Pst! Schön ruhig

Die in der Dokumentation der Ventilatorenangegebenen Werte beruhen auf reproduzierbaren Messungen bei (ungestörten) Standardbedingungen. In den Anwendungengibt es aber bedingt durch die Einbauverhältnisse im jeweiligen Gerät mehr oder weniger ausgeprägte Zuströmstörungen.Diese führen zu einer zusätzlichen Ge­räuschentwicklung. Abhilfe schafft nun ein Vorleitgitter, das quasi als Gleichrichter wirkt so werden unerwünschte Störungen deutlich verringert und damit Geräusche effektiv reduziert. Wärmepumpen oder Klimaanlagen sind unterschiedlich aufgebaut, Abmessungen und Design differieren.

Unterschiede finden sich zum Beispielbei der Platzierung der zur Belüftung notwendigen Öffnungen, der Oberfläche des Wärmeübertragers oder bei der Packungsdichte. Dabei wird der Luftstrom, der beim Ventilator ankommt, außer durch die Einbausituation auch durch zusätzlicheKomponenten wie Wärmeübertrager be-einflusst. Je nach Anwendung weist die Zu­strömung zum Ventilator dann oft eine hohe Ungleichmäßigkeit und nichtstationäre Anteile auf. Bei rechteckigen Wärmeübertragern beispielsweise entstehen an den Gehäusewänden Rückströmgebiete mit entsprechender Zirkulation, also Luftverwirbelungen (Bild 1). Diese wiederum werdendann zu den Stellen mit dem engsten Abstand zwischen Ventilator und Gehäusewand gezogen. Dort verbinden sich die Verwirbelungen der beiden Seiten miteinander, diese Wirbelzöpfe sorgen dann für hohe Turbulenzen. Dadurch kommt es an der Schaufelvorderkante zu großen Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen, was zu teilweise drastischen Zusatzgeräuschen (vor allem im niederfrequenten Bereich) führt. Zum einen entsteht ein breitbandiges Rauschen, zum anderen aber auch zusätz­liche schmalbandige, tonale Schallanteile, die auch als Drehklang bezeichnet werden.

Der Drehklang setzt sich aus dem Drehton und seinen Harmonischen zusammen, die Formel lautet f = n ∙ z ∙ k. Die Frequenz des Drehtons (f) errechnet sich also aus dem Produkt der Drehzahl des Ventilators (n) und der Anzahl der Schaufeln (z). Die Harmonischen des Drehtons sind jeweils das Vielfache (k) davon. Demnach ergibt sich bei einem Axialventilator mit fünf Flügeln und einer Drehzahl von 1200 1/min (20 1/s) der Drehton beispielsweise bei einer Frequenz von 100 Hz. Die dafür typischen, unangenehmen bohrenden Geräusche hat wohl jeder schon einmal gehört.

Schluss mit den bohrenden Geräuschen

Diese Zusatzgeräusche sind natürlich bei Wärmeübertragern und Klimaanlagen, aber vor allem im Wohnumfeld nicht nur unerwünscht, sondern nicht tolerierbar. Ihnen beizukommen ist allerdings nicht einfach.Störungen in der Zuströmung kann man nicht durch Optimierungen am Ventilator kompensieren. Das Gehäuse zusätzlichzu dämmen bringt in der Praxis wenig Erfolg. Entsprechende Dämmplatten wirken ty­pischerweise erst ab höheren Frequenzen. Der Ventilatorenspezialist ebm-papst Mulfingen wählte deshalb einen anderen Ansatz: Verbessert man die Zuströmung der Luft zum Ventilator, reduzieren sich die Turbulenzen und somit die durch sie verursachten, lästigen niederfrequenten Geräusche.

Mulfinger Ingenieure haben deshalb das spezielle Vorleitgitter FlowGrid ent­wickelt, das praktisch wie ein Gleichrichter auf die Luftzufuhr wirkt (Bild 2). Es reduziert dadurch drastisch die geräuscherzeugenden Störungen in der Zuströmung und wirkt bei Axial- und Radialventilatoren gleichermaßen gut. Bei einem Ver­flüssiger beispielsweise, der mit einem Axialventilator ausgestattet ist, wurde durch den Einsatz des Vorleitgitters eine Reduzierung des Geräusch­pegels um 3,9 dB(A) und des Drehklangs um 16 dB erreicht. Bei einem Flachklimagerät mit Radialventilator (Durchmesser 250 mm) lässt sich durch das FlowGrid der Geräuschpegel um 2,5 dB(A) und der Drehklang um9 dB reduzieren. Bild 3 zeigt die realen Ergebnisse einer Schallmessung an einem beispielhaften Verflüssiger. Die Senkung des Schalldruckpegels und ein deutlich abgeschwächter Drehklang werden durch den Einsatz des Vorleitgitters erreicht. Der Dämm- und Schallschutzaufwand sinkt so beträchtlich. Das Vorleitgitter wird im Kunststoff-Spritzgussverfahren hergestellt und genügt verschiedenen Brandschutzklassen bis UL94-5VA. Das FlowGrid lässt sich mit Schrauben auf Axial- und Radialventilatoren schnell und unkompliziert befestigen. Bei der Befestigung sind bei Bedarf anwendungsspezifische Anpassungen realisierbar. Je nach Konstruktion des Endgeräts ist sogar ein nachträglicher Einbau möglich, zum Beispiel im Zusammenhang mit ohnehin anstehenden Servicearbeiten. Bei einem Axialventilator der Baugröße 800 beansprucht das Vorleitgitter etwa 15 cm zusätzlichen Einbauraum in axialer Richtung, der in den Anwendungen typischerweise vorhanden ist.

Eine weitere Möglichkeit zur akustischen Verbesserung

Anwender aus dem Bereich der Luft-, Kälte- und Klimatechnik können hinsichtlich Geräuschreduzierung aber noch einen Schritt weitergehen: Mithilfe einer anderen (ebenfalls passiven) Komponente lassen sich noch weitere Optimierungen erzielen. Kombiniert man bei einem Ventilator das beschriebene Vorleitgitter mit dem Diffusor AxiTop auf der Ausblasseite, steigert man nicht nur die Energieeffizienz, sondern reduziert nochmals die Geräuschemission vor allem im mittleren Frequenzbereich. Das heißt, das FlowGrid reduziert den tiefen Frequenzbereich, der AxiTop dann zusätzlich noch den mittleren Frequenzbereich. Wie das funktioniert, ist einfach zu verstehen: Der prinzipbedingte Austrittsverlust bei frei ausblasenden Ventilatoren ist ein oft unterschätzter Energiefresser. Diese Verluste lassen sich mithilfe des Diffusors minimieren. Er arbeitet quasi wie eine umgekehrte Düse und reduziert durch seine drucksteigernde Wirkung die Austrittsverluste erheblich (Bild 4). Die Effizienz steigt, während gleichzeitig das Arbeitsgeräusch sinkt.

Ideale Arbeitsbedingungen für Ventilatoren

Die akustische Verbesserung ist vor allem dann interessant, wenn Ventilatoren in schall­empfindlicher Umgebung arbeiten und man den Diffusor zusätzlich mit dem Vorleitgitter kombiniert (Bild 5), z. B. bei einem untersuchten Verflüssiger: Hier wird die Außenluft durch einen Wärmeübertrager gesaugt. Der Verflüssiger ist ausgestattet mit einem Axialventilator (mit 800 mm Durchmesser) und druckseitig angebautem Diffusor. Mit Vorleitgitter lässt sich der Geräuschpegel um weitere 3 dB(A) senken. Durch den kombinierten Einsatz von AxiTop und FlowGrid ergibt sich eine Reduzierung des Geräuschpegels von 5,8 dB(A), beim Drehklang sogar um 20 dB, was subjektiv als sehr angenehm empfunden wird. Ebenso wie das Vorleitgitter besteht auch der Diffusor aus leichtem, widerstandsfähigem Kunststoffmaterial. Er ist lediglich 250 mm hoch; eine Designänderung der Applikation ist generell nicht erforderlich, auch nicht bei Nachrüstung. Von den Vorzügen der Geräuschreduzierung im niederfrequenten Bereich können Anwender in Kürze profitieren: FlowGrid für Axialventilatoren der für den Einsatz in Wärmepumpen typischen Baugrößen 500 und 630 sind im ersten Quartal 2014 lieferbar. Ausführungen für Radialventilatoren der Baugröße 710 und 800, wie sie bei größeren Klimaanlagen Verwendung finden, gehen demnächst in die Serienfertigung; weitere werden folgen. Der AxiTop ist bereits in Serienfertigung.

Mit den passiven Komponenten Diffusor und Vorleitgitter ist es gelungen, die Ventilatorentechnik voranzutreiben und neue Maßstäbe zu setzen. Durch die Optimierung von Zu- und Abströmungen finden Ventilatoren ideale Arbeitsbedingungen, was einen energieeffizienten und möglichst leisen Betrieb ermöglicht. -

Abteilung Entwicklung Strömungstechnik, ebm-papst, Mulfingen