Dimensionamento Pompa di Calore a iniezione di vapore
Progetto e Obiettivi
L’analisi effettuata consisteva nella modellazione di una pompa di calore aria/acqua ad R-32 con tecnologia ad iniezione di vapore, per verificarne il funzionamento in regime stazionario e la risposta dinamica alle perturbazioni tipiche a cui il sistema è sottoposto.
Fissate le condizioni di ingresso dell’ aria e dell’ acqua all’evaporatore ed al condensatore rispettivamente ed implementato il sistema di controllo della macchina , il cliente richiedeva il calcolo della carica ottimale che assicurasse un certo livello di sottoraffreddamento del refrigerante all’ uscita del condensatore una volta raggiunto il regime permanente.
Approccio all’analisi
1. Tutti i componenti del sistema sono stati modellati con approccio 0D, impiegando il software Simcenter Amesim di Siemens Digital Industries Software, ottenendo così un sistema a parametri concentrati che viene risolto in regime tempo variante.
Gli scambiatori di calore sono stati modellati dettagliatamente: per la batteria alettata, la circuitazione dei tubi dentro i quali scorre il refrigerante è stata riprodotta fedelmente così come l’ordine di attraversamento dell’aria tra i vari ranghi. Per lo scambiatore a piastre, i canali in parallelo sono stati invece modellati come un unico canale equivalente, successivamente discretizzato nella sua lunghezza. I coefficienti di scambio termico e le perdite di carico sono state calcolate utilizzando correlazioni reperite in letteratura per applicazioni simili.
Compressori e valvole all’interno del sistema sono stati invece modellati come componenti stazionari, in quanto la loro risposta dinamica risulta molto più veloce di quella degli scambiatori, utilizzando le curve fornite dai costruttori.
2. I modelli dei singoli componenti, sono stati poi collegati l’uno con l’altro per realizzare il modello del sistema completo, seguendo lo schema di impianto fornito dal cliente.
Al fine di fornire una stima più corretta possibile della carica di refrigerante all’interno del sistema, sono stati modellati anche i tubi di collegamento tra i diversi dispositivi di cui il cliente ha fornito lunghezza e diametro interno. Il modello richiede come INPUT lo stato dei fluidi (portata, temperatura, pressione ecc…) all’evaporatore (sorgente) ed al condensatore (utenza).
Il sistema di controllo implementato nel modello andrà a regolare la velocità del compressore ed il grado di apertura delle valvole in maniera da assicurare una certa temperatura di uscita dell’acqua dal condensatore e un certo gradi di surriscaldamento del refrigerante in uscita dall’evaporatore e dal lato di pressione intermedia dell’economizzatore rispettivamente.
3. Completato il modello fisico della pompa di calore ed il modello del sistema di controllo, sono state lanciate delle simulazioni a regime permanente, simulando la tipica prova a cui queste macchine sono sottoposte in camera climatica.
Seguendo lo stesso procedimento, è stata aumentata gradualmente la carica di refrigerante e per ogni regime permanente è stato osservato il grado di sottoraffreddamento del refrigerante in uscita dal condensatore.
Conclusioni
BSIM ha sviluppato un modello 0D a parametri concentrati di una pompa di calore , con cui si è simulato fedelmente il funzionamento della macchina al variare delle condizioni al contorno, caratterizzandola a regime permanente e a regime variabile.
Con le simulazioni a regime permanente è stato possibile riprodurre le classiche prove effettuate in camera climatica per calcolarne la potenza, l’efficienza, le pressioni di lavoro, la carica di refrigerante necessaria ecc… mentre con le simulazioni a regime transitorio è stato possibile verificare il funzionamento del sistema di controllo e la risposta dell’impianto ad una perturbazione.
In questa maniera, tramite un modello numerico, BSIM ha potuto testare differenti configurazioni del sistema e verificarne la performance al variare dei componenti.
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