TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA ENERGETICA Modellazione ed

TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA ENERGETICA «Modellazione ed analisi delle prestazioni di un impianto di condizionamento di un veicolo elettrico» Relatore: Ing. Michele Manno Candidato: Leonardo Santaroni Correlatore: Ing. Marco Salvatori 30 Aprile 2015 A. A. 2013/2014 Leonardo Santaroni 1

PROGETTO MECCANO 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 2

Obiettivo ingegneristico e schema delle fasi di lavoro della realizzazione dell’impianto clima nell’ambito del progetto MECCANO Obiettivo: validare, tramite progettazione e simulazione software, la fattibilità del ciclo a pompa di calore reversibile, analizzando il comportamento del sistema impiantistico (in termini di efficienza energetica e di controllo elettronico dei componenti) alle varie condizioni ambiente, con particolare attenzione alle casistiche critiche. Scelta della tecnologia di climatizzazione Progettazione e scelta dei da utilizzare componenti dell’impianto FASE 1 FASE 2 Modellazione e Testing dei componenti in Modellazione e Dymola Simulazione dell’impianto globale in Dymola FASE 3 FASE 4 Gestione termica del vano batterie FASE 5 Today 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 3

Confronto fra le strategie di condizionamento: Veicolo ICE vs Veicolo Elettrico Per i veicoli a combustione interna: § Necessari tre fluidi di lavoro (refrigerante, aria, fluido che raffredda il motore) § Raffrescamento: ciclo frigorifero a compressione di vapore § Riscaldamento: sfruttamento del fluido di raffreddamento delle pareti del motore Per i veicoli elettrici: § Necessari almeno due fluidi di lavoro (refrigerante e aria) § Raffrescamento: ciclo frigorifero a compressione di vapore § Riscaldamento: resistenze elettriche, bruciatori, pompe di calore 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 4

Schema impiantistico: Raffrescamento estivo e Riscaldamento invernale 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 5

Schema impiantistico: Raffrescamento estivo e Riscaldamento invernale 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 6

Descrizione del Software utilizzato: Dymola: Dynamic Modeling Laboratory Dymola è un software assimilabile ad un laboratorio di Testing e Simulazione virtuale. § Struttura basata su librerie di componenti § Linguaggio di programmazione object-oriented § Modellazione semplice grazie ad un metodo di composizione grafico § Simulazione rapida ed in tempo reale § Possibilità di implementare componenti definiti dall’utente § Interfacciabilità con altri programmi 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 7

Presentazione della libreria utilizzata per la progettazione: Air Conditioning Library 1. 8. 7 La Air Conditioning Library è utilizzata per l’analisi stazionaria e dinamica dei cicli termodinamici degli impianti clima utilizzati nell’automotive. § § § § 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni Heat Exchangers Compressors Controllers and Sensors Heating Valves Reservoirs Air Handling 8

Presentazione della libreria utilizzata per la fase di calibrazione/testing: Design Library La libreria Design contiene delle funzioni utilizzate per studiare l’andamento di specifiche grandezze di impianto in funzione di uno o due parametri. § Sweep. One. Parameter: è una funzione che Sweep. One. Parameter: permette di studiare l'andamento di ngrandezze dell'impianto al variare di un parametro. In questo caso l'andamento sarà caratterizzato da una curva. Componente in Dymola § Sweep. Two. Parameters: è una funzione che Sweep. Two. Parameters: permette di studiare l'andamento di ngrandezze dell'impianto al variare di due parametri. In questo caso l'andamento sarà descritto da una funzione di due variabili (piano). Sweep. One. Parameter Sweep. Two. Parameters Andamenti Virtuali VERIFICA Componente reale 30 Aprile 2015 Prove Sperimentali dei fornitori Leonardo Santaroni Andamenti Sperimentali 9

Metodo di calibrazione con i CF* • Processo di calibrazione di tipo iterativo-cumulativo • Per il processo iterativo è stata fissata una tolleranza del 2% • Ad ogni iterazione vengono definiti dei nuovi fattori correttivi tramite la seguente relazione • All’interno del componente viene inserita una funzione CF* che tiene conto di tutti i CF estrapolati nelle iterazioni precedenti • Il processo viene ripetuto fino a giungere a convergenza 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 10

Scambiatore Interno: Interno Modellazione Tipologia: • R 134 a – Aria • Scambiatore a flusso verticale Geometria: • A tubi piatti (lato R 134 a) • Alette con feritoie (lato Aria) Relazioni per le perdite di pressione: • Density. Profile. Pressure. Loss. HX • 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni Pressure. Loss. Kim. Bullard 11

Scambiatore Interno: Interno Validazione del Modello Virtuale 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 12

Scambiatore Esterno: Esterno Modellazione Tipologia: • R 134 a – Aria • Scambiatore a flusso orizzontale con filtro integrato Geometria: • A tubi piatti (lato R 134 a) • Alette con feritoie (lato Aria) Condizioni di Test: Condensatore Relazioni di scambio termico: • Kc. Simple. Two. Phase: distingue diversi coefficienti di scambio termico a seconda che il fluido sia in campo bifasico o monofasico • HTCoeff. Louvered. Fin. Chang Relazioni per le perdite di pressione: • Density. Profile. Pressure. Loss. HX • Pressure. Loss. Kim. Bullard 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 13

Scambiatore Esterno: Esterno Validazione del Modello Virtuale 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 14

Massa Radiante: Radiante Modellazione Tipologia: • Aria – Acqua (+40% antigelo) • Scambiatore a flusso orizzontale Geometria: • A tubi circolari (lato Acqua) • Alette con feritoie (lato Aria) Condizioni di Prova: Air Heater Relazioni di scambio termico: • HTCoeff. Louvered. Fin • Kc. Single. Phase: utilizzata per lo scambio termico lato acqua e vale solo in campo monofasico. Relazioni per le perdite di pressione: • Density dependent pressure loss: 30 Aprile 2015 • Pressure. Loss. Kim. Bullard Leonardo Santaroni 15

Massa Radiante: Radiante Validazione del Modello Virtuale 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 16

Scambiatore a Piastre: Piastre Modellazione Tipologia: • R 134 a – Acqua (+40% antigelo) • Scambiatore a flussi controcorrente Geometria: • A piastre saldobrasate Condizioni di Prova: Condensatore (nessun dato per raffronto sperimentale) Relazioni di scambio termico: • Kc. Two. Constants: associa due coefficienti di scambio termico distinti per lo scambio di calore in campo monofasico e in campo bifasico, utilizzando le proprietà termofisiche del fluido di lavoro • Kc. Single. Phase: utilizzata per lo scambio termico lato acqua e vale solo in campo monofasico. Relazioni per le perdite di pressione: • Pressure. Loss. TDHX • Pressure. Loss. One. Phase. D 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 17

Compressore: Compressore Modellazione Specifiche tecniche: Compressore Specifiche tecniche: Volumetrico MASTERFLUX Sierra 03 -0982 Y 3 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 18

Valvola di espansione: espansione Scelta del tipo di controllo Il passaggio dalla zona di alta pressione a quella di bassa pressione è assicurato dalla presenza di una valvola di espansione che si comporta come una strozzatura, regolata elettronicamente in funzione di un parametro di controllo. Per assolvere questa funzione è stata scelta una valvola di espansione elettronica della CAREL modello E 2 V 14. Controller PI: PI § Taratura Standardizzata § Anti-windup compensation 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 19

Valvola di espansione: espansione Validazione del Modello Virtuale 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 20

Pompa: Pompa Modellazione Tipologia: • Pompa dinamica rotativa Per emulare il funzionamento della pompa in Dymola, è stata inserita in formato tabulato la curva caratteristica della pompa. 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 21

ERV (Energy Recovery Ventilator): Ventilator) Introduzione al concetto di Recupero Entalpico Il recuperatore entalpico o ERV (enthalpy recover ventilator) è un dispositivo che permette lo scambio di calore latente e sensibile tra due distinti flussi d'aria. Esso è composto da membrane in grado di scambiare calore e di permettere il passaggio delle molecole di acqua, bloccandone altre, ad esempio il biossido di carbonio. Questa selettività permette di recuperare il calore latente del vapore acqueo presente nell'aria, che in un normale scambiatore andrebbe perso, mantenendo inalterato il livello di qualità dell'aria stessa. Vantaggi Svantaggi: • Pretrattamento aria in ingresso(gratuito), sfruttando il flusso di ricircolo dell’abitacolo • Ingombro • Maggiore complessità circuitale • Se le condizioni di umidità e temperatura esterne sono simili l’utilizzo dell’ERV può essere svantaggioso • Miglioramento efficienza dell’impianto di climatizzazione 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni • Tenere conto delle spese energetiche dei ventilatori 22

ERV (Energy Recovery Ventilator): Ventilator) Stesura del codice di calcolo in Modelica © Per costruire il modello computazionale dell’ ERV è stato utilizzato il datasheet fornito dalla casa costruttrice che descrive l’andamento dell’efficienza (latente e sensibile) del modello reale: 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 23

ERV (Energy Recovery Ventilator): Ventilator) Stesura del codice di calcolo in Modelica © 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 24

ERV (Energy Recovery Ventilator): Ventilator) Stesura del codice di calcolo in Modelica © 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 25

ERV (Energy Recovery Ventilator): Ventilator) Stesura del codice di calcolo in Modelica © Valori in Output 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 26

Introduzione al modello dell’impianto virtuale Una volta terminata la fase di calibrazione e modellazione dei singoli componenti, si procederà con la messa insieme degli stessi per costruire il modello virtuale dell’impianto complessivo. 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni 27

GRAZIE PER L’ATTENZIONE