Modellering och energioptimering av kylsystem i hybridfordon

This thesis is concerned with the modelling and power optimization of a vapor compression refrigeration system in a hybrid vehicle. The system consists of a compressor, a condenser, two expansion valves, an evaporator and a chiller. The achieved model describes the states of the system and the total power consumption of the components when the system is in balance, i.e. there is no time dependencies of the variables. The model is based on thermodynamic laws and properties together with empirical parameters which are estimated from given data of a refrigeration system. A comparison is made between the model and the given data, which shows good conformance. The model is optimized with respect to the system power consumption for different cooling demands at the evaporator and chiller, and the optimal solutions describes the values of system state variables and the control variables. Three different variations of the optimization problem have been examined, the first one simulates a stationary vehicle, the second one a moving vehicle and the third one simulates a stationary vehicle with fixed speed of the evaporator fan. It has also been tested what impact the ambient air and glycol temperatures has on the optimal solution. The results of the optimization problems shows that when increasing the demanded cooling power at the evaporator, both the compressor frequency and the evaporator air flow increases, but the air flow increases faster to its maxi-mum capacity since evaporator fan consumes less power than the compressor. When increasing the cooling demands of the chiller we see the same behavior, but when the evaporator cooling demands are much higher than the chiller’s, the compressor frequency are determined solely by the evaporator cooling demand. For the case of the moving vehicle, the air flow through the condenser is higher without requiring any power from the condenser fan. This results in a lower total power consumption, thanks to the zero condenser fan power and a reduced compressor power as a result of the lower condenser pressure. For the case when fixing the evaporator fan effect, the system produces an evaporator cooling power of a minimum 3 kW even though it is not demanded. Apart from that, the results looks similar to the normal case. The results also showed that the values of the ambient temperatures have a great impact on the optimal solutions.Detta arbete handlar om modellering och energioptimering av ett ångkompressions-kylsystem i ett hybridfordon. Systemet består av en kompressor, en kondensor, två strypventiler, en förångare och en kylare. Den genererade modellen beskriver systemtillstånden och komponenternas totala strömförbrukning när systemet är i jämvikt, vilket innebär att variablerna är tidsoberoende. Modellen är baserad på termodynamiska lagar och egenskaper tillsammans med empiriska parametrar som beräknas utifrån en given datamängd från ett kylsystem. En jämförelse görs mellan modellen och den givna datan, vilket visar på god överensstämmelse. Modellen optimeras med avseende på systemets energiförbrukning för olika begärda kyleffekter vid förångaren och kylaren, och de optimala lösningarna beskriver värdena för tillståndsvariablerna och kontrollvariablerna. Tre olika variationer av optimeringsproblemet har undersökts, den första simulerar ett stationärt fordon, det andra ett rörligt fordon och den tredje simulerar ett stationärt fordon där förångarensfläktens hastighet är fixerad. Det har också testats vilken inverkan temperaturen på omgivningsluften och glykolen har på den optimala lösningen. Resultaten av optimeringen visar att vid ökning av begärd kyleffekt vid förångaren ökar både kompressor-frekvensen och förångarenfläktens luftflöde, men förångarfläkten ökar snabbare till sin maximala kapacitet eftersom den förbrukar mindre energi än kompressorn. När den begärda kyleffekten vid kylaren ökar ser vi samma beteende, men i de fall då förångarens begärda kyleffekt är mycket högre än kylarens bestäms kompressorns frekvens endast av förångarens begärda kyleffekt. För fallet då vi har ett rörligt fordon är luftflödet genom kondensorn högre utan att någon energi behöver tillföras till kondensorfläkten. Detta resulterar i en lägre total effektförbrukning, dels tack vare att kondensorfläkten inte drar någon energi, och dels tack vare en reducerad kompressorkraft som är en följd av det lägre kondensortrycket. Vid fallet då vi fixerar förångarfläktseffekten producerar systemet alltid en förångarekylningseffekt på minst 3 kW, trots att den inte krävs. I övrigt ser resultaten ut som det normala fallet. Resultaten visade också att värdena på de omgivande luft- och glykoltemperaturerna har stor inverkan på de optimala lösningarna