Für die Planung von Kühlräumen benötigen die Anwender Angaben über die Eindringtiefe des Luftstrahls von Luftkühlern. Die Einflüsse der Kühleranordnung, der Raumgeometrie, der Luftabkühlung und der Raumeinbauten können bei den Angaben in den Datenblättern der Hersteller nicht berücksichtigt werden, weil die spezifischen Daten der Räume nicht bekannt sind. Die Angaben der Wurfweiten in den Datenblättern sind somit nur Anhaltswerte, die an die Kühlräume angepasst werden müssen. Für viele Planungen werden die Werte jedoch ohne Korrektur übernommen, was dazu führt, dass in Einzelfällen die projektierte Wurfweite des Luftstrahls in den Räumen nicht erreicht wird.
Für die Abschätzung der tatsächlich in der Praxis erreichten Wurfweite benötigt man detaillierte Kenntnisse der Räume, Temperaturen und ein hohes Maß an Erfahrung. Um bei der Abschätzung der Wurfweite mehr Planungssicherheit zu erreichen, wurde ein Berechnungsmodell erstellt, welches die Einflüsse der Coanda-Effekte, der Luftabkühlung und der Raumgeometrie berücksichtigt. Mit diesem Berechnungsprogramm ist es möglich, für jeden Luftkühler die Eindringtiefe des Luftstrahls für einen definierten Raum näherungsweise zu bestimmen.
Aufgabe und Zielsetzung
Aufgabe: Erstellen eines Berechnungsprogramms für die Ausbreitung eines Luftstrahls in einem definierten Raum unter Berücksichtigung der Coanda-Effekte, der Luftabkühlung und der Raumgeometrie.
Messungen der Luftströmungen im eindringenden Luftstrahl mit Angabe von Geschwindigkeit und Strömungsrichtung. Visualisierung der Messergebnisse.
Vergleich der Messergebnisse mit den theoretischen Berechnungen des neuen Berechnungsmodells.
Zielsetzung: Erstellen eines Berechnungsprogramms, das es ermöglicht, bei der Planung die Wurfweiten der Luftkühler für unterschiedliche Räume zu ermitteln. Dabei sollen die Einflüsse der Kühleranordnung, der Luftabkühlung und der Raumgeometrie berücksichtigt werden.
Wurfweiten und Stand der Technik
Was versteht man unter der Wurfweite eines Luftkühlers? Nach der heutigen Definition ist die Wurfweite der Abstand zwischen dem Luftkühler und dem am weitesten entfernten Punkt, an dem im eindringenden Luftstrahl eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s gemessen werden kann (siehe Bild 1).
Bisherige Messungen der Wurfweite: Um die Wurfweite zu bestimmen, wird der Luftkühler auf einer ebenen Fläche (auf dem Boden oder unter der Decke) montiert. Der Ventilator des Luftkühlers wird eingeschaltet und die Grenzschicht des Luftstroms mit einer Mindestgeschwindigkeit von 0,5 m/s wird bestimmt. Um die Länge der möglichen Wurfweite zu erreichen, werden die Messungen in Räumen durchgeführt, die in jedem Fall länger sind als die mögliche Wurfweite. In diesen meist hohen und breiten Räumen treten erfahrungsgemäß auch keine Beeinflussungen des Luft
strahls durch rückströmende Luft auf. Eine Abkühlung der Luft wird ebenfalls nicht berücksichtigt. Die so ermittelte Wurfweite ist die maximal erreichbare Wurfweite gem. VDI-Entwurf 328. Die Messungen erfolgen in der Regel mit Messinstrumenten, die nur die Geschwindigkeit, aber nicht die Luftrichtung erfassen. Solche Messungen geben Anhaltspunkte für die mögliche Eindringtiefe eines Luftstrahles, sind aber sehr theoretisch und für einen Kühlraum oft nicht praxisrelevant (siehe Bild 2).
Warum werden Wurfweiten in der Praxis häufig nicht erreicht? In der Praxis haben Kühlräume ein sehr unterschiedliches Design:
- Der Luftstrom wird behindert durch Regale, Einbauten, Lampen oder Träger unter der Decke.
- Je nach Auslegung wird die Luft im Luftkühler zwischen 2 K und 5 K abgekühlt und erreicht vorzeitig den Ablösepunkt an der Decke.
- Durch eine niedrige Deckenhöhe oder Raumeinbauten wird der eindringende Luftstrahl durch die rückströmende Luft beeinflusst.
Aufbau des Berechnungsmodells
An das Berechnungsmodell wurden folgende Anforderungen gestellt: Berechnung der Ausbreitung eines Luftstrahls in einem vorgegebenen Raum unter Berücksichtigung der Coanda-Effekte, Luftabkühlung und Raumgeometrie.
Einfluss des Coanda-Flächeneffektes: Der Coanda-Flächeneffekt entsteht, wenn ein Gerät nahe an einer ebenen Fläche, z.B. im Kühlraum unter der Decke, installiert wird. Der Luftstrom legt sich an die ebene Fläche und breitet sich nicht konisch, sondern halbkonisch aus. Dieser Effekt erhöht die Wurfweite um bis zu 40 % (siehe Bild 3). Werden die Luftkühler nicht direkt unter der Decke montiert, wird der Coanda-Flächeneffekt nur teilweise oder gar nicht erreicht.
Einfluss des Coanda-Parallelstrahlen-Effektes: Werden mehrere Luftkühler dicht nebeneinander montiert, fließt der eindringende Luftstrahl der einzelnen Ventilatoren zusammen. Dieser Effekt erhöht die Wurfweite um 10 bis 20 % (siehe Bild 4).
Einfluss der Luftabkühlung: In dem Berechnungsmodell wird neben dem Einfluss der Coanda-Effekte auch der Einfluss der Luftabkühlung berücksichtigt. Im Vergleich zu einer isothermen Luftumwälzung kommt es bei abgekühlter Luft zu einem vorzeitigen Ablösen des Luftstrahls an der Decke.
Nach dem Ablösepunkt wird aus dem halbkonischen Deckenstrahl ein nahezu konischer Freistrahl (siehe Bild 5). Besonders bei Distanzen über 40 m kann sich die Wurfweite durch Luftabkühlung bis zu 25 % reduzieren (siehe Bild 6).
Das Berechnungsprogramm berücksichtigt die Temperatur der eingeblasenen Luft im Vergleich zur Raumluft und berechnet den Ablösepunkt X des ebenen Deckenstrahls und die tatsächlich erreichbare Wurfweite.
Einfluss der Raumgeometrie: Der Querschnitt des Raumes in Längsrichtung des Luftstroms hat Einfluss auf die Eindringtiefe des Luftstrahls. Der eindringende Luftstrahl breitet sich ellipsenförmig unter der Decke aus und wird besonders bei kleinen Raumquerschnitten mit zunehmendem Abstand vom Luftkühler durch die rückströmende Luft beeinflusst. Die Berechnungen haben näherungsweise zu folgendem Ergebnis geführt: Wenn der Querschnitt des einströmenden Luftstrahls ca. 40 % des Raumquerschnitts erreicht, wird die Luftströmung durch die rückströmende Luft gestört und kehrt um (siehe Bild 7).
Das Berechnungsmodell berechnet die Ausbreitungsform des eindringenden Luftstroms näherungsweise als Halbkreis und nicht als Ellipse. Vergleichsmessungen haben gezeigt, dass damit ausreichend genaue Ergebnisse erreicht werden. Die Höhe des Raumes hat Einfluss auf die Eindringtiefe des Luftstrahls.
Abrisspunkt X: Wenn der Abrisspunkt X des ebenen Deckenstrahls erreicht ist, hat der anschließende Freistrahl nach bisherigen Erkenntnissen noch eine Wirkungstiefe vom ein- bis zweifachen der Raumhöhe (siehe Bild 8).
Primärwirbel: Die treibende Kraft für den Primärwirbel ist die eingeblasene Luft. Die im Luftstrahl enthaltene Strömungsenergie wird dadurch abgebaut, dass Umgebungsluft aus dem Raum angesaugt und dem Luftstrahl beigemischt wird (Induktion). Das heißt, der Luftstrahl nimmt auf seinem Weg durch den Raum in transportiertem Luftvolumen zu, verliert dabei an Geschwindigkeit, und die unterschiedlichen Temperaturen gleichen sich an (siehe Bild 9).
Primärwirbel und Sekundärwirbel: Ist das Verhältnis der Raumlänge zur Raumhöhe größer als 4,5 : 1 ist eine einwandfreie Durchströmung des Kühlraums durch den Primärwirbel auszuschließen (siehe Bild 10).
Zusammenfassung: Mit dem neuen Berechnungsmodell kann man die Eindringtiefe des Luftstromes in einen Raum individuell bestimmen. Berücksichtigt werden bei der Berechnung
- die Coanda-Effekte,
- die Luftabkühlung
- und die Raumgeometrie.
Messungen der Wurfweite mit dem 3D-Messsystem
Bei der Messung der Wurfweite kommt es darauf an, neben der Luftgeschwindigkeit auch die Luftrichtung zu erfassen. Übliche Messgeräte wie z.B. ein Flügelrad-Anemometer oder ein Thermo-Anemometer sind dafür nicht geeignet. Beide Messmethoden erfassen nur die Strömungsgeschwindigkeit und liefern keine Erkenntnisse darüber, ob es sich um Primär- oder Sekundär-Luftströmungen handelt oder um Turbulenzen im Luftstrom.
Für die Messungen wurde ein neuartiges 3D-Messsystem verwendet. Der 3D-Messsensor (siehe Bild 11) ist eine Kugel mit Öffnungen an verschiedenen Stellen. Dieser komplexe Messsensor erfasst sowohl kleinste Luftgeschwindigkeiten wie auch deren Strömungsrichtungen. Mit einem Computermodell kann eine dreidimensionale Grafik der Luftströmung des eindringenden Luftstrahls erstellt werden (siehe Bild 12). Primär- und Sekundär-Strömungen können eindeutig voneinander abgegrenzt werden.
Vergleich der Messergebnisse mit den Berechnungen
Erste Vergleichsmessungen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den berechneten Daten aus dem neuen Berechnungsprogramm und den Messdaten mit dem 3D-Messsystem. Der Einfluss des Coanda-Flächeneffektes wird vom Berechnungsprogramm ausreichend gut erfasst (siehe Bild 13).
Auch der Coanda-ParallelstrahlenEffekt wird ausreichend gut erfasst (siehe Bild 14).
Das Luftstromprofil wurde nach 5 m Entfernung und nach 16 m Entfernung gemessen. Die Abweichungen zwischen der gemessenen Fläche (halbe Ellipse) und der berechneten Fläche (halber Kreis) sind sehr gering. Auch in diesem Punkt ist das Berechnungsmodell ausreichend genau.
Zusammenfassung
Das entwickelte Berechnungsmodell liefert zuverlässige Anhaltswerte für die Ermittlung der tatsächlichen Eindringtiefe eines Luftstrahls in einen definierten Raum. Sowohl die Coanda-Effekte wie auch die Luftabkühlung und die Raumgeometrie haben zum Teil erheblichen Einfluss auf die Eindringtiefe des Luftstrahls bzw. die Wurfweite der Luftkühler. Alle o.g. Faktoren werden vom Berechnungsprogramm erfasst und deren Einfluss nach bisherigen Erkenntnissen ausreichend genau berechnet.
Ausblick
Für die Abschätzung der Genauigkeit des Berechnungsmodells müssen noch weitere Messungen durchgeführt werden. Diese Messungen sollen nicht nur im Labor, sondern auch in der Praxis erfolgen. Danach steht das Berechnungsprogramm im Hause Güntner zur Verfügung. Den Anwendern wird dann in einzelnen Fällen eine wesentlich bessere Abschätzung der Eindringtiefe eines Luftstrahls in einen definierten Kühlraum gegeben. -
Dieser Beitrag wurde anlässlich der DKV-Tagung 2009 in Berlin von Heinz Jackmann vorgetragen.
Literatur
Recknagel, Sprenger, Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 03/04
Entwurf ENV 328
Systemair@com: Theorie Lüftung
Dipl.-Ing. Heinz Jackmann
Geschäftsentwicklung Industriekälte, Güntner AG & Co. KG, Fürstenfeldbruck
