FMorilla Simposio CEA-IC...

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1 de 30 XIIISIMPOSIOCEADEINGENIERÍADECONTROL 12,13demarzo,2015,UniversidaddelPaísVasco,SanSebastián OCROSIRE:OptimizaciónyControlRobusto Multivariable deSistemasdeRefrigeración DPI201237580C0201y02 F.Morilla Dpto deInformáticayAutomática ETSIInformática,UNED

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XIII�SIMPOSIO�CEA�DE�INGENIERÍA�DE�CONTROL12,�13�de�marzo,�2015,�Universidad�del�País�Vasco,�San�Sebastián

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

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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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(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.

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