Ein Ventilator soll Luft bewegen, einen bestimmten Druck erzeugen, und das möglichst effizient und leise. Um zum Beispiel elektronische Bauteile zu kühlen, benötigt man kalte Luft, die die Wärme aufnimmt, und Druck, der sie gegen den Widerstand durch das Bauteil abführt. Für viele Anwendungsfälle sind Ventilatoren die beste Option hinsichtlich Geräusch und Wirkungsgrad. Zudem besitzen sie wenig bewegte Teile und generieren einen kontinuierlichen Luftstrom bei kleinstem Bauraum. Um zu verstehen, ob für eine bestimmte Anwendung ein Axial-, Radial- oder Diagonalventilator optimal ist, muss man die Funktionsweise verstehen.
Der Druck entscheidet, welcher Ventilator passt
In Axialventilatoren entsteht der Druckaufbau dadurch, dass die einströmende Luft durch die Schaufeln umgelenkt wird und den Ventilator auf spiralförmigen Bahnen verlässt. Dabei hängt der Druckaufbau von dem Winkel ab, den die Luftströmung relativ zum Schaufelprofil bildet. Soll mehr Druck erreicht werden, muss dieser Winkel vergrößert werden. Dieses Prinzip hat seine Grenzen: Wird der Anströmwinkel zu groß, reißt die Profilströmung ab und der Ventilator arbeitet ineffizient und mit mehr Geräusch.
Axialventilatoren
Diagonallüfter
Radialventilatoren
Wird mehr Druck benötigt, werden Ventilatoren eingesetzt, die zusätzlich zu den beschriebenen Effekten die Zentrifugalkräfte benutzen: Radial- oder Diagonalventilatoren. Wie in jedem rotierenden System ist auch die Luft im Laufrad Zentrifugalkräften ausgesetzt, die sie nach außen schleudern. Werden Axialventilatoren bei kleinen Volumenströmen betrieben, blockiert ein Teil der Luft den Schaufelkanal und zwingt die durchströmende Luft auf eine radiale Bahn durch den Lüfter. Die Zentrifugalkräfte sind dann zunehmend am Druckaufbau beteiligt. Der Axialventilator verhält sich in diesem Betriebsbereich ähnlich wie ein Radialventilator.
Wenn relativ zum Volumenstrom mehr Druckaufbau benötigt wird, kommen also Radial- oder Diagonalventilatoren zum Einsatz. Bei reinen Radialventilatoren ist der Zentrifugaleffekt der dominierende Mechanismus, der bestmöglich umgesetzt werden soll. Bei gleichem Radaußendurchmesser und gleicher Drehzahl können Radialventilatoren wesentlich höhere Drücke erreichen als Axialventilatoren. Deren Anwendungsbereich ist da, wo relativ große Luftmengen mit minimalem Aufwand bewegt werden müssen.
Ventilatoren optimieren mit CFD
Mit diesen grundsätzlichen Überlegungen kann dann der Ventilator aerodynamisch ausgelegt und optimiert werden. Dazu wurden in der Vergangenheit experimentelle Methoden entwickelt und verfeinert, die zusammen mit mathematischen Modellen auch heute noch die Grundlage der Ventilatorentwicklung bilden. Heute werden zunehmend computergestützte Methoden angewendet, die es erlauben, sogenannte numerische Experimente durchzuführen.
Computational Fluid Dynamic (CFD) wird überall dort eingesetzt, wo Stoff- und Wärmetransportaufgaben zu lösen sind. Prinzipiell kann mit CFD ein Ventilator mit den Vorgaben für Volumenstrom und Druck ausgelegt werden. Damit werden die einzelnen Ventilatorkomponenten wie zum Beispiel das Laufrad und das Gesamtsystem optimiert. Das Ziel: leisere und effizientere Produkte. Mithilfe CFD ist es ebenso möglich, Ventilatoren für spezifische Anwendungen auszulegen. Denn mit CFD können Varianten einfach verändert und Strömungen detailliert analysiert werden. Damit haben sich auch die Anforderungen an die Messtechnik verändert. Experimente werden heute nicht nur im Auslegeprozess benötigt, sondern dienen auch zum Nachweis und als Auswahlkriterium für zuvor berechnete Varianten neuer Ventilatorenkonzepte.
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