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Modellazione step by step di una pompa di calore in Simcenter Amesim

Scopo

Nei sistemi bifasici, la pompa di calore è un dispositivo che trasferisce energia da una fonte di calore a una destinazione chiamata “pozzo di calore”. Le pompe di calore sono progettate per trasferire l’energia termica in direzione opposta al flusso di calore spontaneo assorbendo il calore da un’area fredda e rilasciandolo a uno più caldo. La pompa di calore reversibile può anche essere utilizzata come sistema di raffreddamento.

L’obiettivo di questa demo è illustrare la modellazione di una pompa di calore, e più in generale un circuito di trasferimento del calore. Ogni componente sarà modellato e ottimizzato separatamente nel software Simcenter Amesim. Tutti i componenti verranno quindi collegati insieme per ottenere l’intero modello del sistema a pompa di calore, prima con un circuito aperto e infine chiudendo il ciclo (metodologia step by step).

 

N.B per gli utenti di Simcenter Amesim: la metodologia step by step è ulteriormente dettagliata nella demo del flusso a due fasi Simcenter Amesim “Configurazione della pompa di calore”. I valori del ciclo termodinamico della demo sono rappresentati qui.

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Step 1: Descrizione

Questo esempio dimostrativo mostra una pompa di calore dalla tecnologia abbastanza semplice. Il modello ad anello chiuso finale rappresenta l’intero sistema, e consente quindi la creazione del ciclo termodinamico.

Il funzionamento della pompa di calore è sintetizzato nella figura accanto:

Il semplice diagramma termodinamico della pompa di calore è definito come segue:

 

Secondo questa immagine, le 4 trasformazioni che si presentano nel sistema saranno modellate concentrandosi sui componenti principali:

  •  1 ⇒ 2: Compressore
  •  2 ⇒ 3: condensatore
  • 3 ⇒ 4: dispositivo di espansione
  • 4 ⇒ 1: Evaporatore

Compressore

Il compressore aumenta la temperatura e la pressione del refrigerante. Sia in fase di aspirazione che di scarico, il fluido è allo stato gassoso (gas surriscaldato). Il compressore viene modellato come segue in Simcenter Amesim:

Modello di compressore in Simcenter Amesim

Condensatore

Il refrigerante surriscaldato trasferisce il suo calore latente all’aria (o qualsiasi altro fluido di raffreddamento) durante il processo di condensazione. All’outlet, il refrigerante rimane allo stesso livello di pressione ma ha cambiato fase (da gas a liquido).

Modello di condensatore in Simcenter Amesim

 

Con il nuovo componente Simcenter Amesim “mezzo scambiatore di calore” e i parametri di ingresso corretti, il condensatore può essere modellato molto rapidamente.

Dispositivo di espansione

La pressione del refrigerante (e di conseguenza la temperatura) è fortemente ridotta attraverso una trasformazione isentalpica.

Modello del dispositivo di espansione con Simcenter Amesim

Evaporatore

Il refrigerante freddo assorbe quindi il calore dall’aria (o da qualsiasi altro mezzo) durante il processo di evaporazione. All’uscita, la pressione del refrigerante è quasi invariata ma il suo stato è passato da liquido a gassoso.

Modello di evaporatore di Simcenter Amesim

Con il nuovo componente Simcenter Amesim “mezzo scambiatore di calore” e i parametri di ingresso corretti, l’evaporatore può essere modellato molto rapidamente.

  • Creazione di una pompa di calore a circuito aperto

Come presentato sopra, i quattro componenti principali della pompa di calore, vengono modellati separatamente. Dovrebbero poi essere collegati insieme passo dopo passo per ottenere una pompa di calore a circuito aperto come segue:

  • Creazione di una pompa di calore a circuito chiuso

Una volta creato il modello a ciclo aperto, le connessioni dei segnali devono essere sostituite da una connessione diretta. Questo dovrebbe essere fatto step by step. Il risultato finale è il seguente sketch:

Si noti che prima di effettuare l’ultima connessione, la carica calcolata del fluido deve essere riutilizzata per garantire una corretta inizializzazione del modello a circuito chiuso. Lo schema termodinamico della pompa di calore è coerente con il ciclo previsto:

Conclusione

Come illustrato in questo articolo, per creare un ciclo di heat-transfer bifasico in Simcenter Amesim, è necessario seguire queste regole:

  • Determinare i parametri fisici del ciclo;
  • Creare il diagramma termodinamico associato e dividerlo in fasi semplici;
  • Creare e impostare uno sketch di Simcenter Amesim per step progressivi;
  • Collegare i componenti in open loop;
  • Quindi chiudere il ciclo.

Da un modello così funzionale, ciascun componente potrebbe essere affinato e nuovi componenti potrebbero essere aggiunti utilizzando la metodologia presentata. Ogni componente può essere dimensionato e validato separatamente prima di essere collegato al circuito di trasferimento del calore.

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