ISA 2011 - Francisco Salvador

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‘ABSTRACT’ - Thermal systems operate most of the time at off-design conditions. In industrial refrigeration systems, the operation in partial loads occurs for many different reasons and the power consumption is a function of the refrigeration cycle pressures. This work proposes an energetic optimization of the compression refrigeration systems by the operation with a variable refrigeration cycle, specifically, by the operation with a variable suction temperature ‘set-point’. The capacity control system used in present industrial facilities is compared with two proposals for suction temperature ‘set-point’ variation for a dynamic mathematical model of an industrial refrigeration compression system for food freezing with ammonia refrigerant (R717).

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  • Muitas aplicações.
    Vamos ver os exemplos do que eu acredito que seja mais relevante para a SADIA.
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    1. 1. Sistema de Refrigeração Industrial com Set-Point Variável para a Indústria de Alimentos M. Eng. Francisco Salvador Siemens Ltda. Prof. Dr. Cláudio Garcia Escola Politécnica da USP
    2. 2. Agenda  Introdução  Ciclo Frigorífico  Controle  Conclusão
    3. 3. Introdução  A demanda por alimentos em 2050 será o dobro da atual. Entre 2010 e 2011, o aumento do preço dos alimentos deixou 70 milhões de pessoas na pobreza extrema (FAO).  Os investimentos na produção deverão aumentar 50% se quisermos contar com alimentos suficientes em 2050 (FAO-OECD).  Na indústria de alimentos, a refrigeração representa 10% dos custos de operação (FAO).  A cada R$ 1,00 a mais no custo da energia resulta numa retração de crescimento de R$ 8,60 da economia brasileira (FGV-ABRACE, 2010).
    4. 4. Introdução  Na indústria de alimentos, os sistemas de refrigeração visam fornecer as temperaturas necessárias ao processamento e estocagem dos produtos, sendo amplamente utilizado o sistema de refrigeração por compressão.  O consumo de energia (custo da geração de frio) apresenta grande variação em função dos regimes de operação adotados. Isto é, das pressões de Evaporação, Aspiração e Condensação.  O regime de operação é um compromisso entre as necessidades de: processo (velocidade de congelamento e características sensoriais do produto) projeto (investimento e gasto fixo da instalação de refrigeração).
    5. 5. Introdução  Por outro lado, o dimensionamento das instalações de refrigeração industrial é realizado para condições de operação nominais e em regime. Porém, elas operam apenas 7% do tempo nesse ponto. Curva típica de distribuição de carga de sistemas de refrigeração na indústria de alimentos. (LUNDBERG, 1997).  Para lidar com a operação em cargas térmicas parciais, os sistemas atuais utilizam o controle de capacidade de refrigeração através da vazão de refrigerante (mantendo fixo o regime de operação). Entretanto, pelas características do sistema de compressão, isso implica em perda de eficiência e maiores investimentos.
    6. 6. Introdução Em resumo, temos:  O consumo de energia apresenta grande variação em função do regime de operação adotado.  As instalações operam 93% do tempo abaixo da carga térmica de projeto.  Os sistemas atuais de controle são limitados pela perda de eficiência e necessidade significativa de investimentos adicionais.  Este trabalho demonstra alternativas de controle do sistema de refrigeração capazes de produzir a capacidade de refrigeração necessária com o menor trabalho de compressão através da otimização do regime de operação.
    7. 7. Agenda  Introdução  Ciclo Frigorífico  Controle  Conclusão
    8. 8. Regime de Operação  Pressão de aspiração é aquela observada a montante do compressor.  É definida pelo projeto e dimensionamento da instalação, reduzindo ao mínimo a perda de carga no sistema.  Pressão de evaporação é aquela observada no evaporador.  É selecionada pela velocidade ou tempo de congelamento necessário para manutenção das características sensoriais do produto, investimento e gasto fixo da instalação de refrigeração.  Pressão de condensação é aquela observada a jusante do compressor.  É definida pelas condições atmosféricas locais.  Vamos analisar as pressões de aspiração e evaporação por estarem associadas e representarem 85% da demanda.
    9. 9. Compressores  Como vimos, para lidar com a operação em cargas térmicas parciais, os sistemas atuais utilizam o controle de capacidade de refrigeração através da vazão de refrigerante (mantendo fixo o regime de operação).  O controle é normalmente através de um êmbolo deslizante e tem eficiência limitada. 120 BHP ( k W) 100 80 Real 60 Ideal 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Capaci dade ( % )  Recentemente tem aumentado a aplicação de conversores de frequência buscando-se melhores eficiências em cargas parciais. IRC (Industrial Refrigeration Consortium) University of Wisconsin-Madison
    10. 10. Compressão  Usualmente as instalações possuem vários compressores operando em conjunto.  Assim, o controle de capacidade é feito “em grupo”: um compressor opera variando sua capacidade e os outros permanecem a 100% de capacidade (ou desligados).  Essa forma de operação alcança ganhos de 3 a 7% no consumo de energia, sendo limitado pelas perdas mecânicas e elétricas (STOECKER).
    11. 11. Compressão e Evaporação  No compressor, os parâmetros operacionais mais importantes são a capacidade de refrigeração e a potência de compressão. Capacidade de Refrigeração Capac. de Refrig. / BHP  Um aumento de 10 ºC no set-point de compressão provoca:  aumento de 75 % na capacidade de refrigeração dos CPs.  aumento de 50% na eficiência de compressão (COP). Onde: Capacidade de Refrigeração = Vazão de Refrigerante x Efeito Frigorífico O Efeito Frigorífico corresponde ao aumento de entalpia do refrigerante através do evaporador (admitindo-se vapor saturado na saída do mesmo).
    12. 12. Compressão e Evaporação  Porém, para ser possível alterarmos o regime de operação, devemos considerar não só o regime de compressão, mas também o de evaporação.  Isto é, o processo permite alterações do regime de evaporação?  Isso é possível porque evaporadores e outros equipamentos de produção também estão dimensionados para situações de pico e não alteram suas características com a redução da temperatura de evaporação (STOECKER; JABARDO, 1994).
    13. 13. Carga Térmica Parcial  A operação em carga térmica parcial pode ocorrer por diversos relacionados principalmente a:  características dos equipamentos de produção (túnel de congelamento, etc);  linhas de produção paralelas;  turnos de operação, horários de refeições e higienização;  características dos produtos;  mix de produção;  volumes de produção;  características dos compressores;  número e capacidade dos compressores.
    14. 14. Agenda  Introdução  Ciclo Frigorífico  Controle  Conclusão
    15. 15. Estudo de Caso  Há uma grande oportunidade de ganho se controlarmos a capacidade frigorífica através do regime de operação afim de aproveitar as características de forte aumento de capacidade e eficiência de compressão em temperaturas mais elevadas.  É possível desenvolver um sistema de controle dos compressores que identifique e tire proveito dos momentos de carga parcial para reduzir o gasto de energia.
    16. 16. Estudo de Caso  Para tanto é preciso conhecer a capacidade frigorífica necessária e a forma como varia a carga térmica. Essas informações não são facilmente medidas !  Elas dependem das características de cada planta: Projeto (características, capacidades e quantidade de compressores, túneis de congelamento, câmeras frias, etc.) Processo (linhas de produção, mix de produtos, características dos produtos, etc) Operação (perfil de produção atual, tendência, conjunto de compressores disponível, etc).
    17. 17. Simulação e Controle  Para a análise, será considerado um sistema frigorífico industrial típico na indústria de alimentos, com compressores a vapor tipo parafuso, refrigerante amônia (R-717), reservatório de líquido a baixa pressão, túnel de congelamento contínuo com evaporadores com circulação forçada de líquido e condensadores evaporativos atmosféricos. ÁGUA -30ºC TCH-01 TUNEL DE CONGELAMENTO SL-01 ÁGUA FS CE-01 BA-01A BA-01B AL-01 CP-01 CP-02 RL-01 -40ºC
    18. 18. Simulação e Controle Set-point Regime de Operação Parâmetros da Instalação Sistema de Congelamento Compressores Pressão Capacidade Potência Temperaturas Sistema de Controle
    19. 19. Simulação e Controle Sistema de Controle Sistema de Congelamento  Implementação em MATLAB e SIMULINK. Compressores
    20. 20. Compressão e Evaporação  Aumentando-se a temperatura de evaporação mantendo-se, porém, a mesma carga térmica, o controle de capacidade do compressor irá reduzir a capacidade (%) do mesmo a fim de manter a nova temperatura de evaporação.  A redução da capacidade por sua vez irá reduzir a eficiência do compressor.  Portanto, a redução da temperatura de evaporação implicará em menor consumo de energia enquanto a redução no rendimento devido à redução na capacidade de trabalho do compressor seja suficientemente pequena. Capacidade de Refrigeração Capac. de Refrig. / BHP
    21. 21. Máxima Temperatura de Evaporação  O ‘set-point’ de temperatura de sucção do compressor é obtido através de um controlador PI onde a variável controlada é a temperatura ambiente do túnel de congelamento.  O sistema é simulado considerando-se a operação a partir de uma condição inicial com o túnel vazio e carregamento nominal de 4.500 kg/h de um produto ‘A’.  O túnel é carregado continuamente, numa operação de 2 turnos. Ele atinge sua capacidade máxima (regime de operação nominal) e, finalmente, é feito o descarregamento.
    22. 22. Máxima Temperatura de Evaporação  Redução no consumo para operação com ‘set-point’ variável em função da temperatura ambiente com relação à operação com ‘set-point’ fixo (–40ºC). Carga Térmica Redução no Consumo Total Compressor 100% 4,1% 80% 7,2%  Potência no eixo para 80% da carga térmica nominal. --- controle de capacidade tradicional.  controle pela máxima temp. de evaporação.  Para carga térmica de produto na faixa de 50% a 59% (carga térmica total de 61% a 67%), o sistema com ‘set-point’ variável opera com apenas um compressor, ao passo que o sistema com ‘set-point’ fixo opera com dois. Nesta situação, a redução de consumo chega a 30%.
    23. 23. Máxima Temperatura de Evaporação  Para a distribuição de carga térmica típica, temos uma redução do consumo de energia de 7,8 % para o sistema com ‘set-point’ variável comparado ao sistema com ‘set-point’ fixo.
    24. 24. Otimização  A otimização do sistema correspondente à determinação da temperatura de evaporação que produza a menor potência absorvida no eixo do compressor para determinada capacidade de refrigeração. Temp. Evap. ótima Vazão de refrigerante Max. Temp. Evap. Otimização Pot. Total Absorvida Vazão de Refrigerante
    25. 25. Otimização  Redução no consumo para operação com ‘set-point’ variável conforme máxima temperatura de evaporação e rotina de otimização com relação à operação com ‘setpoint’ fixo de –40ºC. Carga Térmica Total 100% Redução no Consumo SP variável pela máxima temperatura de evaporação 4,1% Redução no Consumo SP variável pela rotina de otimização 5,5% 80% 7,2% 9,2%  Potência no eixo para 80% da carga térmica nominal. ----- controle de capacidade tradicional. -  controle pela máxima temp. de evaporação  controle com rotina de otimização
    26. 26. Otimização  Para a distribuição de carga térmica típica, temos uma redução do consumo de energia de  10,1%  para o sistema com ‘set-point’ variável ótimo comparado ao sistema com ‘set-point’ fixo.
    27. 27. Observações Adicionais  Existe uma tendência à operação somente com um compressor enquanto a vazão de refrigerante necessária esteja dentro da faixa do mesmo.  É interessante observar que para a operação com dois compressores a rotina de minimização fornece como resultado a operação dos compressores com capacidades iguais.  Para compressores com melhor relação de rendimento em função da capacidade, a redução da temperatura de evaporação trará maiores benefícios.  Numa instalação com dois ou mais compressores operando no mesmo regime, a redução de capacidade pode atingir valores em que possa ser desligado um ou mais compressores. Esse caso é extremamente vantajoso, pois propicia grande redução na potência absorvida.
    28. 28. Agenda  Introdução  Ciclo Frigorífico  Controle  Conclusão
    29. 29. Conclusões  Existe enorme pressão pelo aumento da produção de alimentos e redução do consumo energético para atender a população mundial até 2050.  Este trabalho enfoca novos sistemas de controle para a otimização energética dos sistemas de refrigeração industrial.  O estudo propõe a investigação da operação com ‘set-point’ de temperatura de sucção e evaporação variáveis em função da variação da carga térmica das instalações.  Foi elaborado um modelo para simulação dinâmica de um sistema de refrigeração industrial por compressão a vapor com refrigerante amônia (R717) para o congelamento de alimentos.  O modelo foi simulado em condições de operação típicas das instalações industriais.
    30. 30. Conclusões  O controle com ‘set-point’ variável pode proporcionar a reduções no consumo de energia da ordem de 8 a 10%.  O controle proposto é igualmente aplicável a instalações novas e existentes.  Requer : baixo investimento; nenhuma alteração mecânica ou elétrica; nenhuma interrupção de operação. • Apresenta ganhos superiores a todas as técnicas atuais.  Para compressores com maior eficiência em regime de cargas parciais os resultados são superiores.
    31. 31. Próximos Passos  Simulação on-line com dados de operação para cargas parciais e compressores.  Aplicação de técnicas de identificação de sistemas a fim de comparar a operação e o desempenho dos compressores com dados de catálogo.  Aperfeiçoamento das rotinas de otimização e controle visando aplicação industrial.  Desenvolvimento em plataforma industrial com controle avançado.  Adaptação do modelo para outros objetivos de controle, por exemplo:  aumento da capacidade de refrigeração;  melhor resposta a picos de produção.
    32. 32. Obrigado por sua atenção!  Francisco Salvador  Telefones: +55 11 3908 2096 +55 11 9687 6694  E-Mail: francisco.salvador@siemens.com.br

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