Optimering af bygningens klimaanlæg med simulering
Ventilatorer er flowmaskiner. Ventilatorer, der er optimeret i henhold til aerodynamiske kriterier, leverer pålideligt de ønskede luftstrømme på det relevante driftspunkt og er energieffektive og støjsvage i drift. Men installationssituationen spiller også en vigtig rolle. En ventilator, der er installeret i applikationen, er ofte ikke så støjsvag som håbet eller mindre effektiv end specifikationerne i databladet, fordi interaktioner mellem ventilatoren og kundeenheden har indflydelse på flowvariablerne. Simulation kan hjælpe her. en ventilators opførsel i den specifikke applikation kan beregnes præcist og visualiseres med CFD (Computational Fluid Dynamics).
Hos motor- og ventilatorproducenten ebm-papst er avancerede numeriske simuleringsværktøjer til beregning af fluidmekanik en del af den daglige udvikling. I mange år har virksomhedens ingeniører arbejdet på at udvikle deres ventilatorer ved hjælp af kraftfulde CFD-værktøjer, ikke kun til optimering af komplekse ventilator-geometrier, men også til motor- eller elektronikkølekoncepter eller i forbindelse med akustisk test for støjegenskaber. Kunderne kan også drage fordel af denne omfattende knowhow, hvis de søger hjælp til den aerodynamiske udvikling af deres egne slutenheder, hvor ebm-papst-ventilatorer skal bruges.
RadiCal 2: Stor luftstrøm og støjsvag drift
RadiCal 2-serien viser, hvordan aerodynamiske optimeringer af denne slags har indflydelse i praksis. De kompakte centrifugalventilatorer er designet til at levere store luftstrømme ved lavt modtryk, samtidig med at de arbejder så effektivt og støjsvagt som muligt (fig. 1). Flere designdetaljer bidrager til dette, hvilket gør det muligt at opnå en “viklet” bladgeometri, der hjælper med at øge effektiviteten og reducere støjen betydeligt. Ikke kun bladformen, men også profilen af indløbs- og udløbskanterne er blevet revideret. Dette forbedrer strømningsadfærden og øger samtidig styrken af ventilatorhjulet, som er lavet af modstandsdygtig plast.
Fig1.
Den bølgede dækplade forbedrer også de aerodynamiske egenskaber og dermed luftydelsen. Med centrifugalmodulet, dvs. husboksen, øger de skrå stivere luftydelsen yderligere. Stivernes aksiale højde vælges for at udfylde tilbagestrømningsområderne bedst muligt. Der er også en forstørret indsugningsdiameter, som sikrer en større luftgennemstrømning gennem ventilatorhjulet.
Det optimerede FlowGrid-luftindtagsgitter hjælper også med at forhindre støj. Sammenlignet med den tidligere serieversion er både forstyrrelsen på indsugningssiden og selve ventilatoren mere støjsvag, med mindst mellem 1 og 3 dB(A). Da rotorområdet havde stor indflydelse på støjen, fik luftindtagsgitteret også en hætte over motorområdet. Dette gør det muligt at reducere den forstyrrende støj, der passerer især vinger i det lavere frekvensområde, betydeligt. Med hensyn til miljøfaktoren “støj” opfylder ventilatorerne derfor de strengeste krav.
Luftføringsmoduler for større effektivitet
Centrifugalventilatorerne i RadiPac-produktserien er designet og konstrueret specielt til brug i klimaanlæg og tilsvarende luftenheder og er løbende blevet forbedret i løbet af de sidste par år. Højere hastigheder sikrer større luftstrøm og højere tryk, hvilket betyder, at selv applikationer med mere end 2000 Pa statisk trykstigning kan dækkes. (Fig. 2) Derudover er støjgenereringen faldet yderligere; Afhængigt af driftspunktet reduceres støjniveauet med mellem 3 og 7 dB(A) i forhold til forgængerserien.
Fig 2: Ny RadiPac-produktserie: Forøgelse af effekttætheden i forhold til forgængerserien
Specielle luftføringsmoduler øger effektiviteten igen med op til fem procent (fig. 3). Dette opnås ved at reducere udøbstabene. Til dette formål har ebm-papst udviklet et hus til RadiPac, der består af fire segmenter. Modulsegmenterne er lavet af galvaniseret stålplade og har en aerodynamisk form. Denne specielle form bremser flowet, hvilket reducerer den dynamiske trykkomponent og øger den anvendelige statiske trykkomponent (fig. 4). På samme driftspunkt kan ventilatorerne køre med en lavere hastighed, hvilket igen har et lavere energiforbrug og lavere støjemissioner. RadiPac C Perform har nøjagtig det samme monteringshulmønster som industristandarden, hvilket gør det nemt at skifte.
Fig 3: I RadiPac C Perform centrifugalventilatoren reducerer det firedelte luftguidemodul udblæsningstab, hvilket øger effektiviteten med op til 5 procentpoint. Det var også muligt at bevare det gennemprøvede støttebeslag.
Fig 4: Designforanstaltningerne reducerer den dynamiske trykkomponent og øger den anvendelige statiske trykkomponent.
Med CFD-simulering for optimal blæserudnyttelse
For at sikre, at ventilatorerne virkelig udnytter deres styrker, bør der ikke forekomme ugunstige interaktioner efter installation i ventilations- og klimaanlæg. Derfor er det tilrådeligt at simulere installationssituationen for aerodynamik i de tidlige udviklingsfaser af en kundeenhed. Ventilatorens energiforbrug og lyd afhænger af, hvordan huset fremmer luftstrømmen, om det trækkes aksialt ind forfra, centrifugalt fra alle sider eller på den ene side. I dårlige tilfælde kan disse forhold fordoble strømforbruget eller halvere effektiviteten og kan øge støjniveauet betydeligt. CFD hjælper med at forstå de aerodynamiske forhold i enheden (fig. 5).
Før simuleringen begynder, skal målet først defineres og et par spørgsmål besvares. Skal luft strømme gennem en varmeveksler så jævnt som muligt? Er det meningen, at simuleringen skal detektere tryktab? Ønsker kunden at foretage en generel kontrol af valget af ventilator? Skal den enhed, som ventilatoren fungerer i, være så støjsvag som muligt? Når målet er afklaret, danner 3D CAD-dataene og det forventede driftspunkt (tryk, luftstrøm, hastighed) for ventilatoren grundlaget for simulering.
Fig. 5: Visualisering af luftstrøm gennem et ventilationsanlæg. (Grafik | ebm-papst)
Derudover er der også karakteristiske kurver fra filtre, varmevekslere eller beskyttelsesgitter installeret i enheden, for eksempel. Data ryddes op og unødvendige detaljer fjernes. Derefter forberedes simuleringen, hvilket betyder, at visse randbetingelser specificeres, og geometrierne forbindes i netværk. Gitterstrukturen deler det rum, som luften passerer igennem, i mange individuelle celler, som danner grundlag for den matematiske beregning. Simuleringerne kører derefter på højtydende computere.
Praktiske eksempler: Udnyttelse af potentiale for optimering
Ved hjælp af simuleringsresultaterne estimerer ingeniørerne derefter potentialet for optimering og udvikler konkrete forslag til forbedringer. En kunde udviklede f.eks. en luftrensningsanordning, hvor ventilatoren skulle bruges til at skubbe luft ud. Simuleringen viste dog betydelig turbulens (fig. 6), hvilket øgede strømforbruget ved driftspunktet. At bruge ventilatoren til at trække luft ind, dvs. ændre dens installationsposition, viste sig at være nyttigt her. Luftstrømmen er nu meget ensartet, strømforbruget er reduceret, og der er også en positiv effekt på driftsstøjen. Med et klimaanlæg til loftmontering viste simuleringen, at det er fordelagtigt at bruge en centrifugalventilator i stedet for den sædvanlige aksialventilator.
Dette var i første omgang kontraintuitivt, da enhedens arbejdspunkt indikerede, at en aksial panelventilator ville være det bedste valg. Men ved at skifte til en stor centrifugalventilator blev det muligt at designe en luftkanal i henhold til centrifugalhjulets design, hvilket betød, at der ikke var behov for yderligere afbøjning af luften. Dette afspejles i en strømbesparelse på over 70 % med en reduktion i lydeffektniveauet med 20 dB(A). Omfanget af tryktabene forårsaget af luftens afbøjning mod sideudløbet blev tidligere altid alvorligt undervurderet.
Find og udnyt potentialet med CFD
Fig. 6: I en luftrensningsenhed kan luftstrømmen forbedres betydeligt ved at ændre ventilatorens installationsposition. Strømforbruget faldt, og enheden fungerer mere støjsvagt.
Et andet eksempel: Ved at bruge simuleringsresultatet igen kan effektiviteten af en varmepumpe forbedres betydeligt. Takket være geometriske ændringer faldt tryktabene i enheden med i alt 17 procent. De enkelte underområder i enheden blev vurderet separat, og produktdesignet blev tilpasset derefter. Brugeren har også draget fordel af de muligheder, der tilbydes af CFD-simulering.
Disse eksempler viser, at det er umagen værd for producenter af slutudstyr at stole på numerisk flowsimulering og anvende disse på et tidligt udviklingsstadium for at undgå efterfølgende revisionsomkostninger. ebm-papst understøtter dette med sin mangeårige CFD-erfaring og tilbyder sådanne evalueringer og beregninger for at sikre, at ventilatorerne fungerer så effektivt som muligt i applikationen. Selv små optimeringer af installationssituationen kan reducere tryktab, øge effektiviteten eller minimere støj.
