The simulation technique Hardware in the Loop is a technique that allows to test components in an economic and easily repeatable mode. In particular, this technique interfaces a real component, which is the subject of a test, with a virtual system, called avatar, which replicates the environment where the real component typically operates. It is therefore necessary to develop a numerical model that reproduces the conditions of the real system. A feature of the Hardware in the Loop technique is the execution of Real Time simulations, which are simulations where the virtual execution system time corresponding to the time of evolution of the physical system. In this work, which arises as a continuation of a path that began in 2009, the target is to improve and validate a model of an auxiliary plate heat exchanger, which is connected to a storage tank of a solar thermal system. The aim of the heat exchanger installed is to emulate the behavior of a boiler or a heat pump and it allows to recreate a fully mixed situation inside the tank or heat only the top of it. At first a setup operation was done on the system with the auxiliary heat exchanger and then some tests were performed to study thermal dynamics inside the storage tank in different operating conditions between the heat exchanger and the storage. Tests are useful also to create an experimental documentation that will allow to improve, check and validate a model that can simulate the tank’s real behavior, when it works paired the heat exchanger. After that, it has been realized a software using LabVIEW, that can interact with the real system and can virtually simulate, using a numeric model, the auxiliary heat exchanger’s behavior. In this way it was possible to validate the heat exchanger’s model: changing the input values of temperature and water flow was possible to compare output real values with the ones calculated by the model. This work will be able to perform Real Time simulations of the entire system and will allow to improve a control logic to optimize the energy consumptions.

La tecnica di simulazione Hardware in the Loop è una tecnica con cui è possibile testare dei componenti in una modalità economica e facilmente ripetibile. In particolare, consiste nell’interfacciare un componente reale, soggetto a test, con un sistema virtuale, detto avatar, che replica l’ambiente nel quale il componente reale solitamente opera. E’ quindi necessario sviluppare un modello numerico che riproduca il funzionamento del sistema reale. Una caratteristica dell’Hardware in the Loop è l’esecuzione di simulazioni in Real Time, ovvero simulazioni per le quali il tempo di esecuzione del sistema virtuale corrisponde al tempo di evoluzione del sistema fisico. In questo lavoro, che si pone come proseguimento di un percorso iniziato nel 2009, ci si pone l’obbiettivo di migliorare e validare il modello di uno scambiatore di calore a piastre ausiliario che si interfaccia all’accumulo di un impianto solare termico. Lo scambiatore installato ha il fine di emulare il comportamento di una caldaia o di una pompa di calore ed è in grado di miscelare completamente il liquido contenuto nell’accumulo oppure di riscaldarne solo la parte superiore in base alla necessità. Inizialmente è stata eseguita un’operazione di setup sulla parte di impianto di recente costruzione dedicata allo scambiatore di calore ausiliario; una volta effettuata tale fase si è proceduto a effettuare una serie di test mirati a studiare le dinamiche termiche registrate all’interno dell’accumulo nelle diverse tipologie di condizioni operative del sistema accoppiato accumulo-scambiatore di calore ausiliario. Inoltre i test sono serviti anche a creare una documentazione sperimentale, che permetterà di implementare, verificare e validare un modello in grado di simulare fedelmente il comportamento dell’accumulo anche nelle condizioni in cui si trovi a lavorare con lo scambiatore a piastre ausiliario. Il lavoro è proseguito con l’implementazione di un’applicazione in linguaggio LabVIEW in grado di interagire con l’impianto e simulare virtualmente, tramite un modello numerico, il comportamento dello scambiatore di calore ausiliario. In questo modo è stato possibile effettuare la validazione del modello dello scambiatore a piastre ausiliario: effettuando dei test a diversi valori di temperatura e portata in ingresso allo scambiatore ausiliario è stato possibile confrontare i valori reali delle temperature in uscita dal componente misurati dalle sonde con quelli calcolati dal modello e verificare la bontà di quest’ultimo. Questo lavoro consentirà in futuro di poter effettuare delle simulazioni Real Time sull’intero impianto e permetterà di implementare delle soluzioni di controllo predittivo sia in un ambiente virtuale che su un eventuale componente reale installato presente in laboratorio.

Validazione del modello real time di uno scambiatore a piastre di un accumulo per sistemi solari

ROTASPERTI, ALESSANDRO
2016/2017

Abstract

The simulation technique Hardware in the Loop is a technique that allows to test components in an economic and easily repeatable mode. In particular, this technique interfaces a real component, which is the subject of a test, with a virtual system, called avatar, which replicates the environment where the real component typically operates. It is therefore necessary to develop a numerical model that reproduces the conditions of the real system. A feature of the Hardware in the Loop technique is the execution of Real Time simulations, which are simulations where the virtual execution system time corresponding to the time of evolution of the physical system. In this work, which arises as a continuation of a path that began in 2009, the target is to improve and validate a model of an auxiliary plate heat exchanger, which is connected to a storage tank of a solar thermal system. The aim of the heat exchanger installed is to emulate the behavior of a boiler or a heat pump and it allows to recreate a fully mixed situation inside the tank or heat only the top of it. At first a setup operation was done on the system with the auxiliary heat exchanger and then some tests were performed to study thermal dynamics inside the storage tank in different operating conditions between the heat exchanger and the storage. Tests are useful also to create an experimental documentation that will allow to improve, check and validate a model that can simulate the tank’s real behavior, when it works paired the heat exchanger. After that, it has been realized a software using LabVIEW, that can interact with the real system and can virtually simulate, using a numeric model, the auxiliary heat exchanger’s behavior. In this way it was possible to validate the heat exchanger’s model: changing the input values of temperature and water flow was possible to compare output real values with the ones calculated by the model. This work will be able to perform Real Time simulations of the entire system and will allow to improve a control logic to optimize the energy consumptions.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
28-apr-2017
2016/2017
La tecnica di simulazione Hardware in the Loop è una tecnica con cui è possibile testare dei componenti in una modalità economica e facilmente ripetibile. In particolare, consiste nell’interfacciare un componente reale, soggetto a test, con un sistema virtuale, detto avatar, che replica l’ambiente nel quale il componente reale solitamente opera. E’ quindi necessario sviluppare un modello numerico che riproduca il funzionamento del sistema reale. Una caratteristica dell’Hardware in the Loop è l’esecuzione di simulazioni in Real Time, ovvero simulazioni per le quali il tempo di esecuzione del sistema virtuale corrisponde al tempo di evoluzione del sistema fisico. In questo lavoro, che si pone come proseguimento di un percorso iniziato nel 2009, ci si pone l’obbiettivo di migliorare e validare il modello di uno scambiatore di calore a piastre ausiliario che si interfaccia all’accumulo di un impianto solare termico. Lo scambiatore installato ha il fine di emulare il comportamento di una caldaia o di una pompa di calore ed è in grado di miscelare completamente il liquido contenuto nell’accumulo oppure di riscaldarne solo la parte superiore in base alla necessità. Inizialmente è stata eseguita un’operazione di setup sulla parte di impianto di recente costruzione dedicata allo scambiatore di calore ausiliario; una volta effettuata tale fase si è proceduto a effettuare una serie di test mirati a studiare le dinamiche termiche registrate all’interno dell’accumulo nelle diverse tipologie di condizioni operative del sistema accoppiato accumulo-scambiatore di calore ausiliario. Inoltre i test sono serviti anche a creare una documentazione sperimentale, che permetterà di implementare, verificare e validare un modello in grado di simulare fedelmente il comportamento dell’accumulo anche nelle condizioni in cui si trovi a lavorare con lo scambiatore a piastre ausiliario. Il lavoro è proseguito con l’implementazione di un’applicazione in linguaggio LabVIEW in grado di interagire con l’impianto e simulare virtualmente, tramite un modello numerico, il comportamento dello scambiatore di calore ausiliario. In questo modo è stato possibile effettuare la validazione del modello dello scambiatore a piastre ausiliario: effettuando dei test a diversi valori di temperatura e portata in ingresso allo scambiatore ausiliario è stato possibile confrontare i valori reali delle temperature in uscita dal componente misurati dalle sonde con quelli calcolati dal modello e verificare la bontà di quest’ultimo. Questo lavoro consentirà in futuro di poter effettuare delle simulazioni Real Time sull’intero impianto e permetterà di implementare delle soluzioni di controllo predittivo sia in un ambiente virtuale che su un eventuale componente reale installato presente in laboratorio.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/133938