Energy analysis of household devices and their modeling software

Lo scopo di questo lavoro è stato lo sviluppo di tre modelli numerici adatti alla simulazione dinamica di asciugatrici domestiche. In particolare modo è stata analizzata l’asciugabiancheria a pompa di calore, l’asciugabiancheria ad aria ventilata ed infine l’asciugabiancheria a condensa. Oggigiorno i produttori di asciugabiancheria, per ragioni di competitività, si stanno sfidando sul mercato con prodotti sempre più efficienti: ridotto consumo energetico e ridotta durata del ciclo. Questa sfida ha condotto all’uso di metodologie di lavoro innovative come il "model-based-design" adatto all’analisi di sistemi complessi e non lineari come è il ciclo di asciugatura. In questo approccio riveste un ruolo fondamentale lo sviluppo di un modello matematico che spieghi il funzionamento del sistema. L’asciugatrice a pompa di calore è costituita da tre componenti principali: modulo pompa di calore, cesto e circuito aeraulico. Per ognuno di essi è stato sviluppato un modello. La prima parte di questo lavoro è stata dedicata allo sviluppo di un modello dinamico del ciclo a compressione di vapore usando un approccio di primo principio in cui i principi di conservazione della massa e dell’energia vengono applicati per sviluppare le equazioni che ne descrivono il comportamento. Gli scambiatori di calore sono stati modellizzati attraverso l’approccio a frontiera mobile noto in letteratura con il nome: "moving-boundary". Per la stima della portata di refrigerante elaborata dal tubo capillare è stata impiegata una relazione analitica disponibile in letteratura, coerente con i valori sperimentali. Infine il comportamento dinamico del compressore manifestatosi durante alcune fasi del ciclo di asciugatura, è stato considerato sviluppando un modello a due capacità termiche. Le caratteristiche del circuito aeraulico della pompa di calore sono state soggette prima ad analisi sperimentali, permettendo la derivazione delle correlazioni in grado di stimare le perdite di carico lato aria di processo, e successivamente alla loro modellizzazione utilizzando l’analogia elettrica. Una significativa parte del lavoro è stata concentrata sull’analisi del processo di evaporazione a cui è soggetta l’acqua contenuta nei panni. L’analisi sperimentale condotta ha permesso di sviluppare la correlazione che spiega come varia la trasmittanza media aria-panni durante il ciclo di asciugatura, inoltre sfruttando l’analogia di scambio di calore e di massa, basata sul numero di Lewis, è stato determinato il coefficiente medio di scambio di massa. Il sistema acqua-panni è stato modellizzato con un approccio originale che prevede di dividerlo in due zone: una zona secca ed una zona bagnata, l’estensione della zona bagnata è funzione del grado di asciugatura. La correlazione che spiega come varia l’estensione di tale zona è stata ricavata dai dati sperimentali. Il modello è stato validato e mostra una accuratezza del 5% nella predizione del tempo di asciugatura. I tre sotto-modelli sviluppati sono stati collegati tra di loro in modo da sviluppare il modello complessivo dell’asciugabiancheria a pompa di calore. L’attendibilità del modello è stata verificata prima con confronti sperimentali e successivamente con più casi studio che hanno evidenziato, qualora il tempo ciclo fosse predetto, delle deviazioni di circa il 10% sulla stima del consumo energetico del compressore. La seconda piattaforma di asciugabiancheria che è stata analizzata è il modello ad aria ventilata. Questo tipo di elettrodomestico opera con una configurazione di ciclo aperta in cui l’aria uscente dal cesto viene espulsa in ambiente. Lo sforzo modellistico è stato concentrato nella comprensione dei fenomeni fluidodinamici che ne regolano il funzionamento. Due tipi di sorgenti di perdita sono stati messi in luce, in questi punti, l’aria può entrare nel sistema. L’effetto della portata non riscaldata influenza notevolmente le prestazioni dell’asciugabiancheria. L’intera caratterizzazione sperimentale del circuito aeraulico ha permesso di dedurre delle correlazioni che stimano le perdite di carico attraverso i vari componenti. Ciò ha permesso la derivazione di un modello aeraulico, che accompagnato dalla descrizione dinamica dell’elemento riscaldante, ha permesso lo sviluppo del modello complessivo della macchina. Il modello è stato validato sperimentalmente ed il confronto tra risultati sperimentali e numerici ha indicato che esso è in grado di predire eccellentemente le prestazioni della macchina nel ciclo di aciugatura. La terza piattaforma di asciugabiancheria che è stata analizzata è il tipo a condensa. Esso può essere visto come un’estensione del modello ad aria ventilata in cui il flusso d’aria proveniente del cesto viene ricircolato ma prima di passare attraverso l’elemento riscaldante il flusso d’aria transita in uno scambiatore compatto ad aria dove viene raffreddato e deumidificato. Pertanto lo sforzo modellistico si è concentrato non solo nello sviluppo del consueto modello aeraulico derivato dai dati sperimentali ma anche nello sviluppo di un modello bidimensionale dello scambiatore di calore. La piastra metallica dello scambiatore di calore è strata discretizzata bidimensionalmente. Il modello è in grado di cogliere fenomeni sia di scambio sensibile che di trasporto di massa. Le capacità di predizione del modello sono state testate confrontando i risultati su un intero ciclo di asciugatura. La diversa configurazione della flangia, che immette l’aria all’interno del cesto, riduce la porzione attiva di portata d’aria a contatto con i panni.