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OCROSIRE:�Optimización�y�Control�Robusto�Multivariable de�Sistemas�de�Refrigeración
DPI2012�37580�C02�01�y�02
F.�MorillaDpto de�Informática�y�Automática
ETSI�Informática,�UNED
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El�equipo�de�investigadoresFernando�Morilla�(IP�del�subproyecto 1�y�coordinador)
Subproyecto 1Sergio�FragosoJuan�GarridoDavid�RodríguezFrancisco�Vázquez
Universidad�de�Córdoba
Subproyecto 2José�E.�AlonsoGuillermo�BejaranoFernando�CastañoManuel�G.�Ortega�(IP)
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Contenido• ¿Por�qué�la�refrigeración?• La�refrigeración�por�compresión�de�vapor• El�uso�eficiente�del�sistema�de�refrigeración• Control�de�la�refrigeración• Ejemplo�en�simulación• Planta�experimental�del�subproyecto 2• Líneas�de�trabajo�
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¿Por�qué�la�refrigeración?• Se�asocia�a�la�conservación�de�alimentos�y�al�aire�acondicionado.�Sin�embargo,�hay�otras�muchos�procesos�que�necesitan�de�la�refrigeración
• Supone�un�alto�porcentaje�del�consumo�energético�.�Por�ejemplo;– Un�supermercado�típico�consume�entre�2�y�3�millones�de�kWh anualmente,�y�aproximadamente�el�50%�de�ese�consumo�se�debe�a�los�procesos�de�refrigeración
– El�consumo�por�acondicionamiento�de�aire�en�oficinas�está�en�torno�al�30%�del�consumo�total�en�países�desarrollados
• El�uso�más�eficiente�de�los�sistemas�de�refrigeración�contribuirán�al�consumo�racional�de�la�energía
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Refrigeración�por�compresión�de�vapor• Sistema�básico;�4�componentes
Ciclo�con�4�procesos1�2�Compresión�isoentrópica2�3�Condensación,�de�vapor�a�líquido,�isobárica3�4�Expansión�isoentálpica4�1�Evaporación�isobárica�de�la�fracción�de�líquido
ObjetivoExtraer�flujo�de�calor�de�un�foco�frío�y�entregarlo�a�un�foco�caliente
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Refrigeración�por�compresión�de�vapor• Ciclo�de�refrigeración�real
Restricciones�de�operación• Saltos�térmicos�en�el�evaporador�y�
en�el�condensador• Sobrecalentamiento�en�la�aspiración�
del�compresor• Subenfríamiento a�la�salida�del�
condensadorSpecific enthalpy [KJ/Kg]
0 50 100 150 200 250 300 350
100
101
log(p)-H diagram for R404a
Pre
ssur
e [b
ar]
2
14
3
TL TH
TL
Condiciones�de�contorno• Las�curvas�de�líquido�saturado�y�
vapor�saturado�del�refrigerante• Las�isotermas�correspondientes�al�
foco�frío�y�al�foco�caliente
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Refrigeración�por�compresión�de�vapor• Ciclo�de�refrigeración�real
Características�termodinámicas6�entalpías (h1,�h2,�h2s,�h3s,�h4,�h1s)2�presiones�(P1,�P2)6�entropías�(s1,�s2s,�s3s,�s3,�s4,�s1s)5�temperaturas�(T1,�T2,�T2s,�T3,�T1s)1�título�de�vapor�(x4)
Specific enthalpy [KJ/Kg] 0 50 100 150 200 250 300 350
100
101
log(p)-H diagram for R404a
Pre
ssur
e [b
ar]
2s
1s
3s2
14
3
TL TH
TL
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• Características�energéticas�del�ciclo�de�refrigeraciónPotencia�frigorífica
Potencia�de�compresión
Coeficiente�de�comportamiento
Rendimiento
Refrigeración�por�compresión�de�vapor
Specific enthalpy [KJ/Kg] 0 50 100 150 200 250 300 350
100
101
log(p)-H diagram for R404a
Pre
ssur
e [b
ar]
2s
1s
3s2
14
3
TL TH
TL
� �1 4-eQ m h h�� �
� �2 1-W m h h�� �
1 4
2 1
--
eQ h hCOPW h h
� ���
W�
cQ�
eQ�
2 1 2 1
1 1 4
- --
s sCarnot
Carnot s
T T h hCOPCOP T h h
� � �
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Uso�eficiente�del�sistema�de�refrigeración• Adaptar�el�ciclo�de�refrigeración
Specific enthalpy [KJ/Kg] 0 50 100 150 200 250 300 350
100
101
log(p)-H diagram for R404a
Pre
ssur
e [b
ar]
2s
1s
3s2
14
3
TL TH
TL
Condiciones�de�contorno�fijasLas�curvas�de�líquido�saturado�y�vapor�saturado�del�refrigeranteCondiciones�de�contorno�cambiantesLas�isotermas�correspondientes�al�foco�frío�y�al�foco�calienteRestricciones�de�operación:Saltos�térmicos�en�el�evaporador�y�en�el�condensadorSobrecalentamiento�y�subenfríamientoOperación�eficiente:COP�máximo,�mínima�destrucción�de�exergía,�……
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Uso�eficiente�del�sistema�de�refrigeración• Medidas�sugeridas�para�mejorar�el�COP
– Reducir�el�sobrecalentamiento– Aumentar�el�subenfríamiento– Reducir�los�saltos�térmicos�en�condensación�y�evaporación
• Si�realmente�fuera�así,�el�COP�óptimo�estaría�perfectamente�localizado– Sobrecalentamiento�mínimo,�subenfríamiento máximo,�saltos�térmicos�mínimos
• Pero�el�óptimo�de�operación�deber�ser�compatible�con:– Los�componentes�físicos�(dimensionamiento)�– Los�grados�de�libertad�(actuadores�disponibles)– Los�objetivos�de�control�
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Uso�eficiente�del�sistema�de�refrigeración• Ejemplo�de�mejora�de�eficiencia�modificando�el�ciclo Especificaciones
Ciclo 1 2�Te 6 3�TSH 5 2�Tc 15 8�TSC 6 8
ResultadosCiclo 1 2COP 2.67 3.59�Carnot 0.68 0.76
108.6 122.0
40.7 34.0
/eQ m� �
/W m� �Specific enthalpy [KJ/Kg] 80 100 120 140 160 180 200 220 240
101
log(p)-H diagram for R404a
Pre
ssur
e [b
ar]
Entorno• Matlab• Funciones�de�Thermolib
Ciclo�1�(trazo�continuo)Ciclo�2�(trazo�discontinuo)
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Uso�eficiente�del�sistema�de�refrigeración• Resultados�contrastados�en�CoolPack
CoolPack permite�diseños�con�especificaciones�adicionales�a�las�cuatro�anteriores.
Se�muestran�como�ejemplo�los�del�ciclo�1:� Hay�coincidencia�casi�total� Las�pequeñas�discrepancias�
se�deben�a�las�aproximaciones�de�las�entalpías.
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Uso�eficiente�del�sistema�de�refrigeración• El�subproyecto 1�está�explorando�la�optimización�en�dos�fases:– 1ª�Fase�con�restricciones�termodinámicas�– 2ª�Fase�con�restricciones�impuestas�por�los�componentes�y�los�objetivos�de�control
• El�subproyecto 2�está�explorando�la�optimización�orientada�a�la�instalación�concreta,�con�todas�las�restricciones
• En�cualquier�caso�se�necesitan�modelos�estáticos�representativos�de�todos�los�componentes�
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El�control�del�sistema�de�refrigeración
2,�3�ó�4�variables�manipuladas,�asociadas�respectivamente�a:• La�apertura�(Av)�de�la�válvula�de�
expansión�• La�velocidad�de�giro�(N)�del�compresor• Algún�actuador�en�la�condensación• Algún�actuador�en�la�evaporación�
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El�control�del�sistema�de�refrigeraciónVariables�candidatas�a�ser�controladas:• La�temperatura�TL• Las�dos�presiones�P1 y�P2• Las�cuatro�temperaturas�(T1, T2,�T3 y�T4)�• El�sobrecalentamiento�(combina�P1 y�T1)• El�subenfríamiento (combina�P2 y�T3)• El�salto�térmico�en�evaporación�(combina�P1 y�TL)• El�salto�térmico�en�condensación�(combina�P2 y�
TH)• Cualquier�combinación�lineal�de�temperaturas�
y/o�presiones• El�caudal�de�refrigerante• La�potencia�frigorífica
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El�control�del�sistema�de�refrigeración• Estrategias�descentralizadas�con�controladores�PID:
– Primer�lazo,�por�seguridad�para�el�compresor,�con�la�apertura�(Av)�de�la�válvula.�Alternativas�posibles;
• El�sobrecalentamiento�(�TSH)• La�presión�media�(P2+P1)/2�entre�condensación�y�evaporación
– Segundo�lazo,�para�atender�la�demanda�(carga�frigorífica)�o��buscando�operar�con�variables�menos�acopladas,�con�la�velocidad�de�giro�(N)�del�compresor.�Alternativas�posibles;�
• Temperatura�del�recinto�a�refrigerar�(TL)�o�del�líquido�a�la�salida�del�secundario�del�evaporador
• Presión�en�la�aspiración�(P1)�del�compresor• Salto�térmico�en�evaporación�(�TE)• El�salto�de�presión�(P2�P1)�entre�condensación�y�evaporación
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El�control�del�sistema�de�refrigeración• Estrategias�descentralizadas�con�controladores�PID�
(continuación):– Tercer�lazo,�para�atender�la�demanda�o�buscando�más�eficiencia;
• Presión�en�la�descarga�(P2)�del�compresor,�con�la�velocidad�de�giro�(�c)�de�un�ventilador�o�con�un�caudal�de�líquido�por�el�secundario�del�condensador
• Salto�térmico�en�condensación�(�TC),�con�la�velocidad�de�giro�(�c)�de�un�ventilador�o�con�un�caudal�de�líquido�por�el�secundario�del�condensador
• Temperatura�del�recinto�a�refrigerar�(TL),�o�del�líquido�a�la�salida�del�secundario�del�evaporador,�con�la�velocidad�de�giro�(�c)�de�un�ventilador�o�con�un�caudal�de�líquido�por�el�secundario�del�evaporador
• Temperatura�media�(T1+T4)/2�en�el�evaporador�con�la�velocidad�de�giro�(�c)�de�un�ventilador�o�con�un�caudal�de�líquido�por�el�secundario�del�evaporador
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El�control�del�sistema�de�refrigeración• Estrategia�multivariable centralizada�2x2�con�técnicas�de�control�diferentes,�con�objetivos�muy�diversos,�que�puede�ir�combinada�con�algún�otro�lazo:– Con�la�apertura�(Av)�de�la�válvula�y�con�la�velocidad�de�giro�(N)�del�compresor.�Alternativas�posibles;
• Control�del�sobrecalentamiento�(�TSH)�y�de�la�temperatura�del�recinto�a�refrigerar�(TL)�o�del�líquido�a�la�salida�del�secundario�del�evaporador
• Control�del�sobrecalentamiento�(�TSH)�y�de�la�presión�en�la�aspiración�(P1)�del�compresor
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El�control�del�sistema�de�refrigeración• Estrategia�jerárquica,�con�dos�lazos�multivariablesen�cascada:– Lazo�interno encargado�de�operar�la�planta.�Responde�a�las�alternativas�comentadas�anteriormente.
– Lazo�externo encargado�de�generar�las�consignas�del�lazo�interno.�Responde�a�una�optimización�dinámica,��en�base�a�modelos�estáticos,�para�el�uso�eficiente�de�la�planta.�Alternativas�posibles;
• Resolver�la�optimización�exclusivamente�en�el�espacio�de�variables�controladas�del�lazo�interno.
• Resolver�la�optimización�en�un�espacio�de�variables�controladas�distinto,�generalmente�más�amplio,�que�el�del�lazo�interno.�El�sistema�de�refrigeración�operará�subactuado.
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Ejemplo�en�simulaciónCondiciones�de�operación• Refrigeración�de�líquido• Condensación�por�líquido• Refrigerante�134aVariables�manipuladas• Apertura�de�la�válvula• Velocidad�de�giro�en�el�compresor• Caudal�del�líquido�al�condensador
Entorno• Simulink• Bloques�de�Thermolib
Perturbaciones• Temperatura�del�líquido�al�
condensador.�Permite�simular�cambios�en�TH
• Caudal�y�temperatura�del�líquido�a�refrigerar.�Permiten�simular�variaciones�de�carga.
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Ejemplo�en�simulación
Tres�lazos�de�control• Sobrecalentamiento�con�la�
apertura�de�la�válvula• Presión�en�el�evaporador� con�la�
velocidad�de�giro�en�el�compresor• Presión�en�el�condensador�con�el�
Caudal�del�líquido�al�condensador
Controladores• Bloques�PI�de�Thermolib
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Ejemplo�en�simulación
Objetivos• Explorar�las�regiones�de�
operación• Analizar�la�eficiencia�de�los�
posibles�ciclos
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Planta�experimental
• Diseño�y�fabricación�a�medida�para�el�subproyecto 2�con�participación�de�investigadores�de�ambos�subproyectos
• Disponible�en�septiembre�de�2014,�operativa�en�diciembre�de�2014
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Planta�experimentalCondiciones�de�operación• Refrigeración�de�líquido• Condensación�por�aire�o�por�
líquido• Refrigerante�404a
Variables�manipuladas• Aperturas�de�las�válvulas• Velocidades�de�giro�en�los�
compresores• Velocidad�del�ventilador�o�Caudal�
del�líquido�al�condensador
Perturbaciones• Temperatura�ambiente�o�
temperatura�del�líquido�al�condensador.�
• Caudales�y�temperaturas�de�los�líquidos�a�refrigerar.
Configurable• Para�refrigerar�una�o�dos�
soluciones�de�glicol• Para�operar�con�un�compresor�
(monoetapa)�o�con�dos�compresores�(�dos�etapas)
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Planta�experimental
Entorno• Autómata�programable�
Modicom M340• SCADA:�Vijeo Citect• OPC�Factory�Server• Matlab,�Simulink y�OPC�
Toolbox
Equipos• 2�Compresores�de�pistón�y�semi�herméticos�
controlados�por�convertidores�de�frecuencia• 2�Intercambiadores�de�placas�soldadas�que�
hacen�de�evaporadores• 2�Válvulas�de�expansión� controladas�mediante�
modulación�PWM• 1�Condensador�por�aire�de�diseño�específico• 1�Ventilador• 1�Intercambiador�de�placas�para�utilizar�como�
condensador�por�líquido• 2�Tanques�con�resistencias�calefactoras�para�
contener�las�soluciones�acuosa�de�glicol• 2�Bombas�de�tipo�in�line�para�la�circulación�de�
las�soluciones�acuosas
Sensores• 7�sondas�de�presión• 12�sondas�de�temperatura• 3�caudalímetros ,�uno�por�
cada�circuito�secundario
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Planta�experimental• Pantalla�de�funcionamiento�con�OPC,�refrigerando�dos�recintos�con�un�compresor
Cinco�lazos�de�control• Sobrecalentamiento�con�la�
apertura�de�la�válvula�principal• Presión�en�la�aspiración�del�
compresor��principal�con�su�velocidad�de�giro
• Presión�en�la�descarga�del�compresor�con�el�ventilador�del�condensador
• Temperaturas�de�las�soluciones�de�glicol� a�la�entrada�de�los�evaporadores�con�las�resistencias�calefactoras
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Líneas�de�trabajo• Modelado�de�sistemas�de�refrigeración�por�compresión�de�vapor
• Gestión�energética�de�la�refrigeración• Control�multivariable lineal�y�no�lineal�a�los�sistemas�de�refrigeración
• Control�jerárquico�para�el�uso�eficiente�de�los�sistemas�de�refrigeración
• Validación�experimental�en�una�planta�monoetapa y�en�una�planta�de�dos�etapas
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¡Gracias!• Por�la�invitación• Por�vuestra�atención• Un�agradecimiento�especial�al�gran�equipo�de�investigadores�que�me�ha�tocado�coordinar
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Bibliografía
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(Bejarano,�2015):�Bejarano,�G.,�Trabajo�fin�de�máster.�Máster�Universitario�en�Automática,�Robótica�y�Telemática,�Universidad�de�Sevilla,�2015.
(Alfaya,�2014):�Alfaya,�J.�A.,�Bejarano,�G.,�Ortega,�M.G.,�Rubio,�F.R.,�Control�robusto�multivariable de�un�ciclo�de�refrigeración.�XXXV�Jornadas�de�Automática,�2014.
(Ortega,�2014):�Ortega,�M.G.,�Modelado�y�control�de�sistemas�de�refrigeración�por�compresión�de�vapor.�Conferencia�impartida�en�el�Programa�de�Doctorado�en�Ingeniería�de�Sistemas�y�de�Control,�UNED,�23�de�abril�de�2014.�https://canal.uned.es/mmobj/index/id/19321
(Bejarano,�2013):�Bejarano,�G.,�Ortega,�M.G.,�Rubio,�F.R.,�Morilla,�F.,�Modelado�simplificado�orientado�al�control�de�sistemas�de�refrigeración.�XXXIV�Jornadas�de�Automática,�2013.
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