Estudo computacional de estratégias de controle térmico para compartimentos de carga refrigerados

Abstract

O transporte de cargas refrigeradas, principalmente de alimentos, é uma operação vital para a sociedade contemporânea. Em 2022, as exportações brasileiras de carne fresca e refrigerada foram responsáveis pelo faturamento de US$ 11,805 bilhões, o que representou 3,53 % das exportações nacionais. Apesar desses fatos positivos, o transporte de cargas refrigeradas também é responsável por um consumo significativo de energia. Por estes motivos, este trabalho tem como objetivo comparar diferentes estratégias de controle da temperatura interna de um compartimento refrigerado, utilizado para o transporte de artigos perecíveis, com o intuito de manter tal grandeza dentro de limites aceitáveis de operação. As estratégias de controle analisadas foram dos tipos liga/desliga, Proporcional (P), e Proporcional Integral (PI). Os controladores foram implementados a partir da modelagem matemática do sistema térmico e de refrigeração, com estes sendo equacionados a partir dos fundamentos da Termodinâmica e Transferência de calor. Através dos resultados obtidos, observou-se uma economia no consumo médio de 10,6 % entre o controlador PI e um dos tipos de controlador liga/desliga. Além disso, este controlador foi capaz de manter a temperatura interna do compartimento constante em regime permanente no valor de referência, -20 °C, com um tempo de acomodação de aproximadamente 0,34 h.

The transport of refrigerated cargo, mainly food, is a vital operation for contemporary society. In 2022, Brazilian exports of fresh and chilled meat were responsible for revenues of US$ 11.805 billion, which represented 3.53 % of national exports. Despite these positive facts, the transport of refrigerated cargo is also responsible for significant energy consumption. For these reasons, this work aims to compare different strategies for controlling the internal temperature of a refrigerated compartment, used for the transport of perishable items, in order to keep such magnitude within acceptable operating limits. The control strategies analyzed were of the on/off, Proportional (P), and Proportional-Integral (PI) types. The controllers were implemented from the mathematical modeling of the thermal and cooling system, with these being equated from the fundamentals of Thermodynamics and Heat Transfer. Through the obtained results, it was observed an economy in the average consumption of 10.6 % between the PI controller and one of the types of on/off controller. Furthermore, this controller was able to keep the internal temperature of the compartment constant on steady state at the reference value, -20 °C, with a settling time of approximately 0.34 h.