UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA DEI VEICOLI
TERRESTRI
“U
TILIZZO E VALIDAZIONE DI MODELLI BIFASE PER LA
CARATTERIZZAZIONE DI SCAMBIATORI PER IMPIEGO
AUTOMOTIVE
”
RELATORI CANDIDATO
Prof. Ing.
Luigi Martorano
Prof.Ing.
Marco Antonelli
Filippo De Filippo
Prof.Ing.
Carlo Bartoli
II
A mio padre e mia madre
e ai miei fratelli
III
Sommario
.
L’obbiettivo della presente tesi è quello di realizzare un modello bifase utile a caratterizzare e analizzare il funzionamento di scambiatori di calore usati in ambito automotive. Lo studio prevede una prima parte volta a definire e validare il modello CFD tramite comparazione con dati derivanti da prove sperimentali ottenuti anche in precedenti lavori di tesi. In seguito poi, una volta validato il modello in questione, sono state effettuate analisi di sensibilità in termini di variazioni di portata di refrigerante e materiali. Sono stati cosi acquisiti dati utili ad indirizzarne la realizzazione nonché l’ottimizzazione in termini di peso, ingombri, costi e consumi energetici.
Abstract
The objective of this thesis is to provide a bi-phase model useful to characterize and analyze the operation of heat exchangers used in the automotive field. In the first part of the presented study the model was calibrated and validated though the comparison between the numerical result and the experimental data collected during previous work of thesis too. Then, a sensibility analysis was performed to investigate the influence of the variation in refrigerant mass flow rate and materials. Relevant data were collected to address the realization well as the optimization in terms of weight, dimensions, costs and energy consumption.
IV Indice
Indice
Sommario
iii
Indice
iv
Introduzione
vii
CAPITOLO 1 Richiami di termodinamica
1
1.1 Introduzione
2
1.2 Tipi di scambio termico
3
1.3 Conduzione
4
1.4 Convezione
5
1.5 Irraggiamento
7
1.6 Teoria dell’analogia elettrica
8
1.7 Lo scambio termico nel condensatore
9
CAPITOLO 2 Cilcli e macchine frigorifere
11
2.1 Introduzione
12
2.2 Caratteristiche generali
13
2.3 La macchina frigorifera a compressione di vapore
2.3.1 Generalità
16
2.3.2 Componenti del circuito frigorifero
19
2.3.3 Il ciclo reale
23
CAPITOLO 3 Precedenti studi sui condensatori
26
3.1 Introduzione
27
3.2 Il condensatore a filo
28
V
Indice
3.4 Lo scambio termico nel condensatore a filo
35
3.5 Ottimizzare la geometria
43
CAPITOLO 4 Apparato sperimentale
46
4.1 Introduzione
47
4.2 Congelatore di prova
48
4.3 Sistema acquisizione dati
52
4.4 Analisi termica preliminare
53
CAPITOLO 5 Definizione e validazione del modello
57
5.1 Introduzione
58
5.2 Creazione del dominio di calcolo
59
5.2.1 Definizione e costruzione della geometria
59
5.2.2 Definizione e discretizzazione dei volumi
61
5.3 Modellazione del problema in Fluent
63
5.3.1 Definizione del modello fisico
63
5.3.2 Definizione delle condizioni a contorno e iniziali
63
5.3.3 Solutore
64
5.3.4 Post-processing: visualizzazione ed analisi dei risultati
64
5.4 Determinazione del coeff. di scambio termico convettivo
69
CAPITOLO 6 Analisi di sensibilità sul modello
73
6.1 Introduzione
74
6.2 Analisi di sensibilità sul materiale del corpo condensatore
75
6.2.1 Analisi sui profili della temperatura esterna
76
6.2.2 Analisi della vena fluida
80
6.2.3 Confronto tra dimensionamenti simulativo e sperimentale
86
6.3 Analisi di sensibilità su portata refrigerante e diametro condotto
90
CAPITOLO Impianti di condizionamento automotive
93
7.1 Introduzione
94
VI
Indice
7.2.1 Componenti del sistema di condizionamento
95
7.2.2 Ciclo di funzionamento
97
7.3 Condensatori per applicazioni automotive
99
CAPITOLO 8 Analisi di un condensatore usato in ambito auto motive
102
8.1 Introduzione
103
8.2 Creazione del dominio di calcolo
104
8.2.1 Definizione e costruzione delle geometria
104
8.2.2 Definizione e discretizzazione dei volumi
105
8.3 Risoluzione del problema in Fluent
107
8.3.1 Definizione del modello fisico
107
8.3.2 Definizione delle condizioni a contorno e iniziali
107
8.4 Visualizzazione e analisi dei risultati
109
CAPITOLO 9 Conclusioni
114
9.1 Introduzione
115
9.2 Validazione del modello
116
9.3 Analisi di sensibilità
117
9.3.1 Analisi di sensibilità sul materiale del corpo condensatore
117
9.3.2 Analisi sensibilità su portata refrigerante e sezione condotto
119
Appendice
121
Bibliografia e riferimenti in rete
123
VII
Introduzione
Introduzione
Oggigiorno buona parte della ricerca svolta in ambito automotive è rivolta sempre piu all’ottimizzazione funzionale delle componenti del veicolo in termini di pesi, ingombri, costi e spesa energetica. Particolare attenzione però è rivolta anche verso il comfort del conducente nell’abitacolo in termini di “noise” o rumore e microclima; nel presente studio ci occuperemo della verifica per via simulativa di un impianto di condizionamento ormai di serie sulle vetture in commercio.
Se esaminiamo un impianto di condizionamento automotive o qualsiasi altro tipo di impianto di climatizzazione, noteremo che gli elementi principali che consentano di ottenere freddo sono 4: il compressore, lo scambiatore esterno, la valvola di laminazione, lo scambiatore interno (evaporatore). Questo studio si è concentrato sullo scambiatore esterno comunemente chiamato condensatore.
Il condensatore ha lo scopo di trasferire calore dal refrigerante all’ambiente. In particolare: nel primo tratto, il fluido cede calore fino al raggiungimento della temperatura di saturazione (surriscaldato); nel secondo tratto il refrigerante si trova in condizioni di cambiamento di fase (condensatore), infine quando il fluido si trova in condizioni di liquido percorre un breve tratto chiamato sottoraffreddato per poi entrare nella valvola di laminazione per l’espansione.
Trattandosi di uno scambiatore destinato ad uso automotive ottimizzare questo significhèrà come vedremo porre l’attenzione su particolari fattori quali pesi, ingombri e consumi energetici. Questo comporterà, come vedremo, ad una serie di operazioni volte a un dimensionamento ridotto, quindi minor ingombro, minori perdite di carico, risparmio di materiale, minor consumo.
Per fare cio sono state effettuate analisi di sensibilità sui materiali e eventualmente sulla portata di refrigerante e sulla sezione di passaggio del condotto.
Data l’ovvia impossibilità nella realizzazione fisica di un numero di prototipi sufficienti per un analisi completa del problema, si è pensato di analizzare il problema numericamente tramite l’utilizzo di un modello bifase implementato in ambiente CFD, seguito da un confronto con prove sperimentali in modo da validarne i risultati; successivamente, validato il modello, si è passati all’analisi di un condensatore esistente e di uso comune in ambito automotive al fine di apportare delle modifiche indirizzate a soddisfare i nostri scopi.
VIII
Introduzione
È importante sottolineare che l’analisi numerica non è in grado da sola di fornire il valore esatto delle grandezze indagate ma consente di ottenere risultati attendibili in termini di confronto fra modelli.
L’analisi numerica deve infatti essere utilizzata per integrare e indirizzare l’analisi perimentale e non per sostituirla; in particolare ogni analisi numerica deve essere sempre accompagnata da una serie di prove sperimentali che permettano di verificare la validità del modello. Difatti lo scopo del modello proposto è proprio quello di ottenere informazioni utili a realizzare un primo dimensionamento di massima atto ad indirizzare la fase sperimentale nella giusta direzione.
