1

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

CAMPUS JOINVILLE

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM

MECATRÔNICA INDUSTRIAL

CONTROLE E MONITORAMENTO DE PRESSÃO DE UM SISTEMA USANDO UM

COMPRESSOR HERMÉTICO COM O GÁS R134A

JOINVILLE, DEZEMBRO DE 2014

2

DARLEI BATTISTELLA GIARETA

GUSTAVO JAMIR DA SILVA

MARCELO LUIZ MENDES

CONTROLE E MONITORAMENTO DE PRESSÃO DE UM SISTEMA USANDO UM

COMPRESSOR HERMÉTICO COM O GÁS R134A

JOINVILLE, DEZEMBRO DE 2014

Trabalho apresentado como requisito

parcial para aprovação na disciplina de

Metrologia e Instrumentação do curso

Superior em Mecatrônica Industrial, IFSC

Campus Joinville.

Professor: Rodrigo Coral

3

Sumário

1 INTRODUÇÃO....................................................................................5

2 DESENVOLVIMENTO......................................................................7

2.1 COMPONENTES.....................................................................................................................7

2.1.1 Sistema termodinâmico..........................................................................................................7

2.1.2 Controle das válvulas.............................................................................................................8

2.1.3 Placa drive..............................................................................................................................8

2.1.4 Sensor de pressão.................................................................................................................10

2.1.5 DAQ National Instruments...................................................................................................10

2.2 PROTÓTIPO...........................................................................................................................12

2.2.1 Programa Labview...............................................................................................................13

3 TESTES..............................................................................................15

4 CONCLUSÃO....................................................................................15

5 BIBLIOGRAFIA CITADA...............................................................16

4

RESUMO

Para a avaliação da disciplina de Metrologia e Instrumentação é proposto um projeto com a

finalidade de medir uma grandeza física. Para este projeto é desenvolvido um sistema de controle

e monitoramento da pressão em um sistema de refrigeração substituto com o gás R134A.

O sistema de refrigeração substituto é responsável por simular as condições físicas para o

compressor, potência elétrica e temperatura do gás refrigerante que entra e sai do compressor.

Com estas condições o compressor consegue simular todas as condições de um refrigerador

normal, economizando espaço físico em testes onde apenas o controlador do compressor

(inversor) é utilizado.

Palavras-chave: Controle de pressão; compressor hermético; teste em compressor/inversor,

sistema de refrigeração.

5

1 INTRODUÇÃOOs sistemas de refrigeração por compressão e expansão de gás são amplamente utilizado

em sistemas de refrigeração de pequeno e grande porte, dentre os benefícios estão a sua eficiência.

A Figura 1 apresentam o fluxo de um sistema básico de refrigeração por compressão e expansão

de gás e a Figura 2 um exemplo.

Figura 1 Sistema de refrigeração por compressão e evoporação de gás.

6

Figura 2 O refrigerador doméstico: um bom exemplo de ciclo de compressão de vapor.

7

Os compressores de refrigeradores consistem basicamente em um motor que movimenta

um pistão para frente e para trás dentro de um cilindro. Este cilindro comprimi o gás através da

abertura e fechamento de válvulas. O sistema é semelhante a um motor de automóvel, porém com

a finalidade inversa. A Figura 3 apresenta o sistema descrito acima de compressão.

Figura 3 Exemplo de compressor.

Para simular a carga de um compressor podemos controlar o torque variando as pressões

de sucção ou admissão e descarga.

O torque e a temperatura do gás que entra no compressor são importantes para

dimensionamentos dos cabos das bobinas do estator. Tais condições podem ser obtidas utilizando

o próprio sistema de refrigeração, porém isto inviabiliza testes onde somente o compressor é

avaliado. Assim, sistemas com controle do dispositivo de expansão descrito na Figura 1 são

confeccionados para testes em compressores.

8

2 DESENVOLVIMENTOO objetivo deste trabalho é confeccionar um sistema substituto de refrigeração que controle

a pressão de descarga e sucção através de um computador. A comunicação será realizada com uma

placa de aquisição de dados DAQ da National Instruments e a placa drive, que controlará os

motores das válvulas e fornecerá alimentação aos sensores de pressão.

2.1 COMPONENTES

2.1.1 Sistema termodinâmico

O sistema proposto consiste em um compressor hermético conectado a uma tubulação que

inicia em seu ponto de descarga, passa por transdutores de pressão (sensores), manômetros

analógicos, válvulas acopladas a motores elétricos e termina no ponto de sucção do compressor.

O compressor utilizado é do tipo hermético (fechado), fabricado pela empresa Embraco e

muito aplicado em freezers e refrigeradores. Este compressor pode trabalhar com gases para

refrigeração como R404A, R407C, R600 ou R134A. Neste caso foi usado o gás R134A que por

sua vez, possui boas características físicas e termodinâmicas, além de suas características

ecológicas.

O compressor tem a função de bombear o gás na tubulação. No ponto de sucção do

compressor o gás entra com pressões manométricas baixas, com temperatura baixa. O gás é

comprimido pelo compressor e sai pela descarga com alta pressão e temperatura, até encontrar a

válvula de descarga, que abaixa a pressão para aproximadamente 6 bar (pressão de líquido a 25ºC

do gás R134a), logo após o gás encontra a válvula de sucção, que abaixa ainda mais sua pressão,

retornando para o ponto de sucção do compressor. O diagrama abaixo apresenta este ciclo.

CompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorDescarga: gás em alta

pressão e temperatura

Sucção: gás em baixa

pressão e temperatura

Válvula de descarga Válvula de sucção

9

2.1.2 Controle das válvulas

Para o controle das válvulas foi acoplado em ambas, válvula de descarga e sucção, um

motor DC 12V com redução de velocidade e aumento do torque.

Figura 4 Motor DC 12V, 80 rpm.

Os motores foram acoplados às válvulas através de um acoplamento mecânico que permite

o trabalho de subir e descer das válvulas.

2.1.3 Placa drive

A placa drive tem como objetivo fornecer a tensão de 10VDC para alimentação dos

sensores de pressão e controlar os dois motores das válvulas. O esquemático da placa drive é

apresentado nas figuras abaixo.

Figura 5 Esquemático placa drive, fonte auxiliar.

10

Figura 6 Esquemático placa drive, comandos da DAQ.

Figura 7 Esquemático placa drive, ponte inversora, controle motores 1 e 2.

Figura 8 Layout confeccionado em placa padrão.

11

2.1.4 Sensor de pressão

Para sensoriamento das pressões de sucção e descarga foram utilizados sensores de pressão

do tipo P3MB. Estes sensores possuem a característica linear em que cada bar de pressão

representa um nível de tensão, 20 bar medidos = 20 mV fornecidos pelo sensor.

Figura 9 Sensor de pressão utilizado.

Figura 10 Conexões elétricas do sensor.

2.1.5 DAQ National Instruments

A DAQ tem a função de medir as tensões dos sensores de pressão, acionar os motores e

comunicar com o programa em Labview. A DAQ escolhida foi a NI6009 que possui as seguintes

características:

8 entradas analógicas (14 bits, 48 kS/s) Duas saídas analógicas (12 bits, 150 S/s), 12 E/S digitais, contadores de 32 bits

12

Figura 11 DAQ 6009 conexões.

Figura 12 DAQ 6009 pinos de saída e entrada.

13

2.2 PROTÓTIPO

A Figura 13 Protótipo desenvolvido, overview.

Figura 13 Protótipo desenvolvido, overview.

14

Figura 14 Protótipo desenvolvido, válvulas e motores de controle de pressão.

Figura 15 Protótipo desenvolvido, manômetros analógicos.

2.2.1 Programa Labview

O programa escrito em Labview tem como objetivo interpretar o sinal lido pelo sensor

através da DAQ tratar e acionar os motores para que atinjam o setpoint inserido pelo operador.

2.2.1.1 Entradas de dados

Os únicos dados de entrada serão as pressões de sucção e descarga que chegarão por meio

da DAQ. Para aumentar a resolução do canal da DAQ a porta foi modificada para operar em modo

diferencial, com velocidade de aquisição de 20kHz e uma quantidade de 2 amostras a cada

chamada. A faixa de tensão também foi alterada para aumentar a resolução, de -1V a 1V. As

portas:

Sensor de pressão de sucção: Canais AI0 e AI4

Sensor de pressão de descarga: Canais AI1 e AI5

15

2.2.1.2 Saída de dados

As saídas digitais serão os controles da ponte inversora que controlará os motores.

Motor 1 (sucção): Portas P0.0 e P0.1

Motor 2 (descarga): Portas P0.2 e P0.3

2.2.1.3 Interface

A interface é simples e possui:

Botão de habilita controle dos motores

Indicador da pressão lida

Gráfico da pressão lida

Setpoint de pressão

Figura 16 Interface programa LabView.

16

2.2.1.4 Software

O software é fechado em um while loop principal. Dentro de um for loop com 100

iterações a DAQ faz aquisições, só após as 100 iterações o valor das variáveis de pressão são

atualizadas com a médias destes pontos.

Ainda dentro do for loop ocorre o controle individual dos motores. Através de uma

comparação simples o programa verifica se a pressão lida está diferente da pressão imposta. A

diferença é o erro que enviará o motor para um sentido ou outro para corrigir.

Figura 17 Programa em Labview.

3 PRATICAOs sensores de pressão apresentaram um comportamento não linear, como especificado

pelo fabricante. A origem dos sensores também pode ter sido a fonte de tais desvios, pois estes

sensores não eram mais utilizados pela empresa que emprestou.

Outro ponto que impediram os testes foi o problema encontrado no programa LabView

onde a DAQ não funcionava corretamente. O problema foi corrigido modificando a quantidade de

amostras, 2 amostras para uma aquisição a cada chamada (on demand). Isto corrigiu a falha da

DAQ.

O controle proporcional desenvolvido não foi tão eficiente para o controle dos motores.

Quando as pressões chegavam perto dos setpoints o motor abria e fechava rapidamente,

sinalizando que estava e não estava dentro da faixa. Isto poderia ser resolvido com um controle

proporcional e integral, PI, e um filtro mais elaborado para os sensores de pressão.

17

Outro problema encontrado foi a válvula de descarga, pouco precisa, que impediu os testes

na pressão de descarga. Esta válvula tinha uma “abertura curta”, significa que com uma volta a

válvula já estava totalmente aberta. Isto não foi sentido na pressão de sucção onde a válvula

implementada foi uma válvula de precisão, multi voltas.

4 CONCLUSÃOEm Pratica podemos perceber os problemas encontrados, que foram muitos. Contudo

serviu para termos uma ideia da complexibilidade que este processo para o operador.

Dos problemas encontrados conseguimos corrigir dentro do projeto o problema de

aquisição da DAQ, uma sugestão do professor. A válvula de descarga não pode ser modificada

pois este processo de troca demandaria muito tempo, uma vez que todo o sistema teria de ser

enviado para a empresa Embraco, descarga de gás do sistema, troca da válvula, vácuo, carga de

gás e novamente transporte para o instituto.

O controle PI também não pode ser implementado pelo curto prazo do projeto.

Porém podemos concluir que o projeto foi desenvolvido com seus problemas, mas

apresentou de maneira clara a importância dos dispositivos e métodos de instrumentação

estudados na disciplina de metrologia e instrumentação.

18

5 BIBLIOGRAFIA CITADAApostila de refrigeração CEFET BA, Professor Fabio Ferraz

Manual DAQ NI6009. Disponível em http://www.ni.com/pdf/manuals/371303m.pdf

www.embraco.com