- 1 -

Légkezelőgép fejlesztése numerikus szimuláció alkalmazásával Goda Róbert (BME) okl. gépészmérnök Szekeres Gábor (Rosenberg Hungária Kft) okl. gépészmérnök Európai direktíva: energiaracionalizálás A fenntartható fejlődés és a környezetvédelem biztosítása érdekében az Európa Parlament és Tanács kiadta az épületek energiateljesítményéről szóló 2002/91/EK irányelvét. A direktíva irányt mutat a gyártóknak, termékeik energia felhasználásának csökkentésére. A gyártók ennek az irányelvnek hatására, átfogó fejlesztésekbe kezdtek. Az energiafelhasználás szempontjából az épületek fontos eleme a légtechnika, amelynek egyik fontos eleme a légkezelőgép. A Rosenberg csoport, ezen belül a Rosenberg Hungária Kft. - légkezelőgépek gyártójaként - fontosnak tartja, hogy termékei magas színvonalúak és energiatakarékosak legyenek, a hasznos teljesítményük megtartása mellett. Ugyanakkor természetesen nem elhanyagolható a gyártási költségek közel azonos szinten tartása sem. A légkezelőgépek főbb fejlesztési területei: a hajtásfejlesztés, az egyes elemek teljesítményfokozása és a rendszer hő- illetve áramlástechnikai fejlesztése. Jelen cikkben a hő- és áramlástechnikai fejlesztést tárgyaljuk. A fejlesztések módozatai A légkezelőgép fejlesztése két ágra bontható: az egyes elemek fejlesztése, illetve a légkezelőgép rendszerkénti vizsgálata. Természetesen a hatékony fejlesztésnek mindkét ágra ki kell terjednie. Az egyes elemek különálló fejlesztése elengedhetetlen, hiszen a légkezelőgépek nyomásveszteségének nagy részét az elemek saját ellenállása teszi ki. Azonban mikor az egyes elemek beépítésre kerülnek - a rendszer kialakításától függően - nem feltétlenül működnek a tervezésüknek megfelelően. Energetikai szempontból igen fontos az egyes elemek egymásra hatásának vizsgálata. A légkezelőgép kialakításának módosításával gyorsan és gazdaságosan lehet energiát megtakarítani, mert jellemzően kisebbek az átalakítási költségek, mint az egyes elemeknél. Hiszen az egyes elemek módosítása gyakran a gyártósor átalakítását vonja maga után. Ezért a fejlesztést célszerű ezzel kezdeni, de természetesen az egyes elemek hatékonyabbá tétele is elkerülhetetlen. A légkezelőgépek fontos energiaveszteség forrásai a hő- és áramlástechnikai veszteségek. Ezek vizsgálatánál a kezdetben nem vizsgáljuk az egyes elemek belső veszteségeit, és csak rendszerként szemléljük a légkezelőgépet. A hő- és áramlástechnikai fejlesztések elvégzésének két lehetséges módozata: a hagyományos mérésekkel alátámasztott kísérleti fejlesztés, illetve a rendszer modellezése numerikus szimulációs eszközökkel. Hagyományos fejlesztés A hagyományosnak tekinthető fejlesztésnél a fejlesztők főleg empirikus összefüggésekre és a tapasztalataik alapján kialakult szemléletükre hagyatkozhatnak. A termékfejlesztés eme típusánál a termék geometriájának módosítása után prototípust - esetleg kisminta modellt - kell gyártani. Majd a változtatások hatásának megvizsgálásához ellenőrző méréseket kell végezni. Minden későbbi beavatkozás után ezt újra el kell végezni. Ez egy részről költségessé teszi a fejlesztést, másrészről a termelésbe be kell ütemezni a prototípusgyártást, amely jellemzően alacsony prioritással szerepel. Ebből kifolyólag ez a típusú fejlesztés könnyen elhúzódhat. CFD fejlesztés A termékfejlesztés egy másik, egyre inkább előtérbe kerülő módja, a numerikus szimulációs analízis. A numerikus áramlás- és hőtechnikai vizsgálatok eszköze a CFD (Computational Fluid Dynamics = számítógépes áramlástan) szimuláció. Ez egy modern eszköz, amely részben gyorsabbá és hatékonyabbá teszi a termékfejlesztést, másrészt a segítségével betekintést nyerhetünk a berendezés belsejében zajló fizikai folyamatokba. A CFD rendszereknek jelentős a számítógépes erőforrásigénye. A számítástechnika rohamos fejlődése mostanra tette elérhetővé a CFD alkalmazását az ipar számára is, amely korábban főleg kutatóintézetekben volt jelen.

1. ábra: Rosenberg Airbox légkezelőgép

- 2 -

2. ábra: Örvényesség a cseppleválasztó lamelláknál

3. ábra: Minden elemnél meg kell vizsgálni a modellezést

A CFD számítások alapelve, hogy numerikus módszerrel megoldjuk az áramlást leíró bonyolult differenciálegyenleteket (Navier-Stokes, kontinuitás, energiaegyenlet, stb.), illetve bizonyos esetekben, azoknak egyszerűsített változatait. Ennek megfelelően meg kell adni a CFD rendszernek a vizsgált légkezelőgépre jellemző perem- és kezdeti feltételeket. A vizsgált légkezelőgépnek fel kell építeni egy matematikai-fizikai reprezentációját, amely tartalmazza a gép geometriáját, a peremfeltételeket és a kiválasztott modellek paramétereit. Ehhez az áramlási teret diszkretizálni kell. Az általunk végzett CFD számítások egy ismert kereskedelmi szoftverrel

zajlottak, amelynél az áramlási tér diszkretizációja a véges térfogatok módszere alapján történik. Azaz az áramlási teret (térfogatot) fel kell osztani apró térfogatelemekre, cellákra. A vizsgált geometria bonyolultságának és a számítás pontosságának megfelelően ez a cellaszám könnyen milliós nagyságrendű lehet. Mivel minden egyes cellára meg kell oldani a megfelelő egyenleteket, és el kell tárolni az ott kapott állapotváltozók (nyomás, sebesség, sűrűség, hőmérséklet) értékét, ezért a CFD számítások jellemzően igen processzor és memória igényes feladatok. A számítások erőforrásigénye racionalizálható, ha nem szimuláljuk az összes áramlási problémát (például: kompresszibilis közeg, instacionárius áramlás) és jelenséget, hanem a vizsgálat szempontjából kevésbé fontosakat (például: falak hatása, turbulencia) nem modellezzük. A teljes szimuláció, avagy a direkt numerikus szimuláció (DNS), - amely pontos eredményt ad elhanyagolások nélkül - több nagyságrenddel nagyobb erőforrás-igényű, ezért a közeljövőben valószínűleg nem lesz hatékony ipari feladatokra. Főként kutatóintézetekben alkalmazzák turbulencia kutatásra, illetve a turbulencia modellek validáslására. A számítás során kapott eredmény szemléletessé teszi az áramlás jellegét, beazonosíthatóak az energiaveszteség források, ezen felül ugyanúgy kvantitatív információkat is tartalmaz. Ez nagy előnyt jelent a hagyományos fejlesztésekhez képest, ahol az energiaveszteségi helyeket inkább csak szemlélet alapján lehet beazonosítani. A CFD számításoknál sem lehet elkerülni a prototípus gyártás és mérés problémáját, hiszen az önhatalmúlag kiválasztott modellek nem feltétlenül adnak pontos megoldást minden áramlási problémára. Ebből kifolyólag a számítást validálni kell mérési eredményekhez. Ezt azonban csak egyszer kell elvégezni. Ezt követően a geometria illetve a peremfeltételek bizonyos mértékű (nem alapvető) módosítása után már nem kell újabb prototípust gyártani. Akár egy-két nap alatt meg lehet vizsgálni egy-egy új geometriai módosítást. Itt mutatkoznak meg a CFD nagy előnyei a rugalmasság és a gyorsaság. A fejlesztés fázisai Az elvégzendő munkafázisokat négy önálló egységre bontottuk fel.

• Műszaki alapadat összegzés, geometria azonosítása, elemek specifikálása, a leggyakrabban alkalmazott légkezelőgép konfigurációk meghatározása. A vizsgálat elemeinek és geometriájának rögzítése.

• Prototípus legyártása, helyszíni szerelése, beüzemelése. Légtechnikai mérések végzése a berendezésen a számítógépes program validálása végett.

• A légkezelő elemek egymásra hatásának áramlástechnikai vizsgálata, számítógépes szimulációs programmal. Modell felépítése, a fizikai-matematikai modell aktualizálása, kontroll számítások végzése, próbafuttatás.

• A program segítségével a belső áramlási veszteségek helye és volumene kerül meghatározásra, és javaslatok kidolgozása a légkezelők energia felhasználásának csökkentésére.

- 3 -

Elszívó ág

By-pass zsalu

Fűtő Hűtő Csepplevál. Ventilátor

Filter ZsaluZsalu Filter

Ventilátor Hővisszanyerő

Befúvó ág

Kondenzátum tálca4. ábra: A vizsgált légkezelő felépítése

A fejlesztési program nyitott végű. Ez azt jelenti, hogy a kérdéses légkezelőgép alap modellt csak egyszer kell elkészíteni és azon további változtatások végrehajthatók, további vizsgálatok elvégezhetők. Ennél a felosztásnál is jól látható a CFD rendszer hatékonysága, és a vele való fejlesztés jellege. Az első három fázis elvégzése után - amely igen időigényes lehet – a fejlesztés felgyorsul, és rendkívül gyorsan megvizsgálhatóak az egyes módosítások hatásai. A modellezett légkezelőgép A légkezelőgép egy összetett szerkezet, amely energetikai szempontból egyaránt tartalmaz aktív és passzív elemeket is. Aktív elemek mint a ventilátorok és hőcserélők, míg a passzív elemek közé tartoznak például a zsaluk és szűrők. Az általunk elsődlegesen vizsgált légkezelő az alábbi ábrán látható.

A berendezés kialakítása az értékesítési adataink alapján lett kiválasztva, a rendelési gyakoriság alapján. Ez egy lemezes hővisszanyerővel felszerelt légkezelő, ahol a hővisszanyerési üzemmód kikapcsolható egy zsalu segítségével. Ilyenkor a levegő egy megkerülő (By-Pass) ágon halad keresztül a hővisszanyerőt kikerülve. Ebben az üzemállapotban közel sem ideális az áramlás. Ezért a megkerülőágas üzemállapot vizsgálata egy fontos pont a fejlesztésben. Mivel a légkezelőgép befúvó (friss levegős) és elszívó (elhasznált levegős) ága egymással nincsen közvetlen kapcsolatban – csak hőátadás van a két ág között a lemezes hővisszanyerőben – ezért célszerű a két ágat külön szimulálni. A szimuláció lefutásának ideje arányos a cellák számával, ahhoz hogy a szimuláció belátható időn belül lefusson, szükséges a cellaszámot alacsonyan tartani. Ehhez a geometriát le kell egyszerűsíteni, de úgy, hogy az az áramlás jellegét ne befolyásolja. Erre azért van szükség, mert a szűk rések és vékony élek (például lemezek) melletti térrész felbontásához igen kisméretű – ebből adódóan igen nagyszámú - cella kell. Egy gyakorlati irányelv szerint a legszűkebb rés felbontásához is legalább öt cella kell. Ennyi minimálisan szükséges az ott lévő áramlási struktúrák felbontásához. A szomszédos cellák méretében azonban nem lehetnek sokszoros méretkülönbségek, tehát az egyes vékony élek és keskeny rések mellett nem csak lokálisan nő meg a cellaszám, hanem egy sokkal nagyobb térrészre kihat. A problémásnak ítélt helyeket le kell egyszerűsíteni. Célszerű egy lokális szimulációval megvizsgálni, hogy megtalálható legyen az egyensúly a cellaszám és a geometria részletessége között.

- 4 -

5. ábra: Áramvonalak a befúvó-ágban a hőmérséklet szerint színezve

6. ábra: Áramvonalak az elszívó-ágban a hőmérséklet szerint színezve

Összefoglalás: A Rosenberg Hungária Kft. az innováció elkötelezettjeként, 2006-ban kezdte el légkezelőgépeinek CFD szimuláció segítségével történő továbbfejlesztését. Ez egy hosszabb távú tevékenység, mely során lehetőség adódik légkezelőgépek átfogó fejlesztésére. Lehetővé válik különféle üzemállapotok szimulálására és az egyedi kialakítású gépeknél esetlegesen felmerülő problémák gyors és hatékony megoldására. A cégnél zajló numerikus szimuláció új perspektívát adott a légkezelőgépek fejlesztésben, a piaci igényekre való gyors reagálás és a költség hatékony gyártása érdekében. Ezen felül a szimulációk eredménye tovább bővíti a cég tudásbázisát.