Riassunto analitico
L'incessante ricerca della migliore prestazione possibile è profondamente radicata nella cultura del motorsport e ha raggiunto un livello tale per cui, anche aspetti che in passato erano trascurati o ritenuti non meritevoli di particolare impegno, vengono oggi indagati con un alto grado di dettaglio. Uno di questi aspetti è il comfort termico, quindi la progettazione di un sistema adeguato per il controllo delle condizioni a cui il pilota è sottoposto. Fintanto che i veicoli da corsa saranno guidati da piloti umani, ci sarà una stretta correlazione tra le prestazioni ottenibili e il comfort termico garantito all'interno dell'abitacolo.
Il corpo umano è in grado di termoregolarsi all'interno di un intervallo di possibili condizioni ambientali, ma quando vengono raggiunti specifici valori soglia, la sua capacità di svolgere qualsiasi compito è compromessa con la possibile insorgenza di problemi legati alla sicurezza.
Queste considerazioni hanno portato l'azienda partner, Dallara Automobili S.P.A., a tenere conto del comfort termico durante le fasi di progettazione del veicolo e a contribuire allo sviluppo di questo lavoro di tesi. L'analisi è orientata all'acquisizione del know-how e delle capacità necessarie per la realizzazione di un modello di simulazione 1D predittivo delle performance di sistemi HVAC e di una procedura di progettazione degli stessi. GT-SUITE, sviluppato da GAMMA Technologies, è il principale strumento di simulazione utilizzato per questo studio. L'attenzione si è concentrata sulla valutazione dell'effetto delle assunzioni fatte nella caratterizzazione dei componenti costituenti il modello, confrontando i risultati delle simulazioni 1D con i dati acquisiti sperimentalmente.
L'utilizzo dei dati precedentemente acquisiti rappresenta un'opportunità di contenimento dei costi per l'azienda partner. Questa tesi ha, tuttavia, dimostrato che informazioni mancanti o dati e ipotesi approssimativi possono portare a risultati inaccettabili. Tra i risultati raggiunti si ha la constatazione che, anche in assenza di una caratterizzazione accurata, il modello implementato è in grado di fornire risultati validi in termini relativi, adatti ad analisi di sensitività. Può essere quindi applicato proficuamente durante le prime fasi del processo di progettazione. Si è notato inoltre che la predizione delle prestazioni del sistema è più sensibile alla caratterizzazione di alcuni componenti specifici come la valvola di espansione, gli scambiatori di calore e le tubazioni della linea di bassa pressione, rispetto ad altri elementi del sistema. Si è dunque ottenuta una gerarchia valida per l'organizzazione di ulteriori sforzi futuri. Infine, sono state individuate e portate all'attenzione della software house alcune criticità nella previsione del comfort termico. Tali criticità sono emerse nella simulazione delle condizioni specifiche e impegnative che i piloti possono trovarsi ad affrontare durante un evento di gara.
Questo lavoro di tesi costituisce un primo ma fondamentale passo verso il consolidamento di una nuova e strategica capacità per l'azienda. Saranno necessarie ulteriori analisi e studi per giungere ad una definitiva procedura progettuale che possa essere proficuamente applicata dall'azienda partner durante le fasi di progettazione del veicolo.
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Abstract
The relentless pursuit of the best possible performance is deeply rooted in motorsport culture and has reached such a level that even aspects which in the past were overlooked or deemed unworthy of particular effort are now investigated with a high degree of detail. One of these aspects is thermal comfort, i.e. the design of an adequate system for controlling the conditions which the pilot is subjected to. As long as racing vehicles are driven by human drivers there will be a close correlation between the achievable performance and the guaranteed thermal comfort.
The human body is able to thermoregulate itself within a range of possible environmental conditions, but when specific thresholds are reached, its ability to perform any task is compromised with the possible onset of safety-related problems.
These considerations led the partner company, Dallara Automobili S.P.A., to consider thermal comfort during the vehicle design phases and to contribute to the development of this dissertation. The analysis here reported is oriented towards the acquisition of the know-how and skills necessary for the creation of a HVAC system 1D predictive model and a design procedure for such systems. GT-SUITE, developed by GAMMA Technologies, is the main simulation tool used for this study. The focus is on evaluating the effect of the assumptions made in the characterization of the components constituting the model by comparing the results of the 1D simulations with the experimentally acquired data.
Using formerly acquired data represents a cost-saving opportunity for the partner company. However, this dissertation shows that missing information or approximate data and assumptions can lead to unacceptable results. Among the results achieved, it is found that, even in the absence of an accurate characterization, the implemented model is able to provide valid relative results, suitable for sensitivity analysis. It can then be profitably applied during the early stages of the design process. It can be also noted that system performance prediction is more sensitive to the characterization of some specific components such as the expansion valve, heat exchangers and low-pressure piping line if compared to other elements of the system. Thus, a valid hierarchy has been obtained for the organization of future efforts. Finally, some critical issues in the prediction of thermal comfort have been identified and brought to the attention of the software house. These problems emerged in the simulation of the specific and demanding conditions that drivers may face during a racing event.
This thesis work is a first but fundamental step towards the consolidation of a new strategic capacity for the company. Further analysis and studies will be necessary to reach a final design procedure that can be profitably applied by the partner company during the vehicle design phases.
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