1. Bevezetés
Egy korábbi kutatási munkánkban a kereskedelmi szektorban elterjedőben lévő, új fejlesztésű DC inverteres hűtőaggregát energiafogyasztásának optimalizálására került sor, amely fordulatszám szabályozású kompresszort, elektronikus expanziós szelepet és PID szabályozót tartalmazott [1]. A vizsgálati célok megvalósítása érdekében egy kísérleti mérőállás épült egy hazai piacvezető hűtéstechnikai rendszereket forgalmazó cég bemutatótermében.
A mérőrendszer fő része egy hűtőkamra, amely belül két azonos elpárologtatót tartalmazott; az egyiket a DC inverteres hűtő aggregáttal üzemeltetik, a másik számára pedig a hazai piacon nagyon széles körben elterjedt, hagyományos hűtőberendezés biztosítja a hűtési energiát, amelyet egy hagyományos dugattyús kompresszor, a mechanikus expanziós szelep és az On-Off (kétállású) szabályozó technika működtet [2][10]. A gyártó által szolgáltatott hiányos adatok miatt a DC hűtőberendezés PID szabályozóját optimalizálni kellett a megfelelő arányos, integráló és differenciáló paraméterértékek beállításával az energiatakarékos üzemeltetés biztosítása érdekében. A kísérleti vizsgálatok eredményeiből tudományos folyóiratcikk jelent meg a Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/11. számában [11].
A kutatás folytatása gyanánt a cél olyan termikus szimulációs modell kidolgozása, mely alkalmas a hűtőkamrák hűtésére alkalmazott különböző szabályozású (On-Off és PID) klímatechnikai rendszer termikus paramétereinek vizsgálatára. További cél a kidolgozott szimulációs modell validálása a kutatási munka korábbi szakaszában végzett kísérletek során született mért eredményekkel. A kutatómunkában aszszisztált Simon Richárd MSc. hallgató, munkájából egy kiváló minősítésű TDK dolgozat [12] és diplomamunka született [13].
2. A szimulációs modell felépítése
A kutatási munka folytatása gyanánt, annak korábbi szakaszában a kísérletek során alkalmazott hűtéstechnikai rendszerek [11] energetikai jellemzőinek részletesebb vizsgálata érdekében, egy termál szimulációs modellek kidolgozása került sor. Amennyiben a kidolgozott szimulációs modell által meghatározott eredmények megfelelő pontossággal megközelítik a kísérleti eredményeket, akkor a rendszerre jellemző paramétereket változtatva még több következtetést vonhatunk le annak működéséről, elkerülve a magas beruházási költségekkel járó újabb kísérleti mérőberendezés építését vagy a meglévő átalakítását.
A kutatási munka jelen szakaszában, első körben a kísérletek során vizsgált különböző típusú szabályozó rendszereknek (PID és On-Off) a hűtőberendezés energiafelhasználására gyakorolt hatásának szimulációs vizsgálatára került sor.
A szimuláció elkészítéséhez a MatLab R2016a programot és annak Simulink modulját használtam SimScape elemekkel. Az általánosított rendszerfelépítést a következő oldalon látható 1. ábra mutatja.
Mivel a kutatási munka jelen szakaszában az On-Off illetve PID szabályozott rendszerek összehasonlítása a cél, ezért majd a későbbiekben bemutatott szimulációs modellek között csak a vezérlésben lesz eltérés. Az ábráról leolvasható, hogy a rendszer összehasonlítja a setpointot (a tartani kívánt, beállított léghőmérséklet) a kamrában mért tényleges léghőmérséklettel és ennek megfelelően szabályozza a hűtési teljesítményt.
A Matlab Simulink modulban használhatók úgynevezett SimScape elemek, ezen belül a Thermal Elements (termikus elemek), amelyek kiválóan alkalmasak a kutatási munkában vizsgált hűtéstechnikai rendszer energetikai modellezésére.
Egy-egy felhasznált elemnél meg kellett adni a rá jellemző mennyiségeket (pl. a kamrában lévő anyag (levegő) tömegét és hőkapacitását, az elpárologtató hőátadási tényezőjét stb.).
Az elpárologtatóra illetve a kamrára jellemző műszaki adatokat (hőátadó felület, hőátbocsátási tényező) a gyártó által megadott értékekkel vettem számításba a szimulációs modell kidolgozása során, illetve a kísérletekhez hasonlóan 500 W belső hőterheléssel („plusz hőterhelés”) számoltam.
A szimulációs modell kifejlesztése során termálmodellezés készült, felépítésüket tekintve nem tartalmaznak mechanika elemeket, tehát a hűtési körfolyamatot nem modelleztem le, de tervbe vettem a kutatás folytatása gyanánt.
Az összehasonlításhoz a már ismertetett Simulink modult használtam. Az On-Off szabályozású hűtéstechnikai rendszer termikus szimulációs modell felépítését a 2. ábra mutatja.
A PID szabályozott hűtéstechnikai rendszer termikus szimulációs felépítése a következő oldalon bemutatott 3. ábrán látható.
3. A mért és a szimulált eredmények összevetése, a szimulációs modell elemzése
Ahhoz, hogy a szimulációs eredmények jól összehasonlíthatók legyenek a kísérletek során eredményül kapott mért értékekkel, a PID beállításoknak is azonosnak kell lennie. Ennek megfelelően a már ismertetett túlcsillapított rendszert vetem össze a harmadik mérési sorozattal [1], állandósult állapotban. Az On-Off szabályozású berendezés összehasonlítását a következő oldalon bemutatott 4. ábrán, a PID szabályozott rendszerét pedig az 5. ábrán láthatjuk. A 4. ábrán jól látható, hogy kisebb mértékű eltérés van a két értéksorozat között. Az egyik, hogy a szimuláció során a kamra felmelegedése időben később következett be. Ez annak tudható be, hogy a szimulációs modell kidolgozása során a hűtőkamrára a gyártó által megadott hőátbocsátási tényezőt vettem alapul. Ez természetesen a beépítés során változhat, általában rosszabb irányba. Ennek következtében a valós transzmissziós hőáramnál kevesebb jutott a rendszerbe.
Az eltérés másik lehetséges oka, hogy habár a lehűlés meredeksége közel azonos a mért értékével, valós esetben nem –1 °C-nál van az inflexiós („irányváltási”) pont. Ez annak tudható be, hogy az elpárologtatónak van egy tehetetlensége. A hűtés során az elpárologtató, ami egy nagyobb fémtömeg és –10…–15 °C-ra hűl le. Habár a hűtés leáll, az elpárologtató ventilátora ezzel a lehűlt levegő tömegárammal tovább hűti a kamra belső levegőjét.
A kidolgozott szimulációs modell és a mért értékek közötti eltérés mértéke maximum 0,7 °C volt, amely eltérés oka lehet még a mérés során használt berendezések, mérőeszközök fizikai mivolta és azok korlátai. Például a hőmérőnek is van mérési bizonytalansága, valamint nem az elpárologtatóra van szerelve a már említett túlhűlés miatt. Emellett a hőmérőnek is lehet tehetetlensége, ami gyártmánytól függő paraméter. A szimulációs modell kidolgozása során viszont minden elem definiálása során ideális műszaki paramétereket feltételeztem.
A PID esetében láthatjuk (5. ábra), hogy a rendszer hasonlóan viselkedik. Az egyedüli különbség a szembetűnő beállt értékek közti különbség. Ennek oka lehet a már az On-Off-os berendezésnél is ismertetett hőmérő elhelyezés és annak tehetetlensége. A kamra levegőjének nagy része már lehűlt, mire a hőmérő is felveszi az ehhez tartozó hőmérsékletet. Másik oka lehet, hogy a szimulációs modell egy ideális, folytonos időben üzemelő PID szabályozót tartalmaz, ellentétben a mérés során felhasznált diszkrét (adott időnként értéket adó) időben üzemelő szabályozóval. Emellett nem ismerjük a valóságban használt szabályozó pontos felépítését és annak hibáját, ami szintén eltérést okozhat.
A mért és a szimulált eredmények közötti eltérést okozó egyéb tényezők az alábbiak lehetnek még: a termikus szimulációs modell nem tartalmazza a hűtőkör többi tagját (kompresszor, kondenzátor, expanziós szelep és a csővezetékek),
- a hűtőkörfolyamat elhagyása miatt a PID közvetlenül az elpárologtatót szabályozza,
- a mérőműszerek elhelyezése, felbontása és mérési bizonytalansága is okozhat eltérést a szimuláció ideális értékeivel szemben,
- a modellben a gyártók által megadott névleges értékeket használtam, amelyek a valóságostól eltérőek lehetnek.
Amennyiben a fent említett tényeket elfogadjuk, akkor mondható, hogy a kidolgozott termikus szimulációs modell közel megfelelő pontossággal írja le a rendszer működését, és annak hőtechnikai viselkedését, a görbék alakja azonos, azaz a szimulációs modell a valós folyamatokat jól leírja, azonban a különböző szabályozású hűtéstechnikai rendszerek energetikai összehasonlító vizsgálatához a kidolgozott modell tovább fejlesztése szükséges, mely a kutatási munka további célja.
Támogatás Ez a kutatási munka a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal támogatásával az NKFI Alapból [azonosítószám: NKFIH PD_18 127907] valósult meg, valamint a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János Kutatási Ösztöndíja támogatásával készült, Budapest, Magyarország.
Felhasznált irodalom [1] Miklos Kassai, Laszlo Kajtar, Jozsef Nyers: Experimental optimization of energy consumption for DC refrigerator by PID controller tuning and comparison with On-Off refrigerator.
Thermal Science. DOI: 10.2298_TSCI170504188K. (2017) (Közlésre elfogadott!) [2] Ekren, O., et al., Comparison of different controllers for variable speed compressor and electronic expansion valve, Int. Journal of Refrigeration, 33 (2010), pp. 1161-1168. [3] Matysko, R., Theoretical model of the operation parameters regulated by the MIMO and SISO system in a cooling chamber International Journal of Refrigeration, 58 (2015) pp. 53-57. [4] Ekren, O., et al., Performance evaluation of a variable speed DC compressor, International Journal of Refrigeration, 36 (2013), pp. 745-757. [5] Buzelin, L.O.S, et al., Experimental development of an intelligent refrigeration system, International Journal of Refrigeration, 28, (2005), pp. 165-175. [6] Hamid, N.H.A., et al., Application of PID Controller in Controlling Refrigerator Temperature.
The 5th International Colloquium on Signal Processing & Its Applications (CSPA), Kuala Lumpur, Malaysia, 2009. [7] Aström, K.J.; Hágglund T., PID Controllers: Theory, Design, and Tuning, second ed.
Instrument Society of America, Research Triangle Park, USA, N.C., 1995 [8] Ziegler, J.G., Nichols, N.B., Optimum Settings for Automatic Controllers.
Trans. ASME, 64 (1942), pp. 759-768. [9] Nyers J., et al., Modern and traditional regulation of the evaporation process in the heat pump, 24rd International Confernce “Vykurovanie 2016”, Stara Lubovnja, Slovakia, 2016, pp. 265-270. [10] Anantachaisilp, P., Lin, Z., An experimental study on PID tuning methods for active magnetic bearing systems, International Journal of Advanced Mechatronic Systems, 5 (2013), pp. 146-154. [11] Kassai Miklós, Simon Richárd, Hűtőkamra fogyasztásának kísérleti vizsgálata PID szabályozású DC inverteres hűtőaggregátok alkalmazásával, Magyar Épületgépészet, LXVIII. évfolyam, 2019/11. szám, HU ISSN 1215-9913, pp. 3-8. (2019) [12] Simon Richárd, Hűtőkamra energiafelhasználásának vizsgálata újonnan kifejlesztett DC inverteres vezérlő segítségével.
TDK szekció: BME Gépészmérnöki Kar, Gépészeti Eljárástechnika szekció, 2016 [13] Simon Richárd, Hűtőkamra energiafogyasztásának vizsgálata DC inverter vezérlővel.
MSc diplomamunka, 2017
Forrás: Magyar Épületgépészet - 2019.12.22.