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Dimensionamento aria condizionata

Posted in ambiente, auto elettriche by jumpjack on 27 gennaio 2019

Qualche appunto su come calcolare la potenza che deve avere un impianto di aria condizionata per veicoli.

Optimization of Vehicle Air Conditioning Systems Using Transient Air Conditioning Performance Analysis – Terry J. Hendricks – National Renewable Energy Laboratory – 2001

Nello studio ipotizzano un irradiazione solare (“cabin external solar load “) di 1600W. Ma si tratta di un autoveicolo a 4-5 posti; per la icaro forse bisognerebbe considerare 1000W, cioè un po’ più della metà, “per stare sicuri”.

Quest’altra ricerca indica circa 1300W solari assorbiti dall’abitacolo, nello screenshot a p.35:

Vehicle Transient Air Conditioning Analysis: Model Development & System Optimization Investigations -Terry J. Hendricks – 2001 – NREL

Le ricercche dicono anche che in un’auto parcheggiata al sole l’aria può raggiungere una temperatura di 75°C-80°C.
Dalla temperatura dell’aria dipende la sua entalpia, cioè la quantità di energia che possiede per unità di massa.

Considerando un umidità del 50% risulta:

  • 25°C: 50 kJ/kg
  • 35°C: 80 kJ/kg
  • 80°C: 583 kJ/kg

Ipotizzo che l’abitacolo della Icaro abbia un volume di 0.5 m3, che per una densità di 1.225 kg/m3 significa 0,61 kg.
Questo significa che alle varie temperature l’aria dell’abitacolo contiene queste quantità di energia (arrotondate), espresse in Wh invece che Joule:

  • 25°C: 9 Wh
  • 35°C: 14 Wh
  • 80°C: 100 Wh

Quindi per passare da 80°C a 25°C bisogna rimuovere 91 Wh; per farlo in un’ora servirebbero 91W, per farlo in un minuto servirebbero 91*60=5460W… oppure si può evitare a monte di raggiungere gli 80°C, scambiando costantemente aria con l’esterno: per passare da 35°C a 25°C in un minuto, infatti, basterebbero (14-9)*60=300W.

Se l’abitacolo è da 0.5m3 e si installa una ventola da 50 m3/h, in teoria tale ventola riesce a “svuotare” l’abitacolo 100 volte in un’ora; anche supponendo che abbia metà dell’efficienza di targa (25 m3/h), significa comunque cambiare completamente l’aria dell’abitacolo 50 volte in un’ora.

Probabilmente, però, la cosa funzionerebbe davvero bene solo se la presa d’aria fosse vicino al tettuccio, piuttosto che vicino ai piedi, perchè è lì che si accumula il calore, sia perchè sale verso l’alto, sia perchè “subito dietro” c’è il sole che batte.

Forse la cosa migliore da fare sarebbe allora attaccare al finestrino una ventola aspirante trasversale tipo questa:

Con soli 3.6W riesce a spostare addirittura 187 m3/h. Però è un po’ grande (240mm*70mm*70mm), quindi forse si può anche optare per una versione più compatta – PMB1275PNB2-AY Ventilatore: DC; blower; 12VDC; 75x75x30mm; 20,91m3/h; 40,5dBA:

 

Evitare che l’aria raggiunga gli 80°C, o rimuoverla 1-2 ore prima di andare a prendere l’auto al parcheggio sostituendola con quella estenrna a 35°C, permetterebbe quindi di avere un abitacolo già “vivibile” da subito, e di abbassare la temperatura a livelli confortevoli (25°C) in meno tempo e/o usando meno potenza, quindi scaricando meno la batteria.

Un ulteriore contributo al comfort potrebbe sicuramente essere fornito dal raffrescamento del sedile, visto che stare in un abitacolo freddo ma seduti su un sedile a 80°C è comunque estremamente sgradevole.

Raffrescatori di sedili ne esistono di diversi tipi; normalmente usano l’aria ambientale così com’è, ma se si inviasse invece alla ventola aria pre-raffreddata, e accendendo anche la ventola del coprisedile prima di entrare in auto, permetterebbe di trovare all’arrivo non solo un abitacolo a temperatura decente, ma anche un sedile fresco.

Per raffrescare l’aria del sedile potrebbe bastare un piccolo raffreddatore a celle di peltier tipo questo, della potenza di 120W:

Le ventole in basso estraggono il calore, quella piccola in alto soffia aria gelida (può arrivare, a regime, a 0°C!) dalla cella di peltier. Quelle in basso ono ventole speciali ad alta dissipazione, che non si limitano a soffiare aria sulle lamelle, ma fanno anche circolare liquido nei tubi che vanno a una piastra che va attaccata al processore… o nel nostro caso alla cella di peltier:

 

Quei “tubi” di rame si chiamano “heatpipe”, e non richiedono una pompa per funzionare; all’interno contengono una piccola quantità di acqua distillata, o altro liquido, che a contatto con la parte calda evapora (assorbendo calore) e “invade” l’intero condotto; il vapore che viene a trovarsi dalla parte di heatpipe a contatto col dissipatore si raffredda (cedendo all’ambiente il calore estratto dall’oggetto da raffreddare) e si ricondensa in acqua, lasciando spazio ad altro vapore che viene attirato in quella zona dalla zona calda; l’acqua di condensa, invece, viene ritrasferita alla parte calda da un materiale poroso che riveste il tubo, per effetto di capillarità; una volta tornata nella zona calda, evapora di nuovo, e così via.

Dal momento che il sistema funziona per pressione e per capillarità, è indipendente dall’orientamento, cioè non è necessario che la parte da raffreddare sia in basso affinchè il calore vada in alto: il vapore invade infatti automaticamente l’intero volume, in qualunque posizione sia orientato l’heatpipe, e la capillarità funziona in qualunque direzione.

 

 


Altra ricerca utile:

Comprehensive Modeling of Vehicle Air Conditioning Loads Using Heat Balance Method – Mohammad Ali Fayazbakhsh and Majid Bahrami – Simon Fraser University – 2013

 

 

Appunti su aria condizionata termoelettrica per veicoli (TE-HVAC o TEAC)

Posted in auto elettriche, hardware by jumpjack on 30 dicembre 2018

Thermo-Electric Heating, Ventilation and Air Conditioning

  1. Experimental validation of the optimum design of automotive air-to-air thermoelectric air conditioner (TEAC) – Alaa Attar, HoSung Lee, Sean Weera
  2. “Vehicular Thermoelectric Applications Session – DEER 2009” – John W Fairbanks – Department of Energy – Vehicle Technologies – Washington, D.C. – August 5, 2009: “total cooling power required to cool the zone of a single occupant is around 630 W while 3.5 to 4.5 kW is needed to cool the entire cabin”
  3. Modeling a Thermoelectric HVAC System for Automobiles,” Journal of Electronic Materials, vol. 38, no. 7, pp. 1093-1097, 2009: “For ambient temperatures of 25°C and 30°C, the conventional auto HVAC system has cooling capacity of five times higher than the thermoelectric HVAC system at the same input power”
  4. Design and Analysis of a Thermoelectric HVAC System for Passenger Vehicles” SAE International, Vols. 2010-01-0807, 2010.”, D. C. D. a. L. J. Wang – Esperimento con 6 celle peltier da 48W l’una (tot 288W): temperatura dell’abitacolo abbassata a 7°C!
  5. Thermoelectric Air Cooling For Cars” – Manoj S. Raut, Dr.P. V. Walke  (grande quantità di dati numerici e formule)

Dalla ricerca 5:

  • Calore specifico aria a 30°C: 1007 J/KgK
  • Densità aria: 1.164 kg/m3
  • Volume abitacolo: 1m3 –> 1.164 kg
  • Temperatura interna: 23°C
  • Temperatura esterna: 30°C
  • Differenza temperatura: 7°C

Per abbassare di 7°C la temperatura dell’aria che esce da un “raffreddatore termoelettrico” di 0.0054128 cm2 di diametro alla velocità di 5 m/s (=0.027064 m3/s = 97 m3/h) servono 222W di “potenza raffreddante” (Qc):

P = m * C * DeltaT

  • m= massa d’aria per secondo = rho * volume/secondo = 1.164 * 0.0270640.031502496 [kg/s]
  • C = calore specifico aria
  • DeltaT = Differenza di temperatura ingresso/uscita

P = 0.031502496 * 1007 * 7 = 222 W

L’autore usa 6 celle di peltier “TEC1-12704” in “disposizione mista serie/parallelo”, ognuna con potenza raffreddante minima di 36W alimentata a  15.4V/4.1A/63.14W (quindi 1:1.75 circa), ma a 12V assorbe invece 3.2A/38.4W

 

Questi i grafici presi da alcune schede tecniche:

Schede tecniche: