Diseño de optimización de la eficiencia energética de un ventilador axial de barrido frontal para bomba de calor

Hoy en día, los sistemas de refrigeración de aire acondicionado y las bombas de calor se utilizan ampliamente como equipos de regulación de temperatura en todo el mundo. Las bombas de calor se utilizan ampliamente en climas fríos.Xu et al., 2020). Debido al uso extensivo de equipos relacionados, estos han provocado un enorme consumo de energía y considerables emisiones de gases de efecto invernadero, al tiempo que han mejorado la calidad de vida de las personas.Xu et al., 2021). A medida que el calentamiento climático y los problemas energéticos se vuelven cada vez más prominentes, las instituciones pertinentes otorgan cada vez más importancia a la energía y han emitido normas correspondientes (CONTROLES, REFRIGERACIÓN).

El ventilador axial es el componente principal de un sistema de aire acondicionado y de una bomba de calor. Mejorar su eficiencia de funcionamiento puede reducir eficazmente el consumo energético del sistema de regulación de temperatura.Usman y otros, 2017). Al mismo tiempo, su rendimiento aerodinámico tiene un gran impacto en el rendimiento general del sistema de aire acondicionado y del sistema de bomba de calor y determina el nivel de comodidad del usuario.Lim y otros, 2020Según la teoría del sonido de vórtice, los vórtices turbulentos son el principal factor que influye en el ruido del ventilador. Por lo tanto, los vórtices turbulentos generados por un flujo excesivo dentro del ventilador afectarán considerablemente su eficiencia. Por lo tanto, el sonido es una forma de disipación de energía, y optimizar el ruido del ventilador puede mejorar indirectamente su eficiencia.Schram y Hirschberg, 2003). Al mismo tiempo, el ruido excesivo afectará la experiencia del usuario. Por lo tanto, para optimizar el uso de la energía, los diseñadores establecen requisitos más exigentes para el rendimiento aerodinámico de los ventiladores de flujo axial, buscando el objetivo de lograr alta eficiencia, bajo nivel de ruido y un gran caudal.Jung y Joo, 2019). Debido a que la pala es el principal elemento de potencia del ventilador axial, es de gran importancia explorar la viabilidad de optimizar sus parámetros para mejorar la eficiencia energética de una bomba de calor.

Varios académicos han realizado investigaciones exhaustivas para mejorar el rendimiento de los ventiladores de flujo axial.Xie et al. (2019)Se ha explorado la influencia de diversos ángulos de barrido frontal en los parámetros de rendimiento de ventiladores de flujo axial, basándose en un modelo parametrizado de diversos ángulos de barrido frontal en ventiladores de refrigeración. Los resultados muestran que la presión media del aire en la entrada aumenta continuamente y la velocidad del aire aumenta con el aumento del ángulo de barrido frontal del ventilador. Utilizando el método de parametrización NURBS (Número de parametrización B-spline racional no uniforme),Liu et al. (2019)Se han modificado los perfiles de las aspas del ventilador de flujo axial y, en condiciones fuera de diseño, el rendimiento aerodinámico del ventilador axial ha mejorado considerablemente. Mediante experimentos y simulaciones numéricas,Hurault y otros (2010)Se han evaluado los efectos de los diseños de barrido hacia adelante de ventiladores de flujo axial sobre la energía cinética turbulenta del campo de flujo, y el barrido tiene una influencia significativa en la energía cinética turbulenta aguas abajo del ventilador.Ding y otros (2019),Lin y otros (2014),Angelini y otros (2017),Lin y otros (2014),Angelini y otros (2017), yDing y otros (2019)Además, hemos implementado un diseño de optimización paramétrica basado en la curva de Bézier para diversas formas de maquinaria de fluidos. Mientras tanto,Sí (2017)Ha optimizado un tipo de ala de planeador submarino basándose en una tecnología de modelo de agente.

Por el contrario, hay muchos académicos nacionales y extranjeros que optimizan la maquinaria de fluidos combinando el modelo de agente y el algoritmo de optimización después de la parametrización del objetivo de optimización.Della Vecchia y otros (2014)Se utilizó Parsec para la caracterización parametrizada de un perfil aerodinámico, combinado con algoritmos genéticos (AG) para el diseño de optimización, y así se obtuvo un tipo de ala con buen rendimiento aerodinámico.Zhou y otros (2021)Se utilizaron funciones de protuberancia de Hicks-Henne para caracterizar parametrizadamente las palas de un ventilador centrífugo multipala y se combinaron el modelo aproximado de Kriging y NSGA-II para optimizar el diseño multiobjetivo de las palas. Tras la optimización, el rendimiento aerodinámico de las palas mejoró significativamente.Yang y Xiao (2014)Se parametrizó el impulsor de la bomba y se combinaron el modelo RSM y MGA para llevar a cabo un diseño de optimización multiobjetivo del impulsor, y el rendimiento hidráulico de la bomba después de la optimización se mejoró significativamente.

Los estudios mencionados han incluido bujes de ventiladores axiales de baja velocidad relativamente pequeños y con pocas aspas. La longitud de cuerda, el grosor y el ángulo de ataque de las distintas alturas de aspa varían considerablemente, de modo que la capa límite en la superficie de la pared es relativamente delgada, lo que provoca un flujo de separación a lo largo del borde de ataque del aspa.Zhou y otros, 2014). Con el aumento de la carga, se puede mejorar la capacidad de potencia de la punta de la pala y, por lo tanto, la eficiencia del ventilador.T, 2017). En casos graves, la obstrucción del canal y el bloqueo de la rotación son algunas de las consecuencias.Zhou, 2015Por consiguiente, un método de diseño de optimización paramétrica puede mejorar el rendimiento de las aspas de un ventilador de flujo axial. Sin embargo, actualmente existen pocos informes sobre la optimización de ventiladores mediante la curva de Bézier, que puede combinarse con un diseño de optimización paramétrica y aplicarse a la punta de aspa de un ventilador axial de barrido frontal. En comparación con los ventiladores de flujo axial típicos, un diseño de barrido frontal de aspas influye en cierta medida en la mitigación de pérdidas de flujo. A partir de la distribución de la presión estática en la superficie del aspa, el aspa móvil de barrido frontal aumenta la distribución de la carga en la altura superior del aspa y mejora su capacidad de potencia. El diseño de barrido frontal puede reducir la energía cinética turbulenta en la punta del aspa y la pérdida de flujo por holgura.Zhang y otros, 2019). Las áreas de las puntas de las palas de los ventiladores de flujo axial de barrido hacia adelante son mucho más grandes que las raíces de las palas y sirven como áreas de trabajo principales, así como fuentes de ruido (Yang y Chen, 2002). Mediante aplicaciones de curva cúbica Bézier para parametrizar la curva de barrido frontal en la parte superior del álabe y seleccionar el caudal y la eficiencia de la presión total como objetivos de optimización, este estudio examinó la relación entre la curva de barrido frontal y los objetivos de optimización. Se integraron la función de base radial (RBF) y los modelos de Kriging para establecer un conjunto de sustitutos que mejoren la eficiencia de optimización y reduzcan el tamaño de la muestra. Se seleccionó el algoritmo genético de clasificación no dominada II (NSGA-II) para optimizar la curva de barrido frontal de la punta del álabe, y se emplearon simulaciones numéricas para explorar los cambios en el campo de flujo y los atributos acústicos antes y después de la optimización.

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