Modular simulation of thermal systems

Resumo

La simulació numèrica juga un paper important en el disseny, desenvolupament i optimització dels sistemes tèrmics. Els sistemes tèrmics contenen diferents elements i dintre de cada un dels elements poden succeir diferents processos físics. A més a més, aquests elements interaccionen entre ells i amb el seu entorn de diferents maneres. Per tant, cada element d'un sistema tèrmic necessita un tractament especial des del punt de vista físic i matemàtic. L'ús d'un codi modular on cada mòdul és un element del sistema per a simular tot el sistema tèrmic permet diferents nivells de modelització per a cada element depenent de la precisió desitjada i tenir diferents models per cadascun dels elements. Si els elements només interaccionen a través de condicions de contorn, es pot modelar cada element de forma independent i el codi ofereix flexibilitat a l'hora de simular diferents configuracions dels elements que constitueixen el sistema tèrmic. Un codi modular orientat a objectes també és fàcil de mantenir, reutilitzable i pràctic a l'hora de trobar errors. En aquesta tesi s'ha aplicat una metodologia modular per a la simulació tèrmica de compressors i edificis. En els dos casos, el sistema tèrmic (compressor o edifici) és el conjunt d'elements bàsics que estan programats d'una forma general i que interaccionen entre ells a través de la informació de frontera. Com que un sistema està construït amb els elements bàsics no cal programar sistemes sencers i per tant es pot simular noves configuracions de compressors i edificis afegint o traient els elements necessaris. El codi de compressors simula compressors hermètics de pistó que es fan servir per la refrigeració domèstica i comercial. S'han fet simulacions amb diferents configuracions i refrigerants (tetrafluoroetà R134a, isobutà R600a i diòxid de carboni R744). Els resultats numèrics, han estat comparats amb dades experimentals i s'han presentat alguns casos de compressió de doble etapa. El codi d'edificis simula un edifici tenint en compte la informació meteorològica, l'intercanvi de calor amb l'ambient (a través de les parets, les finestres i el sostre), la transferència de calor a través de la terra, la radiació tèrmica entre habitacions, la infiltració d'aire i l'escalfament i la refrigeració de les habitacions depenent dels valors de la temperatura prefixats per l'usuari. S'ha fet una simulació tèrmica d'una casa pel càlcul de la càrrega tèrmica necessària durant l'any. S'ha fet també, una comparació entre parets de totxo i parets prefabricades. Al final, s'ha presentat una simulació LES (Large Eddy Simulation) del moviment turbulent de l'aire en una casa de dimensions reals.