Real time model development and validation of a tank combined with auxiliary plate heat exchanger

The simulation Hardware in the Loop allows to test components in an economic and easily repeatable mode. In particular, this technique interfaces a real component, that is the subject of a test, with a virtual system, called avatar, that 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 simulation is the execution of Real Time simulations, that are simulations where the virtual execution system time corresponds to the time of evolution of the physical system. In this work, that arises as a continuation of a path that began in 2009, the target is to improve and validate a model of a system made by a storage tank and its auxiliary plate heat exchanger 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 heat all the volume of the tank simultaneously or to heat only the top part of it. The numerical model was made in Matlab language, integrated through LabVIEW in order to achieve a Real Time software. The software can interact with the real system and can virtually simulate, using the numeric model, the tank-auxiliary heat exchanger system’s variables, making possible the validation of the model. Validation consists in comparing output real values with the ones calculated by the model while changing input values of temperatures and water flows. After the experimental acquisition it will be possible to check and improve the model that can simulate the real behavior of the system. A possible future improvement could be a control logic in order to optimize the energy consumption.

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 riscaldare il liquido contenuto nell’accumulo oppure di riscaldarne solo la parte superiore in base alla necessità. Il modello numerico è stato programmato in linguaggio MatLab, integrato attraverso LabVIEW, per ottenere un software Real Time. Il software può interagire con il sistema reale e può virtualmente simulare, utilizzando il modello numerico, le variabili del sistema di accumulo di calore del serbatoio ausiliario, rendendo possibile la validazione del modello. La validazione consiste nel confrontare i valori reali di output con quelli calcolati dal modello mentre si cambiano i valori di input di temperature e flussi d'acqua. Dopo l'acquisizione sperimentale sarà possibile verificare e migliorare il modello in grado di simulare il comportamento reale del sistema. Un possibile miglioramento futuro potrebbe essere una logica di controllo per ottimizzare il consumo di energia.