Implementação de um sistema do tipo temperatura de condensação flutuante para redução do consumo de energia elétrica em uma planta frigorífica

Abstract

A crescente demanda por energia, o alto custo para sua geração e o compromisso com asustentabilidade nos fazem refletir sobre a necessidade de buscar técnicas e processos que visem à redução e promovam o consumo consciente desse insumo. Ambientes frigoríficos, por sua vez, demandam grandes potências de energia elétrica, sendo os processos de compressão e condensação do fluido refrigerante, os que exigem maior consumo. O controle de temperatura de condensação flutuante é uma estratégia que visa a minimização do consumo de energia elétrica do sistema de refrigeração. Esse trabalho tem por objetivo, o desenvolvimento de um modelo matemático, onde as grandezas físicas presentes no processo termodinâmico possam ser analisadas e ações que determinam o ponto de ajuste ótimo da temperatura de condensação e a velocidade de rotação do ventilador do condensador evaporativo possam ser aplicadas. Uma bancada experimental, com uso de R22, foi desenvolvida para os ensaios e validação do modelo em laboratório. Após a validação, o modelo matemático foi incorporado a um controlador lógico programável, o que possibilitou estender o estudo a uma unidade industrial de refrigeração por amônia, na cidade de Rio Grande/RS. Durante 16 meses, a unidade frigorífica serviu como base de estudos e aperfeiçoamento da pesquisa. Nesse período, novos dados foram avaliados e puderam contribuir para a validação da eficiência do modelo matemático desenvolvido. Para o estudo, desenvolveu-se modelos numéricos do compressor e do condensador evaporativo da unidade. Esses modelos foram elaborados sobre análise de regressão linear múltipla, através de funções polinomial e posteriormente puderam ser otimizados através de métodos de minimização. As soluções numéricas foram desenvolvidas no software Engenireering Equation Solver (EES). Verificou-se que o consumo de energia elétrica do sistema pode ser minimizado equilibrando os consumos do compressor e condensador através da relação existente entre temperatura de condensação e frequência de operação do ventilador do condensador. A operação do modelo sobre a bancada experimental permitiu reduzir o consumo de energia elétrica em 43%, enquanto observou-se 6,6% de redução do consumo na unidade industrial. Esses percentuais podem variar de acordo com as condições impostas ao sistema, como mudanças na carga térmica, variações nos valores de Temperatura de Bulbo Úmido (TBU), entre outros. Ao considerar o aprimoramento do estudo, propôs-se um novo modelo, no qual os valores de TBU são responsáveis pelas definições de mudança de operação do sistema de refrigeração.

The growing demand for energy, the high cost for its generation and the commitment to sustainability make us reflect on the need to seek techniques and processes aimed at reducing and promoting or consciously consuming this input. Refrigerating environments, in turn, require large electric power powers, with the compression and condensation processes of the refrigerant causing the highest consumption. Floating condensation temperature control is a strategy that aims to minimize the electricity consumption of the cooling system. This work aims to develop a mathematical model, where the special products present in the thermodynamic process can be analyzed and actions that determine the optimum point of condensation temperature adjustment and evaporative condenser fan test speed used. An experimental bench, using the R22, was developed for laboratory testing and model validation. After validation, the mathematical model was incorporated into a programmable logic driver, which enabled the study of an industrial ammonia refrigeration unit in the city of Rio Grande/RS. For 16 months, a rigorous unit served as the basis for studies and research renement. During this period, new data were applied and contributed to the validation of the eciency of the developed mathematical model. For the study, we developed numerical models of unit compressor and evaporative condenser. These models were elaborated on selected linear regression analysis through polynomial functions and could later be optimized by minimization methods. Numerical solutions were not developed in the Engineering Equation Solver (EES) software. Verify that system power consumption can be minimized by consuming the compressor and condenser through the relationship between condensing temperature and condenser fan operating frequency. Operating the model on an experimental bench reduced power consumption by 43%, while reducing power consumption at 6; 6%. These percentages may vary depending on the conditions imposed on the system, such as changes in thermal load, changes in Wet Bulb Temperature (TBU) values, among others. Thinking about improving the study, a new model is proposed, in which the TBU values are responsible for the change of operation of the cooling system.