PROJEKTDETAILS

• Auftraggeber: LODEPA
• Termin: 2024
• Technologie: Akustische Simulation. CFD-Simulation und -Optimierung. Akustische Prüfung.

EINFÜHRUNG

Dieses Projekt zielt darauf ab, die Effizienz einer Krankenhausluftreinigungsanlage zu verbessern und ihren Lärmpegel zu senken. Zu diesem Zweck wird zunächst eine CFD-Simulation durchgeführt, um die Strömung und die Gleichmäßigkeit der Geschwindigkeit in den Entwurfsvorschlägen zu untersuchen. Darauf folgt eine Studie, die experimentelle Methoden und FEM-Simulationen kombiniert, um die Akustik der Anlage zu optimieren. Für dieses Projekt wird Cradle CFD für den strömungsdynamischen Simulationsteil und Actran für die akustische Studie mittels FEM-Simulation verwendet.

REAKTIONSRAUM CFD-OPTIMIERUNG

Die untersuchte Reinigungsanlage verfügt über eine Reaktionskammer mit Ultraviolettlampen und Desinfektionsmitteln zur Entfernung von Mikroorganismen und Schadstoffen aus der Luft. Um die Wirksamkeit zu maximieren, ist es wichtig, dass der Luftstrom so lange wie möglich in der Kammer verbleibt und mit den Oberflächen in Kontakt kommt, die mit den Verbindungen bedeckt sind. Außerdem muss eine gute Umwälzung gewährleistet sein, damit die Desinfektion der Räume in angemessener Zeit erreicht wird. Für CFD-Simulationsstudien setzen wir die vom Hersteller bereitgestellten Ventilatorkurven in die Modelle ein. Auf diese Weise können wir die Durchflussmenge berechnen, die wir unter Berücksichtigung des Druckabfalls der zu analysierenden Konstruktion erhalten. Die Untersuchung der jetzigen Kammer zeigt, dass die Gleichmäßigkeit der Strömung noch stark verbesserungswürdig ist, wie die folgende Abbildung zeigt: Um ein optimiertes Design zu erreichen, haben wir zunächst eine Änderung der Ein- und Auslässe in Betracht gezogen, um eine gleichmäßigere Strömung in der Kammer zu erzeugen. Dies führte uns dazu, mit Axialventilatoren zu arbeiten. Nach mehreren Iterationen erhalten wir eine Lampenverteilung und eine Konfiguration der Ein- und Auslässe, die die Gleichmäßigkeit der Strömung in der Kammer erheblich verbessert. Diese Konstruktion mit den ausgewählten Ventilatoren führt auch zu einer Erhöhung der mit der Nennstromversorgung bereitgestellten Durchflussmenge und ermöglicht eine Verringerung des Stromverbrauchs dieser Geräte. Das folgende Bild zeigt das Geschwindigkeitsfeld in einem vertikalen Abschnitt eines der untersuchten Designs:

AKUSTISCHE OPTIMIERUNG

In der nächsten Phase des Projekts versuchten wir, den Schallpegel der Maschine zu optimieren, indem wir den erzeugten Schalldruckpegel senkten. Zunächst werden die Schallquellen des ursprünglichen und des vorgeschlagenen Ventilators experimentell charakterisiert. Dadurch können sie in das numerische Modell eingeführt werden, um realistische Ergebnisse bei den verschiedenen Frequenzen des hörbaren Spektrums zu erhalten. Nach der Charakterisierung der Quellen wird die Simulation der eigentlichen Anlage durchgeführt. Diese Studien berücksichtigen die Schallquellen der Ventilatoren und den Lärm, der durch die Luft, die durch die Reaktionskammer strömt, verursacht wird, wobei letzterer mit der aeroakustischen Methode SNGR bewertet wird. Die Ergebnisse werden in Abhängigkeit von der Frequenz ermittelt und die Gesamtergebnisse können dann mit den erforderlichen Gewichtungen berechnet werden: Die Ergebnisse des numerischen Modells werden mit experimentellen Messungen verglichen, die in unseren Büros mit den realen Geräten im Betrieb durchgeführt wurden. Der Unterschied zwischen den numerischen und den experimentellen Ergebnissen für die Gesamtlautstärke der Geräte beträgt weniger als 1 dB. Dies erlaubt uns, die Simulationsmethode zu validieren und Vertrauen in die Ergebnisse der neuen Entwürfe zu schaffen. Unter Anwendung der validierten Methodik werden verschiedene Konfigurationen der Elemente, die die Reaktionskammer im Inneren der Maschine umgeben, untersucht. Am Ende dieses Prozesses steht ein Entwurf, der in allen Betriebsarten erhebliche Einsparungen gegenüber der ursprünglichen Anlage ermöglicht.

EXPERIMENTELLE VALIDIERUNG

Nach Festlegung des endgültigen Designs wird ein Prototyp im 3D-Druckverfahren hergestellt, um die erzielten Verbesserungen experimentell zu testen. Die bei den Tests erzielten Ergebnisse spiegeln sehr ähnliche Verbesserungen wider, wie sie von den numerischen Modellen vorhergesagt wurden, mit einer Genauigkeit von wiederum fast 1 dB im Vergleich. Es werden auch Durchflussmessungen mit einem Hitzdrahtanemometer durchgeführt, um zu überprüfen, ob die Durchflussmenge angemessen ist. Der Optimierungsprozess schließt mit sehr zufriedenstellenden Ergebnissen in Bezug auf die Verbesserung des Durchflusses und die Lärmreduzierung ab, wobei die Lärmwerte etwa 8 dBA unter denen des ursprünglichen Entwurfs liegen.