Energieeffizienz-Optimierung eines vorwärtsgekrümmten Axialventilators für eine Wärmepumpe

Heutzutage werden Klimaanlagen und Wärmepumpensysteme weltweit zur Temperaturregulierung eingesetzt. Wärmepumpen finden vor allem in kalten Klimazonen Verwendung (Xu et al., 2020Aufgrund des umfangreichen Einsatzes der dazugehörigen Ausrüstung haben sie zu einem enormen Energieverbrauch und erheblichen Treibhausgasemissionen geführt, gleichzeitig aber die Lebensqualität der Menschen verbessert (Xu et al., 2021Da die Klimaerwärmung und die Energieprobleme immer deutlicher in den Vordergrund rücken, messen die zuständigen Institutionen dem Thema Energie zunehmend Bedeutung bei und haben entsprechende Standards erlassen (STEUERUNGEN, KÜHLUNG).

Der Axialventilator ist die Hauptkomponente einer Klimaanlage und einer Wärmepumpenanlage. Durch die Verbesserung seiner Arbeitseffizienz kann der Energieverbrauch des Temperaturregelungssystems effektiv reduziert werden.Usman et al., 2017Gleichzeitig hat die aerodynamische Leistung einen großen Einfluss auf die Gesamtleistung der Klimaanlage und der Wärmepumpe und bestimmt den Komfort des Nutzers (Lim et al., 2020Gemäß der Wirbel-Schall-Theorie sind turbulente Wirbel der Hauptfaktor für das Lüftergeräusch. Daher beeinträchtigen die durch ungünstige Strömung im Inneren des Lüfters erzeugten turbulenten Wirbel die Effizienz des Lüfters erheblich. Schall ist somit eine Form der Energiedissipation, und die Optimierung des Lüftergeräuschs kann indirekt die Effizienz des Lüfters verbessern.Schram and Hirschberg, 2003Gleichzeitig beeinträchtigt übermäßiger Lärm das Benutzererlebnis. Um Energie effizienter zu nutzen, stellen die Konstrukteure daher höhere Anforderungen an die aerodynamische Leistung von Axialventilatoren und streben eine hohe Effizienz, geringe Geräuschentwicklung und einen hohen Volumenstrom an.Jung und Joo, 2019Da das Rotorblatt das wichtigste Antriebselement des Axialventilators ist, ist es von großer Bedeutung, die Machbarkeit einer Parameteroptimierung für die Verbesserung der Energieeffizienz einer Wärmepumpe zu untersuchen.

Verschiedene Wissenschaftler haben umfangreiche Forschungen zur Verbesserung der Leistung von Axialventilatoren durchgeführt.Xie et al. (2019)Wir haben den Einfluss verschiedener Vorwärtspfeilungswinkel auf die Leistungsparameter von Axialventilatoren anhand eines parametrisierten Modells untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der mittlere Luftdruck am Einlass und die Luftgeschwindigkeit mit zunehmendem Vorwärtspfeilungswinkel des Ventilators kontinuierlich ansteigen. Dabei wurde die NURBS-Parametrisierungsmethode (Non-Uniform Rational B-Spline) verwendet.Liu et al. (2019)Die Schaufelprofile von Axialventilatoren wurden modifiziert, und unter Teillastbedingungen konnte die aerodynamische Leistung des Axialventilators deutlich verbessert werden. Dies wurde durch Experimente und numerische Simulationen nachgewiesen.Hurault et al. (2010)haben die Auswirkungen der Vorwärtspfeilung von Axialventilatoren auf die turbulente kinetische Energie des Strömungsfeldes untersucht, und die Pfeilung hat einen signifikanten Einfluss auf die turbulente kinetische Energie stromabwärts des Ventilators.Ding et al. (2019),Lin et al. (2014),Angelini et al. (2017),Lin et al. (2014),Angelini et al. (2017), UndDing et al. (2019)Des Weiteren wurde ein parametrisches Optimierungsdesign auf Basis der Bézierkurve für verschiedene Formen von Fluidmaschinen implementiert.Ye (2017)hat einen Unterwassergleiterflügeltyp auf Basis einer Agentenmodelltechnologie optimiert.

Im Gegenteil, es gibt viele Wissenschaftler im In- und Ausland, die Fluidmaschinen optimieren, indem sie das Agentenmodell und den Optimierungsalgorithmus nach Parametrisierung des Optimierungsziels kombinieren.Della Vecchia et al. (2014)Parsec wurde zur parametrisierten Charakterisierung eines Tragflügels verwendet, kombiniert mit genetischen Algorithmen (GAs) zur Optimierung des Designs, und so wurde ein Tragflügel mit guter aerodynamischer Leistung erzielt.Zhou et al. (2021)Mithilfe von Hicks-Henne-Bump-Funktionen wurde eine parametrisierte Charakterisierung der Schaufeln eines Mehrblatt-Radialventilators durchgeführt. Anschließend wurde das Kriging-Approximationsmodell mit NSGA-II kombiniert, um eine multikriterielle Optimierung der Schaufeln vorzunehmen. Nach der Optimierung konnte die aerodynamische Leistung der Schaufeln deutlich verbessert werden.Yang und Xiao (2014)Das Laufrad der Pumpe wurde parametrisiert und das RSM-Modell mit MGA kombiniert, um eine multikriterielle Optimierung des Laufraddesigns durchzuführen. Die hydraulische Leistung der Pumpe wurde nach der Optimierung deutlich verbessert.

Die zuvor genannten Studien umfassten Naben von langsam laufenden Axialventilatoren, die relativ klein sind und wenige Schaufeln aufweisen. Die Sehnenlänge, Dicke und der Anstellwinkel variieren bei verschiedenen Schaufelhöhen stark, sodass die Grenzschicht an der Wandoberfläche relativ dünn ist, was zu einer Ablösung der Strömung entlang der Schaufelvorderkante führt (Zhou et al., 2014Mit zunehmender Last kann die Leistungsfähigkeit der Schaufelspitze verbessert und somit der Wirkungsgrad des Lüfters gesteigert werden (T, 2017In schweren Fällen gehören Kanalverstopfung und Rotationsstillstand zu den Folgen (Zhou, 2015Dementsprechend kann eine parametrische Optimierungsmethode die Leistung von Axialventilatoren verbessern. Derzeit gibt es jedoch nur wenige Berichte über die Optimierung von Ventilatoren mithilfe der Bézierkurve, die mit einer parametrischen Optimierung kombiniert und auf die Schaufelspitze eines vorwärtsgepfeilten Axialventilators angewendet werden kann. Im Vergleich zu typischen Axialventilatoren hat die Pfeilung der Schaufeln einen gewissen Einfluss auf die Reduzierung von Strömungsverlusten. Aus der statischen Druckverteilung auf der Schaufeloberfläche geht hervor, dass die vorwärtsgepfeilte Schaufel die Lastverteilung im oberen Schaufelbereich erhöht und die Leistungskapazität der Schaufel steigert. Die Vorwärtspfeilung kann die turbulente kinetische Energie an der Schaufelspitze und die Spaltströmungsverluste reduzieren.Zhang et al., 2019Die Schaufelspitzenbereiche von vorwärtsgepfeilten Axialventilatoren sind viel größer als ihre Schaufelwurzeln und dienen sowohl als Hauptarbeitsflächen als auch als Geräuschquellen (Yang und Chen, 2002In dieser Studie wurde der Zusammenhang zwischen der Schaufelspitzen-Pfeilkurve und den Optimierungszielen untersucht. Dazu wurden kubische Bézier-Funktionen zur Parametrisierung der Vorwärtspfeilungskurve an der Schaufelspitze verwendet und Durchflussrate sowie Gesamtdruckeffizienz als Optimierungsziele gewählt. Radialbasisfunktions- (RBF) und Kriging-Modelle wurden integriert, um ein Ensemble von Ersatzmodellen zu erstellen und so die Optimierungseffizienz zu verbessern und die Stichprobengröße zu reduzieren. Der nicht-dominierte Sortieralgorithmus NSGA-II wurde zur Optimierung der Vorwärtspfeilungskurve der Schaufelspitze eingesetzt. Numerische Simulationen dienten dazu, die Veränderungen des Strömungsfeldes und der akustischen Eigenschaften vor und nach der Optimierung zu analysieren.

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