„Strö­mungs­gleich­richter“ garan­tiert nied­riges Geräusch

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: 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: 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: 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: 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: 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.