Original title:
Optimalizace transportu vzduchu ve ventilátorové komoře s volným oběžným kolem
Translated title:
Optimization of air transport in the fan chamber with a free impeller
Authors:
Cakl, Dominik ; Bašta, Jiří (referee) ; Cifrinec, Ivan (referee) ; Rubina, Aleš (advisor) Document type: Doctoral theses
Year:
2024
Language:
cze Publisher:
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební Abstract:
[cze][eng]
Práce se zabývá zlepšením hydraulických vlastností transportu vzduchu ve ventilátorových komorách s volnými oběžnými koly, kterými jsou opatřeny každé větší centrální vzduchotechnické systémy. Každý větší centrální vzduchotechnický systém je opatřen sáním čerstvého vzduchu, které transportuje vzduch do ventilátorové komory, ve které je ventilátor s volným oběžným kolem, který zajišťuje transport vzduchu a dodává proudu vzduchu kinetickou energii. Z ventilátorové komory je vzduch dále transportován vzduchotechnickým systémem do jednotlivých distribučních elementů. Analogicky je skrze ventilátorovou komoru řešen i odvod znečištěného vzduchu. Turbulentní proudění vzduchu na výstupu z oběžného kola způsobuje tlakovou ztrátu ve výtlačné komoře vzduchotechnické jednotky, neboť vzduch je dopravován pulzně podle záběru lopatek. V praxi jsou do vzduchotechnických jednotek osazovány ventilátory o menších výkonových parametrech naměřených v laboratořích za ideálních okrajových podmínek, které neřeší problém v rozdílu reálného dopravního tlaku mezi přívodním a odvodním vzduchovodem s následkem, že instalované ventilátory v reálné ventilátorové skříni nedosahují parametrů udávaných výrobcem. Snižování tlakových ztrát ve ventilátorových komorách koreluje se snižováním spotřeby energie u zařízení zajišťujících transport vzduchu v souvislosti s udržitelnou výstavbou. Na základě vývoje aeorodynamické účinnosti ventilátorů a evropské legislativy byl popsán aktuální trend významného snižování spotřeby energie, mimo jiné u zařízení zajišťujících transport vzduchu, prostřednictvím oprav, opětovného použití, změnou účelu a recyklace použitých materiálů a prostřednictvím prodloužení životnosti výrobků a budov. Dále jsou uvedeny tři rešeršní principy a metody zlepšení účinnosti zařízení za účelem snížení energetické potřeby zařízení zajišťujících transport vzduchu, jejichž autoři přistupují k výzkumu numericky a experimentálně. Cílem originálních technických řešení uváděných v této práci, je představit vývoj, pomocí kterého se optimalizují tlakové ztráty ventilátorové komory s volným oběžným kolem. První řešení popisuje princip náběhových plechů, kde je cílem pomoci proudu vzduchu eliminovat negativní dopady víření a ulehčit výtok vzduchu z ventilátorové komory pomocí hladkého sklouznutí po šikmé ploše, čímž dochází ke snížení měrného příkonu ventilátoru až o 5,9 % (za daných okrajových podmínek). Podstatou druhého inovativního technického řešení je představit volné oběžné kolo, které vychází ze spojení dvou řad zakřivených lopatek konkávního a konvexního tvaru, které slouží k optimalizaci tlakové ztráty ventilátorové komory s volným oběžným kolem, které produkuje menší, rovnoměrnější, vzájemně interagující proudy, které pomáhají proudu vzduchu plynuleji změnit směr víření ve ventilátorové komoře a které nenašlo pro konkrétní měřené okrajové podmínky prakticky žádný význam. Podstatou třetího inovativního technického řešení je představení moderní výroby produktů z „udržitelných“ materiálů za pomocí 3D tisku, v podobě volného oběžného kola pro ventilátory s volným oběžným kolem. Výsledky geometrických kopií volných oběžných kol vyrobených z lehčího materiálu reflektují, že došlo ke snížení průměrného měrného příkonu ventilátoru až o 4,4 %, přičemž došlo zároveň ke snížení součtové hladiny zvuku.
The work deals with the improvement of the hydraulic properties of air transport in fan chambers with free impeller wheels, which are equipped in every larger central air handling system. Every larger central air handling system is equipped with a fresh air intake that transports the air into a fan chamber, which contains a free-wheel fan that provides air transport and provides kinetic energy to the air stream. From the fan chamber, the air is further transported by the air handling system to the individual distribution elements. Similiary, the extraction of polluted air is solved through the fan chamber. The turbulent flow of air at the outlet of the impeller causes a pressure loss in the discharge chamber of the air handling unit, as the air is transported in pulses according to the slip of the blades. In practice, fans with smaller performance parameters measured in laboratories under ideal boundary conditions are installed in air handling units, which do not solve the problem of the difference in real traffic pressure between the supply and exhaust air ducts, with the result that the installed fans in the real fan box do not reach the parameters specified by the manufacturer. Reduction the pressure losses in fan chambers is correlated with the reduction of energy consumption of equipment ensuring air transport in the context of sustainable construction. Based on the development of aerodynamic efficiency of fans and European legislation, the current trend of a significant reduction in energy consumption was described, among other things, for equipment providing air transport, through repairs, reuse, repurposing and recycling of used materials, and through extending the life of products and buildings. Furthermore, three research principles and methods of improving the efficiency of equipment in order to reduce the energy demand of equipment ensuring air transport are presented, the authors of which approach the research numerically and experimentally. The goal of the original technical solutions presented in this work is to present a development that optimizes the pressure losses of a fan chamber with a free impeller. The first solution describes the principle of lead-in plates, where the goal is to help the air stream eliminate the negative effects of swirling and facilitate the outflow of air from the fan chamber by means of a smooth slide along an inclined surface, which reduces the specific power of the fan, under the given marginal conditions, by up to 5.9 %. The essence of the second innovative technical solution is to present a free impeller, which is based on the connection of two rows of curved blades of concave and convex shape, which serves to optimize the pressure loss of the fan chamber with a free impeller, which produces smaller, more uniform, mutually interacting currents that help the flow of air to more smoothly change the direction of swirling in the fan chamber and which found practically no value for the specific measured boundary conditions. The essence of the third innovative technical solution is the introduction of modern production of products from "sustainable" materials with the help of 3D printing, in the form of a free impeller for fans with a free impeller. The results of geometric copies of free impellers made of lighter material reflect that there was a reduction in the average specific power of the fan by up to 4.4 %, while at the same time there was a reduction in the total sound level.
Keywords:
3D printing; air redistribution; Central air conditioning systém; development of the free impeller wheel.; fan chambre; free impeller wheel; modern sustainable material; pressure loss of the fans; specific fan power; 3D tisk; Centrální klimatizační systém; moderní udržitelný materiál; měrný příkon ventilátoru. Vývoj volného oběžného kola.; redistribuce vzduchu; tlakové ztráty ventilátorů; ventilátorová komora; volné oběžné kolo
Institution: Brno University of Technology
(web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library. Original record: https://hdl.handle.net/11012/249136
guest ::
