HVAC sistemleri, dışarıdaki sıcaklık yükseldiğinde akan yumuşak, soğutulmuş havayı sağlamaktan daha fazlasını yapar. Bu sistemlerde hava, filtrelerden geçerek yüksek hava kalitesini sağlar. Temiz hava söz konusu olduğunda, bir filtreden geçerken havanın davranışının ardındaki fiziğin derinlemesine anlaşılması için modelleme ve simülasyon kullanılabilir…
Hava Filtresinin Modellenmesi
HVAC sistemlerindeki filtreler, havayı süzebilen ve toz, polen ve bakteri gibi partikülleri yakalayabilen bir malzemeye (çoğunlukla cam elyafı veya pamuk kıvrımları) dayanır. Bu malzemeler hava akışını etkileyerek istenmeyen partikülleri yakalar ve aynı zamanda filtrelenen havanın içinden geçmesine izin verir. Bu cihazların ve neden oldukları türbülanslı akışın modellenmesi, filtreler için kullanıldığında farklı malzemelerin etkinliğinin belirlenmesine olanak tanır ve tasarımcıların gerçek hayattaki deneysel versiyonlara yatırım yapmadan önce malzeme seçeneklerini daraltmasına yardımcı olur.
Bu blog yazısında örnek olarak ortak bir hava filtresi geometrisine (aşağıda gösterilmektedir) bakacağız.
Giriş bölümünü ve arasına filtre yerleştirilmiş daha uzun çıkış bölümünü gösteren model geometrisi. Filtre geometrisi, açık akışkan alanlarına göre daha yoğun bir şekilde örülmüştür.
Bu hava filtresinin modellenmesi, COMSOL Multiphysics'e ek bir ürün olan CFD Modülü ile başlar.® Kullanıcıların açık ve gözenekli alanlarda Reynolds ortalamalı Navier-Stokes (RANS) türbülans modelleri oluşturmasına olanak tanıyan yazılım. Bu örnekte hava filtresi, malzemenin %90'ının 0,1 mm çapında silindirik gözenekler tarafından kaplandığı oldukça gözenekli bir alan olarak modellenmiştir. Hava filtresinin desteği, kaymaz duvarlara sahip bir çerçeve ile temsil edilir. Bu örnek için şunu kullandık: Türbülanslı Akış, k-ω kaymaz duvarlar da dahil olmak üzere birçok duvarlı modeller için doğruluğu nedeniyle arayüz. (Model kurulumuna ayrıntılı bir bakış, bu blog yazısının sonundaki düğmeyle erişilebilen model belgelerinde bulunabilir.)
Sonuçların Değerlendirilmesi
Modelin çözülmesi, hava filtreye doğru, filtrenin içinden ve yanından geçerken türbülans, hız ve basınçtaki değişikliğin görselleştirilmesine olanak tanır. Hesaplama, havanın filtreye doğru hareket etmesiyle başlar (aşağıdaki resimde mor). Hava filtreden geçtiğinde, ara hız artar (her ne kadar gözenekli ortalama hız sabit kalsa da), bu da türbülans kinetik enerjisinde bir artışa neden olur. Ayrıca hızın artması ve duvar yüzeyi sayısının fazla olmasından kaynaklanan sürtünme ve basınç kayıplarının artması nedeniyle ani bir basınç düşüşü meydana gelir. Havanın filtreden uzaklaşırken davranışına gelince, filtrenin çerçevesi havanın serbestçe hareket etmesini engeller, bunun yerine aşağı yönde havanın uyanmasına neden olur.
Gözenekli hava filtresindeki basınç önemli ölçüde azalır.
Filtreden geçen havanın görselleştirilmesi, filtrenin havadaki kirleticileri giderip temizlemeyeceğine karar vermek için kullanılabilir. Bu sonucu doğrulamak için çözüm farklı dilim grafikleriyle değerlendirilebilir. Bu örnek için dilim grafiklerinden biri, havanın hızının en çok gözenekli hava filtresi ve çerçeve tarafından etkilendiğini ve iz bölgesi boyunca homojenleştiğini göstermektedir. Türbülans kinetik enerjisini ölçen bir dilim grafiği, türbülans kinetik enerjisinin filtre içinde fark edilir derecede zirve yaptığını ve kaymaz duvarlarda tipik değerlere ulaştığını gösterir.
Genel olarak model, filtre içindeki basınç düşüşüne ve türbülansta çarpıcı bir artışa işaret eder; bu durum, akışın ana yönüne dik hızda bozulmalar yaratır ve böylece parçacıkların gözenek duvarlarına çarpıp orada kalma olasılığını da artırır. Başka bir deyişle, türbülansın artması, aksi takdirde gözeneklerden rahatsız edilmeden akacak olan istenmeyen parçacıkların filtrelenmesi için gereken karışımı sağlar.
Türbülans kinetik enerjisini gösteren bir dilim grafiği. Gözenekli hava filtresinde türbülans seviyesi, serbest akışa veya kanal duvarlarının yakınına göre önemli ölçüde daha yüksektir.