Zur effizienten Kühlung von Räumen ist eine gleichmäßige Durchströmung entscheidend. Diese durch Zusatzkonstruktionen an den Kühlmodulen zu erreichen ist unwirtschaftlich. Eine kostengünstigere, robuste und technisch deutlich bessere Lösung ist die Erhöhung der Wurfweite von Axialventilatoren durch direkte Verbesserung der Abströmung des Ventilators.
Die Leistung von Luftkühlern in Räumen ist heute häufig deshalb beschränkt, weil die vom Ventilator abströmende kalte Luft nicht weit genug in den Raum reicht und deshalb ohne wesentliche Kühlwirkung im Kurzschluss wieder angesaugt wird. Das Anbringen von Wabengittern an Ventilatoren oder der Einsatz von Textilschläuchen zur Luftverteilung führt zu Mehrkosten und zur Geräuschpegelerhöhung. Ein besserer Ansatz ist die direkte Verbesserung der Abströmung des Ventilators durch Reduzierung des Winkels der Strahlaufweitung mittels Umlenkung der Umfangs- und Radialkomponenten der Abströmung in Axialrichtung des Ventilators. Im Folgenden wird die Umsetzung dieses Lösungskonzepts durch die Entwicklung eines Nachleitrades vorgestellt.
Prototypen- messungen
In einer ersten Entwicklungsphase wurden folgende vier Varianten, ausblasseitig am Axialventilator angebracht, untersucht:
- Prototyp 1: Wabengitter
- Prototyp 2: Schaufelnetz mit 6 Radial- und 5 Umfangsstreben
- Prototyp 3a: Leitrad mit 16 Radialstreben
- Prototyp 3b: Leitrad mit 16 Radialstreben und Rohrverlängerung
Die Bewertung erfolgte durch einen Vergleich mit der Basisvariante des Kühlmoduls ohne zusätzliche Leiteinrichtungen. Als Hauptbewertungskriterium wurde die nach Cecomaf-Norm GT6–001 oder ENV 328 definierte Wurfweite herangezogen, welche die Entfernung vom Ventilator angibt, in der die maximale Geschwindigkeit auf den Grenzwert 0,25m/s abgesunken ist. Zusätzlich sollte sicher gestellt werden, dass die Lösung bezüglich Luftleistung, Wirkungsgrad und Geräuschverhalten keine wesentliche Verschlechterung gegenüber dem Ausgangszustand darstellt.
Messergebnisse
Bild 1 zeigt die auf der Drehachse gemessenen maximalen Abströmgeschwindigkeiten. Mit zunehmender Entfernung vom Kühlmodul nehmen die Geschwindigkeitswerte ab. Gegenüber dem Ausgangszustand (blaue Linie) lassen sich im Nahfeld des Luftkühlers mit allen Prototypen deutliche Geschwindigkeitszunahmen feststellen. Während bei den Prototypen „Wabengitter“ und „Schaufelnetz“ die Wirkung mit zunehmender Entfernung aber sehr schnell nachlässt, lassen sich mit den beiden „Leitrad“-Prototypen 3a und 3b auch im Fernfeld deutliche Verbesserungen erzielen. Die Wurfweite ließ sich bei diesen beiden Prototypen von 12 auf 18 bzw. 22 m steigern.
Versuchsauswertung
Luftleistungsmessungen zeigen, dass die Strömungswiderstände von „Wabengitter“ und „Schaufelnetz“ zu einer deutlichen Luftleistungseinbuße führen. Dies erklärt, warum die Strömungsumlenkung bei diesen beiden Konstruktionen nur im Nahbereich des Kühlmoduls zu einer Geschwindigkeitserhöhung führt. Auch beim „Leitrad mit Rohrverlängerung“ reduziert sich die Luftleistung deutlich. Allerdings erst, wenn weitere Druckverluste auftreten, die z. B. bei der Vereisung des Wärmetauschers oder bei der Montage des Luftkühlers in einer Raumecke entstehen. Damit liefert diese Konstruktion nur unter Idealbedingungen hohe Wurfweiten.
Bei der untersuchten Prototypenreihe hatte das „Leitrad ohne Rohrverlängerung“ (Prototyp 3a) die besten Ergebnisse. Diese Konstruktion bewirkt einerseits eine wesentliche Wurfweitenerhöhung und führt andererseits nur zu einer minimalen Reduzierung der Luftleistung über dem gesamten Kennlinienbereich.
Die Ergebnisse der durchgeführten Geräuschmessungen und die Analyse der Wirkungsgrade zeigten, dass die Prototypen „Wabengitter“ und „Schaufelnetz“ deutlich schlechtere Wirkungsgrade und wesentlich höhere Schalldruckpegel zur Folge haben. Demgegenüber führten die Konstruktionen mit „Leitrad“ (Varianten 3a und 3b) zu keiner Schalldruckpegelerhöhung.
Endprodukt
Zur Konstruktion der optimalen Kontur der Leitschaufeln wurde das Abströmfeld der betrachteten Ventilatoren mit Hilfe von LDA-Messungen bestimmt. Um die Verluste zu minimieren wurde der Anstellwinkel der Nachleit radschaufeln dem gemessenen Abströmwinkel angeglichen. Validierungsmessungen zeigen, dass sich die Wurfweite bei einem Nachleitrad mit Durchmesser 350 mm von 10 auf über 22 m erhöhen lässt. Die Montage des Nachleitrades auf die betrachteten Wärmetauscher führte weder zu einer Luftleistungsreduktion noch zu einem Wirkungsgradverlust.
Abhängig von der Baugröße kann durch das vorgestellte Nachleitrad eine Verdopplung bis Verdreifachung der Wurfweite erzielt werden. Damit wird eine gleichmäßige Luftdurchströmung von Kühlräumen realisierbar – ohne Vergrößerung der Tauscherfläche. Im Gegensatz zu anderen Gleichrichterlösungen erfolgt diese Verbesserung nahezu verlustfrei. Die weiteren technischen Kennwerte des Axialventilators (Luftleistung, Leistungsaufnahme, Wirkungsgrad und Geräusch) durch die Montage des Nachleitrades werden damit nicht negativ beeinflusst.
Weitere Informationen
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