Análise térmica e desenvolvimento de controle PID para dispositivo de expansão eletrônico de sistemas de refrigeração por compressão de vapor

Abstract

O presente trabalho foca na análise térmica e desenvolvimento de controle PID para dispositivo de expansão eletrônico de sistemas de refrigeração por compressão de vapor. Com o preço elevado da energia elétrica e a procura de economia por parte dos consumidores, surgem as válvulas de expansão eletrônica para sistemas de refrigeração por compressão de vapor, com o intuito de substituir os dispositivos de expansão convencional como a válvula de expansão termostática e com isso promover a economia de energia por serem mais eficiente. No entanto, para que a válvula de expansão eletrônica seja mais eficiente do que uma válvula de expansão termostática ou não tenha sua eficiência comprometida, é necessário a adequada sintonização do controle PID que muitos consumidores desconhecem. Com isso, foi desenvolvido um protótipo de refrigeração de ciclo simples por compressão de vapor com uma solução de etilenoglicol a 50% como fluido secundário, sendo o protótipo um sistema de refrigeração destinado a estudos que utiliza como fluido refrigerante o R404A com capacidade nominal de aproximadamente 1 kW. O protótipo desenvolvido foi instrumentado e conta com a medição de vários parâmetros tais como: temperatura, pressão, corrente, tensão, consumo energético e umidade relativa que são monitorados através de um supervisório automatizado. A carga térmica imposta ao sistema é simulada através de resistência elétrica submersa em um tanque de aquecimento para solução de etilenoglicol que se interliga ao evaporador do protótipo. O evaporador é do tipo serpentina submersa dentro de um tanque termicamente isolado. A unidade condensadora tem um compressor hermético acoplado a um trocador de calor do tipo colmeia de convecção forçada. O controle do protótipo de refrigeração foi definido com vários controladores que possibilitaram a aquisição de dados com monitoramento do sistema de refrigeração para ajustes nos parâmetros de controle PID da válvula de expansão eletrônica, no entanto, a mesma já vem com os parâmetros configurados de fábrica. No caso, foi zerado os parâmetros do controlador PID e deixado o ganho proporcional mínimo para usar os dados de entrada e saída do sistema a ser controlado que são abertura da válvula de expansão e o superaquecimento. Com os dados de entrada e saída do dispositivo de expansão foram sintonizados os parâmetros do controle com um modelo caixa preta através do software ®Matlab e também foi usado o método de Ziegler Nichols para sintonizar o controle PID. Após conseguir os parâmetros do controlador, foi dado continuidade aos experimentos para realizar a comparação da eficiência energética dos novos parâmetros com os parâmetros de fábrica do controle e com ajuste fino quando necessário.