El control de recalentamiento en los muebles refrigerados es un factor clave para aumentar la eficiencia de estos y maximizar la capacidad del evaporador
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Esto se traduce en menores costes operativos y un menor impacto ambiental.
Un enfoque clásico para el control de recalentamiento es el uso de una regulación PID. Desafortunadamente, cuando nos fijamos el ambicioso objetivo de hacer funcionar los muebles con un recalentamiento extremadamente bajo, nos topamos con las limitaciones propias de dicho enfoque; la salida de líquido del evaporador que implica pérdida de eficiencia, retorno de líquido al compresor o un sistema inestable, con un nivel de recalentamiento muy variable.
El sistema de recalentamiento bajo DOMINO desarrollado por Eliwell se basa en un modelo matemático del ciclo termodinámico del evaporador, que realiza un seguimiento del llenado del evaporador, anticipando y limitando el exceso de refrigerante. El controlador realiza una estimación de las características del mueble frigorífico que tiene en cuenta, entre otras cosas, cualquier error o retraso en la medición, tamaño de la válvula no óptimo y velocidad del refrigerante.
Además, el sistema DOMINO es un sistema predictivo, es decir, el modelo se actualiza constantemente para compensar los cambios en la central frigorífica o mueble. Esto permite obtener un recalentamiento bajo en todas las condiciones de funcionamiento con un ahorro de energía significativo en la instalación.
ALGORITMO PID PARA CONTROL DEL RECALENTAMIENTO
Los sistemas de modulación de válvulas de expansión electrónicas se basan en valores de recalentamiento a la salida del evaporador, este recalentamiento depende del grado de apertura de la válvula de expansión, así como del calor absorbido.
Los sistemas convencionales utilizan algoritmos PID para decidir el grado de apertura de la válvula de expansión electrónica en un instante determinado en función del valor del recalentamiento medido a la salida del evaporador.
El algoritmo PID es el más utilizado cuando no se tiene conocimiento del proceso a controlar, puesto que con solo ajustar 3 variables se puede obtener una respuesta aceptable. Las 3 variables de control son las que dan nombre al algoritmo, P – Proporcional, I – Integral y D – Derivada.
Habitualmente se utilizan las 2 primeras componentes, Proporcional e Integral P+I y el algún caso se añade la componente derivativa D.
Algunos factores como la no linealidad de las válvulas de expansión, retraso en la medición y acción de control sumado a otros factores clave para la regulación como el tiempo de llenado del evaporador o velocidad del refrigerante hacen que el algoritmo PID no permita obtener valores bajos y estables del recalentamiento.
Para evitar estas oscilaciones se ajusta un valor de recalentamiento mayor y se disminuye la presión de evaporación para evitar fugas de líquido del evaporador.
ANALISIS EN LABORATORIO
Para hacer una comparativa de funcionamiento entre la regulación PID y la basada en el modelo matemático se han realizado una serie de ensayos con diferentes muebles frigoríficos.
Los muebles han sido instalados en una cámara climática que controla la temperatura y humedad con unos valores de 25ºC y 60 %Hr. Para la realización del estudio comparativo se han realizado mediciones de temperatura y humedad cada minuto.
Se han instalado 3 sondas en impulsión, 3 en retorno y 2 de inercia en cada uno de los muebles frigoríficos. Además, se han instalado 2 sonda de temperatura y 2 de humedad en la cámara climática para su control.
En la cámara se han ubicado los muebles para simular el funcionamiento de una instalación real.
Los muebles frigoríficos están conectados a una central frigorífica con refrigerante R134a con regulación de velocidad en el primer compresor, así como en los ventiladores de condensación.
En la siguiente imagen se muestra un mueble refrigerador donde se ha instalado un sistema de regulación basado en algoritmo PID y el sistema basado en el modelo matemático del evaporador. El mueble se encuentra ubicado en una cámara con temperatura y humedad controlada donde además hay más muebles frigoríficos en funcionamiento.
Igualmente se han instalado múltiples sondas de temperatura ambiente en el mueble frigorífico, así como sonda de inercia para analizar el comportamiento de la temperatura con las diferentes opciones.
Las 2 pruebas se han realizado con el mismo mueble frigorífico, misma válvula electrónica y la misma central frigorífica, simplemente cambiando el firmware de control del regulador, uno con algoritmo PID y otro con algoritmo basado en modelo matemático del ciclo termodinámico del evaporador.
Durante la simulación se han realizado varias pruebas de funcionamiento con el sistema basado en el algoritmo PID. En concreto, se han realizado pruebas con temperatura de evaporación a -10ºC, -8ºC, -6ºC, -4ºC y por último con temperaturas de evaporación de -2ºC.
Durante las diferentes pruebas se ha podido comprobar que con temperaturas de evaporación de hasta -6ºC, el regulador con algoritmo PID, mantiene correctamente la temperatura del mueble frigorífico y su funcionamiento es correcto. Si por el contrario, aumentamos la evaporación por encima de dicho valor, el comportamiento del recalentamiento se hace inestable y, para evitar fugas de líquido se debieron modificar los parámetros del algoritmo PID sin obtener una estabilidad suficiente en la temperatura del mueble refrigerado.
Durante las pruebas se pretende mantener una temperatura de 0ºC en el mueble.
En la Imagen, se observa el valor del recalentamiento con regulación PID en la parte superior en rojo y con regulación basada en modelo matemático en el parte inferior rojo.
El sistema con modelo matemático mantiene el recalentamiento entre valores de recalentamiento 5,4 y 4,3, mientras que el sistema PID entre valores de 6,1 y 2,5.
En la imagen se muestra el comportamiento del grado de apertura de la válvula. Se puede observar como el sistema basado en el modelo matemático (abajo en verde) mantiene en cada instante la cantidad justa de refrigerante que necesita el mueble frigorífico.
Con una temperatura de evaporación de -2ºC y un ajuste de recalentamiento de 4ºC el sistema con algoritmo PID intenta mantener el valor de recalentamiento ajustado, pero como el refrigerante tarda un tiempo en recorrer el evaporador, existe un desfase entre la señal enviada a la válvula y el valor de recalentamiento.
Por el contrario, el sistema basado en modelo matemático se adapta al valor del tiempo necesario en recorrer el evaporador, permitiendo anticiparse a lo que va a ocurrir, de modo que inyecta la cantidad justa de refrigerante con valores bajos de recalentamiento y permitiendo mantener la temperatura del mueble frigorífico con temperatura de evaporación de -2ºC.
En la siguiente imagen, se observa el valor de la temperatura del mueble. En la parte superior con el algoritmo PID y en la parte inferior con el sistema basado en modelo matemático.
Como se puede observar el sistema que utiliza el modelo matemático permite mantener la temperatura con valores medios de 1ºC, mientras que el sistema con algoritmo PID no puede mantener la temperatura dentro de los limites requeridos.
Además, el sistema con regulación PID presenta oscilaciones en la temperatura del mueble frigorífico debido a la oscilación del recalentamiento y a que el PID de la válvula electrónica entra en conflicto con el PID del regulador de la central de compresores. Esto implica arranques y paros innecesarios de los compresores.
Por el contrario, el sistema basado en el modelo matemático permite mantener en funcionamiento el compresor dotado con variador de velocidad, entrado en sintonía ambos algoritmos.
ANALISIS REAL CON R744 EN FASE TRANSCRÍTICA
Veamos ahora una aplicación práctica donde la solución basada en el modelo matemático del evaporador de Eliwell ha marcado la diferencia.
Elegimos una instalación de tamaño medio, un supermercado de 1.200 m2 con 9 muebles de refrigeración, una cámara de temperatura positiva, 3 armarios congeladores y una cámara de congelados.
La unidad de control booster Transcrítico CO2 consta de 3 compresores de temperatura positiva y 2 compresores para la temperatura negativa. El control electrónico de la central frigorífica se ha realizado con una unidad EWCM 9000 PRO / CO2T DOMINO.
En esta planta se ha elevado la presión de evaporación desde los 25 Bar a 30 Bar, consiguiendo una eficiencia energética superior al 10%. La posibilidad de aumentar aún más la presión hasta 32 Bar puede suponer al menos otros cuatro puntos porcentuales de optimización de consumo, lo que garantiza no solo la máxima eficiencia y sostenibilidad de la solución, sino también la calidad de la conservación.
Con el control tradicional PID se aprecia como la capacidad de trabajo de los compresores en la central frigorífica presenta oscilaciones típicas de este tipo de control, produciendo activaciones por breves periodos de tiempo.
Con el sistema DOMINO, sin embargo, se puede comprobar que la central opera a carga constante reduciendo notablemente el número de intervenciones de los compresores.
A igualdad de condiciones ambientales, se reducen el número de arranques y paros de los compresores desde 50-80 hasta solo 10 al día permitiendo aumentar la consiga de evaporación a 30 Bar (-4ºC).
Adicionalmente, dotando al sistema con la electrónica de supervisión TelevisGO de Eliwell y gracias a su algoritmo de análisis de las temperaturas de muebles y cámaras, sería posible aumentar todavía más la evaporación llegando hasta los 32 Bar (-2ºC).
Una de las mejoras en el funcionamiento del sistema del modelo matemático es que evita el vaciado del evaporador y permite mantener mejor la temperatura del mueble frigorífico.
En las siguientes imágenes se observa el comportamiento de 3 muebles en funcionamiento ON-OFF y funcionamiento modulante.
En color rojo los valores del mueble 1, en azul los del mueble 2 y en verde los del mueble 3.
En la Imagen, se observa la estabilidad de la temperatura ambiente en el propio mueble frigorífico.
En la Imagen anterior, se observa que los sistemas clásicos de control del recalentamiento PID entran en ciertas condiciones de funcionamiento, en resonancia con el control de evaporación de la central frigorífica. Esto se traduce en oscilaciones de recalentamiento y por tanto en riesgo de retorno de líquido, para resolver este comportamiento se aumenta el set de recalentamiento.
El sistema basado en el modelo matemático del evaporador permite utilizar el CO2 con recalentamientos entre 4K y 2K, buscando el máximo intercambio térmico en el evaporador, sin retorno de líquido a los compresores.
En la Imagen se observa el funcionamiento de la válvula de expansión. Hay que destacar que las válvulas utilizadas son de tipo por pulsos, dado que son estas las que permiten una rápida respuesta en el control de inyección del líquido al evaporador.
Como se observa en la imagen, los controles clásicos PID, varían su porcentaje de apertura desde el 0% hasta el 100% sin obtener estabilidad en el recalentamiento y penalizando el intercambio térmico.
Por el contrario, la regulación basada en el modelo matemático del evaporador obtiene una modulación continua, con flujo másico constante, permitiendo una sintonía entre el control del evaporador y el control de la central frigorífica.
ANÁLISIS ENÉRGETICO EN UNA INSTALACIÓN REAL
Se ha realizado el seguimiento del consumo energético de una central positiva de una instalación real. Dicho análisis se basa en la metodología de trabajo según los estándares desarrollados en el protocolo internacional de medida y verificación, elaborado por la organización de verificación de ahorros EVO.
El objetivo principal de este análisis es verificar el ahorro de energía que se obtiene con la instalación del dispositivo basado en modelo matemático con recalentamiento a 4K y evaporación durante la noche a (-2,5ºC) y durante el día a (-4,8°C) frente a un regulador PID con recalentamiento a 10K y evaporación de (-10ºC).
A continuación, se muestran los datos de energía consumida de la planta.
CONCLUSIONES
Los tradicionales sistemas con algoritmo PID pueden generar salida de líquido del evaporador o hacer el sistema inestable, con valores de recalentamiento muy variantes en el tiempo.
Por el contrario, con el sistema basado en el modelo matemático del evaporador, se obtiene un bajo recalentamiento en cualquier condición de funcionamiento con un sensible ahorro energético en la central frigorífica.
Del mismo modo, con este sistema se obtiene estabilidad en la temperatura de cada mueble frigorífico, debido a que el valor del recalentamiento es más estable (obtenido con válvulas electrónicas por pulsos para una mayor velocidad en la respuesta).
Ese aumento de la estabilidad de la presión de evaporación implica la reducción del número de ciclos de arranque-paro de los compresores, que evidencia un beneficio a nivel de mantenimiento y aumenta el ciclo de vida de los compresores, reduciendo los costes de gestión de la instalación.
Hay que recordar que cada instalación tiene un recalentamiento mínimo estable, ideal, que depende de muchos factores incluso externos a la regulación. El algoritmo basado en el modelo matemático del evaporador logra encontrar ese valor mínimo y establecerlo en un valor muy bajo, cercano a los 4K.
