Optimization and multivariable control of refrigeration systems

Abstract

Los ciclos de refrigeración por compresión de vapor constituyen el método más extendido a nivel mundial para la generación de frío. Estos sistemas se utilizan en áreas tan diversas como regulación de la temperatura en estancias habitadas, almacenamiento y transporte de alimentos y múltiples procesos industriales. Dado el considerable impacto causado por el consumo energético de estos sistemas en los balances económicos y medioambientales de los países desarrollados y en vías de desarrollo, y teniendo en cuenta la escasez creciente de fuentes de energía fósiles y el desarrollo todavía lento de las diferentes tecnologías de energía renovable, la operación óptima en términos de eficiencia energética de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor existentes se presenta como un problema clave que abordar. Esta Tesis aborda la operación óptima de los ciclos de refrigeración desde el punto de vista de la eficiencia energética. Aunque el trabajo se centra principalmente en sistemas de una etapa de compresión y un recinto a refrigerar, se analizan también otras configuraciones con varias etapas y varios recintos. Existen varios factores clave para alcanzar la operación óptima de un sistema de refrigeración en el campo del Control Automático: el modelado, la optimización y el control propiamente dicho. En primer lugar, se estudia ampliamente el modelado estático y dinámico de los sistemas de refrigeración. En cuanto al segundo, se desarrolla un modelo dinámico simplificado y orientado al control de un ciclo de una etapa de compresión y un recinto a refrigerar. El objetivo es que pueda ser incorporado en estrategias de control basado en modelo, donde se requieren tanto una baja carga computacional como una descripción suficientemente precisa de la dinámica dominante del sistema, de acuerdo con los objetivos de control. En segundo lugar, se analiza la operación óptima en régimen permanente de un ciclo de una etapa de compresión y un recinto a refrigerar. Dada una cierta demanda de frío, el objetivo de la fase de optimización es calcular el ciclo en régimen permanente que alcanza la máxima eficiencia energética posible asegurando la satisfacción de la demanda de frío y a la vez respetando las restricciones de operación. Una vez calculado, se pretende que este ciclo óptimo constituya la referencia a seguir por parte del controlador. Finalmente, se estudia asimismo el problema de control. En la literatura sobre sistemas de refrigeración se encuentran principalmente dos esquemas: el control convencional y el control centrado en la eficiencia energética. En el primer esquema, además de la referencia impuesta por la demanda de frío, se impone un valor bajo pero constante como referencia para el grado de sobrecalentamiento del refrigerante a la salida del evaporador, to achieve the cycle defined by the optimization stage by manipulating the available control actions. Therefore, the controllability of the one-stage, one-load-demand cycle is analysed using linear theory and a nonlinear pointwise analysis based on the phase portrait method. Given the conclusions of the controllability analysis, a suboptimal hierarchical control strategy is proposed to achieve the highest possible efficiency while satisfying the cooling load. Most contributions of this Thesis are of theoretical nature. Notwithstanding, the application of the proposed control strategy to a multi-compression-stage, multi-loaddemand experimental plant is intended. Then, steady-state identification of the plant is performed from experimental data, whereas validation of the models considering different plant configurations is also carried out.