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AxiTop – Weniger Geräusch und mehr Effizienz

Neuer Diffusor reduziert die Austrittsverluste bei Ventilatoren


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“

Bild 1: Leistungsfluss bei einem frei ausblasenden Axialventilator

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 Po bei einem frei ausblasenden Axialventilator. Die Antriebsleistung Po teilt sich auf in die für den Anwender nutzbare statische Förderleistung (Pus = Produkt aus Volumenstrom und statischer Druckerhöhung des Ventilators) und die unterschiedlichen Verluste der Umwandlung in diese. Der größte Verlustfaktor ist dabei die dynamische Leistungskomponente (Pud) 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

Bild 2: Der Diffusor AxiTop von ebm-papst 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

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 (pfd) 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 (pfs) umwandeln. Physikalisch ist das einfach zu erklären: Der erzeugte Totaldruck (pf) eines Ventilators setzt sich aus der Summe des statischen Drucks pfs und des dynamischen Drucks pfd_cges zusammen. Der dynamische Druck kann wiederum unter Berücksichtigung der Dichte r in seine drei Geschwindigkeitskomponenten, (in Zylinderkoordinaten) Axialkomponente pfd_cax=ρ/2*cax², Umfangskomponente pfd_cu=ρ/2*c und Radialkomponente pfd_cr=ρ/2*c aufgespaltet werden.

Bild 3: Mit dem Diffusor AxiTop lassen sich Teile des dynamischen Drucks durch Verzögerung der Strömung in nutzbaren statischen Druck umwandeln

Im Diffusor wird durch Verzögerung der Luft im sich erweiternden Querschnitt der Axial- und Umfangsanteil des dynamischen Drucks (ρ/2*cges²) 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

Bild 4: Bei gleicher Luftleistung sinken Energieverbrauch und Geräuschentwicklung deutlich. Bei gleicher Leistungsaufnahme erhöht sich die Förderleistung bei gleichzeitig weniger Geräusch. (Angaben aus einer Beispielapplikation)

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

Bild 5: Die Wurfweite wird durch den Diffusor AxiTop nicht beeinträchtigt, dargestellt ist die axiale Strömungsgeschwindigkeit links mit Diffusor, rechts ohne Diffusor

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.

Mehr Informationen zum AxiTop

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