Efficient dynamic modeling of tumble dryer drums

The purpose of this thesis is to model a drum of a residential tumble dryer. This system-level model is intended for future simulation-based optimisation studies. Dryers are widespread machines in both industrial and residential settings. Their goal is to dry fabric stored inside the drum in a more rapid way than exposing it outdoor, and they are particularly necessary when space is an issue. As almost every other household appliance, they need electricity to work. Hence, their energy efficiency is vital to save money: the higher the efficiency, the more appealing the dryer is to the costumer. Electricity is mostly used to heat up the airflow used to evaporate water. Two strictly interconnected sub-systems can be identified in a tumble dryer: the air circuit and the drum where wet clothes lie. Control policies tend to concentrate on other components than the drum, especially on the mechanism that increases the airflow's temperature. Though, a correct representation of the drum is clearly fundamental for properly simulating the entire machine: it is here that evaporation occurs. Hence, properly designing an efficient tumble dryer requires a correct drum model to simulate. Therefore, it is fundamental that the drum model is: - computationally efficient; - capable of representing operation variability with as few parameters as possible. The thesis aims to offer the following contributions: - to propose a unified model of the drum, based on the analysis of past literature; - an efficient representation of the drying process, based on the fabric remaining moisture content, without the parameter called "water activity". Different simulations have been carried out to achieve the above-mentioned objectives. Simulation results are reported to illustrate the effectiveness of the models, as well as the good representation of the variability of drying processes, through the variation of a parameter. The proposed models are finally used to set up a proof-of-concept mechanism to detect the end of a drying process, by confronting the actual end and an approximated one. The former can be retrieved through the model only, whereas the second can be obtained by a temperature sensor located at the exit of the drum, where exhaust air flows out.

L'obiettivo di questa tesi è modellare il cestello di una asciugatrice ad uso domestico. Questo modello di sistema dovrà essere utilizzato per studi di ottimizzazione basati su simulazioni. Le asciugatrici sono macchine molto comuni sia in ambito industriale che familiare. Il loro obiettivo è quello di asciugare il contenuto del cestello più rapidamente rispetto a un'asciugatura naturale all'aria aperta e sono particolarmente necessarie nei casi in cui lo spazio dove fare asciugare i panni sia ristretto. Come quasi tutti gli elettrodomestici, le asciugatrici hanno bisogno di elettricità per funzionare; perciò la loro efficienza energetica è di vitale importanza per risparmiare: più un'asciugatrice è efficiente, più essa è accattivante agli occhi del consumatore. L'elettricità è perlopiù utilizzata per scaldare il flusso d'aria che fa poi evaporare l'acqua. Due sotto sistemi, fortemente collegati l'un l'altro, possono essere identificati in un'asciugatrice: il circuito d'aria e il cestello dove vengono collocati i panni. Le politiche di controllo tendono a concentrarsi sul meccanismo che aumenta la temperatura dell'aria. Eppure, una corretta rappresentazione del cestello è chiaramente fondamentale per simulare l'intera macchina: è qui che avviene l'evaporazione. Per questo, progettare un'asciugatrice efficiente richiede un modello corretto del cestello da simulare. È fondamentale che il modello del cestello sia: - computazionalmente efficiente; - capace di rappresentare la variabilità operazionale con meno parametri possibili. La tesi si prefigge l'obiettivo di offrire i seguenti contributi: - proporre un modello unificato del cestello, basato sull'analisi della letteratura passata; - una rappresentazione efficiente del processo di asciugatura, basato sull'umidità rimanente all'interno dei panni, senza il parametro conosciuto come "attività dell'acqua". Diverse simulazioni sono state fatte per raggiungere gli obiettivi elencati sopra. I risultati delle simulazioni sono riportati nella tesi per illustrare l'efficacia dei modelli del cestello e la corretta rappresentazione della variabilità del processo di asciugatura, ottenuta tramite la variazione di un parametro. I modelli proposti sono infine utilizzati per un prototipo di meccanismo dedicato al riconoscimento della fine dell'asciugatura, tramite il confronto del tempo realmente richiesto e di quello stimato: il primo è ottenibile attraverso il modello, mentre il secondo può essere ottenuto tramite un sensore posto all'uscita del cestello, dove l'aria esausta viene fatta defluire.