Durch die Zwangsumwälzung der Luft kann die Effizienz von Wärmeübertragern gesteigert werden, oder es wird möglich, kompakte Wärmeübertrager einzusetzen, die durch natürliche Konvektion allein nicht betrieben werden könnten. Des Weiteren kann durch die gezielte Verteilung kalter Luft die Temperaturverteilung beispielsweise in Kühlgeräten eingestellt und so optimale Lagerbedingungen hinsichtlich Temperatur und Feuchte geschaffen werden. Weiterhin lässt sich durch die Zwangsbelüftung des Innenraums das Niederschlagen von Luftfeuchte an Ausstattungsteilen und Lagergut vermeiden.
Worauf kommt es an?
Um eine möglichst hohe Geräteeffizienz und damit einen geringen Stromverbrauch zu erzielen, muss jede Komponente optimiert und besonderes Augenmerk auf das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten gelegt werden. Bei Lüftern, die sich im zu kühlenden Innenraum befinden, wird nicht nur Energie aufgewendet, um sie anzutreiben, sondern die dabei entstehende Motorwärme muss ebenfalls in die Gesamtkühlbilanz mit einbezogen werden. Als dritter entscheidender Designparameter gilt es, die Geräuschemissionen so niedrig wie möglich zu halten, wichtig insbesondere in lärmsensiblen Bereichen.
Lüfterrad und Schneckengehäuse als Einheit
Aus diesen Rahmenbedingungen lassen sich Designvorgaben für den Ventilator ableiten. Im beschriebenen Fall führten die Anforderungen zur Neuentwicklung eines Radiallüfters, der mit einer Aufnahmeleistung von etwa 1 W einen Spitzenwirkungsgrad von 22 Prozent erreicht. Die aerodynamischen Komponenten wurden speziell für die Anwendung ausgelegt und optimiert. Lüfterrad und Schneckengehäuse hat man dabei gemeinsam entwickelt, um so bereits in der Designphase ein effektives Zusammenwirken der Einzelkomponenten zu erreichen. Dabei wurde großer Wert auf eine kleine Umfangsgeschwindigkeit des Lüfterrades gelegt, was geringe Geräuschemissionen zur Folge hat. Passend zur aerodynamischen und aeroakustischen Auslegung wurde ein besonders körperschallarmer Motor auf die benötigten Drehzahlen und Drehmomente hin ausgelegt und abgestimmt.
Das Design der aerodynamischen Komponenten wurde vollständig mit dreidimensionalen Strömungsberechnungsmethoden (CFD) durchgeführt. Diese kamen kältegeräteseitig bereits in einem frühen Entwicklungsstadium bei der Definition der Anforderungen an den Ventilator zum Einsatz. Ergänzend wurden im Zuge der Entwicklung die Rückwirkungen des Lüfters auf das Geräteverhalten anhand von Simulationen bewertet. Hierzu hat man die inkompressiblen reibungsbehafteten Navier-Stokes-Gleichungen für eine gegebene Lüftergeometrie gelöst. Die Geometrie, das heißt die Gestaltung von Schaufeln, Strömungsquerschnitt und Gehäusegeometrie, wurde dabei solange verändert, bis sich die Strömung möglichst verlustfrei und geräuscharm durch den Lüfter bewegte. Nähere De-tails des Auslegungsprozesses sowie die Beschreibung der verwendeten experimentellen Einrichtungen finden sich in [1].
Entwicklungsergebnisse
Im nächsten Entwicklungsschritt wurden die Komponenten des Lüfters im Rapid-Prototyping-Verfahren aufgebaut, der Motor integriert und die gesamte Einheit hinsichtlich Luftleistung und Akustik vermessen. Der Betriebspunkt des Lüfters liegt im Bereich zwischen 30 40 m3/h. In diesem Bereich entspricht der Druckaufbau des Lüfters dem Systemwiderstand von 15 25 Pa. Der Lüfter erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 20 Prozent. Das heißt, dass ein Fünftel der elektrischen Energie in Strömungsenergie umgesetzt wird. Für einen Lüfter dieser Größen- und Leistungsklasse ist das ein sehr guter Wert, speziell wenn man berücksichtigt, welche Kompromisse eingegangen werden müssen.
Um hohe Wirkungsgrade zu erreichen, sollten die Spalte zwischen rotierenden und stehenden Komponenten möglichst klein gehalten werden. Bei zu kleinen Spalten besteht aber bei Kältegeräten die Gefahr des Festfrierens, weshalb Mindestmaße eingehalten werden müssen. Je kleiner der Abstand zwischen Gehäusezunge und Laufrad ist, desto deutlicher werden die aeroakustischen Interaktionen beider Komponenten hörbar. Diese gegensätzlichen Anforderungen bedingen Kompromisse, die im Falle einer guten Akustik experimentell mithilfe mehrerer Muster gefunden wurden. -
[1] Schmitz, et al.: Design and Test of a Small High-Performance Diagonal Fan, Proc. IGTI 2011, Vancouver
Dr. M. B. Schmitz
Leiter Central Research & Development bei der ebm-papst St. Georgen GmbH & Co. KG
