اصلاح عملکرد سیستم HVAC با استفاده از شبیه سازی عددی و مقایسه با نتایج تجربی
نویسندگان :
مهدی جهانگیری ، وحید عبدی”
تاریخ دریافت مقاله:
تاریخ پذیرش مقاله:
۹۳/۱۰/۴
۹۴/۲/۹
چکیده:
در این مقاله، یک سیستم تهویه مطبوع HVAC از نوع تراکمی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. هدف از این مطالعه، بهبود عملکرد سیستم تبرید، رفع یخ زدگی کمپرسور، بالابردن راندمان، کاهش مصرف انرژی و کاهش مدت زمان کارکرد کمپرسور وبه عبارتی اصلاح عملکرد سیستم HVAC بوده است. نتایج حاصل از داده های تجربی و حل عددی دینامیک سیالات محاسباتی مقایسه و تفسیر شده است.
پس از رفع عیب، نتیجه تعمیرات صورت گرفته با استفاده از حل عددی و توسط کانتورها و نمودارهای سرعت و دما نشان داده شد. در نهایت، رفع عیب و عملکرد سیستم HVAC منجر به بر طرف شدن یخ زدگی کمپرسور گردید و متعاقبا ایجاد هوای مطبوع را در پی داشت . دما و دبی هوای تولیدی به ترتیب تقریبا c° ۷ کاهش و ۱۳ درصد افزایش یافت.
مقدمه
با پیشرفت علم و فناوری، بشر نیاز به فراهم آوردن شرایط آسایش را به عنوان موضوعی مهم لحاظ نموده است. از آنجا که شرایط محیطی اعم از دما و رطوبت تاثیر زیادی بر انسان می گذارد، ایجاد و توسعه سیستم های تهویه مطبوع کمک بسیار زیادی در این زمینه می نماید. چرخه تبرید جذبی و تراکمی ایجاد و در سیستم های تهویه به کار گرفته شده است. ارتقای این سیستم ها به نحوی که باعث افزایش صرفه جویی در انرژی و افزایش راندمان سیستم تهویه گردد و عیب یابی و تعمیر این سیستم ها، همواره مورد توجه بوده است. تحقیقات گسترده ای توسط محققین مختلف در این راستا انجام شده است .
کیم و همکاران با بکارگیری انتقال حرارت تابشی، انتقال حرارت جابجایی و کنترل عملکرد سیستم HVAC به ارزیابی بار سرمایشی گرمایشی پرداختند. در این مطالعه، از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) برای شبیه سازی و تجزیه و تحلیل محیط داخلی و بار سرمایش گرمایش استفاده شده است [۱].
اندرسون و همکاران به بررسی کنترل کننده های مربوط به سیستم های HVAC اهتمام ورزیدند. در حالی که پتانسیل قابل توجهی برای بهبود گرمایش، تهویه و عملکرد سیستم پیشرفته کنترل تهویه مطبوع (مطلوب، قوی و مختلف تطبیقی) به سیستم های تجاری گنجانیده شده است، بررسی عملکرد کنترل کننده سیستم HVAC های پیشرفته تا حد زیادی به طرح و شبیه سازی محدود شده با چند کنترل کننده بر روی سیستمهای فیزیکی آزمایش شده است.
در این مقاله، یک مجتمع ایجاد شد که برای جمع آوری داده ها، طراحی کنترل، شبیه سازی و پیاده سازی کنترل حلقه بسته و آزمایش استفاده شده است. این محیط ، قدرت و انعطاف پذیری مورد نیاز برای نمونه سازی سریع کنترل کننده های مختلف و روش های طراحی کنترل را فراهم می کند (۲).
هنیف و همکاران به تحلیل بهینه انرژی مصرفی و هزینه بهینه بهره برداری سیستم های HVAC اهتمام ورزیدند. آنها با استفاده از روش برنامه ریزی به تحلیل وضعیت حرارتی و برودتی و عملکرد سیستم HVAC پرداختند(۳). باسکورو و همکاران طی مقاله ای صرفه جویی از انرژی در سیستم های تهویه را مورد پژوهش قرار دادند. استفاده از درجه حرارت آسایش تطبیقی به عنوان دمای اتاق، به صورت موثری پتانسیل ذخیره سازی انرژی در سیستم های HVAC را در طول دوره سرمایش و گرمایش کاهش می دهد. به طور کلی، مقدار صرفه جویی انرژی به مقدار دمای بالاتر نقطه تنظیم دمای محیط داخلی در طول دوره گرم و دمای پایین تر نقطه تنظیم دمای محیط داخلی در طول دوره سرد بستگی دارد.
این مقاله، به شبیه سازی پتانسیل صرفه جویی انرژی برای ساختمان در آب و هوای گرمسیری مالزی با توسعه روش های خنک کننده تطبیقی پرداخته است. برنامه شبیه سازی ساختمان (TRNSYS) برای مدل سازی و شبیه سازی مشخصه بار خنک کننده مورد استفاده قرار گرفت. اندازه گیری تجربی انجام و نتایج برای تعیین اعتبار مدل استفاده شد. در نهایت، مشخصه بار خنک کننده از ساختمان با استفاده از جریان و روش پیشنهادی مقایسه شد و نتایج نشان داد که انرژی سالانه بالقوه ای به اندازه ۳۰۵۱۵۰ کیلو وات ساعت را می توان صرفه جویی نمود[۴]. هومود و همکاران به مطالعه کنترلی سیستم های تهویه پرداختند.
کنترل یکپارچه با کنترل عملکرد هر دو سیستم HVAC و تهویه مطبوع طبیعی بر اساس نیاز حرارتی انسان براحتی می تواند باعث صرفه جویی قابل توجهی در انرژی شود. مفهوم این مقاله، تفاوت روش های مرسوم از صرفه جویی در انرژی در سیستم های HVAC با یکپارچه سازی کنترل از هر دو سیستم HVAC و سیستم های تهویه طبیعی بر اساس اختلاف درجه حرارت بین محیط داخلی و محیط خارجی را بیان می کند. این اختلاف بر نرخ تغییر آنتالپی هوای داخل ساختمان و پتانسیل ذخیره سازی انرژی تاثیر می گذارد.
از یک حسگر به عنوان معیاری برای آزمون استاندارد آسایش حرارتی استفاده شد. نتایج آنها نشان داد که روش پیشنهادی انرژی قابل توجهی در مقایسه با سایر روش های مرسوم صرفه جویی نموده است در حالی که دستیابی به آسایش حرارتی مطلوب را محقق ساخته است . کوسیاگ و همکاران کاهش مصرف انرژی در سیستم های تهویه را مطالعه نمودند.
در این مقاله، یک روش مبتنی بر داده برای به حداقل رساندن مصرف انرژی، تهویه و سیستم تهویه مطبوع و در عین حفظ آسایش حرارتی در یک ساختمان با تعداد نامعلوم ساکنان، اعمال شد، عدم اطمینان از نرخ ورود و خروج کارکنان توسط مدل پواسون و توزیع یکنواخت ايجاد شد، افزایش حرارت داخلی از فرایند تصادفی ورود و خروج ساکنین محاسبه گردید.
بر اساس داده های مشاهده شده و شبیه سازی شده، یک الگوریتم چند لایه برای مدل و شبیه سازی سیستم تهویه مطبوع به کار گرفته شد. مدل ایجاد شده بر اساس داده ها بدقت عملکرد سیستم HVAC بر اساس تنظیمات کنترلی و اطلاعات قبلی را پیش بینی نمود( ۶). المائسا و همکاران بررسی جریان خروجی از دیفیوز به هوای اتاق را در دستور کار قرار دادند.
در این مقاله، یک نگرش سطح (میکرو اماکرو) برای یک دیفیوزر رایج توسعه داده شد. این روش تعداد نقاط در جهت حل جریان هوا در یک اتاق را کاهش می دهد، و می تواند به عنوان یک روش عددی برای یک جعبه سیاه به کار رود و تعدادی از متغیرها در ورودی اتاق خروجی از دیفیوزر) را که محاسبه تجربی آنها مشکل است، تعیین نماید.
به عنوان مثال، خواص آشفتگی جریان را می توان ذکر کرد، آنها ویژگی های جریان در اطراف خروجی دیفیوزر را مطالعه و نتایج عددی را با نتایج تجربی مقایسه نمودند. نتایج موید تفاوت در ویژگی های جریان هوا در نزدیکی خروجی دیفیوزر ہود (۷). أفرام و شریفی در قالب یک مقاله جامع به بررسی کارهای انجام شده در زمینه کنترل سیستم های تهویه پرداختند.
این تحقیق، مقالات مختلف درباره روش های کنترل، با تاکید بر نظریه و برنامه های کاربردی مدل های پیش بینانه برای گرمایش، تهویه و سیستم های تهویه مطبوع مورد بررسی قرار داده است، از جمله تنظیمات کنترل، نوع فرایند، مدل، روش بهینه سازی، پیش بینی محدودیت ها و هزینه به تفصیل شرح داده شده است [۸]۔ رسولی و سایر همکارانش به تحلیل مصرف انرژی برای سیستم تهویه یک بیمارستان پرداختند.
آنها روش اجرا در اطراف غشا مبدل انرژی RAME را به عنوان سیستم بازیابی گرما و رطوبت که متشکل از دو منبع اگزوز و مدل های جداگانه و همراه با جریان آبی محلول نمک می باشد، به کار گرفتند . محلول نمک موجب انتقال انرژی (گرما و رطوبت در یک حلقه بسته بین هوا تهویه در فضای باز و تخلیه هوا از ساختمان می گردد. عملکرد سیستم تابعی از نرخ جریان محلول نمک و هوای تهویه و شرایط هوا در محیط می باشد. در این مقاله، مدل RAME برای یک ساختمان بیمارستان در چهار شرایط آب و هوایی مختلف با استفاده از برنامه های کامپیوتری TRNSYS و MATLAB شبیه سازی شده است.
حالت پایدار می تواند مصرف انرژی حرارتی سالیانه را ۶۰ درصد در آب و هوای سرد و ۱۵ الی ۲۰ درصد در آب و هوای گرم کاهش دهد (۹) سئو و همکاران به روی بهینه سازی عملکرد سیستم HVAC در یک خانه آپارتمانی تمرکز نمودند. هدف از این مطالعه، پیشنهاد یک روش طراحی بهینه برای سیستم HVAC در آپارتمان با استفاده از الگوریتم ژنتیک و بررسی امکان صرفه جویی انرژی برای سیستم HVAC بوده است میزان سرمایش و گرمایش لازم در خانه آپارتمانی با استفاده از نرم افزار TRNSYS محاسبه شده است.
نتایج حاکی از آن بود که این روش توانایی طراحی بهینه سیستم های تهویه را برای صرفه جویی انرژی در خانه های آپارتمانی دارد (۱۰). چو و همکاران در مقاله ای برای بررسی مصرف انرژی و تجزیه و تحلیل اقتصادی و ارزیابی ۹۶۰ سیستم HVAC در یک ساختمان اداری بسیار بزرگ تلاش نمودند.
آنها روش طراحی و تحلیل مصرف انرژی در ساختمان ها را به صورت کاربردی ارائه و تشریح نمودند (۱۱). در بخش بعد به معرفی سیستم تبرید تراکمی پرداخته شده است. پس از آن، یک سیستم HVAC و عملکرد آن به همراه اجزای آن نشان داده شد و عیب آن که یخ زدگی کمپرسور بود، تشریح گردید.
عوامل موثر در یخ زدگی کمپرسور و ایجاد نمای خارج از محدوده آسایش دمایی در اتاق، تجزیه و تحلیل شد. اقدام اصلاحی در راستای مرتفع نمودن عيب سیستم تهویه انجام شد. داده های تجربی و شبیه سازی عددی برای تصمیم گیری در خصوص صحت تعمیرات انجام شده مورد مطالعه قرار گرفت .
شرح مساله
به طور کلی، سیستم های تبریدی به دو صورت جذبی و تراکمی عمل می کنند. تفاوت عملکرد آنها در نوع سیال عامل چرخه می باشد. در چرخه های جذبی از محلول نمک برای جذب سیال مبرد و تغيير فاز از گاز به مایع استفاده می شود و باعث ادامه پیدا کردن چرخه تبرید می گردد ولی در سیستم های تراکمی، که در این پژوهش به آن پرداخته می شود، گاز مبرد، سیال عامل می باشد.
نحوه کارکرد چرخه تیرید سیستم های تراکمی به این صورت است که در ابتدا سیال که به صورت گاز می باشد، توسط کمپرسور پر فشار شده و پس از از عبور از کندانسور دمای آن کاهش یافته و با وارد شدن به شیر انبساط به صورت مایع به درون اواپراتور” رفته و فشار آن افت پیدا می کنند و از آنجا که ضریب ژول تامسون گازهای مبرد مثبت می باشد، این فرایند کاهش دما را در پی دارد که باعث می شود گرمای محیط را جذب کند.
فرایند جذب گرما در درون محفظه اواپراتور رخ می دهد و حجم هوایی که توسط بلوور تامین شده است از روی پره هایی که بر روی لوله های اواپراتور نصب است عبور کرده و باعث کاهش دمای آن می شود گرمایی که توسط پره ها جذب می شود باعث می شود سیال مبرد تغییر فاز داده و به گاز تبدیل شود.
از آنجا که فشار گاز در طی این فرایند کاهش پیدا کرده است، به عاملی نیاز است که فشار را افزایش داده و منجر به ادامه چرخه گردد. افت فشار ایجاد شده به روی سیال مبرد توسط کمپرسور جبران می گردد، چرخه تبرید در شکل (۱) به صورت شماتیک نشان داده شده است .
نوع اجزای پکیج مورد مطالعه به طور خاص در شكل (۲) شرح داده شده است. نوع کندانسور پکیج از نوع V-Type بوده که ۶ عدد فن بر روی آن تعبیه شده و همچنین بلوور اواپراتور از نوع (Centrifugal-Back Ward) بوده و دور الکترو موتور Rpmn ۱۴۵۰ با ولتاژ
۴۰۰ ولت و سه فاز و فرکانس Hz ۵۰ و توان Hp ۷/۵ می باشد .
مکان نصب پکیج HVAC در شهرستان عسلویه از توابع استان بوشهر بوده و آزمایش در فصل تابستان انجام شده است، سایر مشخصات شرایط محیطی محل نصب سیستم HVAC در جدول (1) آورده شده است.
شایان ذکر است که مقدار توان تبرید سیستم HVAC بر اساس استانداردهای جدول (۲) طراحی گردیده است .
میزان توان تبرید دستگاه و حجم کل هوای عبوری از اوپراتور بر اساس استانداردهای معرفی شده در جدول (۲) به صورت جدول (۳) محاسبه شده است .
مشکلی که در عملکرد سیستم HVAC وجود داشت این بود که قسمتی از سیال مبرد در قسمت ساکشن کمپرسور تبخیر شده و منجر به یخ زدگی کمپرسور می گردید، شکل (۳) یخ زدگی کمپرسور را نشان می دهد.
علت این اتفاق می توانست نقص در شیر انبساط، أواپراتور، بلوور و یا عوامل دیگر باشد که هر یک به تفکیک بررسی شد .
رفع عیب
مشکل یخ زدگی کمپرسور باعث کاهش شديد راندمان و افزایش زمان کارکرد دستگاه می شد که حتی توانایی تامین هوای مطبوع را نداشت به نحوی که دمای ورودی به اتاق ها در حدود “ ۲۸ بود که شرایط نامناسبی را در پی داشت، یخ زدگی کمپرسور به این دلیل است که همه سیال مبرد طی فرایند به گاز تبدیل نشده است زیرا وقتی گاز متراکم می شود باعث افزایش دمای سیال شده به ناچار در قسمت ساکشن کمپرسور محل تبخیر سیال بوده و یخ زدگی در این محل مشاهده می شود.
از عواملی که منجر به یخ زدگی کمپرسور می شود، می توان به موارد زیر اشاره نمود :
کاهش مقدار گاز سیستم (سیال مبرد): در این حالت به دلیل کمبود گاز در چرخه کار مبرد در اولین نقطه به دنبال تبخیر شدن و انتقال حرارت است که معمولا در قسمت خروجی (دیسچارز) کمپرسور این اتفاق خواهد افتاد و یخ زدگی کمپرسور را در پی دارد .
– کثیف بودن پره های رادیاتور اوپراتور : کثیفی پره های اوپراتور مانع از تبادل حرارت بین هوای عبوری و سیال مبرد می گردد و باعث می شود سیال مبرد بدون تغيير فاز به صورت مایع به قسمت ورودی (ساکشن) کمپرسور راه یابد، سیال مبرد در نقطه ساکشن کمپرسور تعبیر قرار داده و گرمای محیط را جذب نموده و باعث یخ زدگی در این ناحیه می شود .
– عملکرد نامطلوب شیر انبساطی: شیر انبساطی سیال عامل را که از کندانسور خارج می شود و از فاز گاز به مایع تغییر حالت داده است را به صورت پودر مایع تبدیل می نماید تا فرایند جذب گرما در اواپراتور بهتر صورت گیرد و موجب تولید هوای سرد گردد و فرایند های مربوط به سیکل تبرید تراکمی ادامه یابد، عدم تنظیم صحیح شیر انبساط باعث می گردد سیال به صورت پودر پاشش نکند و سیال مبرد به صورت مایع از اوپرتور عبور کند و انتقال حرارت بدرستی انجام نگیرد و در نهایت، فرایند انتقال حرارت در قسمت ساکشن کمپرسور صورت می گیرد که متعاقبا به یخ زدگی کمپرسور منجر می گردد .
– افزایش مقدار گاز سیستم سیال مبرد: همان طور که کمبود گاز مبرد باعث یخ زدگی کمپرسور می شود بیش از حد شارژ کردن گاز به سیستم نیز این پدیده را در پی خواهد داشت، با این تفاوت که محل یخ زدگی در قسمت ساکشن کمپرسور می باشد، به این صورت که گاز اضافی که در اواپراتور به گاز تبدیل نشده است به صورت مایع به قسمت ورودی کمپرسور رسیده و عمل انتقال حرارت در این ناحیه صورت می گیرد که نهایتا موجب یخ زدگی کمپرسور می گردد.
-کاهش هوای عبوری از روی اوپراتور: به هر دلیلی، اگر حجم هوای تولیدی توسط بلوور دستگاه تغییر کند در عملکرد صحیح دستگاه، اختلال ایجاد می گردد، به این صورت که اگر مقدار هوای عبوری از اوپراتور کاهش یابد، سیال مبردی که در داخل لوله های اوپراتور جریان دارد به اندازه کافی تبادل حرارت ننموده و به طور کامل تغییر فاز نمی دهد و قسمتی از آن با فاز مایع به کمپرسور رسیده و عمل تغییر فاز در این ناحیه اتفاق می افتد و در نتیجه، موجب یخ زدگی کمپرسور می گردد. در نقطه مقابل، اگر حجم هوای تولیدی توسط بلوور نیز بیش از حد و بیشتر از توان سرمایشی نامی دستگاه باشد اوپراتور توانایی کاهش مناسب دما را نخواهد داشت و دمای هوا به اندازه کافی کاهش نمی یابد و در نهایت، دمای هوا خارج از محدوده آسایش حرارتی خواهد بود .
با توجه به اینکه مسیر خروجی کمپرسور یخ زده و یخ زدگی روی بدنه ایجاد شده است، لذا عيب از ولو انبساطی نیز نمی باشد، ترموستات غير سالم بوده و در تشخیص دمای اتاق عملکرد صحیحی داشت. تنها عاملی که می توانست مورد واکاوی قرار گیرد، کاهش حجم هوای عبوری از اوپراتور بود، موتور و فن سالم بودند، به نظر می رسید دبی هوای عبوری طراحی سیستم کم بوده و نیاز به اصلاح دارد.
از آنجا که موتور الکتریکی توسط یک تسمه و دو پولی، فن را به چرخش در می آورد، تغییر میزان دبی به عنوان یک اصلاحیه مورد توجه قرار گرفت. لذا تصور گردید یا تعویض پولی ها با پولی هایی با قطر مناسب می توان با کمترین تغییرات به جای تعویض نمودن الکترو موتور یا فن) و با کمترین هزینه دبی هوای عبوری را اصلاح نمود. نحوه کار به این صورت بود که با استفاده از یک الکتروموتور دور متغیر (روتور مخروطی) مقدار دور بهینه به دست آمد طوری که هم سیال به طور کامل به گاز تبدیل شود و هم مقدار دما ورودی به ساختمان زیاد نشود. همان طور که از جدول (۴) مشاهده می شود، دبي Lit/s ۱۷۰ برای این منظور مناسب می باشد. مجموع کل حجم هوای عبوری واقعی از اوپراتور در این حالت تقریبا برابر باLit/s ۵۴۵۰ اندازه گیری شده است.
با تغيير اندازه پولی الکترو موتور و فن مقدار دبی مورد نظر تامین شد. جدول (۵) تغییرات قطر پولی ها را نشان می دهد.
حال بعد از اصلاح، تأثیر آن بر عملکرد سیستم بررسی می شود. برای این منظور از روش حل عددی استفاده شده است.
حل عددی
شکل دریچه هوای ورودی به اتاق در شکل (۵) نشان داده شده است. ابعاد دریچه ۲۰cm x ۲۰cm می باشد و اتاق دارای ۱۵ متر طول و ارتفاع ۳ متر می باشد. با توجه به آنکه مدل سازی به صورت دو بعدی مد نظر بود، از عمق اتاق صرفنظر شده است .
از آنجا که ۴ دریچه در اتاق موجود و شرایط تقارن برقرار بود، تنها نیمی از اتاق به همراه دو دریچه مدل سازی شده است، استفاده از شرط مرزی تقارن کمک زیادی به کاهش زمان اجرای برنامه می نماید. شبکه بندی به صورت دو بعدی انجام شده است، دریچه نیز به صورت دو بعدی در شبکه بندی تعبیه شده است.
ابعاد ناحیه محاسباتی ۷۵۰cm × ۳۰۰ cm می باشد، جریان سیال با دما و سرعت مشخص از دو دریچه تعبیه شده در بالای شبکه بندی به داخل اتاق وارد میشود. برای شبکه بندی از نرم افزار گمبیت استفاده شد و شبکه بندی مورد استفاده به صورت مثلثی بوده و شامل ۴۵۰۴۵۵ سلول و ۲۴، ۲۲۶ نود می باشد.
با سعی و خطاهای انجام گرفته، به این نتیجه رسیدیم که شبکه بندی مذکور برای مدل – سازی مناسب می باشد، برای شرط مرزی هوای ورودی به دریچه از شرط مرزی سرعت ورودی استفاده گردید، برای ضلع سمت راست از شرط مرزی تقارن و برای سایر سطوح از شرط مرزی دیوار استفاده شد شبکه بندی مورد استفاده به همراه بزرگنمایی دریچه در شکل (۶) نمایش داده شده است.
نرم افزار تجاری مورد استفاده برای حل دینامیک سیالات محاسبائی، نرم افزار فلوتنت بود. در حل عددی، الگوریتم سیمیل به کار برده شد و برای جریان از خواص هوا استفاده شد شرایط اولیه حل، شرایط ورودی دریچه ها منظور شد دمای دیواره ها 35 درجه سانتی گراد فرض شد و حل به صورت پایا انجام گردید. سرعت هوای ورودی از دریچه ها در حالت اولیه m/s ۱/۶۸ و پس از انجام تعمیرات m/s ۱/۹۲ لحاظ گردیده است .
استقلال حل از شبکه
برای آنکه حل از شبکه بندی مستقل شود، شبکه به نحوی مش زده شد که اندازه سلول ها از یک مقدار درشت شروع شد و به حالت ریز رسید. پس از ریز کردن، در نهایت به تعدادی از سلول می توان دست یافت که پس از آن با تغییر در تعداد سلول ها تغییر محسوسی در نتایج به دست نمی آید. در نهایت، شبکه ای که ایجاد شد متشکل از ۴۵۰۴۵۵ سلول بود. در شکل (۷) چگونگی استقلال حل از شبکه بندی نشان داده شده است. لازم به ذکر است که به منظور مطالعه شبکه، مقدار سرعت در موقعیت مکانی
X=۲/۲۵ m و Y=۱/۵ m ملاک حل قرار داده شده و با یک شرط مرزی ثابت و با تغییر تعداد سلول ها نمودار شکل (۷) به دست آمده است.
معادلات حاکم
معادلات مختلف حاکم برای یک جریان تراکم پذیر و در حالت پایدار می تواند به صورت زیر نوشته شود.
معادله پیوستگی :
معادله مومنتم:
معادله انرژی را می توان اینگونه نوشت که در آن Qمنبع حرارتی در واحد حجم ، ** آنتالپی ، k ضریب هدایت حرارتی ، u سرعت، ɷ تنش برشی، qگرما و T دماست.
مدل سازی آشفتگی
مدل K-ꜫ استاندارد یک مدل نیمه تجربی بر پایه معادلات انتقال انرژی جنبشی آشفته k و نرخ پراکندگی ꜫ می باشد، معادلات انتقال برای k از حل دقیق به دست می آید ولی برای بدست آوردن معادلات انتقال ꜫ از دلایل فیزیکی برای حل دقیق ریاضی استفاده می شود. در بدست آوردن مدل آشفته K-ꜫفرض شده است که جریان بسیار آشفته می باشد و از تاثیر ویسکوزیته مولکولی صرف نظر شده است ، πtویسکوزیته گردابی می باشد که در رابطه ۵ تعریف شده است .
cµ=0/09و ثابت می باشد. انرژی جنبشی k و نرخ پراکندگی ꜫ از معادلات انتقال ۶ و ۷ به دست می آیند .
که در آن σk=1 و =1/3σꜫاعداد پرانتل در هم برای k و ꜫ می باشند.
C1ꜫ=1/44و C2ꜫ=1/92ثابت هایی هستند که در طول حل تغییر نمی کنند، CK نشان دهنده انرژی جنبشی آشفته تولیدی می باشد که منجر به گرادیان های سرعت متوسط می شود و به صورت رابطه 8 محاسبه می شود .
که s مدول متوسط زمانی نرخ تانسور کرنش می باشد و به صورت معادله 9 تعریف می شود .
که S̅tj از رابطه ۱۰ به دست می آید :
بحث و بررسی
به منظور اینکه نتایج حاصل از حل عددی با نتایج تجربی مقایسه و مقدار خطای آن محاسبه شود، در فاصله ۴ متری از دیوار سمت چپ و در ارتفاع های مختلف و به فاصله های ۳۰cm با استفاده از ترمومتر و فلومتر، دما و سرعت اندازه گیری گردید و با نتایج حاصل از حل عددی مقایسه شد. در شکل (۸) نتایج حل عددی سرعت در جهت X با استفاده از روش های توربولانسی مختلف اعم از (مدل k-ꜫ استاندارد و RNG و Realizable و مدل k-ꜫ و مدل تنش رينولدز) با داده های تجربی مقایسه شد. با دقت در نتایج بدست آمده از حل عددی و مقایسه بین روش های آشفتگی مختلف انطباق مناسبی بین نتایج تجربی و روش ke استاندارد مشاهده می شود که حاکی از انتخاب مناسب این مدل می باشد.
شکل (۹) نتایج حل عددی برای دما را نشان می دهد. این نمودار نزدیکی نتایج عددی و داده های آزمایشی را صحه گذاری می نماید.
خطوط جریان در دامنه حل در شکل (۱۰) نشان داده شده است. همان طور که ملاحظه می گردد، چهار گردابه در ناحیه حل ایجاد شده است. دو گردابه کوچکتر بوده و در نزدیکی دریچه های ورود هوا شکل گرفته و دو گردابه بزرگتر در جنب دیوار سمت چپ و خط تقارن سمت راست تشکیل شده است.
تمامی گردابه ها به دلیل اثر دیواره های جانبی و همچنین اثر متقابل یکدیگر به صورت کشیده و دوکی شکل ایجاد شده اند. خطوط جریان در نواحی نزدیک به کف با فاصله بیشتر و دارای شدت کمتری بوده و در نزدیکی دریچه های ورودی هوا خطوط جریان به یکدیگر نزدیکتر و فشرده – تر بوده که مبین شدت بیشتر جریان می باشد .
شکل (۱۱) کانتور دمای اتاق را در دو حالت اولیه و اصلاحی به تصویر می کشد. همان طور که از روی شکل (۱۱) مشخص می باشد، ناحیه دمای ثابت خروجی از دریچه ها در قسمت (ب) بسیار بزرگتر از قسمت (الف) بوده و ناحیه بیشتری از حل در دمای پایین تری قرار گرفته است. به طور کلی، دما در تمام اتاق کاهش محسوسی داشته است به نحوی که دمای متوسط از۳/۵۹°K ۳۰ به
۲۹۶/۷۸°K کاهش یافته است. به این ترتیب، پس از تعمیرات اصلاحی دمای اتاق در محدوده آسایش حرارتی قرار گرفت.
کانتور اندازه سرعت در شکل (۱۲) برای هر دو حالت اولیه و اصلاح شده، رسم شده است. ملاحظه می شود که ناحیه سرعت خروجی از دریچه های هوای در قسمت (ب) افزایش یافته است و همچنین در ناحیه میانی دامنه حل یا به عبارتی بخش میانی بین دو دریچه افزایش سرعت مشاهده می گردد. در گوشه های نزدیک به کف نیز تغییر شکل و اندازه خطوط سرعت ثابت مشهود می باشد به طوری که سرعت متوسط نقاط مختلف دامنه حل از m/s۰/۸۱۷ به m/s ۰/۹۲۸ تغییر پیدا نمود.
شكل (۱۳) دمای اتاق را در سه موقعیت طولی مختلف در راستای ارتفاع برای حالت های اصلاح شده و اولیه نشان می دهد. این نمودار حاکی از آن است که اصلاحيه انجام شده باعث خنک شدن هوای اتاق شده و دما کاهش قابل ملاحظه ای داشته است.
در شکل (۱۴) نیز تغییرات دمای اتاق در سه ارتفاع مختلف و در راستای طول اتاق برای حالت های اصلاح شده و اولیه ترسیم شده است، در این نمودار نیز بهبود وضعیت دمای اتاق و قرار گرفتن در محدوده آسایش دمایی قابل مشاهده است .
تصویر کمپرسور در حالت پس از تغییر قطر پولی ها در شکل (۱۵) نمایش داده شده است. همان طور که مشاهده می شود، یخ زدگی کمپرسور بر طرف شده است .
نتیجه گیری
سیستم های تهویه ابزاری قدرتمند برای راحتی و آسایش بشر میباشند و امروزه استفاده از آنها خصوصا در ساختمان های بزرگ، برج ها، بیمارستان ها و سایر سازه ها ضروری است. از این رو، عیب یابی و تعمیر آنها بسیار مهم می باشد، در این مقاله به بررسی سیستم های HVAC و عملکرد آن و توضیح سیکل ترمودینامیکی و تجهیزات آنها پرداخته شد.
عوامل محتمل جهت یخ زدگی کمپرسور بررسی و راهکار مناسب ارائه شده با استفاده از مدل سازی عددی دینامیک سیالات محاسبائی صحت اقدام اصلاحی انجام شده برای رفع یخ زدگی کمپرسور (ناشی از دبی کم هوای عبوری از اوپراتور) و ایجاد دمای مناسب هوا (دها در محدوده آسایش حرارتی در اتاق نشان داده شد .
منابع
[1] Kim T, Kato S. and Murakami S. 2001. “Indoor cooling heating load analysis based on
coupled simulation of convection, radiation and HVAC control”, Building and Environment,
vol. 36, pp. 901-90%.
[2] Anderson M., Buchner M., Young P., Hittle D., Anderson C., Tu J. and Hodgson D. 2007. “An
experimental system for advanced heating, ventilating and air conditioning (HVAC) control,
Energy and Buildings, vol. 39. Pp. 136-147.
[3] Haniff MF, Selamat H., Yusof R., Buyamin S. and Ismail F. S. 2013. “Review of HVAC
scheduling techniques for buildings towards energy-effici a cost-effective operations,Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 27. Pp. 94-103.
[4) Bhaskoro P. T., Gilani S.I.U. H. and Aris M. S. 2013. “Simulation of energy saving potential
of a centralized HVAC system in an academic building using adaptive cooling technique”
Energy Conversion and Management, vol. 75, pp. 617-628.
[5] Homod R. Z. Sahari K. S. M. and Almurib H. A. F. 2014. “Energy saving by integrated
control of natural ventilation and HVAC systems using model guide for comparison”,
Renewable Energy, vol. 71, pp. 639-650.
[6] Xu A. G. and Zhang Z. 2014. “Minimization of energy consumption in HVAC systems with
data-driven models and an interior-point method”, Energy Conversion and Management,
vol.85, pp. 146-153.
[7] Martinez-Almansa J.J. Fernandez-Gutierrez A., Parras L. and Pino C.d. 2014. “Numerical and
experimental study of a HVAC wall diffuser”, Building and Environment, vol. 80, pp. 1-10.
[8] Afram A. and Janabi-Sharifi F. 2014. “Theory and applications of HVAC control systems – A
review of model predictive control (MPC)”, Building and Environment, vol. 72. pp. 343-355.
[9] Rasouli M Akbari S., Simonson C. J. and Besant RW. 2014. “Energetic, economic and
environmental analysis of a health-care facility HVAC system equipped with a run-around
membrane energy exchanger”, Energy and Buildings, vol. 69. pp. 112-121.
[10] Seo J., Ooka R., Kim J. T. and Namd Y. 2014. “Optimization of the HVAC system design to
minimize primary energy demand”, Energy and Buildings, vol. 76, pp. 102-108.
[11]Cho J., Shin S.Kim J. and Hong H. 2014. “Development of an energy evaluation
methodology to make multiplepredictions of the HVAC&R system energy demand for office
buildings”, Energy and Buildings, vol. 80. pp. 169-183. [12] Stavrakakis G. M. Koukou MK, Vrachopoulos M. Gr. and Markatos NC. 2008. “Natural
cross-ventilation in buildings. Building-scale experiments, numerical simulation and thermal comfort evaluation, Energy and Buildings, vol. 40, pp. 1666-1681
دیدگاهتان را بنویسید