Praktikum Kleinventilator

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1 Gesamtdruckerhöhung in HTW Dresden V-SM 3 Praktikum Kleinventilator Lehrgebiet Strömungsmaschinen 1. Kennlinien von Ventilatoren Ventilatoren haben unabhängig von ihrer Bauart einen bestimmten Volumenstrom zu fördern und mit der Druckerhöhung den Widerstand der angeschlossenen Anlage zu überwinden, oder einen bestimmten Druck aufrecht zu erhalten und dazu einen Volumenstrom zu fördern, der den Leckverlusten des Netzes oder der Anlage entspricht. Zur Beurteilung des Betriebsverhaltens von Ventilatoren wird in Abhängigkeit vom Volumenstrom die Druckerhöhung und die Antriebsleistung aufgetragen. Der Schnittpunkt der Ventilatorkennlinie mit der Netzkennlinie ergibt den Arbeitsspunkt, der möglichst im Bereich des optimalen Wirkungsgrades und in einem stabilen Bereich der Kennlinie liegen soll, Bild 1. Bild 1: Beispiel einer Ventilatorkennlinie mit Sattel (instabiler Bereich) Ventilator instabiler Bereich ,5 1 1,5 Volumenstrom in m 3 /s 2.1. Versuchsaufbau und Messtechnik Bild 2 aus DIN EN ISO

2 Nach DIN EN ISO 5801 sind Ventilatoren in Kammerprüfständen zu prüfen. Wir unterscheiden Saug- und Druckseitige Kammerprüfstände. In Bild 2 ist die Versuchsanlage eines saugseitigen Kammerprüfstandes zur Kennlinienmessung von Kleinventilatoren mit der dazugehörenden Messtechnik dargestellt. Kleinventilatoren dienen unter anderem zur Kühlung elektronischer und elektrischer Bauelemente. Die Versuchsanlage selbst besteht aus der Volumenstrommessstrecke mit Einlaufdüse einer Regeleinrichtung zur Volumenstromregulierung, der Messkammer mit Bremssieben und Gleichrichter sowie dem zu prüfenden Ventilator. Die Skala des Volumenstromreglers ist nicht mit dem Ventilator abgestimmt und dient nur zur Vereinfachung einer gleichmäßigen Einstellung. Angetrieben wird der jeweilige Kleinventilator von einem Außenläufermotor, der mit einer Wechselspannung von 230 V und einer veränderlichen Frequenz bis 50 Hz betrieben wird. Bei einem solchen Motor befindet sich der feststehende Stator mit Wicklung innerhalb des umlaufenden Rotors, der zugleich die Nabe des Laufrades ist. Mit dem Frequenzumrichter läst sich die Frequenz und damit die Drehzahl verändern. Bild 2: Aufbau des Ventilatorprüfstandes Zur Messung der Druckdifferenz p st (vor und hinter dem Ventilator) wird die Druckmessdose vom Typ THERM B verwendet. Hinter der Einlaufdüse der Volumenstrommessstrecke ist ein Prandtlrohr angebracht, dessen Druckdifferenz p mit einem Schrägrohrmanometer mit verstellbarem Messrohr (Messrohrneigung 1:10) gemessen wird. Alternativ kann mit Hilfe eines radizierenden Druckmessumformers die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Das Prandtlrohr ist entgegen der Strömungsrichtung eingestellt. Aus der ermittelten maximalen Strömungsgeschwindigkeit in Düsenmitte wird der Volumenstrom berechnet. Die dem Motor zugeführte elektrische Leistung (Wirkleistung) P M wird durch einen Leistungsmesser gemessen. Messwerte: 1 Druckdifferenz p st = p o - p st 2 Druckdifferenz am Staurohr p = p dyn (oder durch Berechnung die Strömungsgeschwindigkeit direkt) 3 zugeführte elektrische Leistung P M 3. Versuchsdurchführung Die Kennlinienmessung von Ventilatoren wird durchgeführt, indem die Volumenstromregeleinrichtung von der geschlossen Stellung ausgehend in ca Stellungen (aller 50 Skalenteile) langsam geöffnet wird, wobei die Kennlinienpunkte aufgenommen werden. Dabei wird das zeitliche Mittel der Druckdifferenz p st bestimmt. Zur Bestimmung des Volumenstromes wird die Druckdifferenz p mittels Schrägrohrmanometers erfaßt, dessen Messrohrneigung 1:10 beträgt. Bei maximaler Drehzahl kann der Volumenstromregler ab einem Skalenwert von 650 und bei niedrigen Drehzahlen ab einem Skalenwert von 450 ganz geöffnet werden. 32

3 Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass Abweichungen auftreten können, wenn in der Ansaug- und Ausblaszone des Versuchsstandes der Luftstrom durch Gegenstände oder Personen beeinträchtigt bzw. reflektiert wird, oder zusätzliche Luftbewegungen in der Umgebung auftreten. Der Versuch ist mit einer Frequenz von 25, 40, und 50 Hz durchzuführen. Zur Überprüfung der berechneten Geschwindigkeiten wird die Kennlinienmessung noch einmal mit der radizierenden Druckmessdose und maximalen Ventilatordrehzahl ( 50 Hz) durchgeführt Ausgangsdaten Untersuchter Ventilator: Radialer - Rohrventilator der Firma Rosenberg R160L mit Nachleitwerk Außen-Durchmesser des Ventilators: D a = 300 mm Innendurchmesser des Rohrein- und Austritts: D = 160 mm Nennleistung: P = 110 W Nenndrehzahl: n = 2440 min -1 Prüfstand: Einbauart: B (saugseitig angeschlossener Kammerprüfstand) Prüfstandsanordnung: druckseitig frei ausblasend Messkammer: Edelstahl-Rohr mit zwei Bremssieben Kammerdurchmesser: d 5 = 500 mm Kammerlänge: l 5 = 1200 mm Druckabnahme: Wandbohrungen zur Abnahme des statischen Druckes Volumenstrommessung: Einlaufdüse: d 0 = 120 mm Druckabnahme durch Prandtlrohr zur Abnahme des dynamischen Druckes Messgeräte: Druckerhöhung in der Messkammer: Druckmessdose 500 bis+500 Volumenstrom: Schrägrohrmanomer oder radizierender Druckmessumformer mit Geschwindigkeitsanzeige zugeführte elektrische Leistung: Leistungsmesser Klasse 1 4. Messung Die Messung wird erst nach einer ausreichenden Einlaufzeit des Ventilators begonnen. Zunächst werden die Temperatur und der Luftdruck in der Umgebung gemessen, um die Dichte der Luft bestimmen zu können. Temperatur: = Luftdruck: p = Die Gaskonstante für Luft beträgt R = 287,1 J/kg K Berechnen Sie die Dichte der Luft! p (1) R T 33

4 Zur Bestimmung des Volumenstrommes wird, wie bereits erwähnt, ein Schrägrohrmanometer (Gerät ist waagerecht ausgrichtet) mit einer Messrohrneigung von 1:10 eingesetzt, dessen Differenzdruck wird nach folgender Gleichung (Schrägrohrmanometer mit Messflüsigkeit einer Dichte m = 784 kg/m³) aus der Ableselänge l (in mm) berechnet. 1 p g h g l (2) m m 10 p = p ges - p st = p dyn = 2 2 c (3) Die Druckaufnahme erfolgt über ein Prandtlrohr, mit welchem der dynamische Druck erfasst wird. Durch die Anordnung des Prandtlrohres, das in Bild 2 dargestellt ist, wird die maximale Strömungsgeschwindigkeit in Düsenmitte erfasst. Diese ergibt sich nach Gleichung (3) Mit Hilfe der Gleichung (5) c max 2 p (4) ( p, T ) c ~ 0,82 c (5) erfolgt die Bestimmung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Düsenquerschnitt. Der Faktor 0,82 wurde aus der Geschwindigkeitsverteilung in der Düse ermittelt (vergleiche Versuch mittlere Geschwindigkeit). Nach Gleichung 6 wird der Volumenstrom berechnet.. 2 V d c~ (6) 4 Die Gesamtdruckerhöhung des Ventilators umfasst die Differenz des statischen Drucks in der Messkammer und den dynamischen Druck am Austritt des Ventilators (Totaldruckerhöhung). p st p t = p st + p dyn2 (7) Dazu ist der dynamische Druckanteil zu berechnen. Unter Verwendung der Kontinuitätsgleichung kann folgende Beziehung geschrieben werden kann :. ~ 2 V p 2 c2 (8) dyn d 4 Die isentrope Förderleistung P Kus berechnet sich aus dem Produkt von Volumenstrom und Gesamtdruckerhöhung (Ventilatoren werden inkompressibel betrachtet) PKus V. p (9) t Der Wirkungsgrad des Ventilators ist nach Gleichung (10) zu bestimmen und berücksichtigt die Strömungsverluste. PKus (10) P e 34 max 2

5 Aufgabenstellung -Beschreiben Sie kurz die Versuchsdurchführung und disskutieren Sie das Ergebnis! -Stellen Sie die drei Kennlinien als Druckerhöhung p über dem Volumenstrom in t einem Diagram dar. -Der Wirkungsgrad des Ventilators ist ebenfalls über dem Volumenstrom in einem Diagramm aufzuzeichnen. Die im Versuch gewonnenen Messergebnisse sind in folgender Tabelle darzustellen. Bitte Tabelle zur Vorbereitung als Excel-Datei anfertigen! pst Länge mm c m/s p m³/s P e W P dyn2 p t P Kus W 35

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