12. Mai 2022

Zahlreiche Wechselwirkungen zwischen der Strömungsmaschine und den Anwendungsgegebenheiten vor Ort verlangt viel Know-how beim Entwickler

Ventilatoren sind komplexe Strömungsmaschinen, die teilweise auf strömungstechnische Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Einbausituation. Oft ist deshalb der Ventilator in der Anwendung nicht so leise wie erhofft oder weniger effizient als die Angaben im Datenblatt versprechen. Der Grund dafür leuchtet ein: Die Ventilator-Daten werden im Prüfstand unter standardisierten strömungstechnischen Laborbedingungen ermittelt. Die Realität in der individuellen Anwendung kann hier nicht abgebildet werden, sondern muss durch Messungen in der Kundeneinheit dargestellt werden. Kundenspezifische Einbaubedingungen lassen sich mit Softwaretools simulieren und können dann in die Entwicklung, Optimierung oder Auswahl der Ventilatoren mit einfließen.

Moderne Radial- und Axialventilatoren arbeiten heute sehr effizient und leise. Eingebaut in einer Anwendung wird sich ihr Verhalten jedoch verändern, wenn die Zuström- oder Abströmbedingungen gestört sind (Bild 1). In einem klimatechnischen Gerät sind Ventilatoren schließlich Mittel zum Zweck. Beeinträchtigungen sind deshalb meist der Funktion geschuldet.

Klappen und Filter können den Luftstrom verändern und auch der Abstand zu Wänden und Wärmeübertragern sowie der Einsatz von Schutzgittern wirken sich aus. Typische Auswahlprogramme (Bild 2) können diese Auswirkungen nur begrenzt berücksichtigen, da sie die unter Laborbedingungen ermittelten Werte zugrunde legen (Bild 3). Diese müssen schließlich auf reproduzierbaren Messungen bei (ungestörten) Standardbedingungen beruhen.

In der Anwendung gibt es aber – bedingt durch die Einbauverhältnisse im jeweiligen Gerät – mehr oder weniger ausgeprägte Verwirbelungen. Diese Turbulenzen führen zu einer unter realen Bedingungen nur schwer kalkulierbaren Geräuschentwicklung. Einmal im Gerät eingebaut, stimmen die dokumentierten Werte häufig nicht mit der Realität überein. Bild 4 zeigt, wie sich Energieverbrauch und Geräusch je nach saugseitiger Einbausituation verändern – je nachdem wie stark das Gehäuse die Durchströmung behindert, also ob axial von vorne angesaugt wird, radial von allen Seiten oder einseitig. Im schlechtesten Fall steigen dadurch Leistungsaufnahme und Geräuschpegel bei gleichem Betriebspunkt signifikant an.

Um die Sicherheit zu gewährleisten, müssen Axialventilatoren in der Regel mit Schutzgittern ausgerüstet werden. Dabei ist es wichtig, die Geometrie des Schutzgitters auf die Strömungsführung anzupassen, um möglichst wenige Verluste und Geräusche zu erzeugen. Heute schlagen akustische Einzeleffekte von Schutzgittern deutlich stärker zu Buche als noch vor einigen Jahren. Moderne Ventilatoren arbeiten für sich allein betrachtet so leise, dass die vom Schutzgitter verursachten Effekte stärker hörbar sind. Es ist also nicht sinnvoll, sich bei Leistungsaufnahme und Geräuschemission nur auf Katalogwerte zu verlassen. Auswahlprogramme sollten daher so aufgebaut sein, dass sie möglichst viele Parameter abfragen, die sich an der Einbausituation orientieren.

Einbausituation bei der Entwicklung berücksichtigen
Da Wechselwirkungen zwischen Ventilator und Anwendung immer auftreten können, haben sich Ventilatoren- und Motorenhersteller, unter ihnen ebm-papst, zur Aufgabe gemacht, die spätere Einbausituation – soweit irgendwie möglich – bereits bei der Entwicklung eines Ventilators zu berücksichtigen. Dabei fließt das gesammelte Know-how ein, z. B. auch das aus dem psychoakustischen Prüflabor. Denn eine im Freien aufgestellte Luft/Wasser-Wärmepumpe kann, auch wenn sie vielleicht der TA Lärm entspricht, die Nachbarschaft mit störenden Geräuschen verärgern. Um auf der sicheren Seite zu sein, sollten Ventilatoren zusätzlich zur gängigen Bewertung des Schallpegels auch nach psychoakustischen Kriterien optimiert werden.

Wird die spätere Einbausituation bereits bei der Entwicklung berücksichtigt, verbessert das die Resultate enorm, wie sich am Beispiel der „RadiPac“-Ventilatoren von ebm-papst (Bild 5) zeigt. Denn hier hat der Hersteller die reale Einbausituation in RLT-Geräten mit einbezogen. Das breite Wirkungsgradoptimum bei Radialventilatoren führt dazu, dass die Ventilatoren in praktisch jedem Betriebspunkt mit möglichst geringer Leistungsaufnahme arbeiten und es auch in puncto Lautstärke keine unliebsamen Überraschungen gibt.

Geräuschverhalten
Für jeden Hersteller eines RLT-Geräts gibt es einen „Worst Case“: Im eingebauten Zustand ist der gewählte Ventilator zu laut oder nicht effizient genug, im schlimmsten Fall kann sich die Markteinführung dadurch deutlich verzögern. Gerade in solchen Fällen kann es sich lohnen, beim Spezialisten nachzufragen.

Mit passiven Bauteilen, etwa einem Vorleitgitter (Bild 6), können unliebsame Effekte im eingebauten Zustand auch noch nachträglich gemindert werden. Werden die eingesetzten Ventilatoren damit nachgerüstet, reduziert das die geräuscherzeugenden Verwirbelungen in der Zuströmung drastisch, ohne die Luft- und Aufnahmeleistung zu vermindern (Bild 7). In lärmsensiblen Anwendungen, z. B. Wärmepumpen, Wohnungslüftungsgeräten und Luftreinigern für Klassenzimmer, können hier gute Ergebnisse erzielt werden.

Autoren: Christian Haag, Abteilungsleiter E42 – Applikationsentwicklung bei ebm-papst Mulfingen Marvin Götzinger, Gruppenleiter Applikation – Strömungstechnik bei ebm-papst Mulfingen

Bilder: ebm-papst
www.ebmpapst.com