Automatização de um calorímetro para compressores de refrigeração doméstica

Abstract

Um calorímetro de compressores tem por finalidade obter as curvas características de desempenho de um compressor em diferentes condições de operação, fornecendo como resposta a capacidade de refrigeração, a vazão de refrigerante, a potência consumida, a temperatura de descarga e o COP. Esses dados são de extrema relevância para a seleção adequada do compressor no projeto de refrigeradores. Desde 2015, a indústria de refrigeração doméstica enfrenta mudanças regulatórias importantes, propostas pela norma IEC 62552, que exige testes de consumo de energia em refrigeradores domésticos nas temperaturas ambiente de 16°C e 32°C. Nesse contexto, surge a necessidade de novas adequações em calorímetros para avaliar o desempenho de compressores herméticos de deslocamento positivo em duas condições de temperatura ambiente. O objetivo deste trabalho é automatizar os processos envolvidos nos ensaios de compressores de refrigeração em conformidade com as atualizações regulatórias. As principais adequações envolveram o controle ativo de temperatura no compartimento climatizado, controle das pressões de descarga e sucção, desenvolvimento de algoritmo para automatizar os ensaios, e desenvolvimento de um código computacional para automatizar o processamento de dados e a geração de relatórios. Numa primeira etapa, a temperatura da seção de testes foi controlada com auxílio de um sistema de refrigeração auxiliar, por meio de um controlador do tipo PI (Proporcional-Integral). Como resultado, o calorímetro permitiu controlar a temperatura do ar externo ao compressor em 16 e 32°C, de acordo com os limites e tolerâncias estabelecidos pelas normas vigentes. Em seguida, as pressões de sucção e descarga também foram controladas de forma automática por meio de um controlador do tipo PI com ganho escalonado em dois estágios, sendo que o primeiro estágio foi projetado para estabelecer agilidade na transição de referência, e o segundo para garantir estabilidade. Os atuadores utilizados foram duas válvulas eletrônicas de abertura proporcional, e os resultados obtidos para o controle das pressões também respeitaram os limites estabelecidos por norma. Na terceira etapa, foi elaborado um algoritmo para automatizar os ensaios, permitindo transições automáticas entre os pontos de operação na matriz de ensaio, rastreando os pontos de forma ordenada, apresentando mais celeridade e precisão na obtenção das condições de teste, além de tirar o operador de uma condição enfadonha e minimizar os erros provenientes de intervenções humanas. Estima-se que o algoritmo desenvolvido pode reduzir o tempo de execução dos testes em até 90%, comparado a um processo manual. Adicionalmente, por meio da implementação de um critério de estabilidade, estima-se a redução de tempo de cada ponto em regime permanente de 1 hora para 15 minutos. Essa redução resultaria em uma diminuição de aproximadamente 48% no tempo total de preenchimento de uma matriz de teste com 15 condições. Finalmente, um relatório automático desenvolvido com auxílio da plataforma de programação Python foi implementado na rotina de processamento de dados. O principal resultado dessa adequação foi a agilidade na fase de edição e processamento dos dados extraídos do calorímetro. Com a implementação do processamento automatizado, estimou-se um ganho de 5h de trabalho do operador. Entretanto, é importante ressaltar que a agilidade na edição do relatório não elimina os cuidados que devem ser tomados durante as análises dos dados obtidos em calorímetro.

A compressor calorimeter aims to obtain the performance characteristic curves of a compressor under different operating conditions, providing responses such as cooling capacity, refrigerant flow, power consumption, discharge temperature, and COP (Coefficient of Performance). These data are crucial for the proper selection of the compressor in refrigerator design. Since 2015, the household refrigeration industry has faced significant regulatory changes proposed by the IEC 62552 standard, which requires energy consumption tests for household refrigerators at ambient temperatures of 16°C and 32°C. In this context, there arises the need for new adaptations in calorimeters to assess the performance of hermetic positive displacement compressors under two ambient temperature conditions. The aim of this work is to automate the processes involved in refrigeration compressor tests in compliance with regulatory updates. The main adaptations involved active temperature control in the climate-controlled compartment, control of discharge and suction pressures, development of an algorithm to automate tests, and creation of a computer code to automate data processing and report generation. In the first stage, the temperature of the test section was controlled with the aid of an auxiliary refrigeration system, using a PI (Proportional-Integral) controller. As a result, the calorimeter allowed control of the external air temperature to the compressor at 16°C and 32°C, in accordance with the limits and tolerances established by current standards. Subsequently, suction and discharge pressures were also automatically controlled using a two-stage PI controller with stepped gain. The first stage was designed to establish agility in the reference transition, and the second to ensure stability. Two electronically controlled proportional opening valves were used as actuators, and the results for pressure control also adhered to the limits established by the standard. In the third stage, an algorithm was developed to automate tests, enabling automatic transitions between operating points in the test matrix. It tracked points in an orderly manner, providing more speed and precision in obtaining test conditions, relieving the operator from monotonous tasks, and minimizing errors resulting from human interventions. The developed algorithm reduced the test execution time by approximately 90% compared to a manual process. Additionally, through the implementation of a stability criterion, it is estimated that the time for each point in steady-state would be reduced from 1 hour to 15 minutes. This reduction would lead to an approximately 48% decrease in the total filling time of a test matrix with 15 conditions. Finally, an automatic report, developed with the aid of the Python programming platform, was implemented in the data processing routine. The main result of this adaptation was the agility in the editing and processing phase of data extracted from the calorimeter. With the implementation of automated processing, an estimated gain of 5 hours of operator work was achieved. However, it is important to note that the speed in data processing does not eliminate the care that must be taken during the analysis of data obtained from the calorimeter.