Simulare pe calculator pentru a sprijini dezvoltarea produselor de separare a climei - HVAC resource
Simulare pe calculator pentru a sprijini dezvoltarea produselor de separare a climei
Publicata in HVAC  |  May 30, 2011, 8:44
Perdele de aer Confort si perdele de aer pentru Depozite frigorifice, Ir. B.E. Cremers - Publicata in revista TVVL, august 2000

Un studiu amplu pe baza testelor practice, calcule şi simulări pe calculator preced dezvoltării produselor Biddle pentru separarea climei. Testele practice sunt vitale pentru a verifica funcţionalitatea unei perdele de aer în funcţie de descărcare şi condiţiile înconjurătoare. Totuşi, două problem stau în faţa modului de a experimenta folosind testele practice. În primul rând, temperatura de afară variază în timpul anului. Găsirea funcţionarii optime a unei perdele de aer în circumstanţe care se schimbă cere experienţe nenumărate de-a lungul anului. În al doilea rând, funcţionarea unei perdele de aer este, printre alte lucruri, exprimată în eficienţa reducerii pierderilor de căldură prin uşa deschisă.
În practică, această pierdere de energie este greu de măsurat pentru că necesită multe măsurători ale temperaturii şi ale vitezei din dreptul uşii.

De Ir. B. E. Cremers,
Biddle bv Kootstertille

Simulările pe calculator sunt de o mare valoare pentru a completa testele practice. Simulările permit proiectantului să stabilească o funcţionare optimă a perdelei de aer în cazul unor circumstanţe care se schimbă. Atât mediul perdelei de aer cât şi parametrii de descărcare pot fi setaţi cu precizie. În plus, este posibil să calculezi pierderile de energie prin uşa deschisă, ceea ce face ca funcţionarea perdelei de aer să fie cuantificabilă.


PRINCIPIUL TEHNOLOGIC
Perdea de aer Confort pentru magazine

Uşile deschise ale magazinelor invită publicul şi pot contribui la creşterea vânzărilor. Din păcate, uşile deschise înseamnă, de asemenea, nemulţumiri din partea oamenilor din interior, în ceea ce priveşte curentul şi pierderile de căldură. O perdea de aer confort poate fi soluţia pentru aceste probleme. Principiul tehnologic al perdelelor de aer confort va fi explicat folosind termenii convecţiei naturale şi ai ventilaţiei. În cazul unui magazin, este evident faptul că aerul din interior este mai cald decât cel din exterior. Dacă uşa este deschisă, aerul cald va scăpa prin partea superioară a uşii, în timp ce aerul rece va  intra prin partea de jos. Acest mecanism al fluxului (cauzat de diferenţa densităţii aerului) este numit “convecţie naturală”. Convecţia naturală înseamnă schimb de aer, adică volumul de aer al fluxului interior şi al fluxului exterior circulă prin uşa deschisă în mod egal.

Figura 1: Principiul tehnologic al perdelei de aer confort (a) şi al perdelei de aer pentru depozite frigorifice (b)
Strada

Magazin
Depozit frigorific
Zona din faţă




Crăpăturile de la ferestre şi uşi cauzează ventilaţia naturală din magazin. Aerul va intra prin locurile unde rezistenţa este scăzută, prin uşa deschisă. Un alt efect este creşterea aerului cald prin încălzirea spaţiului interior al magazinului (tiraj al coşului) şi orice ventilaţie mecanică, ambele cauzează o uşoară subpresiune în magazine la nivelul podelei. Ambele aceste mecanisme ale fluxului vor fi numite ventilaţie. Rezultatul net a acestei ventilaţii este un flux de aer din exterior către interiorul magazinului.

Oamenii din magazin resimt efectul combinat al convecţiei naturale şi al ventilaţiei ca un flux de aer rece, deseori ca un curent. Scopul perdelelor de aer Confort este să elimine acest curent prin minimizarea convecţiei naturale şi în acelaşi timp, să încălzească aerul ventilat care intră, până la un nivel unde fluxul de aer nu este resimţit ca şi curent.

Împotriva convingerilor anterioare, perdelele de aer nu pot stopa  admisia aerului din exterior. Într-o minoritate de cazuri, suprapresiunea există în magazine, dar în acest caz problemele în ceea ce priveşte curentul abia dacă există.
Convecţia naturală este redusă la un minim, prin faptul că unitatea aspira aerul cald şi îl descarcă vertical în jos. Unitatea descarcă aerul încălzit în scopul de a încălzi aerul exterior care intră până la nivelul temperaturii interioare.

La nivelul podelei, jetul perdelei de aer intra în magazine, astfel încât orice căldură suplimentară este adăugată la climatul interior, economisind căldura existentă (vezi figura 1a).


Perdea de aer pentru depozite frigorifice

Uşile deschise într-un depozit frigorific sporesc logistica şi siguranţa. Tot la fel de mult cum e în cazul magazinelor, schimbul de aer se va produce ca rezultat al diferenţelor densităţilor aerului, convecţia naturală. Aerul rece va ieşi în afara depozitului frigorific prin partea de jos a uşii, în timp ce aerul cald din sala din faţă intră în depozitul frigorific prin partea de sus a uşii. În plus, contactul dintre aerul cald şi cel umed din sala din faţă şi aerul rece şi uscat din depozitul frigorific, cauzează condensarea vaporilor de apă în aer, având ca rezultat formarea ceţii. Ceaţa restricţionează vederea din faţa uşii şi umiditatea se depune pe pereţii şi tavanul depozitului frigorific (gheaţă) sau pe vaporizatoare care, ca rezultat ar trebui să fie dezgheţate în mod regulat.

Spre deosebire de magazin nu vor fi, de regulă, diferenţe de presiune datorită izolaţiei depozitului frigorific. În această aplicaţie, convecţia naturală este deci minimizată de două fluxuri de aer descendente de aceeaşi viteză, unul din depozitul frigorific şi altul din sala din faţă. Acest lucru va minimiza schimbul de căldură dintre două tipuri de aer foarte diferite.

Formarea ceţii este eliminată de partea încălzită a aerului aspirat din depozitul frigorific şi descărcându-l ca un flux de aer mijlociu cu aceiaşi viteză ca celelalte două fluxuri de aer. Cum fluxul din mijloc este relativ foarte uscat, va forma un tampon împotriva fluxului de aer foarte umed din sala din faţă, ceea ce înseamnă evitarea condensaţiei (vezi figura 1b).
Această tehnologie patentată a fost descrisă în detaliu, în publicaţia de dimineaţă TVVL[1].


PERDEA DE AER CONFORT PENTRU RETAILERI
Model de simulare

Simulările pentru perdelele de aer confort au fost efectuate utilizând un program tridimensional CFD (Calcul Hidrodinamic). Acest program a fost dezvoltat de universitatea din Groningen (Olanda) şi permite utilizatorilor să calculeze fluxurile de aer. Unele dintre modulele pentru calculator, ca modelele pentru schimbul de căldură şi turbulenţe, au fost dezvoltate special pentru simulările perdelelor de aer. Este o aplicaţie personalizată care dă un avantaj programelor comerciale CFD.
Pe scurt, programul calculează fluxul aerului dacă anumite condiţii limita sunt setate către domeniul fluxurilor. Acest lucru este obţinut prin divizarea domeniului fluxului în numeroase elemente mici şi determinând cum aceste elemente individuale sunt efectuate de elementele lor vecine. Având în vedere condiţiile limită constante, o soluţie stabilă (convergentă) va apărea după ceva timp de calcul. Temperatura calculată şi viteza fiecărui element în grila de calcul vor da o bună cunoaştere a domeniului fluxului.


Condiţiile limită şi iniţiale pentru simulările perdelelor de aer confort sunt discutate pe baza figurii 2, care este o secţiune transversală a grilei de calcul tridimensionale. Cum perdeaua de aer este un fenomen local aproape de deschiderea uşii, nu este necesară  calcularea fluxului din întregul magazin. Calculele preliminare au demonstrat că spaţiul interior care măsoară 4x3x4m, separat de un spaţiu exterior de 3x3x7m va fi suficient. Aerul poate circula liber din şi înspre spaţiul exterior, în timp ce fluxul din magazin este restricţionat de pereţi. Totuşi, aerul peretelui din spate are o viteză prescrisă pentru modelarea ventilaţiei.



Figure 2: Calculation grid used for simulation of a comfort air curtain


Perdeaua de aer a fost modelată de o unitate montată fix deasupra şi în spatele uşii deschise. Această unitate poate fi folosită pentru a aspira aerul din spaţiul interior şi îl descarcă descendent.
La începutul simulării, uşa este considerată ca fiind închisă şi spaţiul interior este mai cald decât cel exterior. În afară podelei, tavanului şi pereţilor, culorile indică temperatura aerului pe locaţie. Acest articol admite o temperatură interioară ipotetică de 20˚C şi o temperatură exterioară de 5˚C. Temperatura interioară este menţinută în spatele magazinului de o temperatură constantă în timp. În acelaşi fel temperatura exterioară este menţinută la un nivel constant. Uşa are 1.5m lăţime şi 2.5m înălţime. Ventilaţia în dreptul deschiderii uşii este setată la 800 m3/h. Această valoare este bazată pe rata 2 a schimbului de aer şi o presupunere că clădirea din jurul magazinului măsoară 400 m3.


Rezultatele simulării


Fluxul staţionar depinde de puterea perdelei de aer. Figura 3 arată trei situaţii diferite care vor fi discutate mai jos.
Figura 3(a) arată ca în cazul fără o perdea de aer, căldura scapă din magazin şi un flux de aer rece se creează la nivelul podelei. Ca şi consecinţă pierderile de energie fără o perdea de aer pot fi calculate.
Figura 3(b) arătă o situaţie unde perdeaua de aer este prea slabă pentru a atinge nivelul podelei. Aerul rece din exterior poate să intre încet, neperturbator, deci nu se face nimic pentru a remedia problema curentului.
Figura 3: Situaţie staţionară a simulării fără perdea de aer (a), o perdea de aer prea slabă (b) şi o perdea de aer care funcţionează corespunzător (c).
Căldura produsă de perdeaua de aer este pierdută în totalitate în spaţiul exterior. Această situaţie este numită îndoirea exterioară a unei perdele de aer.
Figura 3 (c) arătă o funcţionare corespunzătoare a perdelei de aer. Fluxul de aer atinge nivelul podelei, încălzeşte aerul care vine din exterior prin ventilare şi soluţionează problema legată de apariţia curentului din interiorul magazinului. Perdeaua de aer asigură o separare corespunzătoare a climatului dintre spaţiul interior şi cel exterior.
Perdelele de aer care sunt prea puternice pot cauza efecte adverse. Impactul fluxului de aer cu podeaua şi gradul ridicat de turbulenţe cauzează că o parte din căldură de la perdeaua de aer să scape către spaţiul exterior. Curenţii de aer puternici creează un disconfort când oamenii trec prin dreptul perdelei de aer, pierderea de căldură este, de asemenea, un dezavantaj.





Comparaţie cu testele practice


Pentru a avea încredere într-o situaţie stabilă a unei perdele de aer care este prezisă de simulările din calculator, calculele ar trebui să fie comparate cu testele practice. În ultimii ani, au fost dezvoltate metode chiar mai bune pentru a proiecta imaginile despre temperatura de la intrare în situaţiile practice. În acest scop, temperaturile aerului sunt măsurate într-un plan vertical, perpendicular pe deschiderea uşii.

Figura 4 şi figura 5 arată compararea dintre simulările pe calculator şi testele practice pentru o situaţie fără o perdea de aer, respectiv pentru o situaţie cu o bună funcţionare a perdelei de aer. Măsurătorile plane au 2.5 m înălţime şi 2.35 lăţime. Deschiderea uşii în testele practice este arătată ca o linie albă subţire.

Condiţiile înconjurătoare şi de refulare sunt comparabile, făcând uşoară compararea imaginilor temperaturii. Acelaşi spectru de culoare a fost de asemenea folosit pentru a expune temperaturile.

Aceste figuri arată o asemănare corectă între simulările pe computer şi testele practice. Pentru situaţii unde se foloseşte o perdea de aer, aspectul perdelei de aer este similară, totuşi temperaturile exacte diferă puţin. Acest lucru se datorează faptului că  volumul de aer ventilat diferă în practica de simulare cu 800m3/h. În simulările practice va fi aproape imposibil să măsori în mod adecvat volumul de ventilare al aerului din dreptul uşii.


Figura 4: Comparaţie între simulările pe computer (a) şi testele practice (b) a situaţiei fără perdea de aer










Figura 5: Comparaţie între simulările pe computer (a) şi testele practice (b) a situaţiei cu perdea de aer










Figura 6: Eficienţa unei perdele de aer în funcţie de viteza de refulare a perdelei de aer
















Figura 7: Calcularea grilajului folosit pentru simulări cu o perdea de aer pentru depozite frigorifice








Eficienţa unei perdele de aer confort


Economisirea energiei este unul dintre beneficiile perdelelor de aer, pentru că ele reduc pierderile de căldură cauzate de fluxul de aer cald, pe cât de mult posibil. Totuşi, în practică aceste pierderi de căldură sunt greu de măsurat. Din acest motiv simulările pe computer oferă alternative excelente pentru a evalua perdelele de aer din punct de vedere energetic. Eficienţa unei perdele de aer este definită ca reducere a energiei pierdute (în procentaj) prin uşa deschisă, în comparaţie cu situaţia fără perdea de aer. Dacă fluxul de ieşire a aerului cald este notat cu Qout, formula eficienţei este:

η = [1- (Qout, cu perdea de aer/Qout, fara perdea de aer)] x 100%

Eficienţa unei perdele de aer depinzând de viteză de refulare este calculată din simulări pentru o anumită combinaţie ale condiţiilor înconjurătoare. Acest lucru este arătat în figura 6. Prin definiţie, o perdea de aer cu o viteză de refulare de 0 m/s are o eficienţă de 0%. O perdea de aer care este prea slabă îşi va pierde căldura către spaţiul exterior.
În consecinţă, pierderea de căldură către exterior va fi mai mare decât într-o situaţie fără perdea de aer, creând o eficienţă negativă. La o anumită viteză de refulare critică, perdeaua de aer va fi suficient de puternică pentru a atinge podeaua şi a evita îndoirile interioare. Cum căldura din perdeaua de aer merge acum către spaţiul interior, perdeaua de aer va salva o cantitate echitabilă de energie şi devine foarte eficientă. Graficul pentru eficienţă arată, de asemenea, că o perdea de aer care este prea puternică va fi mai puţin eficientă din cauza impactului fluxului de aer cu podeaua.

Din acest motiv există o viteză optimă de refulare pentru a obţine eficienţă maximă. Valoare precisă a vitezei optime de refulare şi eficienţa maximă depind de condiţiile înconjurătoare (înălţimea uşii, diferenţele de temperatură interior/ exterior) şi alte condiţii de refulare (ca lăţimea de refulare, temperatura de refulare şi turbulenţele fluxului de aer).
În prezent Biddle conduce un studiu de piaţă extins pentru a determina viteza optimă de refulare sub diferite circumstanţe.


PERDEA DE AER PENTRU DEPOZITE FRIGORIFICE
Model de simulare

Simulările perdelei de aer pentru depozite frigorifice au fost efectuate folosind acelaşi program tridimensional CFD, program care a fost folosit pentru perdelele de aer confort. Modelul fluxului mult mai complex amplifică modelul turbulenţelor necesar să-l facă dependent de fluxul de câmp pe locaţii. Experienţa practică este folosită pentru validarea modelului de dezvoltare al turbulenţelor. De asemenea, a fost dezvoltat un model pentru transportul vaporilor de apă, pentru simularea perdelelor de aer pentru depozite frigorifice.

Condiţiile iniţiale şi limită pentru simulările perdelelor de aer pentru depozitele frigorifice sunt discutate prin intermediul figurii 7, care este o selecţie transversală a grilei computerizate tridimensionale. Un depozit frigorific măsurând 10x9x9m este separat de o uşă, de sala din faţă care măsoară 10x9x6m. Modelul computerizat este admis închis în totalitate, aerul să nu poate circula prin grilajul computaţional.

Figura 8 Situaţie fixă a simulării fără perdea de aer (a) şi simulare cu perdea de aer (b)

O perdea de aer pentru depozitul frigorific a fost modelată de o unitate montată în sala din faţă chiar deasupra uşii deschise. Această unitate este folosită pentru a atrage aerul din depozitul frigorific şi din sala din faţă. Aerul din depozitul frigorific este refulat, o parte necondiţionat şi o parte condiţionat după încălzire. Aerul din sala din faţă este descărcat necondiţionat. Cele trei fluxuri diferite de aer sunt refulate descendent cu viteze egale.
La începutul simulării se presupune că uşa este închisă. Exceptând podeaua, tavanul şi pereţii, culorile arată temperatura aerului pe locaţii. Acest articol presupune o temperatură ipotetică în depozitul frigorific de -25°C şi o temperatură a sălii din faţă de +15°C. Umiditatea relativă atât în depozitul frigorific cât şi în sala din faţă se admite a fi de 80%. Uşa are o înălţime şi o lăţime de câte 3m fiecare.


Rezultatele simulării


Figura 8 a arăta căldura din sala din faţă care circulă în depozitul frigorific, atunci când nu este folosită o perdea de aer.
În spatele uşii, aerul cald va creşte şi va circula prin tavan în spatele depozitului frigorific. Aerul rece se va scurge pe la uşă prin dreptul podelei.
Căldura ulterioară a depozitului frigorific trebuie să fie contracarată de instalaţia de răcire. Aerul cald care intră are un alt efect advers. Aerul cald este foarte umed; acest lucru va cauza condensare imediată în depozitul frigorific. Ceaţa este creată în dreptul uşii deschise şi, în cele din urmă, umiditatea se va depune pe tavan şi va îngheţa toate vaporizatoarele. Aceasta va fi o situaţie cu totul nedorită.
Figura 8 b arata o funcţionare corespunzătoare a perdelei de aer pentru depozitul frigorific. Curentul de aer atinge nivelul podelei, creând o separare a climei între depozitul frigorific şi sala din faţă. Schimbul de căldură (căldura sensibilă) şi vaporii de apă (căldura latentă) este redus drastic.





În comparaţie cu testele practice

Figurile 9 şi 10 arată comparaţia între simulările pe calculator şi testele practice pentru o situaţie fără o perdea de aer şi respectiv cu o funcţionare corespunzătoare a perdelei de aer. Măsurătorile plane sunt de 3m înălţime şi 2.35m lăţime. Deschiderea uşii din testele practice este arătată ca o linie subţire albă. Condiţiile de refulare şi înconjurătoare sunt comparabile, făcând uşoară compararea imaginilor temperaturii. Acelaşi spectru de culoare a fost de asemenea, folosit pentru a arăta temperaturile  (notă: acest spectru de culoare este diferit de cel de la perdelele de aer confort!).




Figura 9
Comparaţie între simularea pe calculator(a) şi testele practice (b) ale unei situaţii fără perdea de aer













Figura 10
Comparaţie între simularea pe calculator(a) şi testele practice (b) ale unei situaţii cu perdea de aer













Figura 11
Eficienţa unei perdele de aer pentru depozitul frigorific în funcţie de viteză de refulare a perdelei de aer











Aceste figuri arata o asemănare echitabilă între simulările pe calculator şi testele practice. Pentru situaţii folosind o perdea de aer, forma perdelei de aer este similară.


Eficienţa unei perdele de aer pentru depozite frigorifice

Eficienţa unei perdele de aer este, ca în cazul perdelei de aer confort, definită ca reducerea (în procentaj%) a pierderii de energie prin uşa deschisă în comparaţie cu o situaţie fără perdea de aer. Pierderea energiei este suma căldurii latente şi sensibile (prin schimb al vaporilor de apă). Dacă această pierdere totală de energie este notată cu Qtotal, formula eficienţei este:

η = [1- (Qtotal, cu perdea de aer/Qtotal, fara perdea de aer)] x 100%

Eficienţa unei perdele de aer în funcţie de viteza de refulare este calculată din simulări pentru o anumită combinaţie de condiţii înconjurătoare. Acest lucru este arătat în figura 11.
Prin definiţie, o perdea de aer cu o viteză de refulare de 0m/s are o eficienţă de 0%. O perdea de aer care este prea slabă nu va atinge podeaua conducând la o pierdere mai mare de energie decât în cazuri fără perdea de aer, creându-se o eficienţă negativă. La o anumită viteză de refulare, perdeaua de aer va fi suficient de puternică pentru a atinge podeaua şi va salva mai multă energie, cu alte cuvinte va avea o eficienţă ridicată. Graficul eficienţei arată, de asemenea, faptul că o perdea de aer care este prea puternică va fi mai puţin eficientă din cauza impactului curentului de aer pe podea.


Concluzii

Biddle BV în colaborare cu universitatea din Groningen (Olanda), a dezvoltat un model de simulare pentru a calcula fluxul de aer pentru dezvoltarea produselor de separare a climei. Imaginile temperaturii din deschiderile uşii, folosite în simulările pe calculator produc o bună asemănare cu testele practice.

Simulările pe calculator sunt mai folositoare în suportul dezvoltării produselor: multe situaţii pot fi testate într-o perioadă scurtă de timp. Totuşi, rămâne o reproducere simplificată a realităţii, făcând-o imposibil să determine parametrii necesari de refulare pentru o situaţie dată, exclusiv pe baza simulărilor. Din acest motiv, simulările trebuie întotdeauna validate de testele practice. Dar mulţumită simulărilor, testele practice pot fi efectuate într-o manieră mult mai specifică.

În viitor , modelul curent de simulare va fi frecvent folosit. Printre alte lucruri, atenţia va fi concentrată pe determinarea vitezei minime de refulare pentru a evita îndoirea exterioară a perdelei de aer. Simulările vor fi de asemenea folosite şi pentru a crea o separare optimă a climei în alte aplicaţii decât cele care au fost menţionate în articol.

 
Bibliografie
1.Bruins, Drs. K., ‘Vrieshuits toegankekijker en veiliger met luchtscherm’ (‘Cold store more accessible and safer by using air curtains’). Revista TVVL, aprilie 1998

Biddle bv
P.O. Box 15
NL – 9288 ZG Kootstertille
Olanda
Ţel.: + 31 – 512 33 55 55
Fax.: + 31 – 512 33 14 24
E-mail: biddle@biddle.nl
Internet: www.biddle.nl





Digg this   Slashdot Slashdot   Del.icio.us   StumbleUpon   Yahoo MyWeb   Google Bookmarks   Twitter   Facebook

Noteaza       Slab   Bun
 Print       Email      IM