar interno do ambiente controlado

é lida por um termistor, que varia a sua resistência é lida por um termistor, que varia a sua resistência

conforme a variação da temperatura. A placa de conforme a variação da temperatura. A placa de

aquisição de dados converte esta variação de aquisição de dados converte esta variação de

resistência lida em uma variação de voltagem, de resistência lida em uma variação de voltagem, de

modo que um sinal de realimentação é gerado modo que um sinal de realimentação é gerado

dentro da faixa de variação do sinal de referência dentro da faixa de variação do sinal de referência

da placa.da placa.

Funcionamento Funcionamento On-OffOn-Off

Em linhas gerais:Em linhas gerais:

É estabelecida uma temperatura da câmara É estabelecida uma temperatura da câmara

de resfriamento de resfriamento (setpoint).(setpoint).

O O softwaresoftware compara continuamente a compara continuamente a

temperatura da câmara com o temperatura da câmara com o setpoint.setpoint.

Funcionamento Funcionamento On-OffOn-Off

Se a temperatura da câmara for maior que o Se a temperatura da câmara for maior que o

setpointsetpoint, a válvula solenóide é desenergizada , a válvula solenóide é desenergizada

e conseqüentemente se fecha, impedindo o e conseqüentemente se fecha, impedindo o

fluxo de refrigerante.fluxo de refrigerante.

Se a temperatura da câmara for menor que o Se a temperatura da câmara for menor que o

setpoint, setpoint, a válvula solenóide é energizada, a válvula solenóide é energizada,

permitindo o fluxo de refrigerante.permitindo o fluxo de refrigerante.

Funcionamento Malha FechadaFuncionamento Malha FechadaEm linhas gerais:Em linhas gerais:

Compara-se a temperatura da câmara com o Compara-se a temperatura da câmara com o

setpointsetpoint e calcula-se o e calcula-se o T.T.

Aplica-se o Aplica-se o T em uma equação em que a T em uma equação em que a

voltagem é função do voltagem é função do T.T.

Um sinal com a nova voltagem é enviado para o Um sinal com a nova voltagem é enviado para o

inversor de freqüência, que altera a rotação do inversor de freqüência, que altera a rotação do

compressor.compressor.

Funcionamento Malha FechadaFuncionamento Malha Fechada

Segundo o fabricante, o compressor pode Segundo o fabricante, o compressor pode

operar nas seguintes faixas de operação:operar nas seguintes faixas de operação:

– 2 V a 10 V;2 V a 10 V;

– 30 Hz a 60 Hz;30 Hz a 60 Hz;

– 850 rpm a 1750 rpm.850 rpm a 1750 rpm.

Funcionamento Malha FechadaFuncionamento Malha FechadaNo próprio sistema de malha fechada foi implantado No próprio sistema de malha fechada foi implantado

um controle um controle “on-off” “on-off” obedecendo os seguintes obedecendo os seguintes

critérios:critérios:

– Se a voltagem calculada fosse menor que 2 V, o Se a voltagem calculada fosse menor que 2 V, o

compressor seria desligado;compressor seria desligado;

– No retorno do funcionamento, o compressor operaria com No retorno do funcionamento, o compressor operaria com

uma rotação modulada pelo inversor de freqüência num uma rotação modulada pelo inversor de freqüência num

valor bastante menor que o de sua rotação máxima, valor bastante menor que o de sua rotação máxima,

portanto, com menor consumo.portanto, com menor consumo.

Comparação funcionamentoComparação funcionamento

ResultadosResultadosOs dois sistemas operaram com a mesma carga Os dois sistemas operaram com a mesma carga

térmica de referência e pelo mesmo período de térmica de referência e pelo mesmo período de

teste.teste.

Além disso, foi abatido do valor total do consumo, o Além disso, foi abatido do valor total do consumo, o

calor perdido pelo isolamento térmico das paredes, calor perdido pelo isolamento térmico das paredes,

uma vez que as condições ambientais do ar exterior uma vez que as condições ambientais do ar exterior

foram diferenciadas nos dois testes realizados.foram diferenciadas nos dois testes realizados.

Temperaturas do refrigerante na Temperaturas do refrigerante na saída do evaporadorsaída do evaporador

Pode ser observado que devido à utilização de um Pode ser observado que devido à utilização de um T maior, T maior,

existe uma maior oscilação de temperatura no sistema “on-existe uma maior oscilação de temperatura no sistema “on-

off”.off”.

Temperatura do ar no interior da Temperatura do ar no interior da câmara de controlecâmara de controle

No sistema em malha fechada, nota-se uma menor variação No sistema em malha fechada, nota-se uma menor variação

em torno do “setpoint”, devido ao ajuste da rotação do em torno do “setpoint”, devido ao ajuste da rotação do

compressor, à medida que a temperatura de controle se compressor, à medida que a temperatura de controle se

aproxima do ”setpoint”.aproxima do ”setpoint”.

Comparativo de consumoComparativo de consumoDe acordo com as medições de consumo de energia De acordo com as medições de consumo de energia

realizadas e a dedução do consumo de energia devido às realizadas e a dedução do consumo de energia devido às

perdas pelo isolamento térmico das paredes, o sistema em perdas pelo isolamento térmico das paredes, o sistema em

malha fechada mostrou-se 34,64% mais eficaz do que o malha fechada mostrou-se 34,64% mais eficaz do que o

sistema “on-off”.sistema “on-off”.

ConclusãoConclusão

Os resultados experimentais das medições Os resultados experimentais das medições

de temperatura, pressão e de consumo de de temperatura, pressão e de consumo de

energia, mostraram que o controle contínuo energia, mostraram que o controle contínuo

de temperatura reduziu grandemente as de temperatura reduziu grandemente as

oscilações indesejáveis de temperatura no oscilações indesejáveis de temperatura no

ambiente controlado, observadas com o ambiente controlado, observadas com o

controle “on-off” tradicional.controle “on-off” tradicional.

ConclusãoConclusão

O resultado mais promissor é que uma O resultado mais promissor é que uma

grande redução de consumo líquido de grande redução de consumo líquido de

energia, de 34,64%, foi obtida com o sistema energia, de 34,64%, foi obtida com o sistema

em malha fechada, em comparação com o em malha fechada, em comparação com o

controle “on-off”, mesmo pelo curto tempo de controle “on-off”, mesmo pelo curto tempo de

duração de cada teste, 24 horas.duração de cada teste, 24 horas.

ConclusãoConclusãoEste resultado é plausível, uma vez que com o Este resultado é plausível, uma vez que com o

controle “on-off” há somente dois ajustes possíveis, controle “on-off” há somente dois ajustes possíveis,

máxima rotação do compressor (“on”) ou rotação máxima rotação do compressor (“on”) ou rotação

zero (“off”), sendo que se observa que o sistema zero (“off”), sendo que se observa que o sistema

permaneceu no ajuste “on” por cerca de 70-80% do permaneceu no ajuste “on” por cerca de 70-80% do

tempo do teste, enquanto que o sistema em malha tempo do teste, enquanto que o sistema em malha

fechada trabalhou com rotação bastante reduzida fechada trabalhou com rotação bastante reduzida

em relação ao sistema “on-off”.em relação ao sistema “on-off”.

Fim.Fim.