Projeto de Otimização da Eficiência Energética de um Ventilador de Fluxo Axial com Varredura Frontal para Bomba de Calor

Atualmente, sistemas de refrigeração com ar condicionado e sistemas de bomba de calor são amplamente utilizados como equipamentos de regulação de temperatura em todo o mundo. As bombas de calor são muito utilizadas em climas frios (Xu et al., 2020Devido ao uso extensivo de equipamentos relacionados, eles levaram a um enorme consumo de energia e a consideráveis ​​emissões de gases de efeito estufa, embora tenham melhorado a qualidade de vida das pessoas (Xu et al., 2021À medida que o aquecimento climático e os problemas energéticos se tornam cada vez mais proeminentes, as instituições relevantes atribuem cada vez mais importância à energia e emitiram normas correspondentes (CONTROLES, REFRIGERAÇÃO).

O ventilador axial é o principal componente de um sistema de ar condicionado e de um sistema de bomba de calor. Melhorar sua eficiência de funcionamento pode reduzir efetivamente o consumo de energia do sistema de regulação de temperatura (Usman e outros, 2017Ao mesmo tempo, seu desempenho aerodinâmico tem um grande impacto no desempenho geral do sistema de ar condicionado e do sistema de bomba de calor e determina o nível de conforto do usuário (Lim e outros, 2020De acordo com a teoria do som por vórtices, os vórtices turbulentos são o principal fator de influência no ruído do ventilador, portanto, os vórtices turbulentos gerados pelo fluxo irregular dentro do ventilador afetarão significativamente sua eficiência. Assim, o som é uma forma de dissipação de energia, e a otimização do ruído do ventilador pode melhorar indiretamente sua eficiência.Schram e Hirschberg, 2003Ao mesmo tempo, o ruído excessivo afetará a experiência do usuário. Portanto, para fazer um uso mais eficiente da energia, os projetistas estabeleceram requisitos mais elevados para o desempenho aerodinâmico dos ventiladores de fluxo axial, e o objetivo de obter alta eficiência, baixo ruído e grande vazão deve ser buscado (Jung e Joo, 2019Como a pá é o principal elemento gerador de potência do ventilador axial, é de grande importância explorar a viabilidade da otimização de seus parâmetros para a melhoria da eficiência energética de uma bomba de calor.

Diversos estudiosos realizaram pesquisas extensivas sobre como melhorar o desempenho de ventiladores de fluxo axial.Xie et al. (2019)Exploramos a influência de vários ângulos de inclinação para frente nos parâmetros de desempenho de ventiladores de fluxo axial com base em um modelo parametrizado de vários ângulos de inclinação para frente em ventiladores de refrigeração. Os resultados mostram que a pressão média do ar na entrada aumenta continuamente e a velocidade do ar aumenta com o aumento do ângulo de inclinação para frente do ventilador. Utilizando o método de parametrização NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline),Liu et al. (2019)Modificamos os perfis das pás do ventilador de fluxo axial e, em condições fora do projeto, o desempenho aerodinâmico do ventilador axial foi significativamente aprimorado. Através de experimentos e simulações numéricas,Hurault e outros (2010)Avaliamos os efeitos dos projetos de ventiladores de fluxo axial com pás inclinadas para a frente na energia cinética turbulenta do campo de fluxo, e a inclinação tem uma influência significativa na energia cinética turbulenta a jusante do ventilador.Ding et al. (2019),Lin et al. (2014),Angelini e outros (2017),Lin et al. (2014),Angelini e outros (2017), eDing et al. (2019)Implementamos ainda um projeto de otimização paramétrica baseado na curva de Bézier para diversas formas de máquinas de fluidos. Enquanto isso,Ye (2017)otimizou um tipo de asa de planador subaquático com base em uma tecnologia de modelo de agente.

Pelo contrário, muitos estudiosos, tanto nacionais quanto estrangeiros, têm se dedicado a otimizar máquinas de fluidos combinando o modelo de agente e o algoritmo de otimização após a parametrização do objetivo da otimização.Della Vecchia e outros (2014)Utilizou-se o Parsec para a caracterização parametrizada de um perfil aerodinâmico, combinado com algoritmos genéticos (AGs) para o projeto de otimização, obtendo-se assim um tipo de asa com bom desempenho aerodinâmico.Zhou et al. (2021)Foram utilizadas funções de Hicks-Henne para realizar a caracterização parametrizada das pás de um ventilador centrífugo de múltiplas pás e o modelo aproximado de Kriging foi combinado com o NSGA-II para realizar o projeto de otimização multiobjetivo das pás. Após a otimização, o desempenho aerodinâmico das pás foi significativamente melhorado.Yang e Xiao (2014)Parametrizamos o impulsor da bomba e combinamos o modelo RSM com o MGA para realizar o projeto de otimização multiobjetivo do impulsor, e o desempenho hidráulico da bomba após a otimização foi significativamente melhorado.

Os estudos mencionados incluíram cubos de ventiladores axiais de baixa velocidade que são relativamente pequenos e têm poucas pás. O comprimento da corda, a espessura e o ângulo de ataque de várias alturas de pás variam bastante, de modo que a camada limite na superfície da parede é relativamente fina, levando ao fluxo de separação ao longo da borda de ataque da pá (Zhou et al., 2014Com o aumento da carga, a capacidade de potência da ponta da pá pode ser melhorada e, consequentemente, a eficiência do ventilador também pode ser melhorada (T, 2017Em casos graves, a obstrução do canal e a parada da rotação são algumas das consequências (Zhou, 2015Consequentemente, um método de projeto de otimização paramétrica pode melhorar o desempenho das pás de um ventilador axial, mas atualmente existem poucos relatos sobre a otimização de ventiladores usando a curva de Bézier, que pode ser combinada com um projeto de otimização paramétrica e aplicada à ponta da pá de um ventilador axial com varredura frontal. Comparado aos ventiladores axiais típicos, um projeto de varredura frontal da pá tem certa influência na mitigação da perda de fluxo. A partir da distribuição da pressão estática na superfície da pá, a pá móvel com varredura frontal aumenta a distribuição de carga na parte superior da pá e melhora a capacidade de potência da pá. O projeto com varredura frontal pode reduzir a energia cinética turbulenta na ponta da pá e reduzir a perda de fluxo por folga (Zhang et al., 2019As áreas das pontas das pás dos ventiladores axiais com varredura frontal são muito maiores do que as raízes das pás e servem como as principais áreas de trabalho, bem como fontes de ruído (Yang e Chen, 2002Utilizando aplicações de Bezier cúbico para parametrizar a curva de varredura frontal na ponta da pá e selecionando a vazão e a eficiência de pressão total como objetivos de otimização, este estudo examinou a relação entre a curva de varredura da ponta e os objetivos de otimização. Os modelos de função de base radial (RBF) e Kriging foram integrados para estabelecer um conjunto de variáveis ​​substitutas a fim de melhorar a eficiência da otimização e reduzir o tamanho da amostra. O algoritmo genético de classificação não dominada II (NSGA-II) foi selecionado para otimizar a curva de varredura frontal da ponta da pá, e simulações numéricas foram empregadas para explorar as mudanças no campo de fluxo e nos atributos acústicos antes e depois da otimização.

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