Elektrotehniški vestnik 78(1-2): 67-72, 2011 Existing separate English edition Simulacija temperature v hladilnih aparatih Gregor Papa1, Peter Mrak2 1 Odsek za računalniške sisteme, Institut "Jožef Stefan", Jamova c. 39, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Razvojni laboratorij Programa HZA, Gorenje, d. d., Partizanska c. 12, 3503 Velenje, Slovenija E-poššta: gregor.papa@ijs.si, peter.mrak@gorenje.si Povzetek. V razvojnem oddelku podjetja Gorenje, d. d., poteka razvoj zelo kompleksnega hladilnega aparata. Pri razvoju sodelujejo tudi strokovnjaki z drugih področij z namenom, da razvijemo aparat, ki bo v vsej svoji funkcionalnosti deloval optimalno. Za lazji in hitrejši potek razvoja smo se odločili, da bi z uporabo matematičnih orodij simulirali in optimirali delovanje hladilnega aparata. Optimalno delovanje hladilnega aparata pomeni, da le-ta pri najnizji mozni porabi električne energije ohlaja prostore aparata na zeleno temperaturo. V ta namen smo razvili simulator, ki omogoča simulacijo gibanja temperatur v notranjosti hladilnega aparata ob različnih parametrih regulačije. Z njim nadomestimo del meritev, ki so zaradi počasnih toplotnih pročesov problem preizkušanja različnih načinov vodenja. Z zmanjšanjem časa meritev zmanjšamo tudi stroške razvoja aparata. Ključne besede: simulačija, hladilni aparat Temperature Simulations in Cooling Appliances The R&D laboratory of Gorenje d. d. develops čomplex čooling appliančes. In their developing pročess there are also engineers from other areas partičipating. Their task is to develop optimal-performanče appliančes, regarding all funč-tionalities. To allow for an easier and faster development, we used mathematičally-based simulation and optimization tools. A čooling applianče operates optimally when it is able to čool to the desired temperature at the lowest possible power čonsumption. For the purpose of our investigation we developed a simulator for simulating temperatures inside the applianče čabinets at different čontrol parameters. By using simulations a čonsiderable part of measurements was replačed, and as they are mučh time čonsuming due to the slow thermal pročesses, a lot of time was saved whičh in the end also minimized the development manufačture čost of the applianče. 1 UVOD Zaostrene razmere na trgu zahtevajo gospodinjske aparate z veliko dodano vrednostjo. Poleg vgrajenih raznovrstnih funkčionalnosti morajo aparati delovati z najmanjšo mozno močjo oziroma imeti nizko porabo električne energije. Hladilno-zamrzovalni aparati so med gospodinjskimi aparati največji porabniki električne energije. Vodilni slovenski proizvajaleč velikih gospodinjskih aparatov si zato prizadeva izdelati energijsko učšinkovite aparate z optimalnim delovanjem. Optimalno delovanje pomeni, da aparat pri najnizšji mozšni porabi električne energije ohlaja prostore aparata na zeleno temperaturo. Taksšna optimizačija navadno zahteva veliko dolgotrajnih razvojnih meritev ali temeljito teoretično analizo hladilnega sistema in izdelavo zapletenega mate- matičnega modela za simulačijo [1], [2], [3], [4], [5]. Zadnje navedeni način zahteva veliko časa in spečifičnega znanja uporabe, po navadi dragih, orodij (Gambit, Fluent, Matlab). Ob morebitni spremembi geometrijskih lastnosti pa je treba postopek ponoviti skoraj od začšetka. V razvoju hladilnih aparatov je za vsak nov tip aparata potrebno opraviti vrsto meritev, da določšimo optimalno delovanje. Toplotni pročesi v hladilnih sistemih so po svoji naravi zelo počasni. Ena meritev za določitev porabe energije lahko po standardnih predpisih traja večš dni. V čšlanku predstavljamo simulator, ki deluje na podlagi minimalnega seta različšnih kratkih meritev. Te meritve vnesemo v program Mičrosoft Exčel, v katerem je narejen simulator. Simuliranje na podlagi vnesenih podatkov v program Exčel zahteva od uporabnika minimalno računalniško znanje. V primeru spremembe hladilnega aparata (geometrijskih mer, vgrajenih komponent, načina regulačije) ponovimo del meritev, ki se nanasšajo na spremembo, in jih ponovno vnesemo. To pomeni, da na enostaven način prilagajamo simulator. V primeru izdelave popolnoma novega aparata pa lahko po ustaljeni rutini (avtomatiziranih meritvah) v zelo kratkem čšasu priredimo simulator za uporabo z novim aparatom. Zaradi teh prednosti je program Exčel orodje, ki zmore simulirati različne kompleksne sisteme [6], [7]. Primerjava izmerjenih vrednosti in rezultatov simulačije kaze na natančnost simuliranja hladilnega aparata, brez poznanja posebnih programskih jezikov in uporabe dragih programskih orodij. 2 Delovanje aparata Aparat je sestavljen iz treh prostorov; zgornji prostor ima funkčijo hladilnika in se imenuje FF (Fresh Food) pro- stor. Srednji prostor je namenjen napravi za pridobivanje ledu in se imenuje IM (Ice Maker). Spodnji prostor pa lahko deluje v več različnih načinih in se zato imenuje CD (Convertible Drawer). Spodnja dva prostora tvorita FZ (Freezer). Regulacija temperature je izvedena s hladilnim sistemom, ki vsebuje kompresor s spremenljivimi vrtljaji, ki poganja plin, ta v uparjalniku ekspandira in odvzema toploto uparjalniku. Uparjalnik hladi zrak, ki ga potem z ventilatorji in prezračevalnim sistemom vpihujemo v posamezen prostor. Srednji prostor (IM) in spodnji prostor (CD) imata skupen hladilni sistem (kompresor, uparjalnik in ventilator), kar pomeni, da je regulacija teh prostorov soodvisna. Zaradi tega imata prostora IM in CD še loputi, s katerima reguliramo dotok hladnega zraka v posamezen prostor. Slika 1 predstavlja koncept aparata in njegove komponente. I tipalo FF < ' [ i !' - električna moč N_/ tupl O - hladilna moč l(/ /i /,, ) / - vrtljaji kompresorja - temperatura kondenzacije - temperatura uparjanja - temperatura okolice - temperatura sesanja zraka iz FF - temperatura vpiha zraka v FF - temperatura sesanja zraka iz IM - temperatura vpiha zraka v IM - temperatura sesanja zraka iz FZ - - temperatura vpiha zraka v FF - srednja temperatura prostora FF - srednja temperatura prostora IM - srednja temperatura prostora FZ - toplotne izgube flf^ / t i - odvisna od V - pretok zraka I tipalo IM ventilator kondenzatorja FZ kondenzator FZ hriok, Aap) kom pre (spremen PeF sor FZ ivi vrtljaji) uparjalnik FZ 'up=f('k- 'sesl- '«pihl- 'sesi- '«pihll klOp srednje letttp hisieœza vjdofi : z klop nivo Mop' vklop' 10.2 T 4.. "F 14 «F 6'F -12 11 °C 2.22 "C -9.89 °C -14.33*0 96 13.9 'F -1007 °C 16.1 T 4-, °F* 20 "F 12-F -8.33 "C 2.22 "C -S 61 °C -11.06°C 92 19.5 "F -6.97 °C [0 - 100] 7 e inier/al 1 (iîierval 2 interval S iniersal 4 al 5 9 me:a interdis 3 47 50 i 28 ¡1 - 10001 10 frekvenca kompresorja 71 71 71 71 71 ¡$6 .. U3] 11 vrtljaji i ëf,-t>!a!onâ max mid min mid mid m id. mm) 12 13 U naklon 100 ¡30 - 1001 1E atffkikraiv interval 5000 ¡100 20160/ 16 interval za izračune 2830 ¡100-5760! 17 1E 19 SIMULIRAJ poraba: 0.665 kWh/dan 20 srečka IM: -14.9 CC -15.1 'C 21 (Cirt+Sfiift+SI sredr^a CD: 22 RVC: 44 % Slika 3: Nastavljanje parametrov simulacije Stranski produkt obdelave meritev je primerjava potekov temperature v posameznem prostoru in v posameznih delovnih območjih v odvisnosti od frekvence kompresorja in/ali vrtljajev ventilatorja. Na ustreznem delovnem listu je mogoče določiti, pri katerih frekvencah kompresorja in pri kakšnih vrtljajih ventilatorja Želimo primerjati krivulje odzivov. To je posebej pomembno pri analizi aparata, saj lahko tako ugotovimo, v katerih nacšinih aparat deluje dobro in v katerih nezadovoljivo. Na podlagi tega lazše dolocšimo vzrok morebitnih odmikov krivulj (na primer: hladilni sistem ni primeren za visoke frekvence kompresorja, ventilator ne vpihuje dovolj zraka, napaka pri meritvi itd.). Primer poteka temperature pri različnih frekvencah kompresorja in maksimalnih vrtljajih ventilatorja v prostoru IM pri odprtih loputah IM in CD je prikazan na sliki 2. 4 Simulator delovanja aparata Simulator je izdelan v programu Excel. Sestavljen je iz štirih delovnih listov ter makro programov (v obsegu 600 vrstic) za simulacijo delovanja. V simulator (slika 3) vpišemo zeleno temperaturo IM in CD ter vrednost histereze za IM in CD. Vpišemo tudi nivo temperature v prostoru, ko se loputa odpre, ceprav še ni dosežena vklopna temperatura, vendar je zaradi odprtosti druge lopute (in delovanja kompresorja) j / / À \T—" j I I 1 1 T—' \ f senzor FF FF .........FF-vklop .........FF-izklop — kompresor 1 1 [ ' i sel 1201 tSflt it£n čas (korak) Slika 4: Rezultat simulacije - grafični prikaz smotrno ohlajati tudi ta prostor. Zaradi preglednosti se avtomatsko izpišejo tudi preračunane temperature vklopov in izklopov, v stopinjah Fahrenheita in v stopinjah Celzija. Cikel delovanja kompresorja je razdeljen na pet intervalov. Posameznemu intervalu vpišemo trajanje in način, kako naj deluje. Prvi interval traja od vsakega vklopa kompresorja naprej, drugi interval se začne po zaključku prvega itd. Ce je delovanje kompresorja daljše, kot je vsota trajanj petih intervalov, veljajo nastavitve zadnjega intervala. Vsakemu intervalu določimo, s katero frekvenco naj deluje kompresor (pri tem uporabljamo frekvenče, ki jih je določila razvojna skupina, saj mora biti regulačija izvedljiva tudi v praksi), in s kakšnimi vrtljaji (maksimalnimi, srednjimi ali minimalnimi) naj se vrti ventilator, ki vpihuje ohlajen zrak v prostor. Določiti je treba še čas simuliranega delovanja in kolikšen zadnji del čelotnega simuliranega časa delovanja naj se upošteva pri izračunih porabe energije. Tako zagotovimo, da izzvenijo prehodni pojavi in da preide delovanje aparata v ustaljeno stanje (delovno območje). Simulačija traja priblizno 10 sekund pri simuliranju delovanja 48 ur (5760 korakov) na računalniku z 2GHz pročesorjem. Po zaključku simulačije se izpišejo rezultati: dnevna poraba v kilowatt-urah, srednji temperaturi v prostorih IM in CD, relativni vklopni čas (RVC) kompresorja. Pri izračunu porabe se poišče največji mozni interval znotraj intervala za izračune, ki vsebuje čele čikle (interval se začne z začetkom enega čikla in končša tik pred začšetkom čikla, ki ga ne uporabimo večš za izračun). Z upoštevanjem samo čelih čiklov (enako izračunava porabo merilni sistem v laboratoriju HZA, kakor je definirano s standardom [8]) je izračun porabe, v kilowatt-urah na dan, (enačba 3) in drugih vrednosti natančšnejsši. poraba = porabaintelvai x 2880 (3) dolzinaintervai x 12000 Srednji temperaturi sta povprečni temperaturi v posameznem prostoru v celem intervalu. RVC pa je deleZ časa znotraj intervala, ko kompresor deluje. Glavni rezultat simulacije je dosezena poraba energije in dosezene temperature pri določenih nastavitvah parametrov regulacije. Dobljene rešitve pa morajo biti tudi izvedljive na realnem aparatu, zato nam simulator tudi izrisše cšasovni potek gibanja simuliranih temperatur (slika 4). Potek prikazuje delovanje v ustaljenem stanju, to je v delovni tocški aparata. S spremembo parametrov regulacije lahko simuliramo tudi delovanje aparata pri razlicnih delovnih tockah. Simulator nam izriše delovanje kompresorja in moci, ki jo pri tem troši, gibanje temperatur tipal ter srednje temperature v posameznih prostorih. Na podlagi teh podatkov lahko izracšunamo energetsko uncšinkovitost aparata pri normalni uporabi. Normalna uporaba pomeni, da simuliramo delovanje nalozšenega aparat z merilnimi paketi (predstavljajo hrano) pri zaprtih vratih kot to veleva standard [8]. Z veckratno uporabo simulatorja in razlicnih nastavitev lahko hitro dobimo najprimernejsše parametre regulacije. Te nato vnesemo tudi v aparat in izmerimo dejanske rezultate. S tem je cas iskanja primernih nastavitev mnogo krajši, kakor ce bi jih iskali samo preko meritev. Simulator za FF del simulira temperaturo samo v enem prostoru, zato je potrebnih manj vhodnih podatkov, ustrezno pa je spremenjen tudi izpis na grafu. Slika 5: Primerjava izmerjenih in simuliranih krivulj 4.1 Validacija simulatorja V laboratoriju HZA v Gorenju je bila izvedena validacija simulatorja. Primerjali so rezultat simulacije in meritve pri enakih nastavitvah regulacije. Razlike med simuliranimi in dejanskimi (izmerjenimi) vrednostmi so bile zanemarljivo majhne oziroma sprejemljive glede na število dejavnikov, ki vplivajo na delovanje aparata. Primerjava simuliranih in merjenih vrednosti, pri enakih nastavitvah, je bila izvedena s primerjalnim grafom (slika 5). Odmiki med primerjanimi krivuljami so posledica vpliva nakljucšnih motenj, ki jih ne moremo iznicšiti. Podobne razlike dobimo tudi, ce primerjamo dve meritvi na realnem aparatu. Ocšitno na stabilnost delovanja aparata vpliva precej dejavnikov, ki niso identificirani. Zato mora biti regulacija aparata dovolj robustna, da zagotovimo zanesljivo delovanje. 5 Rezultati Za zadovoljivo natancšnost simulacije delovanja hladilnega aparata je dovolj meriti samo odzive temperatur na tipalih aparata in povprečne temperature v aparatu. Pri tem je pomembno, da zajamemo vse mozšne nacšine delovanja - posneti moramo odzive pri vseh primerjanih frekvencah. Med obdelavo podatkov zlahka ugotovimo, ali je smiselno obdelovanje naprej vseh mogocših kombinacij, oziroma katere lahko izpustimo (zaradi prevelike mocši - poraba energije in nedoseganje zšelenih temperatur). Stevilo teh zacetnih meritev se mnozi z vpeljevanjem vec neodvisnih elementov. V našem primeru imamo deset nacšinov delovanja kompresorja (pri desetih frekvencah) in tri nacine delovanja ventilatorja. V okviru analize je imelo velik pomen minimiziranje teh zacšetnih meritev in njihova avtomatizacija. Pravilno izmerjeni odzivi pa so kljucšnega pomena za pravilno in zanesljivo delovanje simulatorja. S sprotnim pregledovanjem ugotovimo, koliko lahko zmanjšamo cas meritve enega nacšina in njegovega odziva. Potrjeno je bilo, da rezultati simulacije, dobljeni pri enem prototipu, ne veljajo za drugega. Spremenijo se namrecš karakteristike aparata, njegovi odzivi, kar po-sledicšno pomeni, da so optimalne nastavitve drugacšne. Dodana vrednost izdelanih aplikacij je, da lahko dobljene rezultate vseeno uporabimo pri izdelavi novega prototipa. Ce ugotovimo, da nekatere nastavitve ali komponente ne prispevajo k izboljšanju aparata, le-teh ne uporabimo, kar posledicno pomeni znizanje stroškov, oziroma uporabimo tiste komponente, ki najbolje delujejo in tako zagotovimo zanesljivost in robustnost delovanja. Slika 6 prikazuje rezultate simulacije pri razlicnih nastavitvah. RVC pomeni relativni vklopni cas kompresorja in je v korelaciji s porabo energije. Pri tem je treba povedati, da lahko izmerjena poraba niha za priblizno ±1 % zaradi motenj. Motnje, ki vplivajo na izmerjeno porabo energije, so nihanje temperature okolice, natancšnost merilnega sistema, nihanje napetosti napajanja itd. Zaradi manjše kompleksnosti FF dela je z uporabo simulatorja mozno oceniti ali za regulacijo FF sploh potrebujemo toliko razlicšnih mozšnosti za nastavljanje Slika 6: Primerjava rezultatov pri različnih nastavitvah (spremenljive frekvence kompresorja, spremenljivi vrtljaji ventilatorja). Posledično to pomeni enostavnejši algoritem regulacije ter enostavnejšo in cenejšo krmilno elektroniko aparata. 6 Sklep Razvojni čas hladilnega aparata, posebej zelo kompleksnega, se meri v mesecih. Z uporabo simulatorja lahko nadomestimo velik del razvojnih meritev in tako zmanjšamo stroške razvoja. Groba ocena stroškov razvojnih meritev enega aparata v laboratoriju HZA je 50 eurov na dan. S pridobljenimi orodji lahko dejansko simuliramo delovanje aparata vecš dni v roku nekaj sekund in tako znatno zmanjšamo cas in stroške razvoja. Z uporabo simulacij smo dosegli zelene cilje, ne samo energijsko varcen aparat, ampak tudi zanesljivo delovanje le-tega. Zahvala [4] Z. Lu, G. Ding, C. Zhang, "Dynamic simulation of natural convection bypass two-circuit cycle refrigerator-freezer and its application: Part II: System simulation and application," Applied Thermal Engineering, vol. 24, no. 10, pp. 1525-1533, 2004. [5] M. Mraz, "The design of intelligent control of a kitchen refrigerator," Mathematics and Computers in Simulation, vol. 56, no. 3, pp. 259-267, 2001. [6] A.M. Brown, "Simulation of axonal excitability using a Spreadsheet template created in Microsoft Excel," Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 63, no. 1, pp. 47-54, 2000. [7] I. Meineke, J. Brockmoller, "Simulation of complex pharmacokinetic models in Microsoft EXCEL," Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 88, no. 3, pp. 239-245, 2007. [8] ANSI/AHAM HRF-1/2004, Energy, Performance and Capacity of Household Refrigerators, Refrigerator-Freezers and Freezers, 2004. Gregor Papa je raziskovalec na Institutu "Jozef Stefan". Raziskuje in deluje na podrocjih optimizacijskih tehnik, metahevristicnih algoritmov, visokonivojske sinteze digitalnih vezij, strojnih implementacij kompleksnih algoritmov in izboljšav industrijskih izdelkov. Njegova znanstvena dela so objavljena v zbornikih mednarodnih konferenc, mednarodnih revijah in knjigah. Delo je bilo izvedeno v okviru industrijskega aplikativnega projekta, ki ga je sofinanciralo podjetje Gorenje, d. d. LITERATURA Peter Mrak je zaposlen v podjetju Gorenje, d. d., v razvojnem laboratoriju oddelka hladilno zamrzovalnih aparatov. Raziskuje in deluje na podrocšjih preizkusšanja elektronskih vezij, avtomatizacije merilnih postopkov, krmiljenja in regulacije hladilnih sistemov ter zagotavljanja kakovosti produktov. [1] G. Ding, C. Zhang, Z. Lu, "Dynamic simulation of natural convection bypass two-circuit cycle refrigerator-freezer and its application: Part I: Component models," Applied Thermal Engineering, vol. 24, no. 10, pp. 1513-1524, 2004. [2] J.K. Gupta, M. Ram Gopal, S. Chakraborty, "Modeling of a domestic frost-free refrigerator," International Journal of Refrigeration, vol. 30, no. 2, pp. 311-322, 2007. [3] O. Laguerre, S. Ben Amara, J. Moureh, D. Flick, "Numerical simulation of air flow and heat transfer in domestic refrigerators," Journal of Food Engineering, vol. 81, no. 1, pp. 144-156, 2007.