Computational Fluid Dynamic Analysis von

Advanced Circulator Water Jet

Technischer thermischer Analysebericht für:

Fortgeschrittene Systeme und Ingenieurtechnologien des Weltraumzeitalters ASSET

Computational Fluid Dynamic Analysis of Advanced Circulator Water Jet

Einführung

Dieser Bericht dokumentiert die Computational Fluid Dynamics (CFD)-Analyse, die an einem fortschrittlichen Circulator-Wasserstrahl bei US-Standardtemperatur und -druck (STP) durchgeführt wurde.

Zielsetzung

In diesem Bericht wird der Unterschied in Bezug auf die thermische Energieeffizienz zwischen einer Standard-Poolwasserrückführung und dem fortschrittlichen Circulator-Wasserstrahl ermittelt, der von Advanced Space-age Systems & Engineering Technologies - ASSET erfunden wurde. Dieser Bericht dokumentiert die Kosteneinsparungen durch die Verwendung des fortschrittlichen Circulator-Wasserstrahls über einem festen Poolrücklauf bei Verwendung mit oder ohne Poolheizungen.

Berichtsformat

Dieser Bericht enthält detaillierte Analyseplots und Details, wie im Ziel beschrieben. Analyseannahmen

Dieser Abschnitt listet die verwendeten Analyseannahmen auf. Im Allgemeinen wird das Modell mithilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) für inkompressible Fluide gelöst, die nicht zeitabhängig ist, sondern Gravitationseffekte enthält.

Eine 1-PS-Poolpumpe wird verwendet, um eine typische Durchflussrate von 50 gpm zu erzeugen.

Betrachtet wird ein typischer Pool mit zwei Returns.

Der Wasserfluss wird gleichmäßig auf die Beckenrücklaufdüsen verteilt

Der Standard-Pool-Rücklauf und der fortschrittliche Circulator-Wasserstrahl haben beide die gleichen Düsenabmessungen.

Der Standard-Poolrücklauf ist fest montiert

Der fortschrittliche Circulator-Wasserstrahl dreht sich um 360 Grad mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit von 0,5 rad/sec.

Die Umgebungslufttemperatur beträgt 70 F.

Die Temperatur des erwärmten Wassers, das in den Pool gelangt, beträgt 90 F.

Die anfängliche Wassertemperatur beträgt 60 F.

Typische Betonwandstärke von 4 Zoll, die im Modell verwendet wird.

Analyseansatz

In diesem Abschnitt wird der gewählte Analyseansatz aufgeführt. Es wurde eine mathematische Simulation eines wassergefüllten Pools mit zwei Rückläufen modelliert. Der Analyseansatz besteht darin, zunächst die Effektivität einer Standard-Poolrückführung zu berechnen, indem die Wassertemperatur vorhergesagt wird, die für eine feste Rückführungskonfiguration erwartet wird. Wir werden diesen Wert dann mit den berechneten vorhergesagten Temperaturen für den fortgeschrittenen Wasserstrahl des Zirkulators vergleichen.

Abbildung 1: Mathematische Darstellung einer Beckenwasserrückführung

Wenn ein thermisches Kontrollvolumen als gleich dem Volumen des Berechnungsbereichs angesehen wird, kann die thermische Effizienz der Erwärmung des Beckenwassers durch das folgende Verfahren bestimmt werden:

Für die oben genannten Annahmen wird eine Energiebilanz erstellt.

Die berechnete Energiedifferenz wird durch die Konvektionsgleichung bestimmt:

Q = hc x A x DT [1]

Wobei: Q = thermische Energie

hc = Koeffizient der thermischen Konvektion

A = der Luft ausgesetzte Wasseroberfläche

DT = Temperaturunterschied zwischen Wasser und Luft.

Anschließend wird die thermische Effizienzdifferenz zwischen den beiden Rückläufen und den beiden erweiterten Zirkulationswasserdüsen bestimmt und eine KOSTENERSPARNIS basierend auf den Annahmen und einem typischen Energiekostensatz berechnet.

Wärmeleitung in das umgebende Erdreich, Abstrahlung von der Wasseroberfläche und konvektive Verluste der Wasseroberfläche werden im thermischen Analysemodell berücksichtigt.

Es wurde angenommen, dass der Standard-Poolwasserrücklauf in eine horizontale Richtung zeigt, und dann wurde ein Wassertemperaturdiagramm erstellt. Abbildung 2 zeigt ein Diagramm der Wassertemperatur eines Standard-Poolrücklaufs. Beachten Sie, wie das heiße Wasser beim Austritt aus dem Beckenrücklauf zur Oberkante der Beckenoberfläche aufsteigt. Heißes Wasser auf der Oberfläche des Schwimmbeckens gibt schnell Wärmeenergie durch Konvektion und Strahlung an die Luft über der Oberfläche des Schwimmbeckens ab. Heißes Wasser auf der Oberfläche des Pools unterstützt auch die Verdunstung.

Abbildung 3 zeigt die prognostizierte Temperatur an der Wasseroberfläche für eine standardmäßige Beckenrücklaufkonfiguration. Heißes Wasser aus dem Beckenrücklauf vermischt sich mit dem kühlen Wasser des Beckens und steigt aufgrund von Auftriebseffekten an die Oberfläche. Wenn wir davon ausgehen, dass das heiße Wasser 10 % der Oberfläche des Pools beeinflusst, dann finden wir für einen analysierten Pool von 30 x 15 Fuß Folgendes:

Q = hc x A x DT

Referenztabelle 2; bei einem Rücklaufsystem mit zwei Becken gehen zusätzliche 61,4 BTU/h Wärmeenergie allein aufgrund der Oberflächenerwärmung des Wassers verloren. Dies entspricht 491 BTU Energie für jeweils 8 Stunden Pumpen. Wenn wir außerdem die Wasserverdunstung berücksichtigen, gehen zusätzliche 8.000 BTU für jede Gallone von 80 F verlorenem Wasser verloren.

Schlussfolgerungen der Analyse

Einsparungen durch Pumpenerhaltungsmaßnahmen

Bedingung Energieverbrauch

(kWh/Jahr) Energiekosten

($ / Jahr) Energieeinsparung

Original 3000 240 --

Austausch der Pumpe

(Verkleinerung) 1800 140 40%

Reduzierte Zeit 60 % 1200 100 60 %

Kombination der oben genannten 720 60 75 %

Tabelle mit freundlicher Genehmigung des Home Energy Magazins. Diese Einsparungen stellen einen typischen Pool in Florida dar. Die durchschnittliche Stromrechnung für Poolpumpen ist in Florida aufgrund der langen Badesaison wahrscheinlich höher als in vielen anderen Gegenden des Landes. Während die absolute Einsparung hier größer sein wird als anderswo, soll die prozentuale Einsparung bundesweit gelten. Beachten Sie, dass die Einsparungen für die Maßnahmenkombination nicht einfach die Summe der Einsparungen für einzelne Maßnahmen sind. Wenn beides umgesetzt wird, beträgt der Energieverbrauch 60 % von 40 % des ursprünglichen Verbrauchs – 75 % Einsparung.

Tabelle 1: Energieeinsparungen durch Pumpeneinsparung

In einer Studie sparten die meisten Menschen, die die Pumpzeit auf weniger als 3 Stunden pro Tag reduzierten, durchschnittlich 60 % ihrer Stromrechnung für das Pumpen.

Durch effizienteres Mischen von heißem Wasser aus der Poolheizung spart der fortschrittliche Circulator-Wasserstrahl nachweislich mindestens 500 BTU Wärmeenergie pro Tag. Viel mehr Energieeinsparungen werden durch den fortschrittlichen Circulator-Wasserstrahl realisiert, da heißes Wasser daran gehindert wird, an die Oberfläche des Beckens zu steigen, und durch eine gleichmäßigere Temperaturverteilung, die zu weniger Verdunstungsverlusten führt.

Dieser Bericht dokumentiert die Computational Fluid Dynamics (CFD)-Analyse, die an einem fortschrittlichen Circulator-Wasserstrahl bei US-Standardtemperatur und -druck (STP) durchgeführt wurde. Referenz: Energie sparen und Schwimmbad mit Solarenergie heizen.