TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA ENERGETICA «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 A.A. 2013/2014 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

PROGETTO MECCANO 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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 da utilizzare Modellazione e Testing dei componenti in Dymola Progettazione e scelta dei componenti dell’impianto Modellazione e Simulazione dell’impianto globale in Dymola Gestione termica del vano batterie FASE 1 FASE 2 FASE 3 FASE 4 FASE 5 Today 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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

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

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

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

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. Heat Exchangers Compressors Controllers and Sensors Heating Valves Reservoirs Air Handling 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

Prove Sperimentali dei fornitori 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 n-grandezze dell'impianto al variare di un parametro. In questo caso l'andamento sarà caratterizzato da una curva. 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). SweepOneParameter SweepTwoParameters Andamenti Virtuali Componente in Dymola VERIFICA Componente reale Prove Sperimentali dei fornitori Andamenti Sperimentali 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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 𝒎 𝑪 𝑭 𝑰 𝑚 1 𝐶 𝐹 1 . . 𝑚 𝑖 𝐶 𝐹 𝑖 𝒎 𝑪 𝑭 𝐈𝐈 𝑚 1 𝐶 𝐹 1 . . 𝑚 𝑖 𝐶 𝐹 𝑖 𝒎 𝑪𝑭 ∗ 𝑚 1 𝐶 𝐹 1 ∗ . . 𝑚 𝑖 𝐶 F i ∗ × = 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

Scambiatore Interno: Modellazione Condizioni di Test: Evaporatore Relazioni di scambio termico: KcR134aEvaporation: relazione di Dittus-Boelter modificata con un fattore correttivo che dipende dal Bo e dal titolo di vapore. 𝑁𝑢=0.023∗𝑅 𝑒 0,8 𝑃𝑟 0,4 X(Bo,x) HTCoeffLouveredFinChang Tipologia: R134a – Aria Scambiatore a flusso verticale Geometria: A tubi piatti (lato R134a) Alette con feritoie (lato Aria) Relazioni per le perdite di pressione: DensityProfilePressureLossHX PressureLossKimBullard 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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

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 PressureLossKimBullard 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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

Massa Radiante: Modellazione Condizioni di Prova: Air Heater Relazioni di scambio termico: HTCoeffLouveredFin KcSinglePhase: utilizzata per lo scambio termico lato acqua e vale solo in campo monofasico. Tipologia: Aria – Acqua (+40% antigelo) Scambiatore a flusso orizzontale Geometria: A tubi circolari (lato Acqua) Alette con feritoie (lato Aria) Relazioni per le perdite di pressione: Density dependent pressure loss: PressureLossKimBullard 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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

Scambiatore a Piastre: Modellazione 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. Tipologia: R134a – Acqua (+40% antigelo) Scambiatore a flussi controcorrente Geometria: A piastre saldobrasate Relazioni per le perdite di pressione: PressureLossTDHX PressureLossOnePhaseD 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

Compressore: Modellazione Tabelle 𝛽−𝑛 : Coefficiente di riempimento Rendimento isoentropico Rendimento isoentropico effettivo Specifiche tecniche: Compressore Volumetrico MASTERFLUX Sierra 03-0982Y3 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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 ∆ 𝑇 𝑆𝐻 che dovrà essere mantenuto dalla valvola a 5°C. Controller PI: Taratura Standardizzata Anti-windup compensation 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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 𝐾 𝑣 medio alle varie portate elaborate. Tale andamento medio andrà confrontato con il valore del 𝐾 𝑣 durante il funzionamento del modello virtuale inserito nell’impianto completo. con Q= portata volumetrica ( 𝑚 3 𝑠 ) 30 Aprile 2015 Leonardo Santaroni

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

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 climatizzazione Svantaggi: 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 2015 Leonardo Santaroni

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 2015 Leonardo Santaroni

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

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

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

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

GRAZIE PER L’ATTENZIONE