Isı Pompası için İleri Yönlü Eksenel Akışlı Fanın Enerji Verimliliği Optimizasyon Tasarımı

Günümüzde, klima soğutma sistemleri ve ısı pompası sistemleri, dünyanın her yerinde insanlar tarafından sıcaklık düzenleme ekipmanı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Isı pompaları özellikle soğuk iklimlerde yoğun olarak kullanılmaktadır.Xu ve ark., 2020İlgili ekipmanların yaygın kullanımı nedeniyle, bu durum insanların yaşam kalitesini artırırken büyük enerji tüketimine ve önemli miktarda sera gazı emisyonuna yol açmıştır.Xu ve ark., 2021İklim değişikliği ve enerji sorunları giderek daha belirgin hale geldikçe, ilgili kurumlar enerjiye daha fazla önem vermekte ve buna karşılık gelen standartlar yayınlamaktadır (KONTROLLER, SOĞUTMA).

Eksenel akışlı fan, klima sisteminin ve ısı pompası sisteminin ana bileşenidir. Çalışma verimliliğinin artırılması, sıcaklık düzenleme sisteminin enerji tüketimini etkili bir şekilde azaltabilir.Usman ve ark., 2017Aynı zamanda, aerodinamik performansı, klima sistemi ve ısı pompası sisteminin genel performansını büyük ölçüde etkiler ve kullanıcının konfor seviyesini belirler.Lim ve ark., 2020Girdap-ses teorisine göre, türbülanslı girdaplar fan gürültüsünün ana etkenidir; bu nedenle fan içindeki düzensiz akıştan kaynaklanan türbülanslı girdaplar fanın verimliliğini büyük ölçüde etkileyecektir. Dolayısıyla ses bir enerji dağılımı biçimidir ve fan gürültüsünün optimize edilmesi dolaylı olarak fanın verimliliğini artırabilir.Schram ve Hirschberg, 2003Aynı zamanda, aşırı gürültü kullanıcı deneyimini etkileyecektir. Bu nedenle, enerjinin daha verimli kullanılmasını sağlamak için tasarımcılar eksenel akışlı fanların aerodinamik performansı için daha yüksek gereksinimler ortaya koymuş ve yüksek verimlilik, düşük gürültü ve yüksek akış hızı elde etme hedefi gütmüşlerdir.Jung ve Joo, 2019Kanat, eksenel fanın ana güç elemanı olduğundan, ısı pompasının enerji verimliliğini artırmak için parametre optimizasyonunun uygulanabilirliğini araştırmak büyük önem taşımaktadır.

Çeşitli bilim insanları, eksenel akışlı fan performansını iyileştirme konusunda kapsamlı araştırmalar yürütmüştür.Xie ve ark. (2019)Soğutma fanlarında çeşitli ileri eğim açılarının parametrik bir modeline dayanarak, eksenel akışlı fanların performans parametreleri üzerindeki çeşitli ileri eğim açılarının etkisini araştırdık ve sonuçlar, fanın ileri eğim açısının artmasıyla giriş noktasındaki ortalama hava basıncının sürekli olarak arttığını ve hava hızının da arttığını göstermektedir. Tekdüze olmayan rasyonel B-spline (NURBS) parametrizasyon yöntemi kullanılarak,Liu ve ark. (2019)Eksenel akışlı fan kanat profillerinde değişiklikler yapılmış ve tasarım dışı koşullar altında eksenel fanın aerodinamik performansı önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Deneyler ve sayısal simülasyonlar yoluyla,Hurault ve ark. (2010)Eksenel akışlı fanların öne doğru eğimli tasarımlarının akış alanı türbülanslı kinetik enerjisi üzerindeki etkileri değerlendirilmiş ve eğimin fanın aşağısındaki türbülanslı kinetik enerji üzerinde önemli bir etkisi olduğu tespit edilmiştir.Ding ve ark. (2019),Lin ve ark. (2014),Angelini ve ark. (2017),Lin ve ark. (2014),Angelini ve ark. (2017), VeDing ve ark. (2019)Ayrıca, çeşitli akışkan makineleri için Bezier eğrisine dayalı parametrik bir optimizasyon tasarımı da uygulamaya koyduk. Bu arada,Ye (2017)Ajan modelleme teknolojisine dayalı olarak bir su altı planör kanadı tipini optimize etti.

Aksine, yurt içinde ve yurt dışında birçok bilim insanı, optimizasyon hedefinin parametrelendirilmesinden sonra ajan modeli ve optimizasyon algoritmasını birleştirerek akışkan makinelerini optimize etme üzerine çalışmaktadır.Della Vecchia ve ark. (2014)Parsec, bir kanat profilinin parametrelendirilmiş karakterizasyonu için kullanıldı ve optimizasyon tasarımı için genetik algoritmalar (GA) ile birleştirilerek iyi aerodinamik performansa sahip kanatlı bir tip elde edildi.Zhou ve ark. (2021)Çok kanatlı santrifüj fanın kanatlarının parametrik karakterizasyonunu gerçekleştirmek için Hicks-Henne tümsek fonksiyonları kullanıldı ve kanatların çok amaçlı optimizasyon tasarımını yapmak için Kriging yaklaşık modeli ve NSGA-II birleştirildi. Optimizasyon sonrasında, kanatların aerodinamik performansı önemli ölçüde iyileştirildi.Yang ve Xiao (2014)Pompanın çarkının parametreleri belirlendi ve çarkın çok amaçlı optimizasyon tasarımını gerçekleştirmek için RSM modeli ve MGA birleştirildi; optimizasyon sonrasında pompanın hidrolik performansı önemli ölçüde iyileştirildi.

Yukarıda bahsedilen çalışmalar, nispeten küçük ve az sayıda kanada sahip düşük hızlı eksenel fanların göbeklerini içermiştir. Çeşitli kanat yüksekliklerinin kiriş uzunluğu, kalınlığı ve hücum açısı büyük ölçüde değişmekte olup, duvar yüzeyindeki sınır tabakası nispeten incedir ve bu da kanat ön kenarı boyunca ayrılma akışına yol açmaktadır (Zhou ve ark., 2014Yük artışıyla birlikte, kanat ucunun güç kapasitesi artırılabilir ve böylece fan verimliliği iyileştirilebilir.T, 2017Şiddetli vakalarda, kanal tıkanması ve dönme durması gibi sonuçlar ortaya çıkabilir (Zhou, 2015Buna göre, parametrik optimizasyon tasarım yöntemi, eksenel akışlı bir fanın kanat performansını artırabilir, ancak şu anda Bezier eğrisi kullanılarak yapılan fan optimizasyonu ile ilgili az sayıda rapor bulunmaktadır; bu eğri, parametrik optimizasyon tasarımıyla birleştirilebilir ve ileriye doğru eğimli eksenel bir fanın kanat ucuna uygulanabilir. Tipik eksenel akışlı fanlara kıyasla, kanat eğim tasarımı akış kaybını azaltmada belirli bir etkiye sahiptir. Kanat yüzeyindeki statik basınç dağılımından, ileriye doğru eğimli hareketli kanat, üst kanat yüksekliğinin yük dağılımını artırır ve kanadın güç kapasitesini artırır. İleriye doğru eğimli tasarım, kanat ucundaki türbülanslı kinetik enerjiyi azaltabilir ve boşluk akış kaybını azaltabilir.Zhang ve ark., 2019İleriye doğru eğimli eksenel akışlı fanların kanat ucu alanları, kanat köklerinden çok daha büyüktür ve hem ana çalışma alanları hem de gürültü kaynakları olarak görev yaparlar.Yang ve Chen, 2002Bu çalışmada, kanat ucundaki ileri doğru eğimli eğriyi parametrelendirmek için kübik-Bezier uygulamaları kullanılmış ve optimizasyon hedefleri olarak akış hızı ve toplam basınç verimliliği seçilmiştir. Bu çalışma, kanat ucu eğim eğrisi ile optimizasyon hedefleri arasındaki ilişkiyi incelemiştir. Optimizasyon verimliliğini artırmak ve örneklem boyutunu küçültmek için radyal taban fonksiyonu (RBF) ve Kriging modelleri entegre edilerek bir vekil modeller topluluğu oluşturulmuş, kanat ucu ileri eğim eğrisinin optimizasyonu için baskın olmayan sıralama genetik algoritması II (NSGA-II) seçilmiş ve optimizasyon öncesi ve sonrası akış alanı ve akustik özelliklerdeki değişimleri incelemek için sayısal simülasyonlar kullanılmıştır.

Metnin tamamını okumak için bağlantıya tıklayın:https://www.frontiersin.org/journals/energy-research/articles/10.3389/fenrg.2021.700365/full