Progettazione dell'ottimizzazione dell'efficienza energetica di un ventilatore assiale a flusso in avanti per pompa di calore

Oggigiorno, i sistemi di refrigerazione e condizionamento dell'aria e le pompe di calore sono ampiamente utilizzati come apparecchiature di regolazione della temperatura in tutto il mondo. Le pompe di calore sono ampiamente utilizzate nei climi freddi (Xu e altri, 2020). A causa dell'ampio utilizzo di apparecchiature correlate, hanno portato a un enorme consumo di energia e a notevoli emissioni di gas serra, migliorando al contempo la qualità della vita delle persone (Xu e altri, 2021). Poiché il riscaldamento climatico e i problemi energetici diventano sempre più evidenti, le istituzioni competenti attribuiscono sempre più importanza all'energia e hanno emanato norme corrispondenti (CONTROLLI, REFRIGERAZIONE).

Il ventilatore assiale è il componente principale di un sistema di condizionamento dell'aria e di un sistema a pompa di calore. Migliorandone l'efficienza operativa è possibile ridurre efficacemente il consumo energetico del sistema di regolazione della temperatura (Usman e altri, 2017). Allo stesso tempo, le sue prestazioni aerodinamiche hanno un grande impatto sulle prestazioni complessive del sistema di aria condizionata e del sistema di pompa di calore e determinano il livello di comfort dell'utente (Lim e altri, 2020). Secondo la teoria del vortice sonoro, i vortici turbolenti sono il principale fattore di influenza del rumore della ventola, quindi i vortici di turbolenza generati da un flusso irragionevole all'interno della ventola influiranno notevolmente sull'efficienza della ventola. Pertanto, il suono è una forma di dissipazione di energia e l'ottimizzazione del rumore della ventola può migliorarne indirettamente l'efficienza (Schram e Hirschberg, 2003). Allo stesso tempo, un rumore eccessivo influirà sull'esperienza dell'utente. Pertanto, al fine di utilizzare l'energia in modo più efficiente, i progettisti hanno imposto requisiti più elevati per le prestazioni aerodinamiche dei ventilatori assiali, e l'obiettivo è quello di ottenere elevata efficienza, bassa rumorosità e portata elevata (Jung e Joo, 2019). Poiché la pala è l'elemento di potenza principale del ventilatore assiale, è di grande importanza esplorare la fattibilità dell'ottimizzazione dei suoi parametri per il miglioramento dell'efficienza energetica di una pompa di calore.

Diversi studiosi hanno condotto ricerche approfondite sul miglioramento delle prestazioni dei ventilatori assiali.Xie e altri (2019)hanno esplorato l'influenza di vari angoli di rotazione in avanti sui parametri prestazionali dei ventilatori assiali sulla base di un modello parametrico di vari angoli di rotazione in avanti nelle ventole di raffreddamento, e i risultati mostrano che la pressione media dell'aria in ingresso aumenta costantemente e la velocità dell'aria aumenta con l'aumento dell'angolo di rotazione in avanti del ventilatore. Utilizzando il metodo di parametrizzazione NURBS (Non-Uniform Rational B-spline),Liu e altri (2019)hanno modificato i profili delle pale dei ventilatori assiali e, in condizioni fuori progetto, le prestazioni aerodinamiche del ventilatore assiale risultano notevolmente migliorate. Attraverso esperimenti e simulazioni numeriche,Hurault e altri (2010)hanno valutato gli effetti dei progetti di ventilatori assiali con movimento in avanti sull'energia cinetica turbolenta del campo di flusso, e il movimento ha un'influenza significativa sull'energia cinetica turbolenta a valle del ventilatore.Ding e altri (2019),Lin e altri (2014),Angelini e altri (2017),Lin e altri (2014),Angelini e altri (2017), EDing e altri (2019)hanno ulteriormente implementato un progetto di ottimizzazione parametrica basato sulla curva di Bézier per varie forme di macchinari a fluido. Nel frattempo,Ye (2017)ha ottimizzato un tipo di ala di aliante sottomarino basato sulla tecnologia di un modello di agente.

Al contrario, sono molti gli studiosi in patria e all'estero che ottimizzano i macchinari fluidi combinando il modello dell'agente e l'algoritmo di ottimizzazione dopo la parametrizzazione dell'obiettivo di ottimizzazione.Della Vecchia et al. (2014)ha utilizzato Parsec per la caratterizzazione parametrica di un profilo alare, combinato con algoritmi genetici (GA) per la progettazione di ottimizzazione, ottenendo così un tipo alato con buone prestazioni aerodinamiche.Zhou e altri (2021)hanno utilizzato le funzioni di bump di Hicks-Henne per condurre una caratterizzazione parametrica delle pale di un ventilatore centrifugo multipala e hanno combinato il modello approssimato di Kriging e NSGA-II per condurre un'ottimizzazione multiobiettivo delle pale. Dopo l'ottimizzazione, le prestazioni aerodinamiche delle pale sono state significativamente migliorate.Yang e Xiao (2014)parametrizzato la girante della pompa e combinato il modello RSM e MGA per eseguire un progetto di ottimizzazione multi-obiettivo della girante; le prestazioni idrauliche della pompa dopo l'ottimizzazione sono state notevolmente migliorate.

Gli studi sopra menzionati hanno incluso mozzi di ventilatori assiali a bassa velocità relativamente piccoli e con poche pale. La lunghezza della corda, lo spessore e l'angolo di attacco delle pale di varie altezze variano notevolmente, tanto che lo strato limite sulla superficie della parete è relativamente sottile, determinando un flusso di separazione lungo il bordo d'attacco della pala (Zhou e altri, 2014). Con l'aumento del carico, la capacità di potenza della punta della pala può essere migliorata e quindi l'efficienza della ventola può essere migliorata (T, 2017). Nei casi più gravi, l'ostruzione del canale e lo stallo della rotazione sono alcune delle conseguenze (Zhou, 2015). Di conseguenza, un metodo di progettazione basato sull'ottimizzazione parametrica può migliorare le prestazioni delle pale di un ventilatore assiale, ma attualmente sono pochi i report riguardanti l'ottimizzazione delle pale utilizzando la curva di Bézier, che può essere combinata con un progetto di ottimizzazione parametrica e applicata alla punta della pala di un ventilatore assiale a geometria avanzata. Rispetto ai tipici ventilatori assiali, un progetto basato sull'ottimizzazione parametrica delle pale ha una certa influenza nel mitigare le perdite di carico. A partire dalla distribuzione della pressione statica sulla superficie della pala, la pala mobile a geometria avanzata aumenta la distribuzione del carico sull'altezza superiore della pala e ne aumenta la capacità di potenza. Il progetto a geometria avanzata può ridurre l'energia cinetica turbolenta alla punta della pala e ridurre le perdite di carico per gioco (Zhang e altri, 2019). Le aree della punta delle pale dei ventilatori assiali a flusso in avanti sono molto più grandi delle radici delle pale e fungono da principali aree di lavoro e da fonti di rumore (Yang e Chen, 2002). Utilizzando applicazioni cubiche di Bezier per parametrizzare la curva di sweep in avanti sulla sommità della pala e selezionando la portata e l'efficienza di pressione totale come obiettivi di ottimizzazione, questo studio ha esaminato la relazione tra la curva di sweep della punta e gli obiettivi di ottimizzazione. La funzione di base radiale (RBF) e i modelli di Kriging sono stati integrati per stabilire un insieme di surrogati per migliorare l'efficienza di ottimizzazione e ridurre la dimensione del campione, è stato selezionato l'algoritmo genetico di ordinamento non dominato II (NSGA-II) per ottimizzare la curva di sweep in avanti della punta della pala e sono state impiegate simulazioni numeriche per esplorare le variazioni del campo di flusso e degli attributi acustici prima e dopo l'ottimizzazione.

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