Case History: analisi termo-fluidodinamica di un frigorifero

Ago 6, 2021 | Servizi

Progetto e Obiettivi

L’obiettivo del progetto affidato a BSIM risiedeva nel dimensionamento di portata e temperatura dell’aria in ingresso di un frigorifero da esposizione, a doppia anta.

La portata d’aria doveva garantire i 4°C all’interno del volume refrigerato. La posizione e la dimensione delle bocchette di ventilazione erano già definite, così come anche tutto il resto della geometria, compresi gli inevitabili spiragli verso l’esterno che residuano anche a porte chiuse.

Una richiesta abbastanza classica, quella del nostro cliente, dove chi si occupa della componentistica del ciclo-gas chiede al cfd-ista dei parametri fissati da realizzare, che invece per il progettista frigo saranno le condizioni al contorno della simulazione che seguirà.

 

Il frigorifero a porte chiuse, aperte e le fessure sopra le porte.

Approccio all’analisi

La simulazione prevede la modellazione dettagliata dei vari strati di materiale che compongono l’isolamento e la cassa del frigo, la presenza di una sorgente termica di calore quale può essere il motore posto nel vano tecnico inferiore, condizioni ambiente normali come ambiente operativo.

È stata simulata, in maniera preliminare, una portata di 200 l/min a 4°C, ottenendo che:

Chiaramente i 4°C non sono risultati sufficienti a garantire la temperatura adeguata all’interno del volume da refrigerare. Ma questa simulazione (in stazionario) ci è stata utile a comprendere a quanto ammontano le perdite all’interno del frigo e quali sono i parametri da monitorare (velocità del fluido, temperatura del fluido, flow trajectories, temperature di parete). 

Il prossimo step è stato determinare: “Qual è la temperatura dell’aria in ingresso al canale che realizza ‘tot’ gradi nel volume?”

Attraverso tool di ottimizzazione dedicati dello strumento CFD-3D da noi impiegato (Simcenter FLOEFD), è stato possibile trovare la seguente soluzione iterativa, facendo variare la temperatura in ingresso, per cui:

Abbiamo quindi trovato che  una portata di 200 l/min a -7.37 °C realizza 4 °C all’interno del volume.

Tale soluzione ottimizzata, suggerirebbe un valore coerente di portata e temperatura. È giusto però ribadire che le due soluzioni mostrate fin qui erano limitate dall’essere soluzioni stazionarie, cioè le soluzioni ottenibili per infinito tempo: la loro funzione è evidenziare il comportamento termico del frigorifero: capire quanto il frigorifero disperde, se i materiali scelti sono opportuni, se una configurazione è meglio di un’altra e così via. Una volta esaurito il suo compito, però, la simulazione stazionaria può e deve fare spazio a una simulazione tempo-dipendente, ossia che fornisca informazioni circa la dinamica del sistema analizzato e che, soprattutto, risponda alla domanda del progettista:

“La temperatura e portata ottimali che ho trovato essere soddisfacenti da un punto di vista stazionario, lo sono altrettanto da un punto di vista dinamico?”

Dopo 10 ore il sistema ha raggiunto all’incirca i 5°C, visto l’andamento potrebbe impiegarcene molte altre per avvicinarsi definitivamente ai 4 °C promessi.

Come ci aspettavamo, la portata stimata in stazionario, anche ad una temperatura teoricamente opportuna, non è risultata sufficiente a garantire la corretta performance del sistema. Come muoversi in tal caso? Si potrebbe nuovamente ricorrere al Goal optimization tool, questa volta magari fissando la temperatura e concedendo al sistema di iterare modificando la portata d’aria: in tal caso l’obiettivo da fissare non sarebbe più solo una certa temperatura, ma bisognerebbe aggiungere l’informazione di quando tale temperatura dovrebbe essere raggiunta. Starebbe quindi al progettista esprimere un certo criterio, che può essere ad esempio:

 “Vorrei che il frigorifero fosse in grado di raggiungere i 4°C nel tempo massimo di 1 ora”

 

Si è scelto quindi di iterare nuovamente, questa volta non sulla temperatura dell’aria quanto sulla portata, permettendo al tool di iterare fino a 1000 l/min si è trovato che l’ottimo:

Abbiamo quindi scoperto che con la portata di 920 l/min ad una temperatura di -7.37 °C in ingresso il nostro sistema era in grado di portare il volume refrigerato a 4 °C in un’ora, ma cosa accadrebbe al sistema se facessimo proseguire la nostra simulazione oltre l’ora ? Sicuramente la temperatura scenderebbe ben sotto i 4 °C appena raggiunti, ma come ben sappiamo, in tutti i sistemi frigoriferi un meccanismo termostatico si occupa di disattivare il nostro circuito di raffreddamento al raggiungimento di un certo valore di temperatura. Siamo così arrivati all’ultimo step della progettazione cfd, ossia tradurre i dati appena trovati in termini energetici e quindi chiedersi:

 Vorrei che il mio frigorifero si spegnesse quando raggiungo i 4 °C: con che frequenza il mio compressore entrerà in funzione?”

Per realizzare tale ciclo abbiamo impostato una logica di controllo sulle boundary condition tempo-dipendenti del tipo:

La formulazione logica sarebbe potuta essere anche molto più complicata di così, per (ad esempio) cercare di replicare un comportamento con un’intera fascia di spegnimento (ad esempio da 3 a 5 °C), ma per il livello di analisi svolto era sufficiente. Una strada percorribile in questo senso sarebbe stata quella dell’uso combinato di un software CFD-3D e uno 0D-1D, come Simcenter Amesim, che è molto più addentro alla scrittura di sistemi di controllo e può quindi essere sfruttato per gestire la parte esterna al volume del frigo. Negli sviluppi più avanzati la co-simulazione può diventare totale, affidando allo 0D-1D anche la parte di ciclo frigorifero, con il dettaglio dei canali di ricircolo, scambiatori, gas, compressori, etc. oltre che del già citato sistema di controllo, mentre con il CFD-3D si può continuare a tenere il focus sulla parte fluidodinamica volumetrica e di scambio termico.

Ciò detto, con la simulazione impostata come da formula sopra, abbiamo ottenuto un andamento nel tempo del tipo:

Conclusioni

Con la portata impostata il frigo raggiungo i 4 °C dopo 3600 s esatti. A quel punto il sistema frigorifero si spegne per la prima volta e possiamo osservare come, a causa delle perdite, la temperatura inizi a salire quasi istantaneamente. Dopo poche decine di secondi abbiamo nuovamente raggiunto i 4 °C quindi la portata riparte, ma per qualche decina di secondi ancora gli effetti non si apprezzano, almeno finché la portata d’aria non torna a interessare nuovamente la maggior parte del volume. Si può anche osservare che il comportamento si ripete quasi identico, le leggere differenze tra un ciclo di accensione e l’altro sono da imputare al time-step istantaneo che non sempre coincide con il momento in cui si superano le soglie.

Ecco quindi come abbiamo supportato il cliente in questione a ultimare la progettazione lato fluido del frigorifero grazie all’uso della simulazione CFD-3D. 

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