Control de Flujo Refrigerante en una Bomba de Calor por

1
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
Encuentro de Investigación en Ingeniería Eléctrica
Zacatecas, Zac, Abril 5 — 7, 2006
Control de Flujo Refrigerante en una
Bomba de Calor por Absorción de una
Etapa
José Andrés Alanís Navarro1, Dario Carlos Labastida del Toro1,
Maribel Fernández Resenos1, Rosenberg J. Romero2,*
1
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Enrique Erro s/n,
Col. Centro, Sta Ma. Tonantzinta, Puebla
2
Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas – UAEM, Av.
Universidad 1001, Chamilpa, 62209, Cuernavaca, Morelos: +(777)3297084,
correo-e: [email protected]
Resumen — En este trabajo se explica la necesidad de
control de flujo refrigerante en las bombas de calor por
absorción. Se determina el comportamiento del flujo en el
sistema y con base en éste se diseña una estrategia de
control del flujo refrigerante, por medio del uso de
LabView© y variadores de frecuencia acoplados a
motores de bombas. Se describen los elementos
electrónicos mínimos para realizar el control y se
concluye con una interfaz de usuario para el control por
medio de una computadora personal usando el puerto de
comunicación DB25.
Abstract — In this work, necessity of control of coolant
flow is explained in the absorption heat pumps. The
behavior of the flow is defined in the system, based on this
behavior a strategy of control of the coolant flow is
designed by means of the LabView© software and
frequency controllers coupled to motors of pumps. The
elements electronic minima are described to carry out the
control and it concludes with user's interface for the
control by means of a personal computer using the DB25
communication port.
Palabras clave – Bombas de calor, control, flujo,
LabView©
I. INTRODUCCIÓN
U
NA bomba de calor por absorción es un sistema
termodinámico que posee la capacidad de incrementar el
nivel térmico de un efluente, a una temperatura mayor por
medio del potencial químico obtenido de la reacción
exotérmica de la dilución de un absorbente en un fluido [1].
La operación de estos sistemas es compleja por el número de
variables involucradas en el proceso que conduce a un estado
permanente de equilibrio. El equilibrio térmico es alcanzado
por medio del control de los flujos circulantes internos, de los
cuales existe un flujo limitante denominado “flujo
refrigerante” que es constante en 3 de las 5 principales líneas
de flujo másico.
II. BOMBAS DE CALOR
Las bombas de calor por absorción operan en ciclos
continuos para extraer energía térmica, por medio de un
fluido refrigerante; éste fluido refrigerante es calentado a una
temperatura T1 en donde alcanza el estado de saturación a una
presión constante definida P1. Esto se puede apreciar en la
figura 1. En esta figura la P1 corresponde a la presión de
evaporación y la P7 a la de condensación, respectivamente.
En el sistema se pueden considerar dos zonas de presión la
zona de presión idéntica a la presión de evaporación PEV = P1
= P2 = P3 = P8 y la zona de presión de condensación PCO = P4
= P 5 = P6 = P 7
La diferencia de presiones entre P7 y P8, requiere de bombeo
de fluido refrigerante (indicado en el esquema con líneas
entrecortadas). Este flujo es una variable en la eficiencia del
sistema. La eficiencia del sistema se ha denominado
Coeficiente de Operación (COP) y es una función de la
cantidad de energía con mayor temperatura, obtenida
consecuentemente del equilibrio termodinámico en el
absorbedor (QAB) en relación a la energía suministrada en el
generador (QGE) y evaporador (QEV).
205
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
COP =
Q AB
QGE + QEV
función de las entalpías y QEV’ es la potencia del evaporador
de la bomba de calor.
(1)
Con base en lo propuesto, el control se ha limitado a
restringir las revoluciones por minuto de un motor.
Esta relación es inversamente proporcional a la relación de
flujo (FR):
COP = f-1(FR)
(2)
Donde FR se define [1] como el flujo del absorbedor entre el
flujo del refrigerante:
FR =
M AB
M EV
(3).
V. PROCEDIMIENTO Y ALCANCE
En éste proyecto en particular, se utilizó el software
LabVIEW [2] por su sencilla interfaz de usuario, y de sus
recursos se utilizó la comunicación por el puerto paralelo
‘DB25’. Los objetivos son a) Diseñar un sistema de control
automático para estabilizar la temperatura mediante control
de flujo, b) Controlar el flujo de un líquido, a partir del
control de la velocidad de un motor de DC.
Los materiales empleados son:
En la figura 1, esta relación corresponde a M3 / M1. Por lo
anterior, concluimos que la eficiencia del sistema tiene una
dependencia con el flujo del refrigerante M1.
III. CONTROL DEL FLUJO REFRIGERANTE
El flujo refrigerante en la bomba de calor (M1) está limitado
por la potencia de evaporación por medio de la siguiente
relación termodinámica.
M1 =
QEV
,
h1 − h8
(4)
Donde h1 y h8 corresponden a la entalpía de vaporización del
fluido refrigerante y a la entalpía del líquido sub-enfriado,
respectivamente. Estas funciones fisicoquímicas han sido
tomadas de un trabajo previo [1].
IV. ESTRATEGIA DE CONTROL
Partiendo de la suposición que los valores h1 y h8 son
constantes, el inverso de la diferencia de entalpías es la
constante de proporcionalidad de la potencia QEV para el
valor de flujo refrigerante.
El control del flujo refrigerante está basado en un motor que
responde de 0 a 3,600 rpm, que está a su vez acoplado a una
bomba de engranes que dosifica 1.12 mg/rpm. A partir de
estas dos condiciones reales y las suposiciones de las
entalpías, se tiene la siguiente restricción de control:
(M1’) (Φ) = k QEV’
(5)
Donde M1’ es el flujo controlado en función de las
revoluciones por minuto, Φ es el número de revoluciones por
minuto inducidas, k es una constante de proporcionalidad
Transformador con derivación central [120ca/24Vca] a 1.2
amperes
Regulador a 5Vcd [7805]
Regulador a 15Vcd [7815]
Capacitor electrolítico 2200 µF a 50 Vcd
Cable paralelo [DB25]
Conector DB25 macho
Motor 1 a pasos 7.5° por paso a 36 Vcd
Controlador 1 para motores en circuito integrado [L293B]
Motor 2 de corriente directa [0-90]Vcd de [1/10]hp
Controlador 2 de potencia de motor 2
VI. RESULTADOS
El control de flujo se consigue controlando la velocidad de
giro del motor, para éste control de velocidad se empleó un
controlador (existente) diseñado específicamente para este
motor, el cual compensa su velocidad debido a la presencia
externa de cargas. El controlador cuenta con un botón de
encendido y una perilla (potenciómetro 10 KΩ) que permite
regular la velocidad del motor en un rango que va de 0-3600
rpm. El motor se conecta a la tubería de enfriamiento
mediante un cilindro, una vez unidos, la velocidad del giro
del motor se verá reflejado proporcionalmente en la cantidad
de flujo circulante, lo que permitirá la estabilización de la
temperatura del sistema.
En esta etapa se realizó el programa del sistema de control,
esencialmente consta de un acumulador ascendente /
descendente el cual lleva el conteo de los pasos del motor 1,
con el fin de conocer su posición en todo momento, 2 perillas
de control, para la selección de las revoluciones por minuto a
las que operará el motor 2 y otra para seleccionar el tiempo
de respuesta del sistema, aprovechando su respuesta lineal
entre el potenciómetro y el flujo refrigerante.
206
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
Cuenta además, con una etapa de lectura de archivos de texto,
lo cual le permite la operación automática, por medio del
software de adquisición de datos.
El suministro eléctrico se consiguió a partir de la
alimentación [Vca] del controlador 2. Mediante rectificación
de onda completa de la señal de corriente alterna, y
regulación con circuitos integrados.
En la etapa de potencia para el control del motor a pasos se
empleó el circuito integrado L293B el cual consta de 4
compuertas con una señal de activación independiente, sus
entradas son manejadas con pulsos TTL, y puede entregar a la
salida de cada compuerta de [4.5-36] Vcd para la potencia
requerida para su movimiento [3].
Implementamos un mecanismo que permite modificar
físicamente la posición angular de la perilla del
potenciómetro del controlador 2, el motor se colocó en
posición invertida al eje (denominado como cañón) del
potenciómetro, quedando unidos rotor-cañón para conseguir
que el movimiento del motor sea proporcional al movimiento
del potenciómetro.
El programa LabView© para este control se muestra en la
figura 2, este diagrama muestra la lógica utilizada para el
control de los motores.
En la figura 3 se muestra el diagrama eléctrico de la etapa de
potencia implementada y en la figura 4 el panel de control de
la interfaz de usuario.
Las características del sistema de control demandadas [4] por
la bomba de calor y que se han cumplido son:
Tensión de alimentación [24, 15 y 5] Vcd
Interfaz DB25
Tiempo de respuesta [40 - 500]ms
Modo de operación ‘manual’ desde la PC / controlador ó
automática
VII. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
Diseñamos y construimos un sistema de control de flujo
refrigerante en una bomba de calor por absorción de una
etapa. Se calculó y correlacionó el flujo refrigerante por
medio de un sistema lineal con las rpm como variable de
control y se realiza el control por medio de potenciómetro
manual o por medio del puerto de impresoras de una
computadora personal.
Este sistema se ampliará al control de 3 mecanismos similares
utilizando los mismos recursos, una interfaz DB25 de la PC y
el software LabVIEW.
REFERENCIAS
[1] Romero R. J.; Rivera W; Best R. Comparison of the
theoretical performance of a solar air conditioning system
operating with water / lithium bromide and an aqueous
ternary hydroxide; Solar Energy Materials & solar Cells, Vol.
63, pp 387 – 399, 2000
[2] Manual de Referencia de LabView 6i, 2000
[3] Boylestad, Robert y Nashelsky, Louis; Electrónica:
Teoría de circuitos, Pp 805 – 826, 1994
[4] Romero R. J.; Rivera W.; Pilatowsky I.; Best R.;
Comparison of the modeling of a solar absorption system for
simultaneous cooling and heating operating with an aqueous
ternary hydroxide and with water / lithium bromide; Solar
Energy Materials & solar Cells, Vol. 70, pp 301 – 308, 2001
AGRADECIMIENTOS
Al proyecto PROMEP – UAEMOR - PTC73 por el apoyo
financiero.
207
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
Ln (P)
Presión atmosférica
PEV
1
Evaporador
Absorbedor
3
2
8
4
7
PCO
6
Condensador
5
Generador
(-1 / T)
Figura 1. Diagrama esquemático de una bomba de calor por absorción
4
0
1
10
---- Sistema de control de flujo ----
100
1000
Salida de datos por
el puerto paralelo
bits[0:3]
378
1
3
10
Control del giro del motor 100
0
C:\ posicion.txt
1
-1
0
-1
0
0
4
Selección de
Giro del motor
1 = Derecha
-1 = Izquierda
0 = Ninguno
-4
Acumulador de pasos
de motor
0
Lógica que indica demanda alcanzada:
posición motor = posición demandada
0
Posibles posciones demandadas
para motor a pasos
0
3
6
9
12
15
18
21
257
Selector de 'rpm'
24
27
30
Demanda de revoluciones
desde C:\ posicion.txt
33
36
39
41
10
3600
14
Tiempo de respuesta (ms)
Selector de funcionamiento archivo/ perilla
Figura 2. Programa en LabView para control del flujo.
Encuentro de Investigación en IE, 5 — 7 de Abril, 2006
Figura 3. Diagrama eléctrico para conexión y control de rotor.
Figura 4. Interfaz de usuario para control de flujo refrigerante.
208