AxiTop – Weniger Geräusch und mehr Effi­zienz

Bei Kälte- und Kühl­an­lagen muss die im Kreis­pro­zess entste­hende Wärme an die Umge­bungs­luft über Wärme­tau­scher abge­geben werden. Venti­la­toren fördern dazu Kühl­luft durch den Wärme­tau­scher und ermög­li­chen die Wärme­ab­fuhr. Für beson­ders effi­zi­ente, leise und lang­le­bige Venti­la­toren gibt es eine ganze Reihe von Möglich­keiten bei der Konstruk­tion und Ausle­gung. Eine neue, passive Kompo­nente, der so genannte Diffusor, sorgt für eine deut­liche Verbes­se­rung von Wirkungs­grad und Geräusch. Seine druck­stei­gernde Wirkung mini­miert die Austritts­ver­luste und erlaubt eine gute Anpas­sung des Venti­la­tors an markt­üb­liche Wärme­tau­scher.
Luft- und klima­tech­ni­sche Anlagen werden meist im Dauer­be­trieb oder zumin­dest mit langer Einschalt­dauer betrieben. Deshalb ist ein möglichst spar­samer Umgang mit der einge­setzten Antriebs­en­ergie wichtig, denn jedes zusätz­liche Watt kostet Geld und belastet die Umwelt. Bei der Venti­la­to­ren­aus­wahl ist deshalb die Ener­gie­ef­fi­zienz ein wich­tiges Krite­rium. Dazu tragen heute auch die gesetz­li­chen Rege­lungen bei, die effi­zi­ente Nutzung von Energie und Ressourcen ist ein globales Ziel für die kommenden Jahr­zehnte. In Europa ist seit Januar 2013 die erste Stufe der ErP Direk­tive in Kraft getreten. Vor diesem Hinter­grund wundert es nicht, dass sich heute in der Praxis bei den Venti­la­to­ren­an­trieben die effi­zi­ente EC-Technik aufgrund ihrer hohen Wirkungs­grade immer stärker durch­setzt und konven­tio­nelle AC-Antriebe zuneh­mend verdrängt.

Austritts­ver­luste, die unter­schätzten „Ener­gie­fresser“

Zum ener­gie­spa­renden und leisen Betrieb des kompletten Venti­la­tors trägt neben dem Motor auch das Laufrad wesent­lich bei, mit dessen Hilfe der Venti­lator die für den jeweils notwen­digen Kühl-Volu­men­strom notwen­dige Luft­menge durch den Wärme­tau­scher fördert. Bei der Ausge­stal­tung des Lauf­rades ist strö­mungs­tech­ni­sches Know-how gefragt, um beispiels­weise Ablö­sungen und Rück­strö­mungen zu vermeiden, die zu Ener­gie­ver­lusten führen und zusätz­lich noch uner­wünschte Geräu­sche verur­sa­chen. Die in den Green­Tech EC-Venti­la­toren einge­setzten Lauf­räder erfüllen heute höchste Ansprüche. Bei der Effi­zi­enz­be­trach­tung eines Venti­la­tors kommt aber noch ein weiterer Punkt zum Tragen: Der prin­zip­be­dingte Austritts­ver­lust bei frei ausbla­senden Venti­la­toren ist ein oft unter­schätzter Ener­gie­fresser. Bild 1 zeigt den Leis­tungs­fluss der zuge­führten Antriebs­leis­tung P_o bei einem frei ausbla­senden Axial­ven­ti­lator. Die Antriebs­leis­tung P_o teilt sich auf in die für den Anwender nutz­bare stati­sche Förder­leis­tung (P_us = Produkt aus Volu­men­strom und stati­scher Druck­erhö­hung des Venti­la­tors) und die unter­schied­li­chen Verluste der Umwand­lung in diese. Der größte Verlust­faktor ist dabei die dyna­mi­sche Leis­tungs­kom­po­nente (P_ud) der Luft­leis­tung, welche auch als Austritts­ver­lust bezeichnet wird. Sie setzt sich aus dem Produkt des Volu­men­stroms und des dyna­mi­schen Drucks zusammen. Der Motoren- und Venti­la­to­ren­her­steller ebm-papst hat sich jetzt dieser Thematik ange­nommen und den neuar­tigen Diffusor AxiTop entwi­ckelt. Ersetzt man das übliche Schutz­gitter des Venti­la­tors durch den Diffusor AxiTop (Bild 2), lassen sich die Verluste durch den Luft­aus­tritt erheb­lich redu­zieren. Die Effi­zienz steigt, während gleich­zeitig das Arbeits­ge­räusch sinkt. Dabei ist die prin­zi­pi­elle Funk­ti­ons­weise des Diffu­sors, der quasi wie eine umge­kehrte Düse arbeitet, wie folgt zu verstehen:

Dyna­mi­sche Energie in stati­schen Druck umwan­deln

Jedes Medium kann nur eine bestimmte Wärme­menge je Grad Kelvin aufnehmen. Durch die mögliche Tempe­ra­tur­dif­fe­renz und die abzu­füh­rende Wärme­menge ist so der nötige Kühl-Volu­men­strom vorge­geben. Diese Luft­menge muss ein Venti­lator durch den betrach­teten Wärme­tau­scher fördern. Dazu ist ein Druck­ge­fälle nötig, das den Strö­mungs­wi­der­stand des Tauschers über­windet. Norma­ler­weise strömt die geför­derte Luft mit hoher Geschwin­dig­keit an der Austritts­seite des Venti­la­tors aus und der dyna­mi­sche Druck (p_fd) dissi­piert in die Umge­bung. Dissi­pa­tion bedeutet, dass die kine­ti­sche Energie der Strö­mung in Turbu­lenz und durch Reibung damit in Wärme umge­wan­delt wird, die häufig nicht tech­nisch genutzt werden kann. Mit dem Diffusor AxiTop lässt sich nun ein großer Teil der dyna­mi­schen Geschwin­dig­keits­en­ergie durch Verzö­ge­rung der Strö­mung in stati­schen Druck (p_fs) umwan­deln. Physi­ka­lisch ist das einfach zu erklären: Der erzeugte Total­druck (p_f) eines Venti­la­tors setzt sich aus der Summe des stati­schen Drucks p_fs und des dyna­mi­schen Drucks p_{fd_cges} zusammen. Der dyna­mi­sche Druck kann wiederum unter Berück­sich­ti­gung der Dichte r in seine drei Geschwin­dig­keits­kom­po­nenten, (in Zylin­der­ko­or­di­naten) Axial­kom­po­nente p_{fd_cax}=ρ/2*c_ax², Umfangs­kom­po­nente p_{fd_cu}=ρ/2*c_u² und Radi­al­kom­po­nente p_{fd_cr}=ρ/2*c_r² aufge­spaltet werden. Im Diffusor wird durch Verzö­ge­rung der Luft im sich erwei­ternden Quer­schnitt der Axial- und Umfangs­an­teil des dyna­mi­schen Drucks (ρ/2*c_ges²) verrin­gert und auf Grund der Ener­gie­er­hal­tung (Gesetz von Bernoulli) der nutz­bare stati­sche Druck­an­teil erhöht (Bild 3). Bei aero­dy­na­misch opti­mierter Abstim­mung aller Kompo­nenten lässt sich auf diese Weise der Wirkungs­grad signi­fi­kant verbes­sern.
In der Praxis bedeutet der Einsatz des Diffu­sors AxiTop neben einem gerin­geren Ener­gie­ver­brauch auch mehr Frei­heits­grade für Anwender und Entwickler. So kann die Abstim­mung des Diffu­sors je nach Einsatz­ge­biet auf unter­schied­liche Eigen­schaften hin opti­miert werden. Bei gleich­blei­bendem Ener­gie­ein­satz ist eine höhere Förder­leis­tung ebenso möglich wie gerin­gerer Ener­gie­ver­brauch bei glei­cher Luft­leis­tung. Auch das Geräusch­ver­halten lässt sich über den Diffusor deut­lich verbes­sern. Diese akus­ti­sche Verbes­se­rung ist vor allem dann inter­es­sant, wenn Venti­la­toren in schall­emp­find­li­cher Umge­bung arbeiten, beispiels­weise beim Nacht­be­trieb von Kälte- und Klima­an­lagen in Wohn­ge­bieten oder in Räumen mit Perso­nal­auf­kommen, wo es eben­falls Lärm­schutz­be­stim­mungen zu erfüllen gilt.

Beacht­liche Poten­ziale lassen sich nutzen

Das Poten­tial der mögli­chen Ener­gie­ein­spa­rung, Effi­zi­enz­stei­ge­rung und Schall­re­du­zie­rung durch einen opti­malen Diffusor bei markt­üb­li­chen Wärme­tau­schern ist erheb­lich. Das hat sich in ausführ­li­chen Test­reihen bestä­tigt. Bild 4 zeigt ein konkretes Beispiel. Hier erlaubt der Austausch eines normalen Venti­la­tors mit Schutz­gitter gegen den glei­chen Venti­lator mit Trag­gitter, Schutz­gitter und Diffusor Einspa­rungen von 27 % beim Ener­gie­ver­brauch und gleich­zeitig ein um 7,2 dB(A) gemin­dertes Betriebs­ge­räusch (Bild 4) bei glei­chem Volu­men­strom.
Wird dagegen die höhere Effi­zienz des Venti­la­tors mit Diffusor genutzt, fördert er bei glei­cher Anschluss­leis­tung einen rund 9 % höheren Volu­men­strom bei dennoch um 4,9 dB(A) gemin­derter Schall­emis­sion (Bild 4). Diese Werte wurden an einer beispiel­haften Kunden­ap­pli­ka­tion ermit­telt. Je nach indi­vi­du­eller Ausle­gung kann die Opti­mie­rung des Wirkungs­grades entweder zur Redu­zie­rung der Aufnah­me­leis­tung oder zur Erhö­hung der Luft­leis­tung genutzt werden. Der Anwender spart also beim Betrieb nicht nur Energie, sondern der Konstruk­teur einer klima­tech­ni­schen Anlage kommt oft auch mit klei­neren Tauscher­flä­chen aus. Die Aufstel­lungs­fläche des Kühl­ge­rätes lässt sich bei glei­chem oder besserem Geräusch­ver­halten und konstanter Kälte­leis­tung verrin­gern. Die Reduk­tion der Aufstell­fläche ist vor allem bei großen Wärme­tau­schern ein nicht zu vernach­läs­si­gendes Argu­ment. Auch wenn sich bei einer Anlage im Nach­hinein heraus­stellt, dass die Kälte­leis­tung nicht ausreicht, z. B. bei einem Ausle­gungs­fehler, bietet sich der Diffusor an. Er stei­gert die Luft­leis­tung ohne das Geräusch zu erhöhen. In solchen Fällen lassen sich dann oft die Instal­la­tion eines zusätz­li­chen Wärme­tau­schers und der damit verbun­dene Aufwand vermeiden.

Nach­rüstbar und in bestehenden Wandringen verwendbar

Vorhan­dene Wärme­tau­scher mit einem Diffusor nach­zu­rüsten ist einfach und erfor­dert nur wenig Ände­rungen an den luft- und klima­tech­ni­schen Geräten. Der Diffusor wird anstatt des Schutz­git­ters aufge­setzt, bestehende Wandringe lassen sich weiter­ver­wenden. Der AxiTop Diffusor von ebm-papst ist ledig­lich 250 mm hoch, benö­tigt also wenig Platz. Den Entwick­lern ist mit diesen Abmes­sungen ein sehr guter Kompro­miss gelungen. Physi­ka­lisch gesehen kann ein Diffusor nicht groß genug sein, um den stati­schen Druck zu erhöhen. In der Praxis dagegen sind möglichst kompakte Abmes­sungen gewünscht. CFD-Simu­la­tionen kombi­niert mit para­me­tri­scher Opti­mie­rung haben hier für ein strö­mungs­tech­nisch sehr gelun­genes Ergebnis gesorgt. Es kommt durch die Ände­rung des Abström­pro­fils zu einem gerin­geren Aufplatzen der Strö­mung, wodurch die Wurf­weite des Venti­la­tors beibe­halten wird. Bild 5 zeigt das unter­schied­liche Verhalten der für die Wurf­weite rele­vanten Ausblas­ge­schwin­dig­keit cax mit und
ohne Diffusor. Der neue Diffusor AxiTop ist für Venti­la­toren der Baugrößen 800 und 910 ausge­legt, die Ausfüh­rung für die an Wärme­tau­schern eben­falls häufig einge­setzte Baugröße 500 wird in Kürze folgen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Venti­la­toren mit Green­Tech EC- oder noch mit AC-Antrieben arbeiten. Im Sinne der Ener­gie­ef­fi­zienz ist jedoch die Kombi­na­tion mit Green­Tech EC-Venti­la­toren in jedem Fall vorzu­ziehen.

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