INFLUÊNCIAS DO CONTROLE DE TEMPERATURA E DO CICLO DE OPERAÇÃO DO COMPRESSOR NA QUALIDADE DE ENERGIA DE REFRIGERADORES DOMÉSTICOS
Diego Santos Greff
PUCPR – CCET – Grupo Produtrônica Fone: 41 333 1333
dsgreff@ccet.pucpr.br
Nathan Mendes PUCPR – CCET – LST
R. Imaculada Conceição, 1155 Curitiba - PR - 80215-901 Fone: 41 330 1691 Fax: 41 330 1345
nmendes@ccet.pucpr.br
Resumo. Refrigeradores domésticos de baixo custo são termicamente controlados por um termostato de bulbo a gás indexado a superfície do evaporador.Tendo-se tal característica este controle de temperatura pode ser amplamente melhorado contribuindo para a performance térmica do refrigerador e obtendo-se conseqüentemente uma redução de consumo. Nesta perspectiva este trabalho descreve um ambiente integrado de hardware e software para avaliação da performance de sistemas de refrigeração composto por um sistema de aquisição de sinais em plataforma VXIbus,concebido para medir grandezas físicas de distribuição de temperatura nos compartimentos de refrigerador e freezer quando submetidos a condições pré-determinadas de temperatura e umidade. Os principais objetivos de tal proposta são: i) avaliar a melhoria da eficiência térmica e energética em refrigeradores de baixo custo quando submetidos a um controle de temperatura correlacionado a uma medida de temperatura de múltiplos pontos; ii) usufruir futuramente das técnicas de controle de temperatura para integração a um compressor de velocidade variável e iii) reduzir os custos de ensaios correlacionados aos testes de consumo de energia.
Keywords. refrigerador, consumo , ensaio, instrumentação.
1. Introdução
Nas últimas décadas, o amadurecimento das preocupações ambientais quanto aos efeitos da geração de energia elétrica e a crescente demanda de energia induzida pelas oscilações da retomada econômica, defrontaram-se com o estrangulamento e a inércia do setor de geração e distribuição de energia brasileiro. Estudos projetam um crescimento de 4,7% ao ano para os próximos 10 anos, sendo que o consumo total de energia elétrica em todo o País no ano de 2000 foi de 332 TWh e assumirá o valor próximo a 590 TWh em 2010. Estudiosos do sistema nacional de energia pregam que se as atitudes político-econômicas não forem seriamente realizadas o País se defrontará com um colapso energético grave até o ano de 2006, pois milhões de reais que deixariam de ser investidos na melhoria do sistema acarretariam na perda de bilhões com o caos da incapacidade do sistema em atender a demanda, Eletrobras (2001).
2. Sistemas HVAC Residenciais
Os sistemas HVAC (Heating, Ventilation and Air-Conditioning) englobam: aquecimento, ventilação e ar- condicionado. Em edificações residenciais, a climatização e a refrigeração somada podem alcançar até 40% do consumo de energia, sendo bem superior ao consumo em iluminação. Destes 40% de consumo, 33% são destinados aos refrigeradores e 7% aos condicionadores de ar. Observada tal importância, tem-se investido muito na melhoria da eficiência energética de sistemas HVAC; fabricantes de diversos setores dos semicondutores e microcontroladores aos de inversores de freqüência têm aberto linhas de pesquisa e comercialização visando agressivamente o mercado de sistemas HVAC, Sulfstede (1993).
Atualmente no mercado, a maior parte dos sistemas HVAC são eletro-mecanicamente controlados, apresentando capacidade fixa e controle “on-off” de funcionamento. Tendo-se em vista estas tecnologias clássicas percebe-se um amplo potencial para aplicação de tecnologias de alta-eficiência controladas por sistemas microprocessados com lógicas de controle mais eficazes e capacidade variável, assegurada pelo controle de velocidade proporcionada pelo inversor de freqüência. A característica do mercado brasileiro permite no momento a utilização de tecnologias mais recentes eficazes aos sistemas ou produtos de alto valor agregado a exemplo dos condicionadores de ar comerciais e refrigeradores domésticos de alta gama.
3. O Potencial Energético de Refrigeradores Residenciais
As características de distribuição de renda brasileira propiciam que apenas 6% das residências possuam ar- condicionado, assim dentre do segmento de climatização e refrigeração o que tem tido foco de investimentos é o de refrigerador, no entanto, esforços grandes têm sido feitos para regulamentação da eficiência energética de condicionadores de ar Lamberts et al.(1997).
A evolução tecnológica em refrigeradores tem sido considerável. Algumas tecnologias já presentes no mercado consumidor em forma mais ampla - a exemplo do “frost-free” ou os controles “fuzzy”, que adaptam a operação do refrigerador ao tipo de usuário - estão disponíveis em refrigeradores de alto-custo importados ou para exportação.
Considerando-se que com o uso de tecnologias que proporcionassem um refrigerador de alta eficiência, a redução do consumo poderia ser de até 30% em relação a um equipamento convencional de mesma capacidade; assim, por estimativa haveria uma redução da energia elétrica total consumida de 7%, o que equivale ao potencial de redução na matriz energética brasileira na ordem de 28 TWh.
3.1 Distribuição Energética em Refrigeradores
A tecnologia construtiva mecânica de refrigeradores apresenta-se consagrada há mais de um século e muito ainda há por evoluir em sua eficiência. Na Tabela 1, é visível a baixa eficiência onde grande montante de energia é despendido no sistema compressor. A exemplo do exposto para um compressor que demanda 33,4W de energia elétrica apenas 3,2W transformam-se em energia refrigerante Jakobsen (1995).
Tabela 1 – Distribuição das Perdas no Refrigerador
Componente Perdas
Compressor 69%
Evaporador 14%
Condensador 8%
Tubo Capilar e Troca Térmica
8%
3.2 Otimização Energética em Refrigeradores
Com o objetivo de racionalizar a demanda de energia em refrigeradores, esforços de pesquisadores e fabricantes têm convergido em duas frentes de desenvolvimento. Uma delas seria em melhorias na concepção dos seguintes integrantes mecânicos do refrigerador Jakobsen (1995):
i. Parâmetros do condensador e evaporador;
ii. Comprimento dos capilares e carga de refrigerante;
iii. Tipo de fluido refrigerante;
iv. Ventilação Forçada.
Partindo-se do fato que o compressor é o grande detentor da baixa eficiência de energia, investimentos no desenvolvimento de sistemas que otimizem a operação do compressor apresentam melhores resultados quanto à eficiência global do refrigerador. Dentre as diretrizes na concepção elétrica salientam-se Tassou e Qureshi (1994):
i. Melhoria no controle “on-off” de temperatura;
ii. Operação contínua do compressor por inversor de freqüência;
iii. Compressor com motor BLDC (Brush-Less Direct Current).
Os sistemas de controle de temperatura disponíveis nos refrigeradores nacionais de baixo custo configuram-se por um termostato tipo bulbo de gás posicionado na superfície do evaporador (congelador). A temperatura média da superfície do evaporador de um refrigerador de pequeno porte (categoria uma estrela) é de –10oC e a temperatura média do gabinete é 5oC. Em funcionamento, a temperatura da superfície do evaporador é igual a do ajuste e o termostato desliga o compressor, a temperatura eleva-se gradualmente no gabinete e inicia-se um processo de degelo do evaporador e o compressor é acionado novamente. Os ciclos “on-off” determinam perdas consideráveis, onde dois fatores seriam os mais relevantes. O primeiro seria o transitório de partida o motor, partindo-se de sua inércia à velocidade nominal transitórios de corrente são gerados reduzindo a eficiência e poluindo o sistema de energia elétrica com harmônicas.
4. Proposta de Estudo
Os ensaios de performance de refrigeradores são realizados conforme a Norma ISO/DIS 7371.2; no item 15, Teste de Consumo de Energia, o ensaio deve ser realizado a uma temperatura ambiente de +32 oC com variação de ±2 oC, onde relatório final do ensaio deve apresentar o cálculo do consumo de energia considerando-se as últimas 24 horas estáveis do ensaio. Segundo o item 13, que trata dos Testes de Temperatura de Estocagem, o compartimento do congelador deve ser preenchido, segundo um plano de disposição, com pacotes térmicos que simulam os alimentos.
Destes, apenas três pacotes apresentam-se ligados aos transdutores de temperatura: um superior e adjacente a porta do congelador, um médio central ao compartimento e um inferior ao fundo junto a placa do evaporador (placa do
congelador). O primeiro supracitado pacote têm sua temperatura normalizada em –6 oC, tomando-se esta como a temperatura para o ajuste do termostato.
Normalmente o ciclo de ajuste do termostato envolve um dispêndio de tempo, tendo-se em vista as variações de fábrica entre equipamentos, a inércia térmica dos sistemas em ensaio e a desclimatização do ambiente de ensaio tendo-se em vista que o ensaísta deve acessar o ambiente do refrigerador para proceder aos ajustes.Assim, melhorias no sistema de ensaio de refrigeradores e conhecimento do comportamento termo-energético destes segundo a sistemática do controle de temperatura são precípuas para o domínio das técnicas vindouras para o controle contínuo da capacidade frigorífica.
Seguindo-se as possibilidades de incremento da performance elétrica e de redução do tempo de ensaio de refrigeradores, foi analisado o comportamento termodinâmico e sua influência no consumo de energia elétrica quando um refrigerador é ensaiado em diferentes histereses de temperatura com ajuste de temperatura auxiliado por software.
5. Experimento
O Laboratório de Sistemas Térmicos (LST – www.pucpr.br/LST) tem disponível uma infraestrutura para avaliação de eficiência energética de equipamentos de climatização e refrigeração residenciais e comerciais e para desenvolvimento de ferramentas computacionais com validação de modelos matemáticos.
5.1 Câmara Climatizada
O laboratório apresenta uma câmara climatizada com 27m3 e uma capacidade frigorífica de 29800 BTU/h. A grandeza de temperatura da câmara é obtida da média de aquisição de quatro sensores do tipo PT100 com faixa de operação de operação entre –10 e 60oC. Para a umidade, utiliza-se um transdutor com faixa de operação de 10 a 95%.
Os transdutores de temperatura, umidade e atuadores são interligados a um controlador lógico programável que determina conforme sua lógica as ações necessárias para manter a temperatura e umidade da câmara climatizada. Tais características permitem a realização de ensaios em condições críticas de temperatura e umidade em equipamentos de médio porte, Mendes et al (2001).
5.2 Sistema de Aquisição de Sinais
O sistema de aquisição de sinais é baseado em plataforma VXI de instrumentação virtual da National Instruments, vide Fig. 1. O software dedicado denominado SIAS, elaborado em código LabWindows/C, é configurável conforme o tipo de ensaio realizado, permitindo aquisição de até oitenta transdutores de temperatura e grandezas elétricas como tensão, corrente, potência ativa, potência aparente e potência reativa assim como do fator de potência. Os transdutores de grandezas térmicas são termopares tipo T e PT100 com critério de utilização ou não via software. Quanto às grandezas elétricas, estas são adquiridas por transdutores digitais de comunicação direta com o hardware do VXI. O sistema inicialmente foi concebido de forma a atuar apenas na aquisição de grandezas e emissão de relatório, porém, com o intuito de prover um sistema flexível às necessidades, houve a evolução de forma a apresentar capacidades de intervenção no sistema em estudo segundo uma lógica pré-definida. Desta forma, conseguem-se intervenções periódicas via atuadores específicos sem abertura e perturbação do estado termodinâmica do ambiente interno da câmara, o que influenciaria os resultados dos ensaios. Atualmente as habilidades de atuação são utilizadas para o controle de potência em grupos de aquecimento e refrigeradores em ensaio, onde as alterações dos parâmetros de controle podem ser feitas via interface software-usuário do SIAS, Mendes et al ( 2001).
Figura 1 – Perspectiva global do sistema de aquisição
SIAS
5.3 Termostato
Ao programa SIAS foi inserida uma interface com o usuário que permite a este: i. configurar o valor de temperatura de referência –6oC, ISO/DIS 7271.2 item 3.2.5.1; ii. determinar a posição interna ao refrigerador onde será obtida esta temperatura, o pacote térmico próximo a porta do congelador ISO/DIS 7271.2 item 3.4.3.2; iii. definir a histerese de temperatura. O programa, por meio do VXI, habilita ou não um relé de estado sólido que controla a funcionamento do compressor proporcionando assim o ajuste remoto e automático da temperatura do refrigerador. Na Figura 2 tem-se representado o conjunto de telas de ensaio evidenciando-se a interface do usuário para o termostato.
Figura 2 – Tela de monitoramento e do termostato do software SIAS.
6. Resultados
Para verificação do sistema proposto foram efetuados quatro ensaios: i. refrigerador com ajuste em termostato original; ii. refrigerador com termostato via software e histerese de –6±0,30oC ; iii. termostato via software e histerese de –6±0,15oC; iiii. termostato via software e histerese de –6 ±0,05oC. Na Figura 3, representam-se as temperaturas no pacote para o ensaio com termostato original, vide Figura 3.a, e para o termostato via software com histerese de
±0,30oC, vide Figura 3.b. Nestes é notável a redução do tempo de estabilização do pacote térmico quando do uso do controle via software.
-12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00
19:04:51 19:45:13 20:25:13 21:05:13 21:45:13 22:25:13 23:05:13 23:45:13 00:25:13 01:05:13 01:45:13 02:25:13 03:05:13 03:45:13 04:25:13 05:05:13 05:45:13 06:25:13 07:05:13 07:45:13 08:25:13 09:05:13 09:45:13 10:25:13 11:05:13 11:45:13 12:25:13 13:05:13
Figura 3 – Comparativo da estabilização da temperatura no pacote térmico.
A estabilização da temperatura do refrigerador é considerada, segundo norma, durante as últimas 24 horas em que a temperatura do pacote térmico tenha alcançado o regime permanente. Na Figura 4.a nota-se a grande oscilação e inércia térmica do pacote para o termostato original e conseqüentemente o elevado delta de temperatura. Na Figura 4.b, tem-se
a b
oC
hh:mm:ss
a temperatura no referido pacote para uma histerese de ±0,30oC. Na Figura 4.c, tem-se a temperatura no referido pacote para uma histerese de ±0,15oC. Na Figura 4.d, tem-se a temperatura no referido pacote para uma histerese de ±0,05oC.
Para as temperaturas controladas via software o valor da histerese refere-se ao ajustado em software o que justifica que o delta da temperatura medida no pacote seja superior á da histerese fato reforçado pela inércia térmica do sistema.
-7 -6.8 -6.6 -6.4 -6.2 -6 -5.8 -5.6 -5.4 -5.2 -5
Figura 4 – Comparativo da estabilização da temperatura no pacote térmico para o termostato original e via software.
Nas figuras que seguem têm-se representadas a potência instantânea para 12 horas de ciclo estável. Na Figura 5 ilustra-se a operação com termostato original obtendo-se um consumo de 25,83 KWh/mês com o compressor em funcionamento por 36,84% do tempo considerado. Na Figura 6, com o termostato via software e histerese ±0,30oC o consumo foi de 25,65 KWh/mês com o compressor em funcionamento por 42,31% do tempo. Na Figura 7, com uma histerese ±0,15oC um consumo de 27,07 KWh/mês e o funcionamento do compressor em 42,72%. Na Figura 8, com uma histerese ±0,05oC o consumo foi de 27,78 KWh/mês e o tempo de funcionamento 43,68%.
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05:31:11 05:57:41 06:24:11 06:50:41 07:17:11 07:43:41 08:10:11 08:36:41 09:03:11 09:29:41 09:56:11 10:22:41 10:49:11 11:15:41 11:42:11 12:08:41 12:35:11 13:01:41 13:28:11 13:54:41 14:21:11 14:47:41 15:14:11 15:40:41 16:07:11 16:33:41 17:00:11 17:26:41
Figura 5 – Potência instantânea para o termostato original em regime permanente.
0 20 40 60 80 100 120
21:29:52 21:56:44 22:23:14 22:49:44 23:16:14 23:42:44 00:09:14 00:35:44 01:02:14 01:28:44 01:55:14 02:21:44 02:48:14 03:14:44 03:41:14 04:07:44 04:34:14 05:00:44 05:27:14 05:53:44 06:20:14 06:46:44 07:13:14 07:39:44 08:06:14 08:32:44 08:59:14 09:25:44
b a
c d
W
W
hh:mm:ss hh:mm:ss
oC
hh:mm:ss
Figura 6 – Potência instantânea para o termostato com histerese ±0,30oC em regime permanente.
0 20 40 60 80 100 120
20:05:17 20:33:39 21:01:39 21:31:09 21:59:40 22:29:09 22:58:39 23:27:39 23:56:09 00:23:39 00:51:39 01:19:09 01:46:39 02:14:09 02:44:09 03:15:09 03:43:09 04:10:39 04:38:09 05:06:09 05:35:09 06:04:09 06:32:39 07:00:39 07:28:09 07:55:39 08:23:09 08:51:09
Figura 7 – Potência instantânea para o termostato com histerese ±0,15oC em regime permanente.
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17:28:19 17:55:41 18:22:41 18:49:41 19:16:41 19:43:41 20:10:41 20:37:41 21:04:41 21:31:41 21:58:41 22:25:41 22:52:41 23:19:41 23:46:41 00:13:41 00:40:41 01:07:41 01:34:41 02:01:41 02:28:41 02:55:41 03:22:41 03:49:41 04:16:41 04:43:41 05:10:41 05:37:41
Figura 8– Potência instantânea para o termostato com histerese ±0,05oC em regime permanente.
7. Conclusão
Este trabalho cumpriu suas perspectivas de observação da dinâmica termo-energética de um refrigerador doméstico quando acionado remotamente via software e as influência do histerese da temperatura do ambiente do refrigerador quando submetido a um termostato do tipo “on-off”. Neste conceito o ensaio com histerese ±0,30oC apresentou um consumo mensal próximo a operação do refrigerador quando controlado pelo seu termostato original, tal evidência declara a possibilidade redução acintosa do tempo de ensaio de performance de refrigeradores domésticos quando controlados remotamente. Como esperado a redução da histerese, embora melhore a regulagem térmica do ambiente interno do refrigerador, compromete o consumo mensal devido ao aumento do número de acionamentos do compressor.
Tais observações são de valia neste trabalho que é precursor dos estudos de concepção de um inversor de freqüência para acionamento de compressores de baixa capacidade que, tanto à nível de ensaio quando a nível de desenvolvimento de produto, possibilitarão o controle contínuo da capacidade frigorífica de refrigeradores domésticos e a redução potencial de até 30% no consumo de tais equipamentos.
8. Agradecimentos
Os autores agradecem ao programa RHAE (Recursos Humanos em Áreas Estratégicas, Ref. 550093/01-0) do CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelas bolsas de pesquisa concedidas a integrantes do Laboratório de Sistemas Térmicos da Pontifícia Universidade Católica do Paraná.
W W
hh:mm:ss
hh:mm:ss
9. Bibliografia
ELETROBRAS, 2001, Mercado de Energia Elétrica Brasileiro – Relatório Analítico Ciclo 2000.
http://www.eletrobras.gov.br/mercado/default.asp. [03 Abr. 2004].
Lamberts, R., Dutra, L., Pereira, F. O. R., 1997, Eficiência Energética na Arquitetura. PW Editores, São Paulo, p 163- 167, 1997.
Sulfstede, L., 1993, Applying Power Electronics to Residential HVAC – The Issues, IEEE Transactions on Industry Applications, VOL.29, No2.
Jakobsen, A., 1995, Energy Optimisation of Refrigeration Systems. Ph. D. Thesis. Technical University of Denmark.
March 1995. p 98-113.
Tassou, S.A., Qureshi, T.Q., 1994, Performance of Variable a Speed Inverter/Motor Drive for Refrigeration Applications, Computing & Control Engineering Journal, p 193-199, August, 1994.
Mendes, N., Moura, L. M., Santos, L. A., Teodoro, F. A., 2001, Sistema Integrado para Análise de Desempenho Térmico. In: Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica - COBEM. Anais.
INFLUENCES OF THE TEMPERATURE CONTROL AND CYCLE OF OPERATION OF THE COMPRESSOR IN THE QUALITY OF ENERGY AT HOUSEHOLD REFRIGERATORS
Abstract. Low-cost household refrigerators are thermally controlled by a gas bulb thermostat attached to an evaporator surface. In this way, this temperature control device can hardly improve the thermal performance of refrigerators focused on energy consumption reduction. Therefore, this work describes an integrated environment of hardware and software to evaluate thermal systems performance with a data acquisition system, based on the VXIbus platform, conceived to measure physical quantities such as temperature distribution within refrigerator and freezer compartments under pre-determined conditions of temperature and relative humidity. The main goals of this proposal are: i) evaluate the thermal and energy efficiency improvement in low-cost refrigerators when submitted to a control concerning multipoint temperature measurement; ii) Apply the developed temperature control technique integrated to a variable speed compressor and iii) reduce labor costs to accomplish energy consumption testes.
Keywords. household refrigerator, consumption, test, instrumentation.
10. Copyright Notice
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