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«Modellazione ed analisi delle prestazioni di un impianto di condizionamento di un veicolo elettrico» Relatore: Ing. Michele Manno Correlatore: Ing. Marco.

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1 «Modellazione ed analisi delle prestazioni di un impianto di condizionamento di un veicolo elettrico» Relatore: Ing. Michele Manno Correlatore: Ing. Marco Salvatori Candidato: Leonardo Santaroni TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA ENERGETICA A.A. 2013/ Aprile 2015Leonardo Santaroni1

2 PROGETTO MECCANO 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni2

3 Obiettivo ingegneristico e schema delle fasi di lavoro della realizzazione dell’impianto clima nell’ambito del progetto MECCANO Obiettivo: 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. FASE 1 FASE 2 FASE 3 FASE 4 FASE 5 Gestione termica del vano batterie Modellazione e Simulazione dell’impianto globale in Dymola Modellazione e Testing dei componenti in Dymola Progettazione e scelta dei componenti dell’impianto Scelta della tecnologia di climatizzazione da utilizzare Today 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni3

4 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  Necessari almeno due fluidi di lavoro (refrigerante e aria)  Raffrescamento: ciclo frigorifero a compressione di vapore  Riscaldamento: resistenze elettriche, bruciatori, pompe di calore Per i veicoli elettrici: 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni4

5 Schema impiantistico: Raffrescamento estivo e Riscaldamento invernale 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni5

6 Schema impiantistico: Raffrescamento estivo e Riscaldamento invernale 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni6

7 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 2015Leonardo Santaroni7

8 Air Conditioning Library Presentazione della libreria utilizzata per la progettazione: Air Conditioning Library La Air Conditioning Library è utilizzata per l’analisi stazionaria e dinamica dei cicli termodinamici degli impianti clima utilizzati nell’automotive.  Heat Exchangers  Compressors  Controllers and Sensors  Heating  Valves  Reservoirs  Air Handling 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni8

9 Design Library 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:  SweepOneParameter: è una funzione che permette di studiare l'andamento di n- grandezze dell'impianto al variare di un parametro. In questo caso l'andamento sarà caratterizzato da una curva.  SweepTwoParameters:  SweepTwoParameters: è una funzione che permette di studiare l'andamento di n- grandezze dell'impianto al variare di due parametri. In questo caso l'andamento sarà descritto da una funzione di due variabili (piano). Componente in Dymola Componente reale SweepOneParameter SweepTwoParameters Prove Sperimentali dei fornitori Andamenti Virtuali Andamenti Sperimentali VERIFICA 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni9

10 CF* Metodo di calibrazione con i CF* 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni10 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

11 Scambiatore Interno Scambiatore Interno: Modellazione Tipologia: R134a – Aria Scambiatore a flusso verticaleGeometria: A tubi piatti (lato R134a) Alette con feritoie (lato Aria) Relazioni per le perdite di pressione: DensityProfilePressureLossHX PressureLossKimBullard 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni11

12 Scambiatore Interno Scambiatore Interno: Validazione del Modello Virtuale 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni12

13 Scambiatore Esterno Scambiatore Esterno: Modellazione Tipologia: R134a – Aria Scambiatore a flusso orizzontale con filtro integratoGeometria: A tubi piatti (lato R134a) Alette con feritoie (lato Aria) Condizioni di Test: 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 PressureLossKimBullard 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni13

14 Scambiatore Esterno Scambiatore Esterno: Validazione del Modello Virtuale 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni14

15 Massa Radiante Massa Radiante: Modellazione Tipologia: Aria – Acqua (+40% antigelo) Geometria: Scambiatore a flusso orizzontale Geometria: A tubi circolari (lato Acqua) Alette con feritoie (lato Aria) Condizioni di Prova: Air Heater 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 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni15

16 Massa Radiante Massa Radiante: Validazione del Modello Virtuale 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni16

17 Scambiatore a Piastre Scambiatore a Piastre: Modellazione Tipologia: R134a – Acqua (+40% antigelo) Scambiatore a flussi controcorrenteGeometria: A piastre saldobrasate Condizioni di Prova: 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 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni17

18 Compressore Compressore: Modellazione Specifiche tecniche: Specifiche tecniche: Compressore Volumetrico MASTERFLUX Sierra Y3 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni18

19 Valvola di espansione 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. PI Controller PI:  Taratura Standardizzata  Anti-windup compensation 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni19

20 Valvola di espansione Valvola di espansione: Validazione del Modello Virtuale 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni20

21 Pompa Pompa: Modellazione Tipologia: 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 2015Leonardo Santaroni21

22 ERV (Energy Recovery Ventilator) 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 Pretrattamento aria in ingresso(gratuito), sfruttando il flusso di ricircolo dell’abitacolo Miglioramento efficienza dell’impianto di climatizzazioneSvantaggi: Ingombro Maggiore complessità circuitale Se le condizioni di umidità e temperatura esterne sono simili l’utilizzo dell’ERV può essere svantaggioso Tenere conto delle spese energetiche dei ventilatori 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni22

23 ERV (Energy Recovery Ventilator) 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: 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni23

24 ERV (Energy Recovery Ventilator) ERV (Energy Recovery Ventilator): Stesura del codice di calcolo in Modelica © 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni24

25 ERV (Energy Recovery Ventilator) ERV (Energy Recovery Ventilator): Stesura del codice di calcolo in Modelica © 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni25

26 ERV (Energy Recovery Ventilator) ERV (Energy Recovery Ventilator): Stesura del codice di calcolo in Modelica © Valori in Output 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni26

27 Introduzione al modello dell’impianto virtuale 30 Aprile 2015Leonardo Santaroni27 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.

28 GRAZIE PER L’ATTENZIONE


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