Controle das variáveis

Além da medição de vazão mássica, o controle de vazão mássica, utilizado nos trabalhos de Martins (2011) e Corrêa (2013), gerou algumas dificuldades para o controle das variáveis de ensaio, como as pressões de sucção e descarga. Uma das dificuldades é o acoplamento dinâmico existente entre o controle da vazão e a reposta das pressões de descarga e sucção.

O acoplamento das variáveis significa que, ao controlar uma das variáveis a ação do atuador altera as outras variáveis e não apenas a variável desejada (SKOGESTAD; POSTLETHWAITE, 2005).

No padrão de capacidade, esse comportamento pode ser visto ao alterar a frequência rotacional do compressor, pois, além da variação da vazão mássica, ocorre também variação das pressões, principalmente na linha de sucção. O mesmo ocorre quando é realizado o controle das pressões que, também, afeta a vazão mássica.

Em trabalho anterior desenvolvido pelo autor foi realizado um estudo avaliando o grau de acoplamento entre as variáveis e possíveis soluções para o desacoplamento das mesmas (SCHMITZ, 2010).

Para avaliar o grau de acoplamento das variáveis, deve-se analisar o comportamento das mesmas a um degrau realizado em um dos atuadores mantendo os demais estáticos.

Dentre todos os comportamentos avaliados, encontrou-se o maior grau de acoplamento entre a vazão mássica e a pressão de sucção. Um degrau de mais de 1000 rpm na frequência rotacional do compressor utilizado para controlar a vazão mássica ocasiona uma variação na ordem de 0,04 kg/h, figura 23. Entretanto, esse mesmo degrau ocasiona uma variação maior do que 0,3 bar na pressão de sucção, conforme mostrado na figura 24.

Figura 23 - Resposta da vazão mássica a um degrau na frequência rotacional.

Fonte: Schmitz (2010).

Figura 24 - Resposta da pressão de sucção com a variação da frequência rotacional.

Fonte: Schmitz (2010).

Ao realizar a variação na abertura da válvula de sucção, que controla a pressão de sucção, ocorre a variação da pressão de sucção na ordem de 0,15 bar, figura 25. Entretanto, esse mesmo degrau ocasiona elevada variação na vazão mássica, na ordem de 0,3 kg/h, com um tempo de resposta ainda menor, conforme visto na figura 26.

Mesmo com o comportamento multivariável demonstrado acima, nos trabalhos do padrão de capacidade até então desenvolvidos, (CORRÊA, 2013; MARTINS, 2009), foi possível realizar as medições com a utilização

de controle clássico aplicável para sistemas lineares e monovariáveis. Entretanto, para compensar esse comportamento foram utilizados diferentes parâmetros de controle PID para uma mesma variável de controle.

Figura 25 - Resposta da pressão de sucção com a variação da posição da válvula de sucção.

Fonte: Schmitz (2010).

Figura 26 - Resposta da vazão mássica com a variação da posição da válvula de sucção.

Fonte: Schmitz (2010).

Dessa forma, o controlador aplica um conjunto de parâmetros para os ganhos proporcional, integral e derivativo de acordo com a diferença entre o valor desejado e o valor medido para cada variável, técnica

conhecida como escalonamento de ganhos (MARTINS, 2009). O uso dessa técnica, apesar de menos eficiente que um controle efetivamente multivariável, funcionou perfeitamente por ser tratar de um mesmo painel de teste, o que faz com que o comportamento dinâmico seja sempre o mesmo ou, ao menos, muito parecido.

Todavia, a proposta é utilizar o padrão de capacidade para analisar um grande número de painéis de avaliação de eficiência, o que fará com que as dinâmicas envolvidas sejam bastante diferentes. Portanto, deveria haver um conjunto de ajustes para cada painel de ensaio, o que tornaria o processo complexo para ser aplicado.

3.1 ARQUITETURA

Depois de conhecer algumas dificuldades e pontos de atenção necessários na execução do projeto, é importante definir a arquitetura mecânica e equipamentos a serem utilizados no padrão de capacidade.

Em sua proposta inicial, o padrão de capacidade utilizou um compressor com velocidade variável para controle da vazão mássica e o medidor de vazão mássica foi instalado na linha intermediária do circuito (MARTINS, 2009). Entretanto, algumas alterações são propostas para melhor adequação da bancada para uso no ambiente industrial.

3.1.1 Compressor

A primeira mudança proposta é a troca do compressor com capacidade de refrigeração variável (VCC) por um compressor convencional. Como consequência, fixa-se a frequência de operação e a capacidade de refrigeração. Essa mudança deve-se ao fato de o compressor de capacidade variável possuir maior variação no consumo de energia em caso de oscilação na tensão de alimentação. Dessa forma, apesar de ser possível variar a capacidade de refrigeração, o resultado de eficiência seria negativamente impactado, visto que, o consumo energético (denominador da expressão de eficiência) poderia sofrer grandes oscilações.

No trabalho realizado por Moser (2014) foi avaliado o impacto da alimentação no consumo energético de compressores de capacidade de refrigeração variável. Com a realização de testes, foi possível identificar que a amplitude de 2 V na tensão de alimentação do compressor ocasiona variação de quase 10 W no consumo energético, conforme mostrado na figura 27.

Dados o comportamento mostrado acima e o fato de alguns painéis de avaliação de eficiência utilizados no laboratório onde a bancada de testes será validada não possuírem fonte de alimentação com tensão estável e

controlada, pode ocorrer elevada variação no consumo e isso irá dificultar a análise da eficiência energética do padrão de capacidade. Apesar de o foco ser em capacidade de refrigeração, o padrão de capacidade irá monitorar também o consumo de energia e, em consequência, a eficiência energética.

Figura 27 - Variação do consumo de energia com a variação da tensão de alimentação durante um ensaio de avaliação de eficiência.

Fonte: Moser (2014).

Uma possível solução para utilizar o compressor VCC no padrão de capacidade, seria a instalação de uma fonte de tensão estável dedicada à bancada do padrão. Entretanto, essa solução elimina um aspecto na investigação do consumo de energia, que é o sistema de alimentação do compressor no painel que está em análise.

Ao utilizar o sistema de alimentação do painel de avaliação de eficiência para alimentar o compressor do padrão de capacidade é possível identificar se o circuito elétrico possui algum defeito que ocasiona variação na medição do consumo do compressor. Por outro lado, caso seja empregado um sistema externo ao painel de avaliação de eficiência para alimentar o compressor, essa falha não poderá ser detectada. Sendo assim, seria necessário desenvolver outro teste para avaliar o sistema de medição de consumo do compressor.

Além da possível oscilação do consumo em painéis de avaliação de eficiência sem fonte de alimentação, outra dificuldade do emprego de um compressor de capacidade variável é o controle das pressões de sucção e descarga, e da vazão mássica, conforme discutido na seção 3.1.2.

Os painéis de avaliação de eficiência utilizados nos testes possuem controladores industriais. Dessa forma, é possível controlar as variáveis

automaticamente, porém, com menos recursos de controle do que os disponíveis ao utilizar sistemas de controle desenvolvidos em ambientes como o Labview2, como foi o caso dos trabalhos desenvolvidos até o momento por Martins (2009), Schmitz (2010) e Corrêa (2013). Portanto, há maior dificuldade em utilizar regras de controle especiais para controlar as pressões de sucção e descarga além da vazão mássica. Dessa forma, é difícil compensar o comportamento mutivariável existente, conforme apresentado na seção 3.1.2.

Além de alterar o tipo de compressor, outra mudança proposta é nos engates utilizados para conectar o compressor aos demais componentes utilizados no padrão de capacidade. Na proposta deste trabalho, os engates utilizados no compressor do padrão de capacidade são soldados aos passadores do compressor, conforme mostrado na Figura 28.

Esse processo é diferente dos compressores normalmente testados no laboratório, nos quais, os conectores são instalados nos tubos passadores do compressor para realização do teste e retirados ao final da medição.

Com essa mudança, é eliminada a possibilidade de haver vazamento de fluido refrigerante na conexão do engate, que poderia ocorrer após algumas horas de teste. Em caso de vazamento, a análise do resultado poderia ser equivocada, portanto, há aumento de robustez com essa medida. Após aumentar a robustez do processo de medição, é necessário garantir que o compressor irá operar sempre sob a mesma condição. Uma das variáveis necessárias para isso é verificar a carga de óleo lubrificante do compressor antes de cada ensaio. Além de o resultado ser mais repetitivo, esse procedimento irá evitar danos aos componentes mecânicos e, até mesmo, danos permanentes ao compressor por falta de lubrificação.

Considerando que há engates soldados diretamente aos passadores do compressor, dificultando a execução do procedimento padrão da verificação da carga de óleo, a mesma será realizada através da massa do compressor. Portanto, deve ser registrada a massa do compressor com todos os engates soldados antes de iniciar os testes, conforme mostrado na figura 29. Caso haja diferença superior a ±5 g na massa do compressor, deve-se retirar ou inserir mais óleo lubrificante para garantir o volume correto de óleo antes dos ensaios. A balança utilizada possui incerteza de medição inferior a 0,4 g. Portanto, ela pode ser utilizada para o processo de controle da carga de óleo.

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Labview (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) é uma

plataforma de programação gráfica amplamente utilizada no meio industrial para as mais diferentes aplicações (NATIONAL INSTRUMENTS, 2014).

Figura 28 - Compressor com os engates soldados diretamente aos tubos passadores.

Fonte: Autor.

Figura 29 - Verificação da massa do compressor antes do teste.

Fonte: Autor.

Com as soluções apresentadas nesta seção, há um aumento na robustez do padrão de capacidade no que corresponde ao compressor.

Entretanto, essa alteração também ocasiona uma perda em relação ao projeto inicial. Ao utilizar um compressor com capacidade de refrigeração fixa não será mais possível controlar a vazão mássica no valor

desejado. Com essa nova configuração, a combinação de compressor com a condição de operação (pressão de sucção e descarga, frequência e tensão de alimentação) irá determinar a vazão. Portanto, para um dado compressor, não será possível alterar a vazão mássica sem alterar a condição de operação.

Como a vazão mássica não será mais controlada, não será possível utilizar um mesmo compressor para avaliar um intervalo de vazão mássica na mesma condição de ensaio. Essa análise seria possível na proposta inicial ao utilizar um compressor com capacidade variável devido à possibilidade de alterar sua frequência rotacional.

Na configuração atual, para abranger um intervalo de capacidade de refrigeração para o qual o painel é usualmente utilizado, será necessário o uso de ao menos 3 modelos diferentes de compressores ou 3 diferentes condições de testes.