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• Simulink; refrigeration cycle

All’interno della tesi viene presentato un lavoro di modellazione numerica (in ambiente MATLAB e Simulink) di un ciclo frigorifero a compressione di vapore per la produzione di acqua potabile refrigerata. La modellazione ha come obiettivo quello di simulare le prestazioni di un prototipo di ciclo frigorifero presente all’interno del laboratorio dell’università. Tale ciclo frigorifero contenente propano e collegato ad una SWD (Sparkling Water Dispenser, ovvero un sistema per l’erogazione di acqua), è particolarmente interessante sia per i suoi scambiatori, dotati di geometrie ottimizzate per massimizzare lo scambio termico, che per la sua configurazione. Ad esempio, l’evaporatore è costituito da una serpentina immersa in un bagno termico di acqua, che si comporta da PCM (Phase Change Materials), ovvero un materiale in grado di cambiare di fase. L’utilizzo di acqua come PCM permette disporre in ogni momento di un accumulo termico per consentire alla macchina di garantire il proprio effetto utile (erogazione di acqua potabile refrigerata) anche quando il ciclo non è in funzione.
Attraverso la modellazione è stato possibile replicare in ambiente Simulink (un tool ausiliario di MATLAB per la simulazione di sistemi fisici dinamici) la struttura del ciclo, costituita dai componenti chiave (condensatore, evaporatore, tubo capillare, accumulatore e compressore) e dalla strumentazione di misura. La sensoristica applicata alla macchina consente di realizzare un confronto fra i valori ottenuti dalla simulazione e quelli effettivamente misurati sperimentalmente.
I componenti del ciclo sopracitati sono stati modellati mediante l’uso di elementi già presenti all’interno della libreria del tool, ad eccezione del compressore e del water bucket e dell’evaporatore al suo interno: per questi due componenti è stato necessario sviluppare una configurazione dedicata per ottenere una rappresentazione più fedele del sistema fisico. La modellazione del compressore, ad esempio, ha permesso di poter usufruire dei valori di portata e rapporto di compressione del componente reale (forniti dall’azienda produttrice attraverso il datasheet). Per quanto riguarda invece l’evaporatore, si è realizzato un ambiente specifico per modellare il bagno termico e, all’interno di quest’ultimo, la struttura della serpentina dell’evaporatore. In questo ambiente si è cercato, inoltre, di modellare in maniera preliminare anche il fenomeno della formazione del ghiaccio, che rappresenta un esempio pratico del problema di Stefan.
Il modello presentato è stato sviluppato per poter simulare le prestazioni del ciclo nelle condizioni tipiche dei cosiddetti “stress test”; test nei quali il ciclo lavora in condizioni di off design, messi in atto al fine di verificarne le prestazioni. Nello specifico, i test di riferimento simulati comprendono la formazione del ghiaccio all’interno del water bucket (per poter raffreddare successivamente l’acqua da erogare) e l’erogazione di 355 ml al minuto di acqua potabile (erogata al di sotto di una certa temperatura di riferimento). In aggiunta ai due test sopra descritti, si è scelto di testare il modello numerico anche in condizioni differenti, variando alcuni parametri di riferimento, per verificarne l’elasticità. I risultati riportati dal modello sono stati dunque validati sia nelle condizioni di riferimento degli stress test, sia nelle condizioni aggiuntive. La validazione con dati sperimentali ha permesso di verificare le prestazioni del modello nelle condizioni operative testate