UTILIZZO E VALIDAZIONE DI MODELLI BIFASE PER LA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA DEI VEICOLI TERRESTRI UTILIZZO 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 Anno Accademico

2 A mio padre e mia madre e ai miei fratelli II

3 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. III

4 Indice Indice Sommario Indice Introduzione iii iv vii CAPITOLO 1 Richiami di termodinamica Introduzione Tipi di scambio termico Conduzione Convezione Irraggiamento Teoria dell analogia elettrica Lo scambio termico nel condensatore 9 CAPITOLO 2 Cilcli e macchine frigorifere Introduzione Caratteristiche generali La macchina frigorifera a compressione di vapore Generalità Componenti del circuito frigorifero Il ciclo reale 23 CAPITOLO 3 Precedenti studi sui condensatori Introduzione Il condensatore a filo Localizzazione del cambiamento di fase 30 IV

5 Indice 3.4 Lo scambio termico nel condensatore a filo Ottimizzare la geometria 43 CAPITOLO 4 Apparato sperimentale Introduzione Congelatore di prova Sistema acquisizione dati Analisi termica preliminare 53 CAPITOLO 5 Definizione e validazione del modello Introduzione Creazione del dominio di calcolo Definizione e costruzione della geometria Definizione e discretizzazione dei volumi Modellazione del problema in Fluent Definizione del modello fisico Definizione delle condizioni a contorno e iniziali Solutore Post-processing: visualizzazione ed analisi dei risultati Determinazione del coeff. di scambio termico convettivo 69 CAPITOLO 6 Analisi di sensibilità sul modello Introduzione Analisi di sensibilità sul materiale del corpo condensatore Analisi sui profili della temperatura esterna Analisi della vena fluida Confronto tra dimensionamenti simulativo e sperimentale Analisi di sensibilità su portata refrigerante e diametro condotto 90 CAPITOLO Impianti di condizionamento automotive Introduzione Impianto di condizionamento 95 V

6 Indice Componenti del sistema di condizionamento Ciclo di funzionamento Condensatori per applicazioni automotive 99 CAPITOLO 8 Analisi di un condensatore usato in ambito auto motive Introduzione Creazione del dominio di calcolo Definizione e costruzione delle geometria Definizione e discretizzazione dei volumi Risoluzione del problema in Fluent Definizione del modello fisico Definizione delle condizioni a contorno e iniziali Visualizzazione e analisi dei risultati 109 CAPITOLO 9 Conclusioni Introduzione Validazione del modello Analisi di sensibilità Analisi di sensibilità sul materiale del corpo condensatore Analisi sensibilità su portata refrigerante e sezione condotto 119 Appendice 121 Bibliografia e riferimenti in rete 123 Ringraziamenti 124 VI

7 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. VII

8 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. VIII