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
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PROGETTO MECCANO
30 Aprile 2015
Leonardo Santaroni
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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
Gestione termica
del vano batterie
dell’impianto
globale in Dymola
FASE 3
FASE 4
FASE 5
Today
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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
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Schema impiantistico:
Raffrescamento estivo e Riscaldamento invernale
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Schema impiantistico:
Raffrescamento estivo e Riscaldamento invernale
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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
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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.







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Heat Exchangers
Compressors
Controllers and Sensors
Heating
Valves
Reservoirs
Air Handling
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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.
 SweepOneParameter: è una funzione che
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
 SweepTwoParameters: è una funzione che
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).
SweepOneParameter
SweepTwoParameters
Andamenti
Virtuali
VERIFICA
Componente
reale
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Prove Sperimentali
dei fornitori
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Andamenti
Sperimentali
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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
•
𝒎
𝑪𝑭𝑰
𝒎
𝑪𝑭𝐈𝐈
𝑚1
𝐶𝐹1
𝑚1
𝐶𝐹1
.
.
.
.
.
.
.
.
𝑚𝑖
𝐶𝐹𝑖
𝑚𝑖
𝐶𝐹𝑖
×
=
𝒎
𝑪𝑭∗
𝑚1
𝐶𝐹1∗
.
.
.
.
𝑚𝑖
𝐶Fi∗
Il processo viene ripetuto fino a giungere a convergenza
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Scambiatore Interno:
Modellazione
Tipologia:
• R134a – Aria
• Scambiatore a flusso verticale
Geometria:
• A tubi piatti (lato R134a)
• Alette con feritoie (lato Aria)
Condizioni di Test: Evaporatore
Relazioni di scambio termico:
•
KcR134aEvaporation: relazione di DittusBoelter modificata con un fattore correttivo
che dipende dal Bo e dal titolo di vapore.
𝑁𝑢 = 0.023 ∗ 𝑅𝑒 0,8 𝑃𝑟 0,4 X(Bo,x)
•
HTCoeffLouveredFinChang
Relazioni per le perdite di pressione:
• DensityProfilePressureLossHX
•
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PressureLossKimBullard
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Scambiatore Interno:
Validazione del Modello Virtuale
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Scambiatore Esterno:
Modellazione
Tipologia:
• R134a – Aria
• Scambiatore a flusso orizzontale con filtro
integrato
Geometria:
• A tubi piatti (lato R134a)
• Alette con feritoie (lato Aria)
Condizioni di Test: Condensatore
Relazioni di scambio termico:
•
KcSimpleTwoPhase: distingue due diversi
coefficienti di scambio termico a seconda che
il fluido sia in campo bifasico o monofasico
•
HTCoeffLouveredFinChang
Relazioni per le perdite di pressione:
• DensityProfilePressureLossHX
•
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PressureLossKimBullard
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Scambiatore Esterno:
Validazione del Modello Virtuale
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Massa 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:
• HTCoeffLouveredFin
• KcSinglePhase: utilizzata per lo scambio termico lato
acqua e vale solo in campo monofasico.
Relazioni per le perdite di pressione:
• Density dependent pressure loss:
• PressureLossKimBullard
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Massa Radiante:
Validazione del Modello Virtuale
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Scambiatore a Piastre:
Modellazione
Tipologia:
• R134a – Acqua (+40% antigelo)
• Scambiatore a flussi controcorrente
Geometria:
• A piastre saldobrasate
Condizioni di Prova: Condensatore
(nessun dato per raffronto sperimentale)
Relazioni di scambio termico:
• KcTwoConstants: 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
• KcSinglePhase: utilizzata per lo scambio termico lato
acqua e vale solo in campo monofasico.
Relazioni per le perdite di pressione:
• PressureLossTDHX
• PressureLossOnePhaseD
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Compressore:
Modellazione
Specifiche tecniche: Compressore
Volumetrico MASTERFLUX Sierra 03-0982Y3
Tabelle 𝛽 − 𝑛 :
 Coefficiente di riempimento
 Rendimento isoentropico
 Rendimento isoentropico effettivo
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Valvola di 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 E2V14.
E’ stato scelto come parametro di
controllo il ∆𝑇𝑆𝐻 che dovrà essere
mantenuto dalla valvola a 5°C.
Controller PI:
 Taratura
Standardizzata
 Anti-windup
compensation
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Valvola di espansione:
Validazione del Modello Virtuale
Per verificare l’effettiva validità del modello è stato estrapolato, dal datasheet della
valvola, un coefficiente di flusso 𝐾𝑣 medio alle varie portate elaborate. Tale andamento
medio andrà confrontato con il valore del 𝐾𝑣 durante il funzionamento del modello
virtuale inserito nell’impianto completo.
con Q= portata volumetrica
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𝑚3
(𝑠)
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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.
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ERV (Energy Recovery 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
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Leonardo Santaroni
• Tenere conto delle spese
energetiche dei ventilatori
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ERV (Energy Recovery 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:
i,out
e,out
e,in
i,in
ERV
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Leonardo Santaroni
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ERV (Energy Recovery Ventilator):
Stesura del codice di calcolo in Modelica ©
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ERV (Energy Recovery Ventilator):
Stesura del codice di calcolo in Modelica ©
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ERV (Energy Recovery Ventilator):
Stesura del codice di calcolo in Modelica ©
Valori in Output
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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.
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Leonardo Santaroni
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GRAZIE
PER
L’ATTENZIONE