Nuovo modello migliora simulazione compressori auto elettriche
Nell’era della mobilità elettrica, dove l’efficienza energetica e il comfort termico sono parametri chiave per la competitività dei veicoli, la gestione termica dei sistemi di climatizzazione rappresenta una delle sfide più complesse per gli ingegneri automobilistici. A differenza dei veicoli a combustione interna, che possono sfruttare il calore residuo del motore per riscaldare l’abitacolo, le auto elettriche (EV) dipendono interamente da pompe di calore elettriche. Questo impone un carico significativo sulla batteria, specialmente in condizioni di freddo estremo, dove la richiesta di riscaldamento può ridurre l’autonomia fino al 40%. Per affrontare questa criticità, la tecnologia dei compressori scroll con iniezione di vapore, o “vapor injection”, si è imposta come una soluzione di punta, in grado di aumentare la capacità di riscaldamento e ridurre la temperatura di scarico del compressore, migliorando così l’efficienza e la durata del componente.
Tuttavia, la progettazione e l’ottimizzazione di questi compressori sono state storicamente ostacolate da un problema fondamentale: i modelli di simulazione termodinamica tradizionalmente utilizzati sono spesso troppo semplificati per rappresentare con precisione il comportamento reale in condizioni operative. Un team di ricerca della University of Shanghai for Science and Technology, in collaborazione con esperti dell’Institute of Shanghai Investigation Design & Research e dell’Istituto di Ricerca Antincendio di Shanghai, ha compiuto un passo decisivo in avanti. In uno studio pubblicato sulla prestigiosa rivista Fluid Machinery, Hu Jiayun, Miao Yanming, Tan Mingfei, Zhang Bin, Li Chao, He Qize, Wang Jiayun e Li Kang hanno presentato un nuovo modello di simulazione unidimensionale che, per la prima volta, integra in modo esaustivo due fenomeni fisici cruciali e spesso trascurati: le perdite interne (leakage) e il trasferimento di calore.
La maggior parte dei modelli ingegneristici si basa sull’assunzione di un processo di compressione isentropico, ovvero ideale, reversibile e senza scambi di calore con l’ambiente. Questo approccio, pur essendo matematicamente conveniente, ignora la realtà operativa. In un compressore scroll, tra la spirale fissa e quella orbitante esistono inevitabili microscopiche fessure, create per consentire il movimento e l’espansione termica. Queste fessure creano percorsi di fuga per il refrigerante, che passa dalle camere ad alta pressione a quelle a bassa pressione, riducendo il flusso massico effettivo e, di conseguenza, la capacità di riscaldamento e l’efficienza volumetrica. Parallelamente, durante il ciclo di compressione, il gas si riscalda e trasferisce calore alle pareti metalliche più fredde del compressore. Questo scambio termico raffredda il gas durante la compressione, alterando il suo percorso termodinamico e influenzando direttamente la temperatura finale di scarico. Ignorare questi due effetti porta a previsioni irrealistiche: i modelli isentropici tendono a sovrastimare la capacità di riscaldamento e il coefficiente di prestazione (COP), mentre sottostimano pericolosamente la temperatura di scarico, rischiando di compromettere la sicurezza e la longevità del compressore.
Il modello sviluppato dal team guidato da Li Kang, professore associato presso la School of Energy and Power Engineering, affronta direttamente queste lacune. Il loro approccio unidimensionale suddivide il ciclo di compressione in piccoli incrementi angolari, seguendo la rotazione dell’albero principale. Per ogni incremento, il modello esegue un bilancio di massa e di energia per ogni camera di lavoro attiva. Il bilancio di massa tiene conto non solo del refrigerante che entra dal lato di aspirazione, ma anche del flusso aggiuntivo introdotto attraverso i fori di iniezione di vapore e, crucialmente, della massa persa a causa delle fughe interne attraverso le fessure assiali e radiali. Il calcolo delle fughe è basato su principi di flusso attraverso un orifizio, distinguendo tra flusso bloccato (sonico) e subsonico in base al rapporto di pressione tra le camere adiacenti, fornendo così una stima dinamica e realistica della perdita di massa.
Contemporaneamente, il modello integra il trasferimento di calore utilizzando un coefficiente di scambio termico convettivo, derivato da correlazioni empiriche per scambiatori di calore. Questo coefficiente consente di calcolare il tasso di scambio termico tra il refrigerante e le pareti dello scroll. L’energia persa o guadagnata in questo modo viene aggiunta al bilancio di energia, influenzando direttamente la temperatura e l’entalpia del gas in ogni fase del ciclo. Questa combinazione di conservazione della massa e dell’energia, calcolata in modo dinamico, permette di simulare il processo di compressione con un livello di realismo mai raggiunto dai modelli isentropici.
Per validare la precisione del loro modello, i ricercatori hanno progettato e costruito un banco prova altamente specializzato basato sul metodo del calorimetro a refrigerante secondario, considerato lo standard di riferimento per la misurazione delle prestazioni dei compressori. L’oggetto dello studio è stato un compressore scroll a profilo corto con iniezione di vapore, specificatamente progettato per applicazioni automobilistiche, con una cilindrata di 38 cm³/giro. Il compressore è dotato di due coppie di fori di iniezione circolari, posizionati simmetricamente sulla piastra di copertura della spirale fissa.
I test sono stati condotti in condizioni di riscaldamento nominale in inverno, in conformità alla norma GB/T 22068—2018, con una temperatura di evaporazione di -15 °C e una temperatura di condensazione di 35 °C, rappresentando uno scenario di grande stress per la pompa di calore. I test sono stati eseguiti a due velocità del compressore: 5.000 e 6.000 giri/min, e con cinque diverse pressioni di iniezione, inclusa una condizione senza iniezione. Il refrigerante utilizzato è stato R134a, comune nei sistemi automobilistici, con il lubrificante FVC68D.
I risultati della simulazione sono stati confrontati in modo esaustivo con i dati sperimentali raccolti sul banco prova. La concordanza è stata straordinaria. Per tutti i parametri chiave – flusso massico totale di refrigerante, potenza del compressore, COP di riscaldamento, capacità di riscaldamento e temperatura di scarico – l’errore massimo tra il modello proposto e i dati sperimentali è rimasto al di sotto dell’8%. A 5.000 giri/min, l’errore per la capacità di riscaldamento è stato del solo 4,3% e per la temperatura di scarico di un eccezionale 2,1%. Anche a 6.000 giri/min, dove gli effetti dinamici sono più marcati, gli errori non hanno superato il 6,1% per la capacità di riscaldamento e il 2,8% per la temperatura di scarico.
Questo livello di precisione è un balzo qualitativo rispetto al modello isentropico tradizionale. Quando le stesse condizioni di prova sono state simulate con il modello isentropico, gli errori sono arrivati fino al 20%. Il modello isentropico, non considerando né le fughe né lo scambio termico, prevede un flusso massico di refrigerante eccessivamente alto, portando a una sovrastima della capacità di riscaldamento e del COP, e a una sottostima pericolosa della temperatura di scarico. Questa discrepanza non è solo un problema accademico; può portare a decisioni di progettazione costose, come dimensionare in modo inadeguato il sistema di raffreddamento del compressore, con il rischio di guasti prematuri sul campo.
Lo studio ha inoltre rivelato scoperte operative di grande rilevanza. Una delle più interessanti è l’osservazione che l’aumento della pressione di iniezione non riduce sempre la temperatura di scarico. In certi punti, quando la pressione (e quindi la temperatura) del refrigerante iniettato è più alta della temperatura del gas parzialmente compresso nella camera al momento dell’iniezione, il refrigerante iniettato non raffredda il gas, ma lo riscalda. Questo effetto di ricarica spiega perché la temperatura di scarico possa aumentare nuovamente a pressioni di iniezione molto elevate, un fenomeno che deve essere gestito con attenzione dagli algoritmi di controllo del veicolo.
Inoltre, il modello ha dimostrato di essere in grado di catturare l’influenza della velocità del compressore. A velocità più elevate, il tempo di permanenza del gas in ogni camera diminuisce, riducendo l’opportunità di scambio termico con le pareti. Questo rende il processo più adiabatico, tendendo ad aumentare la temperatura di scarico. Tuttavia, velocità più elevate generano anche gradienti di pressione più alti, che aumentano le velocità di fuga, un effetto che tende a ridurre il flusso massico effettivo e, quindi, la capacità di riscaldamento. Il modello unidimensionale proposto bilancia con successo questi effetti opposti, fornendo una previsione coerente e realistica.
Le implicazioni di questo lavoro per l’industria automobilistica sono profonde. Un modello di simulazione così preciso agisce come un acceleratore per lo sviluppo di nuovi prodotti. Gli ingegneri dei sistemi termici possono ora esplorare virtualmente un’ampia gamma di design di compressori, posizioni dei fori di iniezione, profili delle spirali e strategie di controllo, il tutto senza la necessità di costruire numerosi prototipi fisici. Ciò riduce drasticamente i tempi di sviluppo e i costi associati, consentendo un’ottimizzazione più profonda del sistema. Per esempio, il modello può essere utilizzato per determinare il momento ottimale di apertura della valvola di iniezione o per progettare geometrie dei fori che minimizzino le perdite di carico.
La capacità di prevedere con precisione la temperatura di scarico è essenziale per garantire la sicurezza e la durabilità. Temperature eccessive possono degradare il lubrificante, provocare la decomposizione del refrigerante e causare danni meccanici per dilatazione termica. Con questo modello, i produttori possono simulare scenari di peggior caso e progettare sistemi di gestione termica passiva e attiva più robusti, assicurando che il compressore operi entro i suoi limiti di temperatura sicuri in tutte le condizioni.
In ultima analisi, questa ricerca contribuisce direttamente all’obiettivo finale dei veicoli elettrici: massimizzare l’autonomia e il comfort dell’utente. Una pompa di calore più efficiente consuma meno energia dalla batteria per riscaldare l’abitacolo. Ciò si traduce direttamente in più chilometri di autonomia, specialmente in climi freddi, riducendo l’ansia da autonomia e migliorando l’esperienza del conducente. Il lavoro di Hu Jiayun e dei suoi colleghi non è solo un avanzamento tecnico; è un passo concreto verso veicoli elettrici che siano veramente praticabili in tutti i tipi di ambienti climatici.
Hu Jiayun, Miao Yanming, Tan Mingfei, Zhang Bin, Li Chao, He Qize, Wang Jiayun, Li Kang. Thermodynamic study of vapor injection scroll compressors for electric vehicles considering internal leakage and heat transfer. Fluid Machinery, 2024, 52(11): 97-104. doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2024.11.013