Thermische und schalltechnische Analysen von Klimazentralgeräten

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1 Thermische und schalltechnische Analysen von Klimazentralgeräten von Dipl. Wirt.-Ing. Marco Fischbach

2 Gliederung Einleitung Normative Anforderungen an Klimazentralgeräte Aufgabenstellung Thermische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Wärmeübertragung Darstellung des 3D-CAD-Modells eines Klimazentralgerätes Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) Schalltechnische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Schalltechnik Kenngrößen des Luft- und Körperschalls Schallausbreitung in Klimazentralgeräten Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Boundary-Elemente-Methode (BEM) Schlussbemerkung und Ausblick

3 Gliederung Gliederung Einleitung Normative Anforderungen an Klimazentralgeräte Aufgabenstellung Thermische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Wärmeübertragung Darstellung des 3D-CAD-Modells eines Klimazentralgerätes Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) Schalltechnische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Schalltechnik Kenngrößen des Luft- und Körperschalls Schallausbreitung in Klimazentralgeräten Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Boundary-Elemente-Methode (BEM) Schlussbemerkung und Ausblick

4 Normative Anforderungen an Klimazentralgeräte Thermische Anforderungen Klimazentralgerät der Firma ROX KLIMATECHNIK GmbH Schalltechnische Anforderungen DIN EN 1886 DIN EN Klimazentralgeräte werden nach Normen und Richtlinien klassifiziert Beurteilung der akustischen und energetischen Gerätequalität Reduktion des Kosten- und Zeitaufwandes im Produktentwicklungsprozess

5 Aufgabenstellung Verifizierung und Validierung der thermischen und schalltechnischen Gebrauchseigenschaften von Klimazentralgeräten Einsatz von numerischen Simulationsverfahren zur Bestimmung dieser Gebrauchseigenschaften Schaffung von grundlegenden Berechnungsansätzen für die Neuentwicklung von Klimazentralgeräten Experimentelle Simulationsverfahren Numerische Simulationsverfahren Ziele: Ermittlung der thermischen Kenngrößen Wärmedurchgangskoeffizient k und Wärmebrückenfaktor k b Numerische Simulation der Luft- und Körperschallausbreitung an Klimazentralgeräten bzw. an Ersatzsystemen, wie an einem doppelschaligen ebenen Paneel

6 Gliederung Einleitung Normative Anforderungen an Klimazentralgeräte Aufgabenstellung Thermische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Wärmeübertragung Darstellung des 3D-CAD-Modells eines Klimazentralgerätes Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) Schalltechnische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Schalltechnik Kenngrößen des Luft- und Körperschalls Schallausbreitung in Klimazentralgeräten Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Boundary-Elemente-Methode (BEM) Schlussbemerkung und Ausblick

7 Grundlagen der Wärmeübertragung Wärmeübertragung Wärmeleitung Konvektiver Wärmeübergang Wärmestrahlung Wärmeleitfähigkeit λ Wärmeübergangskoeffizient α Emissionsgrad ε Wärmedurchgangskoeffizient k Konvektiver Wärmeübergang und Wärmeleitung Relevante thermische Kenngröße zur Eingabe in die FEM-Berechnungssoftware ANSYS WORKBENCH

8 Grundlagen der Wärmeübertragung Temperaturverlauf durch ein doppelschaliges ebenes Paneel t p = 52 mm Hohe Innenlufttemperatur T i Wärmeübergangskoeffizient α i Blechinnenschale Wärmeleitfähigkeit λ der Isolierung Emissionsgrad ε des verzinkten Stahlblechs Notwendige Bedingung: T i >T a Niedrige Außenlufttemperatur T a Wärmeübergangskoeffizient α a Blechaußenschale Wärmeleitfähigkeit λ des verzinkten Stahlblechs

9 Darstellung des 3D-CAD-Modells eines Klimazentralgerätes 3D-CAD-Modell eines Klimazentralgerätes (Schnittdarstellung im 1/4-Modell) Dachschale Doppelschaliges ebenes Paneel t p = 52 mm t p = 52 mm Stoßprofile mit angrenzenden doppelschaligen ebenen Paneelen t p = 52 mm

10 Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der FEM Definition der Randbedingungen am Beispiel eines doppelschaligen ebenen Paneels Thermische Werkstoffkennwerte: Emissionsgrad ε Wärmeleitfähigkeit λ Spezifische Wärmekapazität c λ, c α i T i Innen Vorgabe nach der Norm DIN EN 1886: Außenlufttemperatur T a Innenlufttemperatur T i Luft-zu-Luft-Temperaturdifferenz t air t s,i Analytisch berechnete Parameter: Innere Oberflächentemperatur t s,i Äußere Oberflächentemperatur t s,a Innerer Wärmeübergangskoeffizient α i Äußerer Wärmeübergangskoeffizient α a α a Außen T a ε t s,a Systemgrenze

11 Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der FEM Darstellung der Ergebnisse am Beispiel des Temperaturverlaufs durch ein doppelschaliges ebenes Paneel Systemgrenze T i = 40 C Innen t s,i = 39,071 C T a = 20 C t air = 20K Außen t s,a = 21,459 C Paneeldicke t p = 52 mm

12 Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der FEM Darstellung der Ergebnisse am Beispiel des Temperaturverlaufs durch ein doppelschaliges ebenes Paneel t s,i = 39,071 C t s,a = 21,459 C Temperatur t in C Numerisches Simulationsergebnis Experimentelles Simulationsergebnis Paneeldicke t p in mm

13 Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der FEM Thermische Analysen an Klimazentralgeräten und an doppelschaligen ebenen Paneelen Experimentelle Simulationsverfahren Numerische Simulationsverfahren Verifizierung Verbesserung der thermischen Gebrauchseigenschaften Doppelschaliges ebenes Paneel Doppelschaliges ebenes Paneel ja - Klimazentralgerät HYD LC Klimazentralgerät HYD LC ja - - Klimazentralgerät HYD LCM - ja Verbesserung des Klimazentralgerätes HYD LCM hinsichtlich thermischer Gebrauchseigenschaften

14 Gliederung Einleitung Normative Anforderungen an Klimazentralgeräte Aufgabenstellung Thermische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Wärmeübertragung Darstellung des 3D-CAD-Modells eines Klimazentralgerätes Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) Schalltechnische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Schalltechnik Kenngrößen des Luft- und Körperschalls Schallausbreitung in Klimazentralgeräten Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Boundary-Elemente-Methode (BEM) Schlussbemerkung und Ausblick

15 Grundlagen der Schalltechnik Struktur und Themenbereiche im Fachgebiet der Schalltechnik Schalltechnik Ton Geräusch Klang Schallausbreitung Schallreflexion Schalldämpfung Schalldämmung Schallwandler elektrostatisch elektrodynamisch Kondensatormikrophon Kopfhörer

16 Kenngrößen des Luft- und Körperschalls Schallausbreitung Luftschall Schwingungen von Schallwellen in einem elastischen Medium Körperschall Schwingungen von Schallwellen in einem festen Medium oder an der Oberfläche von Körpern mit Schallfrequenzen f S > 16 Hz Schallfeldkenngrößen Schallgeschwindigkeit c S Schalldruck p S Schallleistung P Ausbreitungsgeschwindigkeit von Körperschallwellen c k Direkte Einwirkung von mechanischen Kräften F Direkte Einwirkung von Geschwindigkeiten v

17 Schallausbreitung in Klimazentralgeräten Schematische Darstellung eines Gerätegehäuses Schalldurchgang Reflektionsschall (Luftschall) Luftkanalnetz Schallquelle Schallabsorption Kulissenschalldämpfer Direktschall (Luftschall) Systemgrenze Gerätegehäuse Sekundärschall (Körperschall) Luftschallausbreitung Körperschallausbreitung

18 Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der FEM und der BEM Boundary-Elemente-Methode (BEM) Numerische Simulation von Luftschallausbreitung im endlichen und unendlichen Raum Numerische Berechnung der Überlagerung von Luft- und Körperschallausbreitung Finite-Elemente-Methode (FEM) Modalanalyse zur schalltechnischen Analyse Netzgenerierung zur schalltechnischen Analyse Medium wird nicht vernetzt Medium wird vernetzt Oberflächennetz Volumennetz Bauteil bzw. Baugruppe

19 Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der FEM und der BEM Verfahrensablauf zur Erstellung numerisch schalltechnischer Simulationen Struktur Step, Iges 1.Erstellung einer Struktur Netz APDL cdb-file 2. Netzgenerierung und Modalanalyse Modalanalyse APDL rst-file Frequenz Randbedingungen Ergebnisplot Farbiger Ergebnisplot 3. Frequenzanalyse, Randbedingungen und Ergebnisgenerierung 3D-CAD-System Ergebnisgenerierung Ergebnis an Elementen FEM BEM

20 Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der FEM und der BEM Schalltechnische Analysen an Klimazentralgeräten und an doppelschaligen ebenen Paneelen Experimentelle Simulationsverfahren Numerische Simulationsverfahren Verifizierung Referenzmessung der Normschallquelle Referenzmessung der Normschallquelle ja Doppelschaliges ebenes Paneel Klimazentralgerät HYD LC Doppelschaliges ebenes Paneel Klimazentralgerät HYD LC - Klimazentralgerät HYD LCM Grundlegende Berechnungsansätze sind geschaffen Grundlegende Berechnungsansätze sind geschaffen Paralleler Einsatz von experimentellen und numerischen Simulationsverfahren Mikrofon Schallquelle Doppelschaliges Paneel Klimazentralgerät

21 Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der FEM und der BEM Darstellung eines farbigen Ergebnisplot einer numerischen schalltechnischen Analyse der Referenzmessung Punktschallquelle Doppelschaliges ebenes Paneel Virtuelles Mikrofon

22 Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der FEM und der BEM Darstellung der numerischen und experimentellen Simulationsergebnisse der Schalldruckpegel L p am Beispiel der Referenzmessung Schalldruckpegel L p in db Frequenz f in Hz Experimentelles Simulationsergebnis Numerisches Simulationsergebnis

23 Gliederung Einleitung Normative Anforderungen an Klimazentralgeräte Aufgabenstellung Thermische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Wärmeübertragung Darstellung des 3D-CAD-Modells eines Klimazentralgerätes Numerisch thermische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) Schalltechnische Analysen von Klimazentralgeräten Grundlagen der Schalltechnik Kenngrößen des Luft- und Körperschalls Schallausbreitung in Klimazentralgeräten Numerisch schalltechnische Analysen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der Boundary-Elemente-Methode (BEM) Schlussbemerkung und Ausblick

24 Schlussbemerkung und Ausblick Darstellung der ermittelten thermischen Kenngrößen Wärmedurchgangskoeffizient k und Wärmebrückenfaktor k b Wärmedurchgangskoeffizient k in W/(m 2 K) 1 0,9 HYD LC numerisch 0,8 HYD LC experimentell 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,1 0 a) Wärmedurchgangskoeffizient HYD LC numerisch 1 k b) HYD Wärmebrückenfaktor LC experimentell 2 k b 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Wärmebrückenfaktor k b in - Sehr gute Übereinstimmungen der experimentellen und numerischen Simulationsergebnisse Numerische Simulationsmodelle zur thermischen Analyse sind verifiziert

25 Schlussbemerkung und Ausblick Darstellung der reduzierten Oberflächentemperaturen am Beispiel der Verbindungsprofile des Klimazentralgerätes HYD LCM Reduktion der Oberflächentemperaturen tsmax in % a) Eckprofil b) Trennprofil c) Stoßprofil Verbesserung der thermischen Gebrauchseigenschaften am Klimazentralgerät Ziel: Klimazentralgerät muss weiter verbessert werden

26 Schlussbemerkung und Ausblick Darstellung der experimentellen und numerischen schalltechnischen Simulationsergebnisse am Beispiel der Referenzmessung Schalldruckpegels NEM in % 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5-3 -3,5-4 -4, Sehr gute Übereinstimmungen der experimentellen und numerischen Simulationsergebnisse Frequenz f in Hz

27 Schlussbemerkung und Ausblick Numerische schalltechnische Simulation der Referenzmessung ist verifiziert Numerische schalltechnische Simulation des doppelschaligen ebenen Paneels muss verifiziert werden Grundlegende Berechnungsansätze sind geschaffen Schalltechnische Gebrauchseigenschaften der Klimazentralgeräte müssen verbessert werden

28 Thermische und schalltechnische Analysen von Klimazentralgeräten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bearbeiter: Dipl. Wirt.-Ing. Marco Fischbach Tel.: +49 (0) 2743/