Investigation of an Air Prufier Device Using Numerical and Experimental Methods

Abstract

Air pollution increases in indoor or outdoor environments cause various diseases in the human body and may cause a new pandemic reaction such as Covid19. The air pollution rate in indoor environments is higher than in outdoor environments, and since most of our daily lives are spent indoors, that needs to be cleaned. Air purifier devices have started to attract attention to clean the air for human life and reduce the environmental pollution rate. In this study, an air purifier capable of generating a volumetric flow rate of 200 m^3/h was developed. Both experimental and Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical analyses were performed, and ambient conditions, the volumetric flow speed of the air outlet region, rotational speed-consumed power of the fan engine, and the resulting Sound Pressure Level (SPL) were measured in the experimental work. The CFD numerical simulations were performed using the SolidWorks Flow Simulation (SWFS). Boundary conditions are defined, such as ambient pressure (P_s=101235 Pa), temperature (T_o=20 °C), and engine rotation speed (2000 RPM) to the CFD. The volumetric flow rate at the air outlet region of the air purifier device was used as a validation parameter between the CFD and Experimental Work. The k-ℇ Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence model was selected in the SWFS software, and a new model was introduced by improving the turbulent regions, reversible flows, and acoustic sound power intensity only due to the fluid in the verified mesh structure. As a result, the sound pressure level of 2.7 dB(A) decreased, and a reduction of 10.52% in power consumed was detected between the improved model and the current model. Within the scope of the study, in addition to the existing sound insulation material, two different sound insulation materials were examined experimentally, and it was determined that there was a sound pressure level of 6.4 dB(A) between 3 different sound insulation materials.

Keywords

• Keywords: Covid19
• CFD
• Air Purifier Device
• Sound Pressure Level
• Turbulence

Bir Hava Temizleme Cihazının Sayısal ve Deneysel Yöntemlerle İncelenmesi

Abstract

Kapalı veya açık ortamlarda artış gösteren hava kirliliği insan vücudu üzerinde çeşitli hastalıklara yol açabilmekte ve zaman içerisinde Covid19 gibi yeni bir pandemik reaksiyona sebebiyet verebilmektedir. Kapalı ortamlardaki hava kirlilik oranı, açık ortamlara göre daha fazladır ve günlük hayatımızın büyük bir bölümü kapalı ortamlarda geçtiği için bu ortamların temizlenmesi gerekmektedir. İnsan yaşamının temiz hava ihtiyacını gidermek ve ortamların kirlilik oranını azaltmak için hava temizleme cihazları giderek artan bir ilgi görmeye başlamıştır. Çalışma kapsamında 200 m^3/h hacimsel debi kapasitesi olan bir hava temizleme cihazı incelenmiştir. Ortam şartları, filtre basınç-debi grafikleri ve motor dönüş hızı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) sayısal çalışmasına sınır şartı tanımlanarak Deney-HAD karşılaştırması yapılmıştır. Deneysel olarak ayrıca Ses Basınç Seviyesi (SPL) ölçümlenmiştir. HAD sayısal çalışmaları SolidWorks Flow Simulation (SWFS) ticari yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Hava giriş-çıkış bölgesine ortam basınç değeri (P_s=101235 Pa), sıcaklığı (T_o=20°C) ve motor dönüş hızı (2000 RPM) tanımlanırken havalandırma cihazının çıkışındaki hacimsel debisi deney doğrulama parametresi olarak kullanılmıştır. SWFS yazılımında bulunan k-ℇ Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) türbülans modeli seçilmiş ve doğrulanan ağ yapısında cihaz içerisinde oluşan türbülanslı bölgeler, tersinir akışlar ve sadece akışkana bağlı akustik ses gücü şiddeti iyileştirilerek ortaya yeni bir model konmuştur. İyileştirilmiş model ile mevcut model arasında ses basınç seviyesinde 2,7 dB(A) ve harcanan güçte %10,52 oranında azalma tespit edilmiştir. Çalışma kapsamında mevcut ses yalıtım malzemesine ek olarak 2 farklı ses yalıtım malzemesi daha deneysel olarak incelenmiş toplamda 3 farklı ses yalıtım malzemesi ses basınç seviyesi arasında 6,4 dB(A) fark olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

• Covid19
• HAD
• Hava Temizleme Cihazı
• Ses Basınç Seviyesi
• Türbülans

References

1. [1] Almeida, S. M. ve diğerleri, 2010. Children Exposure to Atmospheric Particles in Indoor of Lisbon Primary Schools: Atmospheric Environment, Cilt. 45, s. 7594-7599.
2. [2] Klepeis, N. E. ve diğerleri, 2001. The National Human Activity Pattern Survey (NHAPS): A Resourse for Assesing Exposure to Environmental Pollutants. Journal of Exposure Analysis and Environmetal Epidemiology, Cilt. 11, s. 231-252.
3. [3] Tringe, S. G. ve diğerleri, 2008. The Airbone Metagenome in an Indoor Urban Environment: Plos One, Cilt. 3, s. 1-10.
4. [4] Wood, R. A. ve diğerleri, 2002. Plant/Soil Capacities to Remove Harmful Substances from Polluted Indoor Air: The Journal of Horticultutal Science and Biotechnology, 4(5), s. 120-129.
5. [5] Branco, P. T., Alvim-Ferraz, M. C., Martins, F. G. & Sousa, S. I., 2013. Indoor Air Quality in Urban Nurseries at Porto City: Particulate Matter Assessment. Atmospheric Environment, s. 133-143.
6. [6] Fromme, H., 2018. Particulate Matter and Ultrafine Particles in Indoor Air: Encyclopedia of Environmental Health, s. 1-13. [7] Roy, A., Mishra, C., Jain, S. & Solanki, N., 2019. A Review of General and Modern Methods of Air Purification: Journal of Thermal Engineering, Cilt. 5, s. 22-28.
7. [8] Yoda, Y. ve diğerleri, 2020. Effects of the Use of Air Purifier on Indoor Environment and Respiratory System among Healthy Adults: International Journal of Environmental Research and Public Health, s. 2-11.
8. [9] Karottki, D. G., Spilak, M. & Frederiksen, M., 2015. Indoor and Outdoor Exposure to Ultrafine, Fine and Microbiologically Derived Particulate Matter Related to Cardiovascular and Respiratory Effects in a Panel of Elderly Urban Citizens: International Journal of Environmental Research and Public Health, s. 1667-1686.

9. [10] Kim, J. S. ve diğerleri, 2015. Optimization of Sirocco Fan Blade to Reduce Noise of Air Purifier Using a Metamodel and Evolutionary Algorithm: Applied Acoustics, Cilt. 89, s. 254-266.
10. [11] Lee, B., Sim, W., Jo, J. & Chung, J., 2020. Reduction of Flow-Induced Noise in a Household Air Purifier: Journal of Mechanical Science and Technology, Cilt. 34, s. 1-11.
11. [12] Saccani, C. ve diğerleri, 2022. Experimental Testing of Air Filter Efficiency Against the SARS-CoV-2 Virus: The Role of Droplet and Airborne Transmission. Building and Environment, Cilt. 210, s. 1-12.
12. [13] Cimbala, J. M. & Cengel, Y. A., 2006. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications.
13. [14] Sobachkin, A. & Dumnov, G., 2013. Numarical Basis of CAD-Embedded CFD. NAFEMS World Congress, s. 1-20.
14. [15] Kılıç, M., Mutlu, M. & Saldamlı, İ. H., 2022. Numarical Investigation of an Air Cleaning Device Performance: Journal of the Faculty of Enginnering and Achitecture of Gazi University, Cilt. 37, s. 2077-2089.
15. [16] Üncü, Y. A. & Koçak, O., 2022. Tıbbi Ortamlarda Kullanılan Portatif Hava Temizleme Sistemi: Düzce Ünivetsitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, Cilt. 10, s. 1725-1735.