Riassunto analitico
Il recente sviluppo di batterie sempre più performanti e capaci di erogare grandi quantità di energie, ha portato ogni anno di più l'attenzione sullo studio dei sistemi di raffreddamento dei moduli di potenza ad esse collegati.
Sin dai primi sviluppi le maggiori minacce per sistemi elettronici di questo tipo sono infatti sempre state le elevate temperature derivanti da un continuo e intenso esercizio.
In particolare, nel mondo della formula 1 dove da un paio di anni si sono visti grandi stravolgimenti al regolamento con una chiara direzione verso power-unit assistite da sistemi elettronici, il mantenimento delle temperature di tali sistemi in determinati range è sempre più fondamentale.
In un mondo governato da una accesa competizione come quello delle corse, risulta inoltre fondamentale progettare sistemi che consentano di ottenere ottime performance senza però sacrificarne la compattezza e le ridotte dimensioni.
Per raggiungere tali obbiettivi si sono sin dall'inizio sfruttate conoscenze, sistemi e architetture già ampiamente conosciute.
La continua ricerca di soluzioni diverse e innovative ha dato vita al seguente lavoro di tesi il cui obbiettivo risulta infatti essere lo studio e la progettazione di un sistema di raffreddamento capace di inserirsi nell'attuale monoposto di casa Ferrari sottostando ai suoi vincoli dimensionali e prestazionali. Più precisamente si inserisce in una collaborazione, tramite l'università di Modena e Reggio Emilia e la gestione sportiva Formula 1 Ferrari, nata con l'intento di studiare e progettare 3 tipologie diverse di scambiatori di calore ovvero uno scambiatore a microcanali, uno a microgetti e uno con schiuma di metallo a cella aperta.
Dei tre sopracitati lo studio qui proposto si focalizza su quelli che sono gli scambiatori a microcanali nati con il principale intento di aumentare il più possibile la superficie di scambio termico.
A partire da una iniziale ricerca bibliografica su quelle che sono ad oggi le principali tipologie e i principali studi riguardanti tale macro-categoria, si sono indagati i fenomeni più rilevanti imputati dello scambio termico in ciascuno di questi.
Risultato di tale fase di analisi è stato l'identificazione di 2 principali tipologie rivelatesi molto valide e interessanti per il nostro utilizzo.
Si andranno infatti a studiare più nel dettaglio nel corso di questo progetto una geometria a microcanali sfruttante pin con passaggi obliqui e una geometria basata sul concetto dei frattali, ovvero sulla ramificazione per livelli a dimensioni via via inferiori dei canali contenenti il fluido.
Partendo da geometrie semplificate sotto opportune ipotesi e per entrambi i casi parametriche, si sono poi create numerose e differenti mesh tramite il software Pointwise seguendo le regole dettate da un approccio di tipo Low-Reynolds adottato per individuare nella maniera più accurata possibile i fenomeni termo-fluidodinamici in gioco.
Le simulazioni CFD impostate con condizioni al bordo legate al reale funzionamento in vettura sono state effettuate attraverso il software OpenFOAM tramite il solutore CHTMultiRegionSimpleFoam.
Per valutare la bontà di tali soluzioni esse sono state confrontate con la geometria attualmente presente sulla vettura.
I risultati ottenuti si rivelano molto interessanti per quanto riguarda la geometria con passaggi obliqui capace di fornire una maggiore efficienza in termini di scambio termico a fronte di una minore richiesta di energia meccanica valutata in termini di pumping-power.
Per quanto riguarda la geometria a frattali più complicata e legata a numerosi parametri in gioco, essa si rivela meno interessante a un primo studio per la nostra applicazione. Questa seconda architettura di scambiatore lascia però intravedere possibili punti di forza qualora si decidesse di approfondire il discorso tramite l'ausilio di appositi software di ottimizzazione capaci di agire su più parametri allo stesso tempo.
|
Abstract
The recent development of increasingly high-performance batteries capable of delivering large amounts of energy has led every year to focus on the study of the cooling systems of the power modules connected to them.
Since the first developments, the greatest threats to electronic systems of this type have always been the high temperatures resulting from a continuous and intense use.
In particular, in the world of formula 1 where for a couple of years there have been great changes in regulation with a clear direction towards power-units assisted by electronic systems, the maintenance of the temperatures of such systems in certain ranges is absolutly fundamental.
In a world governed by a fierce competition like the one of racing car, it is also essential to design systems that allow you to achieve excellent performance without sacrificing its compactness and small size.
In order to achieve these objectives the engeneers have begun to study the well-known systems and architectures.
The continuous search for different and innovative solutions has given rise to the following thesis work whose objective is in fact to be the study and design of a cooling system able to fit into the current Ferrari car, subject to its dimensional and performance constraints. More precisely, it is part of a collaboration, through the University of Modena and Reggio Emilia and the Formula 1 Ferrari sports management, created with the aim of studying and designing three different types of heat exchangers, ie a microchannel exchanger, one with micro-jets and one with open cell metal foam.
Of the three above mentioned, the study proposed here focuses on those that are microchannel exchangers born with the main intent to increase the heat exchange surface as much as possible.
Starting from an initial bibliographic research on what are currently the main types and the main studies concerning this macro-category, we have investigated the most relevant phenomena attributed to the heat exchange in each of these architecture.
The result of this analysis phase was the identification of 2 main types that proved to be very valid and interesting for our purpose.
In fact, in the course of this project, we will study a microchannel geometry exploiting pins with oblique passages and a geometry based on the concept of fractals, which consists of the ramification of increasingly small levels of the channels containing the fluid.
Starting from simplified geometries under appropriate hypotheses and from parametric cases for each of them, numerous and different meshes were then created through Pointwise software following the rules dictated by a Low-Reynolds approach adopted to identify the thermomechanical and fluidodinamical phenomena as accurately as possible.
The CFD simulations set up with boundary conditions linked to the real operating condition in the car were made using the OpenFOAM software using the CHTMultiRegionSimpleFoam solver.
To evaluate the goodness of these solutions they were compared with the geometry currently install on the car.
The results obtained regarding the geometry with oblique passages are very interesting. They show how it is capable of providing greater efficiency in terms of heat exchange in the face of a lower demand for mechanical energy evaluated in terms of pumping-power.
The more complicated fractal geometry, that is linked to many geometric parameters, turns out to be less interesting for our application. However, this second exchanger architecture allows us to find possible points of strength that couldbe reveal very interesting if we decided to deepen the discussion with the aid of optimization software capable of acting on several parameters at the same time.
|
