Diffusor reduziert Austrittsverluste

Austrittsverluste
sind unterschätzte „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 diese 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 dieser Thematik angenommen und den Diffusor „AxiTop“ entwickelt. Ersetzt man das übliche Schutzgitter des Ventilators durch den Diffusor (Bild 2), lassen sich die Verluste durch den Luftaustritt erheblich reduzieren. Die Effizienz des Ventilarots im Betrieb steigt, während gleichzeitig das Arbeitsgeräusch sinkt. Dabei ist die prinzipielle Funktionsweise des Diffusors, der quasi wie eine umgekehrte Düse arbeitet, wie im Folgenden dargestellt zu verstehen:

Dynamische Energie in statischen Druck umwandeln

Jedes Medium kann nur eine bestimmte Wärmemenge pro Kelvin Temperaturdifferenz aufnehmen. Durch die mögliche Temperaturdifferenz und die abzuführende Wärmemenge ist so der nötige Kühlvolumenstrom 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 so 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 ρ in seine drei Geschwindigkeitskomponenten (in Zylinderkoordinaten):

p_{fd_cax} = ρ/2 x c_ax²,

p_{fd_cu} = ρ/2 x c_u² und

p_{fd_cr} =ρ/2 x c_r²

aufgespaltet werden.

Im Diffusor wird durch Ver­zö­ge­rung der Luft im sich er­wei­ternden Querschnitt der Axial- und Umfangsanteil des dy­na­mischen Drucks (ρ/2 x 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 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 ein geringerer Energieverbrauch bei gleicher Luftleistung. Auch das Geräuschverhalten lässt sich über den Diffusor deutlich verbessern. Die akustische Verbesserung ist vor allem dann interessant, wenn Ventilatoren in schallempfindlicher Umgebung arbeiten.

Potentiale nutzen

Das Potential der Effizienzsteigerung und Schallreduzierung durch einen optimalen Diffusor bei marktüblichen Wärmetauschern ist groß. 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 bei gleichem Volumenstrom. Wird dagegen die höhere Effizienz des Ventilators mit Diffusor genutzt, fördert er bei gleicher Anschlussleistung einen rund 9 % höheren Volumenstrom bei um 4,9 dB(A) geminderter Schallemission (Bild 4). Diese Werte wurden an einer Kundenapplikation ermittelt. Je nach individueller Auslegung kann die Wirkungsgradoptimierung zur Reduzierung der Aufnahmeleistung oder zur Erhöhung der Luftleistung genutzt werden. Der Anwender spart so beim Betrieb nicht nur Energie, sondern der Konstrukteur einer RLT-Anlage kommt oft 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 Diffusor ist nur 250 mm hoch, benötigt also wenig Platz. Physikalisch gesehen kann ein Diffusor nicht groß genug sein, um den statischen Druck zu erhöhen. In der Praxis dagegen sind kompakte Abmessungen gewünscht. CFD-Simulationen kombiniert mit parametrischer Optimierung haben hier für ein strömungstechnisch 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 c_ax mit und ohne Diffusor. Der Diffusor „AxiTop“ ist für Ventilatoren der Baugrößen 800 und 910 ausgelegt. Die Ventilatoren können mit „GreenTech“-EC- oder mit AC-Antrieben arbeiten. Im Sinne der Energieeffizienz ist die Variante mit „GreenTech“-EC-Ventilatoren in jedem Fall vorzuziehen.