Riassunto analitico
L’obiettivo della seguente tesi compilativa è quello di modellare da zero un impianto di condizionamento di una vettura elettrica, utilizzante come refrigerante l’anidride carbonica (R-744), che interagisca perfettamente con l’impianto di raffreddamento del pacco batteria. La parte iniziale della tesi tratta un’introduzione generale sul principio di funzionamento di un ciclo termodinamico e sui singoli componenti facenti parte di esso. Vengono messi in evidenza tutti i vantaggi e anche gli svantaggi nell’utilizzare, come refrigerante, l’R-744 al posto dei refrigeranti comuni attualmente in uso in ogni impianto di condizionamento tipo l’R-1234yf o l’R-134a. Quindi viene stilata una classificazione dei possibili refrigeranti da poter utilizzare per i vari impianti, anche eventualmente per gli impianti di refrigerazione. Dopo aver esposto la distinzione tra ciclo subcritico e transcritico, viene eseguito lo studio di ogni singolo componente che comunica col refrigerante, ovvero, radiatore con ventola annessa, gas-cooler, compressore, valvola di espansione termica, evaporatore con ventola associata, scambiatore di calore interno (IHX) ed il chiller. Tale studio riguarda sia l’analisi stazionaria e transitoria delle temperature di ingresso e uscita dei vari fluidi, sia la valutazione della potenza termica sfruttando le equazioni di governo inerenti al componente in questione. In particolar modo, per gli scambiatori di calori all’interno del circuito, viene applicato l’approccio effectiveness – number of transfer units (Ɛ-NTU) grazie al quale vengono analizzati i grafici dell’andamento dell’efficacia in funzione di temperatura e portata entranti nello scambiatore. Una volta portato a termine lo studio del componente di riferimento, ne viene fatto un modello stabile tramite Simulink per ognuno di essi ed i risultati vengono messi a confronto con dati sperimentali a parità di aree geometriche e portate di ingresso. I modelli di ogni elemento riescono perfettamente a risolvere sia il campo termico che il campo di pressione, dando risultati molto realistici e prossimi ai dati sperimentali con un errore massimo intorno al 5%. Il passo successivo consiste nel far comunicare tra loro i componenti elaborando i dati di input e di output per un numero limitato di iterazioni al fine di aver un sistema funzionante che risponda in modo stabile alle variazioni di carico. Nell’ultima parte della tesi viene trattata quindi l’interazione completa tra il modello dell’impianto di condizionamento e l’impianto di raffreddamento dedicato alla batteria del veicolo elettrico. Particolar attenzione viene fatta su dei possibili casi di funzionamento, quali la Fast Charge e la batteria surriscaldata, dipendenti dalle condizioni ambiente esterne tale per cui è richiesto l’uso di una valvola a tre vie che consente di attivare la comunicazione tra i due circuiti tramite lo scambiatore di calore liquido-liquido denominato Chiller. La parte conclusiva della tesi tratterà anche l’analisi del coefficiente di prestazione dell’impianto per verificare che il compressore lavori sempre a pressioni ottimali durante l’intero funzionamento e tratta anche i possibili sviluppi di questo modello al fine di utilizzarlo anche come impianto di refrigerazione per il raffreddamento della cabina del veicolo in questione, aggiungendo un PTC heater per il riscaldamento dell’aria e un blocco Simulink per la de-umificazione dell’aria.
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