Anwendung gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik

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1 Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Anwendung gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik DKV, Dresden, , Christian Friebe

2 Inhalt Zielstellung und Motivation Historischer Rückblick Funktionsweise und Aufbau eines gegenläufigen Axialventilators Ergebnisse (Leistung, Strömung, Akustik) Turbulenz und Wärmeübergang Zusammenfassung DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 2

3 Drall am Austritt eines Axialventilators Leistungsumsatz? Wirkungsgrad? Anströmung nachfolgender Bauteile (Filter, Wärmeübertrager, Schalldämpfer)? Akustik? DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 3

4 Ziele und Wege Ziele Steigerung des Wirkungsgrades Erhöhung der Leistungsdichte Erweitern des Bereiches des optimalen Wirkungsgrades Betrachtung der Akustik des gegenläufigen Axialventilators Optimale Anströmung nachfolgender Bauteile Wege Deutliche Reduktion des Austrittsdralles! Zusätzliche Energieübertragung auf das Fluid gegenläufige Anordnung der Schaufeln eines Axialventilators bestenfalls nur ein Motor als Antrieb DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 4

5 Historischer Rückblick und weitere Anwendungsgebiete DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 5

6 1920 Schraubenfesselflieger nach Petrócy-Kármán-Zurovec Abhandlungen aus dem Aerodynamischen Institut der RWTH Aachen - 2. Lieferung, DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 6

7 Luftfahrt Contra-rotating propellers of a modified P-51 Mustang fitted with a Rolls-Royce Griffon. Photo by Eric Gideon. [ {{cc-by-sa}} from en Wiki A Soviet Ka-32 (by NATO "Helix") helicopter passes over the airfield during Airshow Canada '89. Location: ABBOTSFORD, BRITISH COLUMBIA (BC) CANADA (CAN) DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 7

8 Schifffahrt Guided missile destroyer USS Mustin (DDG- 89) crewmembers pull a Mark 46 torpedo (Mod 5A) out of a launching tube during an April 2005 test. Contra-rotating propellors shown in red. Source: US Navy Volvo Penta Drive, DUOPROP SG/MARINE_LEISURE_ENGINES/DRIVES/DPR_DUOPROP/Pages/d pr_duoprop.aspx DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 8

9 Einsatzgründe Aufgabe des gegenläufigen Propellers in der Schifffahrt und im Flugzeugbau: Reduktion des Giermomentes Gleichmäßige Abströmung Erhöhung des Wirkungsgrades Bessere Manövrierfähigkeit DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 9

10 Definition counter und contra Counter rotating Fan oder Contra rotating fan? Übernahme der Definition aus der englischsprachigen Avionik Contra Rotating Propeller Bei koaxialer Anordnung und gegenläufigem Drehsinn Counter Rotating Propeller Bei mehrachsiger Anordnung und gegenläufigem Drehsinn DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 10

11 1936 Windkanal Berlage, F.: Ein Windkanal mit zwei gegenläufigen Luftschrauben. Luftfahrt und Schule, 1936, 178ff DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 11

12 Jahre Traupel: Versuche an einem gegenläufigen Axialventilator, HLH 10/1959 Nr. 1 Becht: Aerodynmaik und Anwendbarkeit gegenläufiger Axialventilatoren, HLH 11/1960 Nr. 3 Rákócy: Berechnung von gegenläufigen Axialgebläsen, HLH 20/1969 Nr DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 12

13 Beispiele für gegenläufige Ventilatoren Firma Fläkt Woods Group SA 18, avenue Louis Casaï CH-1209 Geneva Korfmann Lufttechnik GmbH Wullener Feld 67 D Witten Modell JM Airfoil MultiStage dgal Soler & Palau GmbH Bunsenstraße Darmstadt SANYO DENKI CO., LTD Kita-otsuka, Toshimaku, Tokyo WMB Ventilatoren GmbH Irene-Kärcher-Straße 35 D Obersontheim TCBTx2/4 SanAce AXG Wolter GmbH Maschinen- und Apparatebau KG Am Wasen 11 D Malsch AXG DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 13

14 Einsatzgründe Aufgabe des gegenläufigen Axialventilators in der Klimatechnik Gleichmäßige Abströmung im Bereich des Arbeitspunktes Erhöhung Leistungsdichte bei gleichbleibendem Bauraum Erhöhung des Wirkungsgrades Bessere Akustik (?) Reduktion des zusätzlich benötigten Bauraumes bei Ertüchtigungsmaßnahmen DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 14

15 Funktionsweise Gegenlauf und Geschwindigkeitsdreiecke DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 15

16 Funktionsweise und Geschwindigkeitsdreiecke DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 16

17 Funktionsweise und Geschwindigkeitsdreiecke Genaue Abstimmung notwendig, einfaches Spiegeln ist nicht korrekt (Anströmung des zweiten Laufrades)! DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 17

18 Ausführungsmöglichkeiten Gegenlauf Momentengleichgewicht zwischen den beiden Laufrädern! Leistungsübertragung DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 18

19 Auslegung der Laufräder Strömungssimulation CFD, Ansys Fluent 14.5 Axialventilator ohne Leitrad Gegenläufiger Axialventilator DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 19

20 Ausführung DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 20

21 Untersuchte Varianten Axialventilator Axialventilator + Axialventilator + Axialventilator + FF Nachleitgitter Nachleitgitter Gegenlauf FF + NLG10 FF + NLG19 CRF DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 21

22 Technische Daten untersuchter Ventilator Gehäusedurchmesser: 200 mm Nabendurchmesser: 90 mm Drehzahl 1: 2100 U/min Drehzahl 2: 1200 U/min Volumenstrom: 657 m³/h Druckaufbau: 100 Pa + 40 Pa Leistungsaufnahme: 20 W + 10 W DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 22

23 Leistungsmessung DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 23

24 Ventilatorprüfstand Messung in Rohrmesstrecke / Kammerprüfstand Bestimmung des Volumenstromes über Düse / Blendenmesstrecke Messen beider Drehzahlen (stellen sich in Abhängigkeit der Lasten über das Momentengleichgewicht selber ein) Bestimmen der Leistungsaufnahme Einlaufstrecke Test-Sektion Auslaufstrecke 720 mm 450 mm 1230 mm Einlaufdüse Druckmessbohrung 2400 mm Handdrossel DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 24

25 Kammerprüfstand 1 Stützventilator 2 Drossel 3 Strömungsgleichrichter 4 Messblende 5 Strömungsgleichrichter 6 Kammer 7 Prüfling DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 25

26 Kennliniendiagramm DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 26

27 Druckzahl ψ [-] Wirkungsgrad η [-] Leistungszahl λ [-] Ergebnisse Volumenstromprüfstand Ergebnisse bezogen auf die mittlere Drehzahl zwischen den beiden Laufrädern 1,0 0,50 0,25 0,9 0,45 0,8 0,40 0,20 0,7 0,35 0,6 0,30 0,15 0,5 0,4 einstufig 0,25 ohne Nachleitgitter einstufig mit Nachleitgitter CRF 0,20 einstufig ohne Nachleitgitter einstufig mit Nachleitgitter CRF 0,10 einstufig ohne Nachleitgitter einstufig mit Nachleitgitter CRF 0,3 0,15 0,2 0,10 0,05 0,1 0,05 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Volumenzahl φ [-] 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Volumenzahl φ [-] 0,00 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 Volumenzahl φ[-] Ergebnisse bezogen auf die Drehzahl der Stufe DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 27

28 Geschwindigkeitsmessung DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 28

29 Particle Image Velocimetry DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 29

30 Verteilung der Austrittsgeschwindigkeit aus einem Axialventilator DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 30

31 Drall K [m^2/s] Reduktion des Austrittsdralles 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 FF CRF 0,1 0, Radius r[mm] DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 31

32 Akustik DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 32

33 Hallraummessungen und akustische Kamera Hallraum Bestimmen der Schallleistung im Terzspektrum, zeitgemittelt, keine Abstrahlcharakteristik bestimmbar Messung unterschiedlicher Betriebspunkte Messung von unterschiedlichen Konfigurationen Akustische Kamera Bestimmen der Abstrahlcharakteristik DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 33

34 Spezifischer Schallleistungspegel L W spez 2900 [db] Spezifischer Schallleistungspegel und akustische Kamera LwO LwU einstufig ohne Nachleitgitter einstufig mit Nachleitgitter CRF Durchmesserzahl δ [-] DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 34

35 Auswirkung von Turbulenz auf einen Wärmeübertrager DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 35

36 Drall Turbulenz DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 36

37 Zusammenfassung Drall ist nicht gleichbedeutend mit Turbulenz Reduktion des Dralles wird sich in der Regel günstig auf die nachfolgenden Bauteile auswirken Erhöhte Turbulenz wird den Wärmeübergang verbessern Einsatz eines gegenläufigen Ventilators reduziert den Drall deutlich Steigerung des Wirkungsgrades und der Leistungsdichte, Erhöhung Druckaufbau Optimale Abstimmung der beiden Laufräder aufeinander in Abhängigkeit des Betriebspunktes notwendig Akustisches Verhalten der beiden Laufräder ist zu beachten. (Vermeidung von Drehklang aufgrund gleicher Schaufelzahlen, ) DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 37

38 DKV Vortragseihe , Einsatz gegenläufiger Ventilatoren in der Klimatechnik 38

39 Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbh Bertolt-Brecht-Allee 20, Dresden Christian Friebe Bereich Luft- und Klimatechnik Tel.: / christian.friebe@ilkdresden.de