Modellizzazione, simulazione e analisi di un banco frigo con valvola di espansione elettronica

In the world of refrigeration, dynamic modeling of more or less complex systems is not common. This is because most of the elements that make up a refrigeration circuit tend to be highly complex and are characterized by a set of mathematical relationships that are not always simple to implement. This thesis was conducted in collaboration with Carel Industries, a leader in the development of management software and components for refrigeration systems. The company is seeking alternative solutions to test and validate new technologies through innovative mathematical simulation tools, which allow them to master the inherent complexity of the phenomena involved in refrigeration processes, thereby accelerating innovation processes. Through the technical and knowledge support of some members of Carel’s HVAC/R laboratory, it was possible to simulate the model of a complete refrigeration circuit, based on a real refrigeration system located in the laboratory. The purpose of this work is to describe the methodology and the approach chosen for developing the dynamic model, starting with the description of the experimental setup and the design choices made to achieve results as close to reality as possible, highlighting the potential that a simulation tool can introduce, even for complex systems. As part of the project design, greater effort was dedicated to calibrating the evaporator components and the electronic expansion valve, with the aim of obtaining elements as close as possible to those actually present in the experimental setup, as the goal is to accurately describe the superheating of the refrigerant, an essential variable in the regulation of a thermodynamic machine. The tool used for this project is the simulation software Simulink®. To best represent the refrigeration system, Simscape™ was used, a specific tool useful for modeling multi-domain physical phenomena, provided by MathWorks, which allowed the description of phase changes, heat exchanges, electrical signals, and mechanical movements in a single model, without losing the analysis and control tools typical of Simulink®

Nel mondo della refrigerazione, la modellizzazione dinamica di sistemi più o meno complessi non è comune. Questo avviene perché la maggior parte degli elementi che compongono un circuito frigorifero risultano essere molto complessi e caratterizzati da un insieme di relazioni matematiche non sempre semplici da implementare. L’attività di tesi è stata condotta in collaborazione con Carel Industries, leader del settore per lo sviluppo di software di gestione e componenti di sistemi per la refrigerazione. L’azienda sta ricercando altre soluzioni per poter testare e validare nuove tecnologie attraverso strumenti innovativi di simulazione matematica, che consentono di dominare la complessità intrinseca dei fenomeni coinvolti nei processi di refrigerazione, permettendo così di accelerare i processi d’innovazione. Attraverso il supporto tecnico e nozionistico di alcuni componenti del laboratorio HVAC/R di Carel, è stato possibile ricreare in simulazione il modello di un circuito frigorifero completo, basato su un banco frigo reale presente all’interno del laboratorio. Lo scopo di questo elaborato è descrivere la metodologia utilizzata e l’approccio scelto per la realizzazione del modello dinamico, partendo dalla descrizione del banco sperimentale e delle scelte di progetto effettuate per ottenere un risultato quanto più vicino alla realtà, mettendo in risalto le potenzialità che uno strumento di simulazione può introdurre, anche nel caso di sistemi complessi. Per scelta di progetto, è stato dedicato un maggiore sforzo alla taratura dei componenti evaporatore e valvola di espansione elettronica, con lo scopo di ottenere elementi quanto più simili a quelli realmente presenti nel banco sperimentale, in quanto l’obiettivo è di descrivere al meglio il surriscaldamento del fluido refrigerante, variabile essenziale nella regola zione di una macchina termodinamica. Lo strumento utilizzato per questo progetto è il software di simulazione Simulink®. Per rappresentare al meglio l’apparato frigorifero, si è fatto uso di Simscape™, un tool specifico utile alla modellizzazione dei fenomeni fisici multidominio, messo a disposizione dalla società MathWorks, che ha permesso di descrivere in un unico modello cambi di fase, scambi di calore, segnali elettrici e movimentazioni meccaniche, senza rinunciare agli strumenti di analisi e regolazione tipici di Simulink®.