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„Strömungsgleichrichter“ garantiert niedriges Geräusch

Vorleitgitter für Axial- und Radialventilatoren


Bei Anwendungen in der Kälte-, Klima- und Lufttechnik stellt man oft fest, dass der ausgewählte und im Gerät verbaute Ventilator nicht so leise arbeitet wie erwartet. Er erzeugt häufig ein deutlich höheres Betriebsgeräusch als in seiner Dokumentation angegeben ist. Der Grund dafür ist einfach zu verstehen: Die in der Dokumentation angegebenen Werte beruhen auf reproduzierbaren Messungen bei (ungestörten) Standardbedingungen. In den Anwendungen gibt es aber – bedingt durch die Einbauverhältnisse im jeweiligen Gerät – mehr oder weniger ausgeprägte Zuströmstörungen. Diese führen zu einer zusätzlichen Geräuschentwicklung. Abhilfe schafft nun ein Vorleitgitter, das quasi als Gleichrichter wirkt – so werden unerwünschte Störungen deutlich verringert und damit Geräusche effektiv reduziert.

Wärmepumpen oder Klimaanlagen sind unterschiedlich aufgebaut, Abmessungen und Design differieren. Unterschiede finden sich z. B. bei der Platzierung der zur Belüftung notwendigen Öffnungen, der Oberfläche des Wärmetauschers oder bei der Packungsdichte. Dabei wird der Luftstrom, der beim Ventilator ankommt, außer durch die Einbausituation auch durch zusätzliche Komponenten wie Wärmetauscher beeinflusst. Je nach Anwendung weist die Zuströmung zum Ventilator dann oft eine hohe Ungleichmäßigkeit und nichtstationäre Anteile auf.

Bild_1_Anstroemung

Bild 1: Typische Anströmung im Kundengerät mit Turbulenzen

Bei rechteckigen Wärmetauschern beispielsweise entstehen an den Gehäusewänden Rückströmgebiete mit entsprechender Zirkulation, also Luftverwirbelungen (Bild 1). Diese wiederum werden dann zu den Stellen mit dem engsten Abstand zwischen Ventilator und Gehäusewand gezogen. Dort verbinden sich die Verwirbelungen der beiden Seiten miteinander, diese „Wirbelzöpfe“ sorgen dann für hohe Turbulenzen. Dadurch kommt es an der Schaufelvorderkante zu großen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen. Was zu teilweise drastischen Zusatzgeräuschen vor allem im niederfrequenten Bereich führt. Zum einen entsteht ein breitbandiges Rauschen, zum anderen aber auch zusätzliche schmalbandige, tonale Schallanteile, die auch als Drehklang bezeichnet werden.

Der Drehklang setzt sich aus dem Drehton und seinen Harmonischen zusammen, die Formel lautet f=n*z*k. Die Frequenz des Drehtons f errechnet sich also aus dem Produkt der Drehzahl des Ventilators n und der Anzahl der Schaufeln z. Die Harmonischen des Drehtons sind jeweils das Vielfache k davon. Demnach ergibt sich bei einem Axialventilator mit fünf Flügeln und einer Drehzahl von 1.200 1/min (20 1/s) der Drehton beispielsweise bei einer Frequenz von 100 Hz. Die dafür typischen, unangenehmen „brummenden“ Geräusche hat wohl jeder schon einmal gehört.

Schluss mit den „brummenden“ Geräuschen

Bild_2_Radial_Axial_Vorleitgitter

Bild 2: Das Vorleitgitter reduziert drastisch die Geräusch erzeugenden Störungen in der Zuströmung und wirkt bei Axial- und Radialventilator gleichermaßen. Die Aufnahmeleistung und die Luftleistung bleiben nahezu unverändert

Diese Zusatzgeräusche sind natürlich bei Wärmetauschern und Klimaanlagen vor allem im Wohnumfeld nicht nur unerwünscht, sondern nicht tolerierbar. Ihnen beizukommen ist allerdings nicht einfach. Störungen in der Zuströmung kann man nicht durch Optimierungen am Ventilator kompensieren. Das Gehäuse zusätzlich zu dämmen, bringt in der Praxis auch wenig Erfolg. Entsprechende Dämmplatten wirken typischerweise erst ab höheren Frequenzen. Der Ventilatorenspezialist ebm-papst Mulfingen wählte deshalb einen anderen Ansatz: Verbessert man die Zuströmung der Luft zum Ventilator, reduzieren sich die Turbulenzen und somit auch die durch sie verursachten, lästigen niederfrequenten Geräusche.

Mulfinger Ingenieure haben deshalb das spezielle Vorleitgitter „FlowGrid“ entwickelt, das praktisch wie ein Gleichrichter auf die Luftzufuhr wirkt (Bild 2). Es reduziert dadurch drastisch die Geräusch erzeugenden Störungen in der Zuströmung und wirkt bei Axial- und Radialventilatoren gleichermaßen. Bei einem Verflüssiger beispielsweise, der mit einem Axialventilator ausgestattet ist, wurde durch den Einsatz des Vorleitgitters eine Reduzierung des Geräuschpegels um 3,9 dB(A) und des Drehklangs um 16 dB erreicht. Bei einem Flachklimagerät mit Radialventilator lässt sich durch das FlowGrid der Geräuschpegel um 2,5 dB(A) reduzieren, der Drehklang um 9 dB. Bild 3 zeigt die realen Ergebnisse einer Schallmessung an einem beispielhaften Verflüssiger.

Bild_3_Kennlinie_Schalldruckpegel

Bild 3: Mit dem Vorleitgitter wird eine deutliche Reduzierung des Schalldruckpegels und ein deutlich abgeschwächter Drehklang erreicht. Dargestellt sind die Ergebnisse einer Schallmessung an einem Verflüssiger

Die Senkung des Schalldruckpegels und ein deutlich abgeschwächter Drehklang werden durch den Einsatz des Vorleitgitters erreicht. Der Dämm- und Schallschutzaufwand sinkt so beträchtlich. Das Vorleitgitter wird im Kunststoff-Spritzgussverfahren hergestellt und genügt verschiedenen Brandschutzklassen bis UL94-5VA. Das FlowGrid lässt sich mit Schrauben auf Axial- und Radialventilatoren schnell und unkompliziert befestigen. Bei der Befestigung sind bei Bedarf anwendungsspezifische Anpassungen realisierbar. Je nach Konstruktion des Endgeräts ist sogar ein nachträglicher Einbau möglich, z. B. im Zusammenhang mit ohnehin anstehenden Servicearbeiten. Bei einem Axialventilator der Baugröße 800 beansprucht das Vorleitgitter lediglich etwa 15 cm zusätzlichen Einbauraum in axialer Richtung, der in den Anwendungen typischerweise vorhanden ist.

Eine weitere Möglichkeit zur akustischen Verbesserung

Bild_4_AxiTop-und-FlowGrid_Diffusor

Bild 4: Der Diffusor reduziert die Geräuschentwicklung im mittleren Frequenzbereich. Er lässt sich mit dem Vorleitgitter kombinieren

Anwender aus dem Bereich der Luft-, Kälte- und Klimatechnik können hinsichtlich Geräuschreduzierung aber noch einen Schritt weiter gehen: Mit Hilfe einer anderen, ebenfalls passiven Komponente lassen sich noch weitere Optimierungen erzielen. Kombiniert man bei einem Ventilator das beschriebene Vorleitgitter mit dem Diffusor „AxiTop®“ auf der Ausblasseite, steigert man nicht nur die Energieeffizienz, sondern reduziert nochmals die Geräuschemission – vor allem im mittleren Frequenzbereich.
Das heißt, das FlowGrid reduziert den tiefen Frequenzbereich, der AxiTop® dann zusätzlich noch den mittleren Frequenzbereich. Der prinzipbedingte Austrittsverlust bei frei ausblasenden Ventilatoren ist ein oft unterschätzter Energiefresser. Diese Verluste lassen sich mit Hilfe des Diffusors minimieren. Er arbeitet quasi wie eine umgekehrte Düse und reduziert durch seine drucksteigernde Wirkung die Austrittsverluste erheblich (Bild 4). Die Effizienz steigt, während gleichzeitig das Arbeitsgeräusch sinkt.

Ideale Arbeitsbedingungen für Ventilatoren

Die akustische Verbesserung ist vor allem dann interessant, wenn Ventilatoren in schallempfindlicher Umgebung arbeiten und man den Diffusor zusätzlich mit dem Vorleitgitter kombiniert (Bild 5), z. B. bei einem untersuchten Verflüssiger: Hier wird die Außenluft durch einen Wärmetauscher gesaugt. Der Verflüssiger ist ausgestattet mit einem Axialventilator mit 800 mm Durchmesser und druckseitig angebautem Diffusor führt. Mit Vorleitgitter lässt sich der Geräuschpegel um weitere 3 dB(A) senken.

 

Bild_5_Kennlinie_Gerauschemission

Bild 5: Beim kombinierten Einsatz von AxiTop® und FlowGrid konnte im getesteten Verflüssiger die Geräuschemission um 5,8 dB(A) gesenkt werden, vor allem im niederfrequenten Bereich

Durch den kombinierten Einsatz von AxiTop® und FlowGrid ergibt sich eine Reduzierung des Geräuschpegels von 5,8 dB(A), beim Drehklang sogar um 20 dB. Was subjektiv als sehr angenehm empfunden wird. Ebenso wie das Vorleitgitter besteht auch der Diffusor aus leichtem, widerstandsfähigem Kunststoffmaterial und lässt sich einfach montieren und nachrüsten. Er ist lediglich 250 mm hoch; eine Designänderung der Applikation ist generell nicht erforderlich, auch nicht bei Nachrüstung. Von den Vorzügen der Geräuschreduzierung im niederfrequenten Bereich können Anwender in Kürze profitieren: FlowGrid für Axialventilatoren in den Baugrößen 450, 500, 560 und 630 sind Ende des ersten Quartals 2014 lieferbar. Ausführungen für Radialventilatoren der Baugröße 710 und 800, wie sie bei größeren Klimaanlagen Verwendung finden, gehen ebenfalls demnächst in die Serienfertigung; weitere werden folgen. Der AxiTop® ist bereits in Serienfertigung.

Mit den passiven Komponenten Diffusor und Vorleitgitter ist es den Mulfinger Spezialisten wieder einmal gelungen, die Ventilatorentechnik voranzutreiben und neue Maßstäbe zu setzen. Durch die Optimierung von Zu- und Abströmungen finden Ventilatoren ideale Arbeitsbedingungen, was einem energieeffizienten und möglichst leisen Betrieb ermöglicht.

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  • Günter Körber sagte am :

    Gibt es Nachrüstsätze für bestehende Luft- Wärmepumpen?
    Mit freundlichen Grüßen
    Günter Körber

    • Philipp Nadig sagte am :

      Hallo Herr Körber,

      grundsätzlich ist das FlowGrid auch zur Nachrüstung gedacht – der konkrete Einbaufall muss aber sicherlich betrachtet werden.
      Ich werde Ihren Kontakt an unseren Vertrieb zur Abklärung weitergeben.

      Vielen Dank!

      Ihr mag°-Team