ES2322826A1 - Sistema para determinar y controlar la temperatura de generacion optima en instalaciones de refrigeracion por absorcion con nh3-h2o. - Google Patents

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Jaime Sieres Atienza
Francisco Jose Uhia Vizoso
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    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00Arrangement or mounting of control or safety devices
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00Control of temperature
    • G05D23/19Control of temperature characterised by the use of electric means
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Abstract

Sistema para determinar y controlar la temperatura de generación óptima en instalaciones de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O que consiste en una cadena de control en bucle cerrado que utiliza como valor de consigna la temperatura de generación óptima, que se determina en función de las condiciones de funcionamiento externas a que se encuentra sometida la instalación, como señal medida la temperatura de generación real, y mediante el que se actúa sobre el flujo de calor aportado en el generador. Puede realizarse usando como base un ordenador y una tarjeta de adquisición de datos o un autómata programable (PLC), y los sensores de temperatura, acondicionadores de señales y actuadores necesarios. Su aplicación permite obtener el máximo COP de la instalación para cualesquiera que sean las condiciones externas de funcionamiento.

Description

Sistema para determinar y controlar la temperatura de generación óptima en instalaciones de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O.
El objeto de la presente patente es un sistema que permite determinar y controlar la temperatura de generación óptima en instalaciones de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O que funcionen según cualquier ciclo de simple etapa, con o sin refinamientos, es decir, con o sin intercambios internos de calor. Se denomina temperatura de generación óptima a aquella temperatura de generación que proporciona en todo momento el máximo COP en la instalación para unas determinadas condiciones externas de funcionamiento. Dicho sistema de control actúa sobre el flujo de calor aportado en el generador de la instalación y su utilización permite un ahorro significativo en la energía calorífica requerida para el accionamiento de este tipo de instalaciones, ya que permite en todo momento utilizar la mínima energía necesaria para satisfacer la producción de frío requerida.
Sector de la técnica al que se refiere la invención
Esta invención se enmarca dentro de los sistemas de producción de frío mediante la ebullición o cambio de fase de una sustancia refrigerante, y dentro de éstos, hace referencia a los sistemas de refrigeración por absorción, y más concretamente a los sistemas de control que se utilizan en este tipo de instalaciones.
Estado de la técnica
En los sistemas de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O conocidos hasta el momento se utilizan diversas estrategias de control cuyo objetivo es el controlar la cantidad de frío que se produce adecuando dicha producción a las necesidades de refrigeración existentes en cada momento, o lo que es lo mismo, el mantener constante una determinada temperatura, bien en un recinto (cámara) o en un fluido.
Por otra parte, es conocido que para un determinado sistema de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O que funcione según cualquier ciclo de simple etapa, y dadas unas determinadas condiciones de funcionamiento, existe una temperatura de generación que permite obtener el máximo COP de la instalación. Dicha temperatura, como ya se ha indicado, se denomina temperatura de generación óptima y depende del sistema que se considere, es decir, de su ciclo de funcionamiento y del tipo y características constructivas de sus componentes, así como de las condiciones de funcionamiento a las que se encuentre sometido.
Las condiciones de funcionamiento de un sistema de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O, pueden considerarse determinadas si se conocen la temperatura de evaporación, condensación y absorción, ya que la influencia de otros parámetros, tales como grados recalentamiento o subenfriamiento pueden considerase despreciables. Además, también es conocido que el COP que se obtiene en estos sistemas es muy sensible a las variaciones de dichas condiciones de funcionamiento.
Sin embargo, hasta el momento, no existe ningún sistema de control cuyo objetivo sea el determinar y mantener la temperatura de generación óptima en el generador de estas instalaciones en función de las condiciones de funcionamiento existentes en cada instante.
Dicho objetivo se consigue mediante el sistema que se describe a continuación y que es el objeto de esta patente. Además, este sistema de control de la temperatura de generación óptima es totalmente independiente de los sistemas que se utilizan actualmente para controlar la producción de frío de estas instalaciones.
Explicación de la invención
El sistema de control de que es objeto la presente patente se basa en una cadena de control en bucle cerrado, en la que la variable controlada es la temperatura de generación, es decir, la temperatura en el generador del sistema de absorción, y la variable operada es el flujo de calor que se aporta en el generador. Además, el sistema de control incluye el cálculo de la temperatura de generación óptima, que se utiliza como señal de consigna y que se obtiene como función de las condiciones de funcionamiento de la instalación, mediante la utilización de una correlación que ha de obtenerse previamente en base a resultados de estudios teóricos del comportamiento del sistema (por ejemplo mediante programas de simulación), o bien en base a datos reales obtenidos experimentalmente a partir de la instalación considerada o de otra semejante. Dicha correlación ha de permitir calcular la temperatura de generación óptima en función de las condiciones de funcionamiento de la instalación.
A continuación se explican detalladamente los distintos procesos que componen dicha cadena de control, que se muestra en la figura 1, y que permiten llevar cabo la estrategia de control.
- Las condiciones de funcionamiento de la instalación (1), pueden definirse mediante los siguientes grupos de variables: mediante tres variables (la temperatura de evaporación, temperatura de absorción y temperatura de condensación), mediante dos variables (la temperatura de evaporación y la temperatura del medio que se utilice para disipar el calor de los procesos de absorción y condensación, agua y/o aire), o bien únicamente mediante una única variable (la temperatura del medio que se utilice para disipar el calor de absorción y condensación, es decir del agua y/o aire).
- El cálculo de la temperatura de generación óptima (2) se realiza a partir de las temperaturas que se utilicen para definir las condiciones de funcionamiento de la instalación (1) y se lleva a cabo mediante la implementación de la correlación obtenida previamente a partir de resultados teóricos o experimentales, como ya se ha indicado anteriormente. Las condiciones de funcionamiento que se utilicen para obtener la temperatura de generación óptima se medirán en los puntos adecuados de la instalación mediante los correspondientes sensores de temperaturas.
- La señal de consigna de la cadena de control es la temperatura de generación óptima (3), ésta se compara con la temperatura de generación real (4), mediante un comparador (5), es decir, se comparan la temperatura de generación óptima con la temperatura real que existe en el generador del sistema de absorción y que ha de medirse también mediante un sensor de temperatura. La comparación de la temperatura de generación óptima con la temperatura de generación real permite obtener una señal de error (6).
- A partir de la señal de error obtenida (6), se genera en el controlador (7) una señal de control (8), que se transmite al actuador (9). La señal de control (8) que se genera a partir de la señal de error puede hacerse utilizando cualquiera de los tipos de acciones de control ampliamente conocidas como son: todo-nada, función escalón, control proporcional (tipo P), control proporcional derivativo (PD), control proporcional integral (tipo PI), control proporcional integral derivativo (tipo PID), etc.
- El actuador (9) en función de la señal de control (8) que reciba, actúa sobre el flujo de calor (10) que se aporta al generador (11) del sistema de absorción. El mecanismo actuador (9) utilizado para la variación del flujo de calor (10), depende de la fuente calorífica que se use, así puede indicarse que si dicha fuente de calor es un fluido caloportador (vapor, agua, fluido térmico, etc.) entonces el flujo de calor puede variarse actuando sobre su caudal, o bien sobre su temperatura, mediante las correspondientes válvulas o compuertas, y si la fuente de calor es un proceso de combustión de un determinado combustible (gas, gas-oil, etc.) entonces se actúa sobre el caudal de combustible suministrado.
- La actuación del mecanismo (9) que regule el flujo de calor, causa una variación en dicho flujo (10) y, por lo tanto, también causa una variación en la temperatura de generación real (4), que de nuevo será medida por el correspondiente sensor situado en el generador y que a su vez será de nuevo comparada con la temperatura de generación óptima calculada a partir de las nuevas condiciones de funcionamiento existentes en la instalación, y comenzado así de nuevo la cadena de control, que se repetirá continuamente después del intervalo de tiempo que se desee.
La ventaja que se obtiene de la utilización del sistema de determinación y control de la temperatura de generación óptima, que es objeto de la presente patente, es el poder mantener en todo momento dicha temperatura en el generador de la instalación de absorción y por lo tanto el obtener en todo momento el máximo COP posible del sistema para las condiciones de funcionamiento existentes en cada instante. Además, este sistema es independiente del sistema de control que se utilice para controlar la producción frigorífica de la instalación, por lo que puede incorporarse a cualquier instalación en fase de diseño o bien ya en funcionamiento.
Descripción de los dibujos
En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques del sistema de cálculo y control de la temperatura de generación óptima en un sistema de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O.
En la figura 2 se indican los componentes necesarios para la realización de dicho sistema, indicando los dos modos distintos mediante los que puede realizarse, bien utilizando como base un ordenador y una tarjeta de adquisición de datos, o bien, usando un autómata programable (PLC).
Modos de realización de la invención
El sistema de control objeto de esta patente puede realizarse de dos modos, tomando como base un ordenador y una tarjeta de adquisición de datos, o bien, tomando como base un autómata programable (PLC), según se indica en la figura 2.
Si se utiliza un ordenador y una tarjeta de adquisición de datos, sistema basado en PC, los elementos que componen el sistema son los siguientes:
- Sensores de temperatura y acondicionadores de señal (13) y (14). Se utilizan para las medidas de las temperaturas que definen las condiciones de funcionamiento de la instalación (1) y de la temperatura de generación real (4). Puede usarse cualquier tipo de sensores de temperatura, por ejemplo tipo PT100, PT1000, termopares, etc., con los correspondientes acondicionadores de señal.
- Ordenador y tarjeta de adquisición de datos (15). Las señales procedentes de los acondicionadores de señal de los sensores de temperatura se llevan mediante las correspondientes conexiones a una tarjeta de adquisición de datos que se instalará en el ordenador. Se requiere la utilización de un software específico que puede elaborarse utilizando cualquiera de los lenguajes de programación ampliamente conocidos, que permita el cálculo de la temperatura de generación óptima (2), mediante la implementación de la correspondiente correlación de cálculo y los valores de las temperaturas que definen las condiciones de funcionamiento recogidos a través de la tarjeta de adquisición de datos, así como la obtención de la señal de error (6), mediante la comparación del valor de la temperatura de generación óptima calculado (3), con el valor de la temperatura de generación real (4) recogido a través de la tarjeta de adquisición de datos, y también la generación de la señal de control (8), a partir de la acción de control que se utilice. La señal de control se enviará al correspondiente actuador (9), a través de las salidas de la tarjeta de adquisición de datos, usando los acondicionadores de señal necesarios, tales como contactores, relés, etc., de acuerdo con la señal de entrada requerida por el actuador que se use.
- El actuador (9). Como ya se ha indicado anteriormente, es el mecanismo utilizado para la variación del flujo de calor, y depende de la fuente calorífica que se use, así pueden utilizarse como actuadores diversos tipos de válvulas, compuertas, etc.
Si se utiliza como base un autómata programable (PLC) los elementos que componen el sistema son los indicados anteriormente, sustituyendo el ordenador y la tarjeta de adquisición de datos (15), por el autómata, de forma que este recoge a través de sus correspondientes entradas las señales de los sensores de temperatura (13) y (14). En este caso la programación requerida para el cálculo de la temperatura de generación óptima (2) y la obtención de las señales de error (6) y control (8), se realizará mediante el lenguaje de programación específico del autómata que se utilice. La señal de control se enviará al correspondiente actuador (9), a través de las salidas del autómata, utilizando los correspondientes acondicionadores de señal en función del tipo de señal de salida y del tipo de actuador utilizado.
Aplicación industrial
El sistema de cálculo y control de la temperatura de generación óptima, objeto de la presente patente, es susceptible de una aplicación a escala industrial en los sistemas de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O, ya que para estos sistemas se dan todas las condiciones indicadas anteriormente y además resulta sencillo el obtener la correlación que permita calcular la temperatura de generación óptima en función de las condiciones de funcionamiento. Por otra parte, la realización práctica del sistema de control es perfectamente factible de acuerdo con el estado de la técnica actual, ya que todos los componentes necesarios están desarrollados y disponibles en el mercado.
También es necesario indicar que este sistema de control de la temperatura de generación óptima es totalmente independiente de aquellos que se utilizan en la actualidad para el control de la producción de frío en este tipo de instalaciones y que su objetivo es totalmente diferente al de aquellos, ya que no se trata de controlar la producción de frío, sino la temperatura a mantener en el generador de la instalación, lo que permite a su vez controlar el COP que ésta proporciona. Por ello, este sistema puede incorporarse a instalaciones que ya se encuentren construidas o en servicio.

Claims (3)

1. Sistema para determinar y controlar la temperatura de generación óptima en instalaciones de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O, que se caracteriza por, utilizar una cadena de control en bucle cerrado que consiste en medir las temperaturas existentes en el evaporador, en el absorbedor, en el condensador y en el generador de la instalación, o bien en el evaporador y en el generador de la instalación y en el medio de enfriamiento del condensador y del absorbedor, o bien en el generador de la instalación y en el medio de enfriamiento del condensador y del absorbedor, mediante sensores de temperatura, adquirir dichas temperaturas mediante una tarjeta de adquisición de datos y un ordenador o bien mediante un autómata programable (PLC), determinar la temperatura de generación óptima mediante una correlación previamente establecida y programada en el ordenador o PLC, comparar la temperatura de generación óptima determinada con la temperatura real medida en el generador de la instalación utilizando el ordenador o PLC y, en base al resultado de dicha comparación, actuar sobre las válvulas o compuertas necesarias para regular el caudal del fluido caloportador que aporta el calor en el generador de la instalación, o sobre el caudal de combustible en el caso de instalaciones en las que el proceso de generación se realice directamente mediante combustión.
2. Sistema para determinar y controlar la temperatura de generación óptima en instalaciones de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O, según reivindicación 1, que se caracteriza por utilizar cualquier tipo de sensores de temperatura que generen un señal eléctrica (PT100, PT1000, NTCs, termopares, etc), con los correspondientes acondicionadores de señal y elementos de conexión, para la medida de las temperaturas que se indican en la reivindicación 1 y para su adquisición en un ordenador a través de las entradas de la tarjeta de adquisición de datos, o bien en un autómata programable a través de sus correspondientes entradas.
3. Sistema para determinar y controlar la temperatura de generación óptima en instalaciones de refrigeración por absorción con NH_{3}-H_{2}O, según reivindicación 1, que se caracteriza por utilizar válvulas o compuertas cuya sección de paso es variable y se regula mediante una señal eléctrica, lo que permite modificar el caudal del fluido caloportador que aporta el calor en el generador de la instalación, o sobre el caudal de combustible en el caso de instalaciones en las que el proceso de generación se realice directamente mediante combustión.
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