Optimierung der Luftströmungin Kühlmöbeln

Ventilatoren gehören neben Pumpen und Verdichtern zur Gattung der Strömungsmaschinen. Ihre hauptsächlichen Komponenten sind (neben Lagerung, Gehäuse und Strömungsführung) das mit Schaufeln besetzte Laufrad und der Antriebsmotor. Um das System Ventilator möglichst energieeffizient auszulegen, gilt es daher das Augenmerk sowohl auf den elektrischen Antrieb als auch auf die strömungstechnisch wirksame Komponente Laufrad zu richten. Bei optimaler Auslegung beider Hauptkomponenten ergeben sich beachtliche Einsparpotenziale, zumal die in Kühltheken oder Bottle-Coolern eingesetzten Ventilatoren in der Regel mit hoher Einschaltdauer betrieben werden.

Energiesparende EC-Technik: Energieeffizienz beim Antrieb

Wer heute bei Elektromotoren hohe Energieeinsparungen erreichen will, setzt auf moderne EC-Technik (Bild 1). Beim EC-Motor folgt ein magnetischer Rotor synchron einem drehenden Magnetfeld, dessen Drehung elektronisch erzeugt wird. Dabei lassen sich die Motordrehzahlen einfach regeln. Die EC-Motoren arbeiten mit Wirkungsgraden von bis zu 90 Prozent und liegen damit deutlich höher als bisher übliche Antriebslösungen. Gegenüber Spaltpolmotoren verbrauchen sie beim Kühlmöbeleinsatz nur etwa 1/3 bis 1/6 der andernfalls benötigten Leistung (Bild 2). Was sich daraus für Einsparungen ergeben können, zeigt das folgende Rechenbeispiel:

In einem kleinen Supermarkt arbeiten in den etwa 20 m langen Kühltheken insgesamt 40 Axialventilatoren mit 200 mm Flügelrädern und 34 ° Flügelwinkel. Die Energieersparnis gegenüber Spaltpolmotoren beträgt in diesem Fall 70 Prozent, was 7,5 MWh pro Jahr entspricht. Für die Umwelt bedeutet dieser Wert, dass 4,4 t CO₂ weniger produziert werden. Aber auch der Anwender profitiert davon. Bei einem angenommenen Strompreis von etwa 11 Cent/kWh können immerhin im Jahr über 800 Euro eingespart werden.

Die höheren Wirkungsgrade bedeuten jedoch nicht nur eine bessere Nutzung der Primärenergie, sondern auch, dass beim Betrieb weniger Verlustwärme an die Umgebung abgegeben wird. Wärme, die nicht entsteht, muss deshalb nicht abgeführt werden. Gleichzeitig wirken sich die niedrigeren Temperaturen positiv auf die Lebensdauer der eingesetzten Kugellager aus. Moderne EC-Technik spart aber nicht nur im Volllastbetrieb. Gerade im Teillastbetrieb verlieren EC-Motoren weit weniger von ihrer Effizienz als Spaltpolmotoren. Das heißt, die Energieeinsparungen machen sich besonders bemerkbar, wenn die Ventilatoren auf der niedrigeren Leistungsstufe in den Kühlmöbeln betrieben werden, z.B. nachts bei geschlossener Abdeckung.

Gesamtsystem im Blick: Einbausituation beeinflusst die Auswahl

Mit der Entscheidung für EC-Technik ist der Anwender damit sicherlich einen guten Schritt weiter auf dem Weg zum effizientesten Ventilator. Nicht unberücksichtigt bleiben darf jedoch auch die Auswahl des passenden Laufrads, bzw. die gesamte Ventilatoren-Bauform. Bewegte Luft geht den Weg des geringsten Widerstandes. Ist ein Ventilator optimal ausgelegt, stimmen bauformbedingter Luftweg und aerodynamischer Luftfluss überein. Zum wichtigen Kriterium wird deshalb die Einbausituation. Je nach Einbauort sollte geprüft werden, ob die zum größtenteils eingesetzten Axialventilatoren wirklich die beste Wahl sind oder ob ein anderer Ventilatortyp bevorzugt werden sollte.

Auf der Seite des Verdampfers sind die Einbauverhältnisse sehr beengt und der Einsatz von Axialventilatoren ist nicht unbedingt empfehlenswert, da die Gehäusewand den Luftstrom behindert (Bild 3a). Das heißt, der geforderte Druckaufbau steigt, wodurch Axialventilatoren aufgrund ihres Funktionsprinzips nicht mehr im bestmöglichsten Arbeitsbereich arbeiten: Die Durchströmung des Laufrades mit den Schaufeln ist hier weitgehend parallel zur Rotorachse, daher der Name Axialventilator. Die Luft wird allseitig angesaugt und auf der Förderseite in Achsrichtung ausgestoßen. Dafür sorgen die Schaufeln des Ventilators, die die Luft quasi durch den Ventilator drücken. Angestrebt wird ein möglichst homogener Strömungsverlauf ohne Wirbelbildung.

Durch die strömungstechnisch optimierten Flügeln mit angebrachten Wing­lets arbeiten diese Ventilatoren sehr leise. Außerhalb des passenden Arbeitsbereiches, d. h. bei zunehmendem Druckanstieg über den Sattelpunkt hinaus, ändert sich dies drastisch, denn nur über eine Drehzahlerhöhung kann zusätzliche Energie zugeführt werden. Es entstehen Turbulenzen im Luftstrom. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad des Ventilators, während der Geräuschpegel steigt.

Laufradgeometrie passend zur Anwendung: strömungstechnische Optimierung

In solchen Fällen können dann Radial- oder Diagonal-Ventilatoren die richtige Wahl sein. Für Einsätze, die einen hohen Druckaufbau bei geringerem Volumenstrom erfordern, ist der Radialventilator weitaus besser geeignet. Bei ihm verlässt der gesamte Luftstrom das Laufrad am Außendurchmesser. Dieser erzeugt bei gleicher Drehzahl und gleichem Durchmesser einen höheren Druck als der Axialventilator. Muss beispielsweise ein Luftstrom um 90° umgelenkt werden oder behindern Bauteile, Filter usw. den freien Luftstrom, sind Radialventilatoren effektiver (Bild 3c).

Eine Zwischenstellung zwischen den beiden bisher genannten Ventilatorbauarten nimmt der sogenannte Diagonalventilator ein. Bei diesem Prinzip fördert der Ventilatorflügel bei axialer Zuströmung sowohl axial als auch radial. Vorteil einer solchen Anordnung ist ein dem verbreiteten Axialventilator weitgehend entsprechender Luftstrom bei gleichzeitig höherem Druckaufbau (Bild 3b). Wichtigstes Merkmal eines Diagonalventilators ist die konische Ausbildung von Läufernabe und Außengehäuse. Die Grafik in Bild 4 zeigt die optimalen Arbeitsbereiche aller drei Ventilatorenvarianten im Vergleich. Dabei zeigt sich, dass den Einbauverhältnissen angepasste Bauformen durch geschickte Ausnutzung der physikalisch vorgegebenen Strömungsverhältnisse eine optimale Luftförderung gewährleisten, verbunden mit geringem Geräusch und minimaler Leistungsaufnahme.

Für jede Problemstellung den passenden Energiesparventilator

Je nach Einbauverhältnissen kommen für Kühlmöbel also sowohl Axial- als auch Radial- oder Diagonal-Ventilatoren infrage. Eine umfassende Produktpalette aller angesprochenen Ventilatorenausführungen findet sich im Programm des Motoren- und Ventilatorenspezialisten ebm-papst Mulfingen. Die für den Einsatz in Kühlmöbeln ausgelegten Axial-, Radial und Diagonalventilatoren arbeiten alle mit modernen EC-Motoren und überzeugen darüber hinaus durch ihre kompakte Bauform, einfache Montage (Plug & Play) und Variantenvielzahl. Die Ventilatoren sind auf Wunsch hin als einbaufertiges Modul erhältlich, was den Montageaufwand noch weiter reduziert. -

ist Sales Engineering Manager Americas bei ebm-papst Mulfingen,

Redaktionsbüro Stutensee