BİR SOĞUTMA GRUBUNDA KOMPRESÖR HIZININ BULANIK MANTIK ALGORİTMA İLE KONTROLÜ

Transkript

1 BİR SOĞUTMA GRUBUNDA KOMPRESÖR HIZININ BULANIK MANTIK ALGORİTMA İLE KONTROLÜ Öğr. Gör. Orhan EKREN Ege Üniversitesi Doç. Dr. Serhan KÜÇÜKA Dokuz Eylül Üniversitesi

2 SUNUM İÇERİĞİ ÇALIŞMANIN AMACI DENEY DÜZENEĞİ BULANIK MANTIK KAVRAMI YAPILAN KONTROL DENEYLERİ SONUÇLAR 2

3 ÇALIŞMANIN AMACI Binalarda enerji tasarrufu için HVAC sistemleri verimi arttırılmalı. Bu,kısmi yüklerde soğutma kapasitesinin yüke göre ayarı ile yapılır. On-Off kontrol (termostat ile) Çoklu kompresör kullanma Silindir yük boşaltma (pistonlu kompresörlerde) Sürgü valfi ile kontrol (vidalı kompresörlerde) Sıcak gaz by-pass Hareketli scroll (Dijital scroll) ile kapasite kontrolü Değişken hızlı (devirli) kompresör kullanma 3

4 ÇALIŞMANIN AMACI Literatürde Yapılmış Çalışmalar; Değişken Hızlı; Pistonlu, Rotary ve Scroll tip kompresörler Soğuk Oda ve Isı Pompası uygulamalarında araştırılmıştır. Kompresör hızı 20 ile 120 Hz arasında değişir. Kontrol PID gibi yöntemlerle yapılır. Mevcut Çalışmada; Sabit hızlı (50 Hz) çalışmak için tasarlanan scroll kompresör invertör ilavesi ile değişken hızlı çalıştırılmıştır. Kompresör hızı, 30 Hz ile 50 Hz arasında değiştirilmiştir. Kompresör hızı, su sıcaklığına göre bulanık mantık kontrol algoritması ile kontrol edilmiştir. Böylece, su soğutma gruplarında, soğutma performans katsayısı ve elektrik tüketimi üzerindeki etkisi incelenerek ON/OFF kontrol ile karşılaştırma amaçlanmıştır. 4

5 DENEY DÜZENEĞİ 5

6 DENEY DÜZENEĞİ (Soğutma Sistemi) Deney düzeneğini, soğutma sistemi ve kontrol sistemi olarak iki grupta inceleyebiliriz; Soğutma sistemi : Eleman Kompresör Kondenser Evaporatör Genleşme Vanası Özellikler Copeland, Scroll (soğutkan R134a) Kapasite: 2,8 Hp, 380 V, 50 Hz Hava soğutmalı Su soğutan EGV, Step motor kontrollu TGV, Sporlan, dıştan dengelemeli 6

7 DENEY DÜZENEĞİ 7

8 DENEY DÜZENEĞİ (Kontrol Sistemi) Kontrol Sistemi İnvertör Step motor kontrol devresi Kontrol birimi Ölçüm elemanları 8

9 DENEY DÜZENEĞİ (İnvertör) İnvertör 2.2 kw olup, 3 faz çıkışa sahiptir. Kontrolde V/f (380/50=7,6) oranı sabittir. Devir sayısı, 30 Hz= 900 dev/dk. ve 50 Hz = 1500 dev/dk. dır. 120 * f (Hz) n (dev/dk) = p (kutup sayısı) Volt V maksimum Sabit tork bölgesi Sabit güç bölgesi V minimum f minimum f maksimum frekans 9

10 DENEY DÜZENEĞİ (Step Motor Kontrol Devresi) Step motor kontrol devresi ; EGV 10

11 DENEY DÜZENEĞİ (Kontrol Birimi) Sistemden data alınması ve invertöre kontrol sinyalinin gönderilmesi HP data logger ve 0-10 Volt analog sinyal gönderebilen kontrol kartı ile yapıldı. 11

12 Yapılan Ölçümler; DENEY DÜZENEĞİ (Ölçüm Elemanları) Kondenser öncesi ve sonrası hava sıcaklığı ile kanaldan geçen hava debisi Sıcaklık T tipi ısıl çift ile ölçülmüş, debi ise lülede hesaplanan hava akış hızından hesaplanmıştır. Evaporatör giriş çıkışındaki su sıcaklığı ile geçen su debisi ölçülmüştür. Su debisi venturi düzeneğinde ölçülen basınç düşümünden hesaplanmıştır. 12

13 DENEY DÜZENEĞİ 13

14 DENEY DÜZENEĞİ (Ölçüm Elemanları) Kondenser, kompresör, evaporatör ve genleşme vanası giriş çıkışlarında sıcaklık yanında basınçlar da ölçülmüştür. 35,6mm 51,6mm Ø17mm Besleme hattı üzerinden kompresör gücü ölçülmüştür. Ölçüm aralığı:220/600v,50/60 Hz Hata : ±%1,5 14

15 BULANIK MANTIK (Bulanık Mantık Kavramı) Bu yöntem, insan beyninin öğrenmesini taklit eden yapay zeka yöntemidir. Otomobil park, çamaşır makinası vb. birçok uygulamada kullanılır. Kontrol için modele gerek yoktur. Karar verme mekanizması bir uzmanın oluşturduğu kurallarla olur. Soğuk kavramı nedir? Örn. 15 o C soğuk mudur! Klasik Mantık teorisi Bulanık Mantık Teorisi 15

16 BULANIK MANTIK (Üyelik Fonksiyonu ve Derecesi ) Veriler belirli aralıklara bölünerek, herbiri geometrik bir şekille ifade edilir. Bunlara Üyelik Fonksiyonu denir. Bir elemanın hangi üyelik fonksiyonuna ait olduğu Üyelik Derecesi ile belirlenir. 1 Soğuk 1 2 Ilık 3 Sıcak Çok Sıcak 4 0,8 0,65 0,6 Üyelik derecesi 0,4 0,30 0, T ( o C) 16

17 BULANIK MANTIK (Üyelik Fonksiyonu) En çok kullanılan üyelik fonksiyonlarının geometrik ifadesi; Üçgen Üyelik Fonksiyon Gauss Üyelik Fonksiyon Trapezoidal Üyelik Fonksiyon Değişkenler uygun aralıklara bölünerek ayrı üyelik fonksiyonları ile ifade edilir. 17

18 BULANIK MANTIK (Üyelik Fonksiyonu) Bulanık Kontrol için kontrol GİRDİ ve ÇIKTI belirlenir: GİRDİLER.. BULANIK MANTIK KONTROL ÇIKTILAR.. Su Çıkış Sıcaklığı Hatası (Girdi-1) Kompresör Hızının Önceki Değişimi(Girdi-2) KOMPRESÖR BULANIK MANTIK KONTROLU Kompresör Hızının Değişimi 18

19 BULANIK MANTIK (Üyelik Fonksiyonu) Girdi-1 : HATA= Gerçek değer - Ayar değeri (9 o C) NY:negatif yüksek, NO:negatif orta, S:sıfır, PO: pozitif orta, PY:pozitif yüksek 19

20 BULANIK MANTIK (Üyelik Fonksiyonu) Girdi-2 ÇK: çok küçük, K: küçük, O: orta, B: büyük, ÇB: çok büyük 20

21 BULANIK MANTIK (Üyelik Fonksiyonu) Çıktı : ÇK: çok küçük, K: küçük, O: orta, B: büyük, ÇB: çok büyük 21

22 BULANIK MANTIK (Bulanık Kontrol Aşamaları) Bulanık mantık ile kontrol ÜÇ aşamadan oluşur; Bilgi Tabanı Girdi Bulanıklaştırma Çıkarım Durulaştırma Çıktı Bulanık kontrol yapılırken uygun sayıda GİRDİ ve ÇIKTI seçilir. Girdiler ve çıktılar Üyelik Fonksiyonları ile bulanıklaştırılır yani geometrik bir şekille ifade edilir. Karar verebilmek için ise çıkarım aşamasında Kural Tablosu oluşturulur. 22

23 BULANIK MANTIK (Çıkarım) Kompresör bulanık mantık kontrolü için Kural Tablosu uzman deneyiminden yararlanılarak oluşturulur. Burada iki girdi bir çıktı var. Frekans Değişimi (Çıktı) Frekansın Önceki Değişimi (Girdi-2) ÇK K O B ÇB Su Sıcaklık Hatası (Girdi-1) NY K O B B ÇB NO K O B B ÇB S ÇK K O B ÇB PO ÇK ÇK K O B PY ÇK ÇK K O B EĞER Su Sıcaklık Hatası=NY VE Frekansın Önceki Değişimi=ÇK İSE Frekans=K 23

24 BULANIK MANTIK (Kuralllar) Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NY ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇK ise Frekans Değişimi (Çıktı)=K Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NY ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=K ise Frekans Değişimi (Çıktı)=O Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NY ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=O ise Frekans Değişimi (Çıktı)=B Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NY ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=B ise Frekans Değişimi (Çıktı)=B Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NY ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇB ise Frekans Değişimi (Çıktı)=ÇB Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇK ise Frekans Değişimi (Çıktı)=K Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=K ise Frekans Değişimi (Çıktı)=O Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=0 ise Frekans Değişimi (Çıktı)=B Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=B ise Frekans Değişimi (Çıktı)=B Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = NO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇB ise Frekans Değişimi (Çıktı)=ÇB Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = S ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇK ise Frekans Değişimi (Çıktı)=ÇK Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = S ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=K ise Frekans Değişimi (Çıktı)=K Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = S ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=O ise Frekans Değişimi (Çıktı)=O Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = S ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=B ise Frekans Değişimi (Çıktı)=B Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = S ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇB ise Frekans Değişimi (Çıktı)=ÇB Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇK ise Frekans Değişimi (Çıktı)=ÇK Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=K ise Frekans Değişimi (Çıktı)=ÇK Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=O ise Frekans Değişimi (Çıktı)=K Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=B ise Frekans Değişimi (Çıktı)=O Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PO ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇB ise Frekans Değişimi (Çıktı)=B Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PB ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇK ise Frekans Değişimi (Çıktı)=ÇK Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PB ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=K ise Frekans Değişimi (Çıktı)=ÇK Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PB ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=O ise Frekans Değişimi (Çıktı)=K Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PB ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=B ise Frekans Değişimi (Çıktı)=O Eğer Sıcaklık Hatası(Girdi-1) = PB ve Frekans önceki değişimi (Girdi-2)=ÇB ise Frekans Değişimi (Çıktı)=B 24

25 BULANIK MANTIK (Örnek) Girdi-1 Girdi-2 Çıktı NY VE (minimum) B B Hata = -6 Frekans değişimi = Frekans değişimi = 19 20

26 Durulaştırma işlemi; BULANIK MANTIK (Durulaştırma) Üyelik derecesi Frekans değişimi 26

27 BULANIK MANTIK (Kompresör Kontrol Yüzeyi) Kompresör hız kontrolü için kontrol yüzeyi; 27

28 Üç tip deney yapılmıştır ; YAPILAN DENEYLER Kompresör 1 30 Hz ile 50 Hz arası 5 Hz lik artış ile manual olarak açılmıştır. 2 Sabit tutulmuştur. Sabit tutulmuştur. EGV Açıklığın %10 u ile %45 i arası %5 lik %45 i ile %55 i arası %1 lik dilimlerle açılmıştır. 1.ve 2. tip deneylerde kompresör ve EGV davranışının termodinamik açıdan incelenmesi ve bulanık mantık algoritma kural tablosunun oluşturulmasında kullanılmıştır. 28

29 Değişim ( o C) YAPILAN DENEYLER (Kompresör Hızı ile ilgili) Kompresör hızının aşırı soğutma ve kızgınlık üzerindeki etkisi, Aşırı Soğuma Kızgınlık Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz Kompresör Hızı 29

30 Kapasite (kw) YAPILAN DENEYLER (Kompresör Hızı ile ilgili) Kompresör hızı ile kondenser, evaporatör ve kompresör kapasitesi değişimi, Kondenser Evaporatör Kompresör Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz Kompresör Hızı 30

31 Soğutucu Akışkan Debisi (kg/sn) YAPILAN DENEYLER (Kompresör Hızı ile ilgili) Kompresör hızı ile soğutucu akışkan debisi değişimi, Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz Kompresör Hızı 31

32 Basınç (kpa) YAPILAN DENEYLER (Kompresör Hızı ile ilgili) Kompresör hızı ile basınçların değişimi, Kompresör Basma EGV Giriş EGV Çıkış 600 Kompresör Emme Hz 35 Hz 40 Hz Kompresör Hızı 45 Hz 50 Hz 32

33 Soğutma Etkinlik Katsayısı (COP) ve Isentropik Verim YAPILAN DENEYLER (Kompresör Hızı ile ilgili) Kompresör hızı ile isentropik verim ve COP değişimi, Soğutma Etkinlik Katsayısı Isentropik Verim Hz 35 Hz 40 Hz 45 Hz 50 Hz Kompresör Hızı 33

34 YAPILAN DENEYLER (Bulanık Mantık Kontrol ile ilgili) Bulanık mantık kontrol deneyleri ; Sıra Kompresör Genleşme Vanası a-) m su = 0,496 dan 0,100 kg/sn ye indi (Thava giriş= 30 o C, Tsu giriş= 13 o C) 1 Bulanık kontrollü (Tsu çıkış = 9 o C) TGV (Kızgınlık=8 o C) 2 Bulanık kontrollü (Tsu çıkış = 9 o C) EGV bulanık mantık kontrollü (Kızgınlık=8 o C) b-) m su = 0,100 kg/sn (Thava giriş= 30 o C, Tsu giriş = 13 o C) 3 Bulanık kontrollü (Tsu çıkış = 9 o C) EGV bulanık mantık kontrollü (Kızgınlık=8 o C) 4 Sabit hız (f= 50 Hz) ve açık/kapalı kontrol (Tsu çıkış = 9 o C) TGV (Kızgınlık=8 o C) 34

35 Su Sıcaklığı (oc) YAPILAN DENEYLER (Bulanık Mantık Kontrol ile ilgili) Evaporatör çıkışında su sıcaklığı kontrolü (EGV Bulanık Kontrollü); Su Giriş Sıcaklığı EGV'li Su Çıkış Sıcaklığı Zaman (sn) 35

36 Kompresör Hızı (Hz) YAPILAN DENEYLER (Bulanık Mantık Kontrol ile ilgili) Evaporatör çıkışında su sıcaklığı kontrolü (EGV Bulanık Kontrollü); Kompresör Bulanık Kontrollu Zaman (sn) 36

37 Su Çıkış Sıcaklığı ( o C) YAPILAN DENEYLER (Bulanık Mantık Kontrol ile ilgili) Evaporatör çıkışında su sıcaklığı kontrolü (EGV Bulanık Kontrollü ve TGV); Su Giriş Sıcaklığı Kompresör Bulanık Mantık Kontrollu Kompresör Sabit Hızlı Zaman (sn) 37

38 Kompresör Güç Tüketimi (kw) YAPILAN DENEYLER (Bulanık Mantık Kontrol ile ilgili) Kompresör güç tüketimi ; Kompresör Açık/Kapalı Kontollu(TGV ile) Kompresör Bulanık Kontrollu (TGV ile) Kompresör Bulanık Kontrollu (EGV ile) Zaman (sn) 38

39 Elde edilen sonuçlara göre; SONUÇLAR Bulanık mantık kontrollü değişken hızlı soğutma grubunda, sabit hızlı açık/kapalı kontrol edilen sisteme göre % 9,6 elektrik tasarrufu, Bulanık mantık kontrollü değişken hızlı soğutma grubunda, sabit hızlı açık/kapalı kontrol edilen sisteme göre % 33,4 COP artışı, Değişken hızlı sistemde düşük basma sıcaklıkları sayesinde soğutkan ve yağ bozulması riski azalmıştır, 39

40 Elde edilen sonuçlara göre; SONUÇLAR Soğutma grubunda, sabit hızlı çalışmak üzere dizayn edilen bir kompresörün invertör ilavesi ile değişken hızlı olarak çalıştırılabileceği, Soğutma grubunda kompresör hızının ve dolayısıyla su çıkış sıcaklığının bulanık mantık algoritma ile uygun şekilde kontrol edilebileceği, Soğutma gruplarında değişken hızlı çalıştırılan scroll kompresör ve elektronik genleşme vanasının aynı anda bulanık mantık ile kontrolünün uygun şekilde 40

41 TEŞEKKÜRLER.. 41

42 EXTRA 42

43 Sıcaklık ( o C) YAPILAN ÇALIŞMALAR (Bulanık Mantık Kontrol ile ilgili) Yoğuşma ve Buharlaşma sıcaklıkları karşılaştırması COP 2.87 COP 1.91; Zaman (sn) Yoğuşma Sıcaklığı (Sabit Hızda) Yoğuşma Sıcaklığı (Değişken Hızda) Buharlaşma Sıcaklığı (Değişken Hızda) Buharlaşma Sıcaklığı (Sabit Hızda)

44 Su Çıkış Sıcaklığı ( o C) YAPILAN ÇALIŞMALAR (Bulanık Mantık Kontrol ile ilgili) Evaporatör çıkışında su sıcaklığı kontrolü (EGV Bulanık Kontrollü); Su Giriş Sıcaklığı Kompresör Bulanık Mantık Kontrollu Kompresör Sabit Hızlı Zaman (sn)

45 Kızgınlık ( o C) YAPILAN ÇALIŞMALAR (Bulanık Mantık Kontrol ile ilgili) Evaporatör çıkışında soğutkan kızgınlık kontrolü (Sabit Hız); EGV'li Kızgınlık TGV'li Kızgınlık Zaman (sn)

46 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 46% 47% 48% 49% 50% 51% 52% 53% 54% 55% Soğutma Etkinlik Katsayısı ve Isentropik Verim YAPILAN ÇALIŞMALAR (EGV Açıklığı ile ilgili) İsentropik verim ile soğutma performans katsayısının vana açıklığı ile değişimi, Soğutma Etkinlik Katsayısı Isentropik Verim Vana Açıklığı

47 BULANIK MANTIK (Örnek) Bulanıklaştırma VE operatörü Minimum Çıkarım 1 0,7 A1 B1 µ (A1) = 0,7 0.3 Min { 0,3, µ(c1)} C1 0,3 µ (B1) = 0, ,5 A2 0,6 B2 µ (B2) = 0,6 µ (A2) = 0,5 0.5 Min { 0,5, µ(c2) } C2 Maksimum Toplama 0 x y Maks. { µ(c1), µ(c2) } Durulaştırma

48 BULANIK MANTIK (Bulanık Mantık İşlemleri) VE= /\ sembolü minimum operatör, VEYA= V ise maksimum operatördür. Kesişim Birleşme Tersi µ A B (x) = µ A (x) /\ µ B (x) µ AUB (x) = µ A (x) V µ B (x) µ(x)=1-µ A (x) A B A B Girdiler Girdiler Girdi A Çıktı A /\ B Çıktı A V B Çıktı değil A A B A B Girdiler Girdiler Girdi A Çıktı A /\ B Çıktı A V B Çıktı tersi A

49 BULANIK MANTIK (Bulanık Mantık İşlemleri) Bulanık mantıkta, üyelik fonksiyonları arasında çeşitli ilişkilerden yaralanılarak sonuç elde edilir. Bunlardan çıkarım (implication) ve toplama (aggregation) kullanılan birleştirme işlemi en çok kullanılan bulanık ilişkidir. Örnek bulanık ilişkiler; Toplama Çıkarım maksimum-minimum µ B (y) = maksimum{minimum [µ A (x), µ R (y)+- (MAMDANİ) maksimum-produkt µ B (y) = maksimum [µ A (x) µ R (x,y)] minimum-maksimum µ B (y) =minimum{maksimum [µ A (x), µ R (x,y)]} maksimum-maksimum µ B (y) = maksimum{maksimum [µ A (x), µ R (x,y)]} minimum-minimum µ B (y) = minimum{minimum [µ A (x), µ R (x,y)]} maksimum-ortalama µ B (y) = maksimum [µ A (x) + µ R (x,y)]/2 toplam-produkt µ B (y) = f, *µ A (x) µ R (x,y)] }

50 DENEY DÜZENEĞİ (Soğutma Sistemi) Yapılan Ölçümler; Kondenser öncesi ve sonrası hava sıcaklığı ile kanaldan geçen hava debisi ölçümü. Sıcaklık T tipi ısıl çift ile ölçülmüş, debi ise lülede hesaplanan hava akış hızından hesaplanmıştır.

51 DENEY DÜZENEĞİ (Soğutma Sistemi) Evaporatör giriş çıkışındaki su sıcaklığı ile geçen su debisi ölçülmüştür. Su debisi venturi düzeneğinde ölçülen basınç düşümünden hesaplanmıştır. A Detayı (P 1 P 2 ) A D 1 =26mm D 2 =16mm