Numerical Study of the Performance of a Vertical Air Purifier

Abstract

The COVID-19 global pandemic has drawn increased attention and a heightened concern towards Indoor Air Quality (IAQ) subjects in recent years. Despite there being several potential transmission routes of the SARS-CoV-2 virus, the transmission via aerosols stands out due to its superspreading potential, particularly within enclosed spaces with poor ventilation. In response to this context, the company Ambiosfera Lda. developed a vertical portable air purifier to improve IAQ in the most diverse public indoor spaces. This device features a cabin design and incorporates a vertical adjustment mechanism that enables the air diffuser to supply clean air into rooms with different ceiling heights. In this way, the design of this equipment makes it possible to take advantage of the so-called Coanda Effect to promote mixed ventilation within enclosed spaces.This work presents a Computational Fluid Dynamics (CFD) study to evaluate the airflow pattern established by the continuous operation of this air purifier in a room devoid of any obstructions and to further assess its ventilation efficiency through the Air Change Efficiency (ACE). An optimized version of the diffuser, located at the top of the air purifier, is also presented and recommended to improve the airflow distribution throughout the room. Only one position of the air purifier was tested – in the center of the room. The simulations were conducted using the commercial software Ansys CFX® 2022 and the Shear Stress Transport (SST) turbulence model was selected for the prediction of the airflow.The evaluation of this air purifier involved analyzing the airflow velocity values and streamlines. Through the implementation of the variable Age of Air, it was also possible to measure the Air Change Efficiency (ACE) that evaluates this air purifier's ability to distribute clean air throughout the room. In addition, a multiphase model was implemented to determine the time required for the air purifier to completely clean the contaminated air initially present in the room under study, for the three operating airflow rates.The numerical results with the equipment’s operation within the studied room showed that the velocities at certain locations of the diffuser outlets were sufficient to extend the Coanda Effect to the bounding walls of the room, dispersing the clean airflow, still attached to the walls, in all directions. However, it was found that no airflow was driven into the room from the corners of the diffuser. Nonetheless, the results obtained regarding the ACE for the three operating airflow rates were slightly above 50%, a typical value in mixed ventilation systems.In order to achieve a more uniform air distribution through the diffuser and, consequently, throughout the room, a modification of the diffuser design is proposed. This new design effectively eliminated the recirculation zones that were present in the corners of the original diffuser model, through which no clean airflow was driven into the room. In this way, the results obtained were reflected in an increase of around 5% in ACE values and a modest reduction in the room decontamination times.

A pandemia global da COVID-19 veio aumentar a atenção e a preocupação dirigida a assuntos relacionados com a Qualidade do Ar Interior (QAI) nos últimos anos. Apesar de existirem vários meios de transmissão possíveis do vírus SARS-CoV-2, a transmissão por aerossóis destaca-se pelo seu elevado potencial de propagação, particularmente em espaços fechados com pouca ventilação. Face a este contexto, a empresa Ambiosfera Lda. desenvolveu um purificador de ar vertical portátil com vista a melhorar a QAI nos mais diversos espaços públicos. Este dispositivo apresenta um design em cabine e possui um mecanismo de ajuste vertical que permite o difusor de ar insuflar ar limpo em salas com diferentes pés-direitos. Deste modo, o design deste dispositivo permite tirar partido do designado Efeito Coanda para promover uma ventilação por mistura em espaços fechados. Este trabalho apresenta um estudo em mecânica de fluidos computacional (CFD, em inglês) com vista a avaliar o padrão de escoamento de ar estabelecido pelo funcionamento contínuo do purificador de ar numa sala livre de obstruções e, ainda, a avaliar o seu desempenho em termos de ventilação. É também apresentada e preconizada uma versão otimizada do difusor localizado no topo do purificador de ar de modo a melhorar a distribuição de ar em toda a sala. Apenas uma posição do purificador foi testada – no centro da sala. As simulações foram realizadas utilizando o software comercial Ansys CFX® 2022 e o modelo de turbulência Shear Stress Transport (SST) foi selecionado para a previsão do escoamento de ar.A avaliação deste purificador de ar envolveu a análise dos valores, direções e dos sentidos das velocidades do escoamento de ar. Através da implementação da variável Age of Air foi também possível calcular a eficiência de renovação de ar (Air Change Efficiency, em inglês) que mede a capacidade do purificador em distribuir o ar limpo por toda a sala. Adicionalmente, um modelo multifásico foi implementado com o objetivo de determinar o tempo necessário para que o purificador de ar limpe completamente o ar contaminado inicialmente presente na sala em estudo, para os três caudais de ar de funcionamento. Os resultados numéricos do funcionamento do equipamento na sala em estudo, mostraram que as velocidades à saída de certas zonas do difusor eram suficientes para estender o pretendido Efeito Coanda até às paredes delimitadoras da sala, dispersando aí o fluxo de ar limpo, ainda “colado” às paredes, em todas as direções. Contudo, constatou-se que nenhum fluxo de ar limpo era insuflado através dos cantos do difusor para a sala. Não obstante, os resultados obtidos com a eficiência de renovação de ar para os três caudais de operação foram ligeiramente acima dos 50%, valor típico em sistemas de ventilação por mistura. Com o objetivo de adquirir uma distribuição de ar mais uniforme pelo difusor de ar e, consequentemente, pela sala, foi proposta uma modificação do design do difusor. Este novo design eliminou eficazmente as zonas de recirculação que estavam presentes nos cantos do modelo original do difusor, por onde nenhum ar limpo era insuflado para a sala. Deste modo, os resultados obtidos refletiram-se num acréscimo de cerca de 5% nos valores de eficiência e numa modesta redução dos tempos de descontaminação da sala.