Automotive thermal control

INDICE

1. FUNDAMENTALS OF HEAT TRANSFER (NOZIONI DI TERMODINAMICA)

1.1 Quantità termodinamiche

1.1.1 Energia totale

1.1.2 Entalpia

1.1.3 Calore specifico

1.1.3.1 Calore specifico di un gas ideale

1.1.3.2 Calore specifico di una sostanza incomprimibile

1.2 Trasferimento di energia per un sistema chiuso

1.2.1 Sistema stazionario

1.2.2 Esempio: stima del tempo necessario per il warm up di un motore a combustione interna

1.3 Trasferimento di energia per un sistema aperto (o volume di controllo)

1.3.1 Sistema stazionario

1.3.2 Esempio: problema del radiatore del motore

1.4 Trasferimento di energia attraverso una superficie di controllo

2. TRASMISSIONE DEL CALORE

2.1 Conduzione (conduction)

2.1.1 Classificazione dei materiali in ordine crescente di conduttività

2.1.2 Influenza della temperatura sulla conduttività termica

2.1.3 Conduzione del calore attraverso una lastra piana unidimensionale: Legge di Fourier

2.1.4 Metodo della piastra calda

2.1.5 Materiali isolanti (insulating materials)

2.1.5.1 Vacuum insulation panels (VIP) (o pannelli isolanti a vuoto)

2.1.5.2 Aerogel

2.2 Convezione (convection)

2.2.1 Convezione del calore attraverso una superficie: Legge di Newton

2.3 Irraggiamento (radiation)

2.3.1 Leggi del corpo nero

2.3.1.1 Legge di Stefan-Boltzmann per un corpo nero e variazione per corpi reali non neri

2.3.1.2 Legge di Kirchhoff

2.3.2 Scambio termico netto per irraggiamento di una superficie

2.4 Adduzione

2.4.1 Scambio termico netto per adduzione di una superficie e temperatura operante

2.4.1.1 Temperatura operante

2.4.2 Scambio termico netto per adduzione di una superficie incandescente

2.4.2.1 Temperatura equivalente e equivalente sole-aria

2.5 Analogia elettrotermica per una parete stratificata

2.5.1 Influenza di una intercapedine di aria

3. SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO A LIQUIDO

3.1 Architettura

3.1.1 Cooling jackets

3.1.2 Radiatore

3.1.2.1 Scambiatore di calore per l’olio della trasmissione (transmission oil cooler)

3.1.3 Serbatoio di espansione (coolant recovery tank)

3.1.4 Pressure cap

3.1.4.1 Funzionamento della pressure cap a freddo con il serbatoio di espansione

3.1.4.2 Funzionamento della pressure cap a caldo con il serbatoio di espansione

3.1.4.3 Funzionamento della pressure cap senza il serbatoio di espansione

3.1.5 Pompe

3.1.6 Termostato (o valvola termostatica)

3.1.7 Heater core

3.1.8 Connettori idraulici

3.1.9 Block heaters 1

3.2 Tipologie di scambiatori di calore

3.2.1 Scambiatore di calore a flussi paralleli (tubo in tubo)

3.2.2 Scambiatore di calore a flussi incrociati

3.2.3 Scambiatore di calore a piastre (plate and frame)

3.2.4 Scambiatore a tubi e mantello

3.2.5 Scambiatore di calore compatto

3.3 Liquido di raffreddamento (coolant)

3.3.1 Influenza del glicolo sulla temperatura di congelamento

3.3.2 Influenza del glicolo sulla temperatura di ebollizione

3.3.3 Influenza del glicolo sulla viscosità dinamica

3.3.4 Influenza del glicolo sul calore specifico

3.3.5 Influenza del glicolo sulla densità e sulla conduttività termica

3.3.6 Sintesi della proprietà del glicolo aggiunte all’acqua

3.3.7 Liquido di raffreddamento: nanofluidi

3.4 Progettazione di un sistema di raffreddamento

3.5 Prevalenza della pompa

3.6 Perdite di carico nel sistema

3.7 Flusso d’aria indotto dal ventilatore

3.7.1 Prevalenza statica

3.7.2 Prevalenza dinamica

3.8 Analogia elettrotermica per gli scambiatori

3.8.1 Utilizzo delle alette negli scambiatori

3.8.2 Sporcamento (fouling) degli scambiatori

3.8.3 Relazioni empiriche per il calcolo del coefficiente di scambio termico convettivo

3.9 Dimensionamento del radiatore

3.9.1 Dimensionamento con datasheet del produttore

3.9.2 Dimensionamento per via sperimentale

3.9.3 Dimensionamento per via teorica

3.9.3.1 LMTD Logarithmic mean temperature difference (metodo della differenza di T log. media)

3.9.3.1.1 LMDT: scambiatore di calore a flussi paralleli (tubo in tubo o a piastre) equi o controcorrente

3.9.3.1.2 LMDT: scambiatore di calore a flussi incrociati

3.9.3.1.3 LMTD: linee guida

3.9.3.2 Effectiveness-NTU method (metodo dell’efficacia)

3.9.3.2.1 Metodo analitico per il calcolo dell’efficacia

3.9.3.2.2 Metodo analitico per il calcolo del NTU

3.9.3.2.3 Metodo grafico per il calcolo dell’efficacia

3.9.3.2.4 Comportamento degli scambiatori di calore

4. CONTROLLO DEL CARICO TERMICO DEI SISTEMI BATTERIA

4.1 Evoluzione dei veicoli elettrificati

4.2 Range di temperatura ottimale per le batterie

4.3 Struttura dei veicoli elettrificati

4.3.1 PTC Heater

4.4 Tecnologie utilizzate per le batterie

4.5 Battery pack

4.5.1 Struttura interna di una batteria a cella prismatica

4.5.2 Struttura interna di una batteria con cella a sacchetto

4.5.3 Struttura interna di una batteria con cella cilindrica

4.6 Battery thermal management (BTM - gestione termica del pacco batteria)

4.6.1 Effetti delle basse temperature sulle prestazioni di una batteria

4.6.2 Effetti delle alte temperature sulle prestazioni di una batteria

4.7 Battery Management System (BMS) 2

4.7.1 Thermal preconditioning (precondizionamento termico)

4.8 Sistema di raffreddamento ad aria di un veicolo ibrido/elettrico

4.8.1 Vantaggi di un sistema di raffreddamento ad aria di un pacco batterie

4.8.2 Limiti di un sistema di raffreddamento ad aria di un pacco batterie

4.9 Sistema di raffreddamento a liquido di un veicolo ibrido/elettrico

4.9.1 Interazione tra il sistema di raffreddamento delle batterie e il sistema di climatizzazione

4.9.2 Sistema di raffreddamento a liquido per batterie con celle a sacchetto

4.9.3 Sistema di raffreddamento a liquido per batterie con celle cilindriche

4.9.4 Sistema di raffreddamento a liquido per batterie con celle prismatiche

4.10 Resistenza termica di contatto

4.11 Altri tipi di sistemi di raffreddamento di un battery pack

4.12 Modello a parametri concentrati

Analisi quantitative del transitorio termico nelle celle batteria

(o qualsiasi altro sistema sostituendo l’acronimo cell con quello preferito)

4.12.1 MPC: Raffreddamento della cella attraverso il film (le superfici degli elettrodi e del separatore)

4.12.2 MPC: Raffreddamento della cella attraverso il contatto indiretto con i poli

4.13 Esempio: batteria Panasonic 18650B

4.13.1 Transitorio di riscaldamento della cella

4.13.2 Transitorio di raffreddamento della cella

4.13.3 Transitorio di raffreddamento di un modulo

5. MOTORI ELETTRICI

5.1 AC Motors

5.2 DC Motors

6. RAFFREDDAMENTO DI MOTORI ELETTRICI (O ANCHE DELL’ELETTRONICA DI POTENZA NEL VEICOLO)

6.1 Raffreddamento ad aria

6.1.1 Analisi stazionaria: raffreddamento ad aria esterno

6.1.2 Analisi stazionaria: raffreddamento ad aria interno

6.2 Raffreddamento a liquido

6.2.1 Raffreddamento a liquido esterno

6.2.2 Raffreddamento a liquido interno

6.2.2.1 Heat Pipe (tubo di calore)

6.2.2.2 Vapour Chamber (camera di vapore)

6.2.2.3 Foglio in grafite

6.2.3 Analisi stazionaria: raffreddamento a liquido

6.2.4 MPC: analisi dinamica (transitori) del raffreddamento a liquido

6.3 Esempio di raffreddamento a liquido di un motore elettrico

6.3.1 MPC: transitorio di riscaldamento di un motore elettrico (per convezione libera)

6.3.2 MPC: transitorio di raffreddamento di un motore elettrico (per convezione libera)

6.3.3 MPC: transitorio di riscaldamento di un motore elettrico (per convezione forzata)

6.3.4 MPC: transitorio di raffreddamento di un motore elettrico (per convezione forzata)

7. THERMAL COMFORT

7.1 Equazione di bilancio del corpo umano

7.1.1 Potenza metabolica basale o metabolismo (M)

7.1.2 Convezione (C)

7.1.3 Irraggiamento (R)

7.1.3.1 Temperatura media radiante

7.1.4 Adduzione (C+R)

7.1.4.1 Temperatura operante

7.1.4.2 Forma alternativa della temperatura operante

7.1.5 Influenza del vestiario sullo scambio termico superficiale

7.1.6 Umidità assoluta e umidità relativa

7.1.7 Meccanismo di sudorazione (E)

7.1.8 Parametri che influenzano la neutralità termica 3

7.2 Funzionamento del sistema di climatizzazione dell’abitacolo di un auto

7.2.1 Condizioni ambientali invernali

7.2.2 Condizioni ambientali estive e temperatura sole-aria (vedi anche par. 12.2.1.3)

7.3 Indici del comfort e discomfort globali

7.3.1 Indice del comfort soggettivo (PMV)

7.3.2 Relazione tra S e PMV

7.3.3 Indice del discomfort (PPD)

7.3.4 Indice del comfort oggettivo (SET)

7.3.5 Indice della temperatura percepita col vento (CE)

7.3.6 Adaptive Comfort Model

7.4 Indici di discomfort locali

7.4.1 Indice di infastidimento dal vento (DR)

7.4.2 Indice di turbolenza (Tu)

7.4.3 Indice di asimmetria radiante (PD)

(PPD )

7.5 Indice di insoddisfatti globale global

7.6 Wet bulb globe temperature index (WBGT)

8. SISTEMI DI TRATTAMENTO DELL’ARIA

8.1 Introduzione

8.1.1 Gas ideale

8.1.2 Gas reale

8.1.3 Aria atmosferica (o aria umida)

8.1.4 Aria secca

8.1.5 Vapor d’acqua (frazione di aria umida)

8.2 Proprietà dell’aria atmosferica (o aria umida)

8.2.1 Pressione assoluta atmosferica

8.2.2 Umidità assoluta (ω oppure x)

8.2.3 Umidità relativa (φ)

8.3 Strumenti di misura

8.3.1 Igrometro

8.3.2 Termometro a bulbo secco e bulbo umido

8.4 Diagramma psicrometrico

8.5 Impianto di raffrescamento, deumidificazione e post riscaldamento dell’aria (clima caldo e umido)

8.5.1 Studio mediante il diagramma psicrometrico

8.5.2 Studio quantitativo mediante relazioni analitiche

8.6 Impianto di raffrescamento e di deumidificazione dell’aria (e post riscaldamento): Miscelazione Adiabatica

8.6.1 Studio mediante il diagramma psicrometrico

8.6.2 Studio quantitativo mediante relazioni analitiche

8.7 Raffreddamento evaporativo (clima caldo e secco)

8.8 Raffreddamento evaporativo diretto

8.9 Raffreddamento evaporativo indiretto

8.9.1 Torri evaporative (umidificazione con introduzione di liquido)

8.10 Umidificazione con introduzione di liquido o vapore (rivedi)

8.10.1 Raffreddamento dessiccante

8.11 Maisotsenko cycle (M-cycle) 4

9. HVAC SYSTEM

(SISTEMA DI CLIMATIZZAZIONE: RISCALDAMENTO, CONDIZIONAMENTO E VENTILAZIONE)

9.1 Heater core

9.2 PTC heater (Positive Temperature Coefficient)

10. SISTEMI A COMPRESSIONE DI VAPORE

10.1 Refrigeranti

10.1.1 Effetto della termodinamica sulla scelta del refrigerante

10.1.2 ODP (Ozone Depletion Potential) e Global Warming Potential

10.1.3 Nomenclatura dei refrigeranti secondo ASHRAE

10.2 Compressore

10.3 Condensatore

10.4 Receiver drier

10.5 Valvola termostatica (o di espansione)

10.6 Evaporatore

10.7 Internal Heat Hexchanger (IHX)

10.8 Utilizzo del ciclo frigorifero per lo spannamento dei vetri in inverno e in estate

10.9 Analisi di un sistema a compressione di vapore (ciclo frigorifero) e coefficiente di prestazione di raffreddamento (COP)

10.9.1 Effetti della variazione della temperatura ambiente sul COP

10.10 Analisi di un sistema a compressione di vapore (pompa di calore) e coefficiente di prestazione di riscaldamento (COP)

10.11 Impianto a pompa di calore per un veicolo elettrico raffreddato ad aria (Nissan Leaf)

10.12 Impianto a pompa di calore DELPHI per un veicolo raffreddato a liquido

10.13 Vehicle thermal management (VTM) o sistema di ventilazione dell’abitacolo per il ricircolo

11. CABINA VEICOLO

11.1 Carichi termici

11.1.1 Carichi termici esterni alla cabina

11.1.2 Carichi termici interni alla cabina

11.2 Bilancio termico della cabina veicolo

11.2.1 Bilancio estivo

11.2.1.1 Carico termico per deumidificazione

11.2.1.2 Carico termico derivante da sorgenti puntiformi

11.2.1.3 Carico termico solare

11.2.1.4 Carico termico derivante dalla potenza di refrigerazione

11.2.2 Bilancio invernale

11.2.2.1 Dispersioni termiche attraverso i pannelli della cabina

11.2.2.1.1 Dispersioni termiche attraverso un vetro

11.2.2.2.2 Dispersioni termiche attraverso un pannello opaco

11.2.2.2.2.1 Dispersioni termiche attraverso un’intercapedine di aria

11.2.2.2.2.2 Dispersioni termiche attraverso un materiale isolante poroso o fibroso a matrice solida

11.2.2.3 Apporto termico introdotto dal ricambio di aria calda

11.3 Climatizzazione dei sedili

11.4 Volante riscaldato

11.5 Sistemi di controllo solare passivi 5

1. FUNDAMENTALS OF HEAT TRANSFER (NOZIONI DI TERMODINAMICA)

1.1 Quantità termodinamiche

Il calore è energia che viene trasferita (non è posseduta) da un sistema all’altro per effetto di una variazione di temperatura. Il

calore si può trasferire dalle regioni ad alta temperatura a regioni a bassa temperatura, attraverso tre modalità che sono la

conduzione, la convezione e l’irraggiamento.

La termodinamica si occupa del bilancio della quantità di calore che viene trasferita quando un sistema è sottoposto ad un

processo in cui si passa da uno stato di equilibrio ad un altro. L’equilibrio è quando nel sistema si ha una temperatura uniforme.

In un processo termodinamico si assume che un sistema si muove per stati di quasi equilibrio in cui le uniche differenze di

temperatura presenti sono di tipo infinitesimo.

1.1.1 Energia totale

Esistono numerose forme di energia: energia termica, energia cinetica, energia potenziale, energia meccanica (energia cinetica

più potenziale), e tutte contribuiscono all’energia totale del sistema:

E [J] o, e [J/Kg] (energia totale)

L’energia totale del sistema include forme di energia su scala microscopica e macroscopica.

- L’energia interna è l’energia collegata a fenomeni microscopici e si identifica con U [J] o u [J/Kg]. Si genera perché quando

un corpo ha una certa temperatura, a questa temperatura corrisponde, su scala microscopica molecolare, una certa attività,

ad esempio il moto browniano. L’energia interna si usa con riferimento a materie non in moto.

- L’energia cinetica delle molecole è quella che viene tradotta in calore sensibile, perché alla variazione macroscopica della

temperatura corrisponde, su scala microscopica, una variazione dell’energia cinetica molecolare.

- L’energia potenziale si valuta su scala macroscopica ed è collegata alla posizione del sistema considerato all’interno del

sistema di riferimento, ma si hanno anche delle forme di energia potenziale su scala microscopica, come il calore latente,

che rappresenta l’energia associata al cambiamento di fase di una sostanza, necessaria per rompere i legami intermolecolari

tra le molecole.

- L’energia termica è una frazione dell’energia interna, disponibile per essere scambiata sottoforma di calore, data dalla

somma di calore sensibile e calore latente. 1 kWh=3.6 MJ

1.1.2 Entalpia

I liquidi e i gas, se utilizzati per trasportare calore da una zona all’altra sono definiti fluidi termovettori. Quando un fluido è usato

all’interno di un circuito per traportare calore entra in gioco una proprietà della materia: l’entalpia H.

H = U + pV

All’interno dell’entalpia, l’energia interna è associata a processi microscopici U mentre il termine pV è il flow energy associato a

processi macroscopici perché quando si introduce una certa massa di fluido all’interno di un sistema, che si trova ad una certa

pressione p, occorre svolgere, contro il sistema, un lavoro pari a pV. Quando si va ad estrarre dal sistema una massa, questa sì

“porta dietro” sia l’energia interna della massa di materia, sia il lavoro che il sistema ha svolto sul fluido per poterlo portare fuori

dal sistema. 6

Quindi quando si ha un fluido in moto, per determinare l’energia interna si usa l’entalpia mentre, nel momento in cui si usa un

fluido non in moto si usa l’energia interna.

1.1.3 Calore specifico

Il calore specifico è l’energia necessaria per aumentare di 1°C la temperatura dell’unità di massa di una certa sostanza. Può

c

essere a volume costante (calore che occorre fornire ad una certa unità di massa di una porzione di materia mantenendone

v c c

costante il volume durante la variazione di temperatura unitaria) e a pressione costante (analogo a ma considerando la

p v

pressione). Il calore specifico dipende dalla pressione e dalla temperatura. La dipendenza dalla pressione è spesso trascurabile,

mentre la dipendenza dalla temperatura è più significativa ma anch’essa trascurabile quindi si usa il valore del calore specifico

corrispondente alla temperatura media tra l’inizio e la fine della trasformazione. Il calore specifico può essere associato ad un

liquido, ad un gas o ad un solido, ed esprime la capacità di trasporto del calore; più è alto, maggiore è la capacità di trasporto del

calore e quindi occorre meno tempo per far innalzare la temperatura della sostanza.

1.1.3.1 Calore specifico di un gas ideale

Un gas è perfetto se vale almeno una delle seguenti due relazioni:

• = / → 0

• = / > 2

Figura 1a. Diagramma pV

Liquido (o liquido sottoraffreddato)

Liquido + vapore (o miscela satura, o vapore saturo)

Vapore (o vapore insaturo, o vapore surriscaldato)

Nelle condizioni ordinarie l’aria è sempre un gas perfetto. I gas ideali hanno due proprietà fondamentali:

- L’energia interna dipende unicamente dalla temperatura

= () = ()

o

- Pressione, volume e temperatura sono correlati dall’equazione di stato dei gas perfetti.

= =

o

= +

7

[]

= [ ] ⟺ Δ = Δ = Δ

,

[]

ℎ = [ ] ⟺ Δ = Δℎ = Δ

,

Per l’aria: = 1007 J/(kgK) &asy