DE102023120219A1

DE102023120219A1 - Nachleiteinrichtung, Ventilationsvorrichtung mit einer Nachleiteinrichtung und Verfahren zur Effizienzsteigerung und/oder Leistungssteigerung von Ventilationsvorrichtungen

Info

Publication number: DE102023120219A1
Application number: DE102023120219.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kaup; Lukas Thomas
Original assignee: HOWATHERM KLIMATECH GmbH; Howatherm Klimatechnik GmbH
Current assignee: HOWATHERM KLIMATECH GmbH; Howatherm Klimatechnik GmbH
Priority date: 2023-07-29
Filing date: 2023-07-29
Publication date: 2025-01-30
Also published as: EP4502393A1

Abstract

Es wird eine Nachleiteinrichtung (1) zur Erweiterung eines Ventilators (2) vorgeschlagen. Erfindungsgemäß weist die Nachleiteinrichtung (1) mehrere Leitelemente (4) zur Beeinflussung der den Ventilator (2) verlassenden Luftströmung auf. Weiter wird eine Ventilationsvorrichtung (6) umfassend eine Strömungsmaschine mit einem solchen Ventilator (2) und einem Diffusor vorgeschlagen. Daneben wird ein Verfahren zur Effizienzsteigerung und/oder Leistungssteigerung von Ventilationsvorrichtungen raumlufttechnischer Anlagen vorgeschlagen, wobei einem Ventilator (2) in Luftströmungsrichtung nachfolgend, insbesondere radial außen als radiale Erweiterung, eine Nachleiteinrichtung (1) die Luftströmung beeinflusst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nachleiteinrichtung, eine Ventilationsvorrichtung mit einer Nachleiteinrichtung und ein Verfahren zur Effizienzsteigerung und/oder Leistungssteigerung von Ventilationsvorrichtungen, insbesondere für raumlufttechnische Anlagen.
Aus DE 384 0 268 C1 ist eine Luftausblasvorrichtung bekannt, die einen Diffusor in der Austrittsebene einer Ausblaswirbelkammer anordnet.
Aus EP 2 815 130 B1 ist ein Ventilator mit Diffusor bekannt, wobei hier die Aufgabe darin gesehen worden ist, einen gattungsgemäßen Diffusor, einen gattungsgemäßen Ventilator und ein Gerät so auszubilden, dass der Platz auf den Geräten optimal ausgenutzt werden kann, ohne dass hierfür eine konstruktiv aufwändige Ausbildung notwendig ist. Beim Diffusor gem. EP 2 815 130 B1 weisen die Übergänge zwischen den Seiten der Wand in Höhenrichtung eine Verwindung auf, die dem Drall der Strömung der Luft durch den Diffusor folgt. Die Übergänge verlaufen somit in Höhenrichtung der Diffusorwand nicht längs einer Geraden, sondern entsprechend gekrümmt. Die Übergangsbereiche sind so gestaltet, dass sie der Strömungsrichtung der Luft im Diffusor bzw. dem Drall der Strömung hinter dem Laufrad des Ventilators folgen. Dadurch ergeben sich nur minimale Verluste im Bereich dieser Übergänge.
Selbst vorteilhaft verwendete, freilaufende Radialventilatoren bieten noch Potential für Effizienzsteigerungen. So treten in Folge von realen Wirkungsgraden aller verbauten Komponenten Energieverluste auf. Der Systemwirkungsgrad der Ventilatoreinheit η_S bildet sich aus dem Produkt der einzelnen Wirkungsgrade der verbauten Komponenten. Diese sind der Wirkungsgrad der Regelungseinrichtung η_R (z. B. Frequenzumrichter), der Wirkungsgrad des verwendeten Motors η_M und der Wirkungsgrad des Ventilators η_V (Gl. 1.1).
Weiterhin ist der Systemwirkungsgrad definiert als das Verhältnis zwischen der Luftleistung P_L und der aus dem Stromnetz aufgenommenen elektrischen Leistung P_el.(Gl. 1.2). Die Luftleistung bildet sich wiederum aus dem Produkt des vom Ventilatorlaufrad geförderten Luftvolumenstroms V und der statischen Druckerhöhung zwischen der Saug- und Druckseite des Ventilatorlaufrads Δp_stat (Gl. 1.3). $η_{S} = η_{R} \cdot η_{M} \cdot η_{V}$
$η_{S} = \frac{P_{L}}{P_{e l}}$
$P_{L} = \dot{V} \cdot Δ p_{s t a t}$
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Nachleiteinrichtung, eine Ventilationsvorrichtung mit einer Nachleiteinrichtung, ein Verfahren zur Effizienzsteigerung und / oder Leistungssteigerung von Ventilationsvorrichtungen und / oder eine der Verwendungen nach einem der unabhängigen Ansprüche.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in Unteransprüchen angegeben und nachfolgend beschrieben sowie in Figuren dargestellt.
Zur Effizienzsteigerung wird vorgeschlagen, einen Ventilator um eine Nachleiteinrichtung zu erweitern, insbesondere einen freilaufenden Radialventilator um eine Nachleiteinrichtung zu erweitern, welcher u. a. durch einen Diffusor-Effekt die Effizienz der Ventilatoreinheit steigert.
Außerdem wird ein Verfahren zur Effizienzsteigerung bzw. zum Betrieb einer Ventilationsvorrichtung vorgeschlagen, wobei einem Ventilator in Luftströmungsrichtung nachfolgend, insbesondere radial außen als radiale Erweiterung, eine Nachleiteinrichtung die Luftströmung beeinflusst, insbesondere eine Drallreduktion bewirkend.
Die Effizienzsteigerung wird bevorzugt auf zwei Wegen erreicht. Zum einen wird das Ventilatorlaufrad beispielsweise um einen Plattendiffusor erweitert. Zum Zweiten wird eine Drallreduktion der aus dem Ventilatorlaufrad strömenden Luft durch die Nachleiteinrichtung erreicht.
Der Plattendiffusor wird bevorzugt durch zwei Kreisringe realisiert, wovon einer vor, und einer hinter dem Ventilatorlaufrad angebracht ist. Durch den Plattendiffusor kann der Effekt einer vergrößerten Austrittsfläche des Ventilatorlaufrads erzielt werden. Dies führt dazu, dass ein Teil des vom Ventilator erzeugten dynamischen Drucks in statischen Druck umgewandelt wird, wodurch der Wirkungsgrad steigt.
Allgemein unterscheidet man bei Strömungen zwischen dem dynamischen Druck p_d, dem statischen Druck p_stat und der Höhenenergie p_h. Der dynamische Druck ist weiterhin von der Luftdichte ρ und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit c des Luftstroms abhängig (Gl. 1.4). Der statische Druck ist der Druck, welcher senkrecht zu einer Strömung gemessen werden kann. Die Höhenenergie setzt sich zusammen aus der Luftdichte ρ, der geodätischen Höhe h sowie der Erdbeschleunigung g. (Gl. 1.5). Durch die Bernoulli Gleichung (Gl. 1.6) können die drei Größen miteinander verbunden werden. Da die geodätische Höhe an dem verwendeten Prüfstand mit null Metern angesetzt werden kann, konnte die Höhenenergie vernachlässigt werden, wodurch sich die Gleichung vereinfacht (Gl. 1.7). $p_{d} = \frac{ρ}{2} \cdot c^{2}$
$p_{h} = ρ \cdot h \cdot g$
$\frac{ρ}{2} \cdot c^{2} + p_{s t a t} + ρ \cdot h \cdot g = konstant$
$\frac{ρ}{2} \cdot c^{2} + p_{s t a t} = konstant$
Gelingt es, der hier entwickelten Lösung folgend, den Anteil an dynamischem Druck hinter dem Ventilatorlaufrad zu senken, kann nach Gleichung 1.7 mehr nutzbarer statischer Druck generiert werden. Die statische Druckerhöhung des Ventilators konnte gesteigert werden. Aus Gleichung 1.4 ist zu entnehmen, dass die Höhe des dynamischen Drucks im Wesentlichen von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Es ist konkret vorgeschlagen, den Luftstrom hinter dem Ventilatorlaufrad zu verzögern. Dadurch wurde der Anteil an statischem Druck gesteigert (Gl. 1.7). Gemäß der Kontinuitätsgleichung (Gl. 1.8) genügt es theoretisch den Querschnitt A, durch welchen die Luft strömt zu vergrößern, um die Strömungsgeschwindigkeit zu senken. Praktisch ist die Gestaltung der Querschnittserweiterung jedoch nicht ohne weiteres möglich.
Mittels der in den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagenen Gegenstände gelingt eine nicht zu sprunghafte Vergrößerung.
Zweitens ist in hier vorgeschlagenen vorteilhaften Ausführungsformen eine Drallreduktion der ausströmenden Luft aus dem Ventilatorlaufrad dadurch erreicht, dass ein Diffusor durch Leitschaufeln, insbesondere in Form eines beschaufelten Plattendiffusors, ergänzt wurde.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen

1a eine Nachleiteinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
1b eine Nachleiteinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
1c eine Ventilationsvorrichtung mit radial um ein Ventilatorlaufrad montierter Nachleiteinrichtung,
2 ein Leitelement der Nachleiteinrichtung aus 1a in separater perspektivischer Darstellung,
3 die Nachleiteinrichtung aus 1a in einer schematisierten axialen Seitenansicht mit Blick auf die kurze Seite der Leitelemente nach 2 und
4 eine Darstellung zur Veranschaulichung eines Ausführungsbeispiels eines vorteilhaften Verfahrens mit drei Positionen der verstellbar in der Nachleiteinrichtung nach 1a angeordneten Leitelemente gemäß 2.

Die 1 bis 4 zeigen zumindest Details und auch eine mögliche Einbausituation einer Nachleiteinrichtung 1 zur Erweiterung eines Ventilators 2 mit einem Ventilatorgehäuse 3, im dargestellten Ausführungsbeispiel vorliegend eines Radialventilators. Die Nachleiteinrichtung 1 weist mehrere Leitelemente 4 zur Beeinflussung der den Ventilator 2 verlassenden Luftströmung auf. In 4 sind Luftströmungen mit Pfeilen vermerkt.
Als Leitelement 4 wird bevorzugt ein aerodynamisches Profil eingesetzt. Der grundlegende Aufbau der Ventilationsvorrichtung 6 mit Nachleiteinrichtung 1 kann den 1 und 2 entnommen werden. Der hier als eine vorteilhafte Nachleiteinrichtung beispielhaft aber die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkend gezeigte Plattendiffusor wird bevorzugt durch zwei Kreisringe 40 realisiert, wovon einer vor, und einer hinter dem Ventilatorlaufrad angebracht ist. Durch den Plattendiffusor kann der oben bereits beschriebene Effekt einer vergrößerten Austrittsfläche des Ventilatorlaufrads erzielt werden.
Die Effizienzänderungen der Nachleiteinrichtung auf den Strömungsprozess der Ventilatoreinheit wurden in Form der Luftleistung und der elektrischen Leistungsaufnahme der Ventilatoreinheit messtechnisch ermittelt. Der sich aus diesen Werten bildende Systemwirkungsgrad dient als primäre Größe zur Bewertung der vorgeschlagenen Varianten der Nachleiteinrichtung.
Die Anzahl der Leitschaufeln hängt dabei vom Betriebspunkt des Ventilators im Kennfeld ab. Je niedriger der Volumenstrom, desto höher muss die Anzahl der Schaufeln sein. Im angestrebten Volumenstrombereich hat sich eine Anzahl von 8 bis 16 Schaufeln als optimal erwiesen.
Neben der Auswirkung der Schaufelgeometrie wurde zur Konstruktion des gedrehten 3D-Diffusors untersucht, welche Auswirkung es auf den Systemwirkungsgrad der Ventilatoreinheit hat, wenn die aus dem Ventilatorlaufrad strömende Luft, mithilfe der Leitelemente 4 der Nachleiteinrichtung, in die Strömungsrichtung der Anlage umgelenkt wird.
Das Leitelement 4 wurde dazu bevorzugt in sich um 15° verdreht. Die Drehung erfolgte dabei um die zum Ventilatorlaufrad zugewandte Spitze der Leitschaufel (3). Weiterhin wurde die zu der Schottwand ausgerichtete Seite der Leitschaufel um 38 mm verlängert 42. Dies entspricht im vorliegenden Versuchsbeispiel dem maximal möglichen Wert, um welche die Schaufel in Ihrer 42 verändert werden kann. Die zum Motor gerichtete Seite wurde um 20 mm verkürzt (3). Die geometrischen Änderungen führten dazu, dass die zur Schottwand zugewandte Deckscheibe der Nachleiteinrichtung einen um ca. 42,5 mm größeren Außendurchmesser hat als die zum Motor gewandte Seite. Der aus dem Ventilatorlaufrad strömenden Luft wird auf diese Weise mehr Raum gegeben, um aus der Nachleiteinrichtung auszuströmen.
Alle Abmessungen sind relativ zum Laufraddurchmesser zu verstehen und beziehen sich auf einen Laufradaußendurchmesser von 455 mm.
Die Schaufelrückseite ist bevorzugt um 15° gedreht, vgl. 3.
Es wurde in zahlreichen Experimenten festgestellt, dass bei einer konstanten Drehzahl der Luftstrom mit einem zunehmenden Volumenstrom vermehrt radial aus dem Ventilatorlaufrad austritt. Bei abnehmendem Volumenstrom tritt die Strömung hingegen zunehmend tangential aus. Der genaue Austrittwinkel hängt zusätzlich noch von der Drehzahl des Ventilatorlaufrads und dessen Schaufelgeometrie ab.
Strömt die Luft „gegen“ die Leitelemente 4, so führt dies dazu, dass der Strömungswiederstand und damit die Strömungsverluste zunehmen. Der Luftstrom wird abgebremst und verliert einen Teil der vom Ventilator 2 auf ihn übertragenen Energie, ohne dabei in statischen Druck umgewandelt zu werden, was sich in einer abnehmenden Effizienz abbildet. Strömt die Luft hingegen an der Leitschaufel entlang, so kann diese in ihrer Funktion als Nachleiteinrichtung wirken und die Effizienz steigern, vgl. 4.
Die Leitelemente 4 sind bevorzugt in ihrer gesamten Form veränderbar, beispielsweise verstärkt oder schwächer ausgeprägt bombierbar. Alternativ oder zusätzlich sind sie gezielt in Bezug auf die Bezugswinkel im Krümmungswinkel 44 und / oder im Flankenwinkel 45 und / oder im Spitzabschlusswinkel 48 und / oder im Stumpfeintrittswinkel 49 veränderbar.
In Abhängigkeit des Betriebspunktes wird ferner vorgeschlagen, ein dreidimensionales Berechnungsmodell zu hinterlegen, welches den optimalen Anstellwinkel der Leitelemente 4 vorgibt.
Hierzu werden folgende Parameter laufend während des Betriebs des Ventilators 2 gemessen:

1. Volumenstrom
2. Drehzahl

Auf Basis dieser Werte wird über zumindest einen Aktor der optimale Anstellwinkel der Leitelemente 4 eingestellt.
Als Erweiterung der Optimierung wird vorgeschlagen, dass ein lernendes System den optimalen Betriebspunkt selbständig ermittelt.
Hierzu werden beispielsweise folgende Parameter laufend während des Betriebs des Ventilators gemessen:

1. Volumenstrom in m³/s
2. Statische Druckerhöhung in Pa
3. Elektrische Leistungsaufnahme in Watt
4. Drehzahl in 1/min

Auf Basis dieser Werte werden bevorzugt folgende Kenngrößen ermittelt:

1. Luftleistung (Produkt aus Volumenstrom und Druckerhöhung) in Watt
2. Systemwirkungsgrad (Quotient aus Luftleistung durch elektrische Leistungsaufnahme)

Durch ein hinterlegtes Kennfeld (basierend auf dem Volumenstrom und der Drehzahl) wird der Anstellwinkel des Diffusors mittels eines Aktors voreingestellt. Der Aktor variiert den Anstellwinkel in einem Bereich von einem minimalen bis zu einem maximal möglichen Anstellwinkel, um das Optimum des Wirkungsgrades zu suchen.
Dazu wird zuerst in einer Richtung der Anstellwinkel verändert (z. B. verringert) und durch die laufende Messung die Änderung des Systemwirkungsgrades bewertet. Erhöht sich der Wirkungsgrad, wird die Veränderung solange fortgeführt, bis eine Verschlechterung des Wirkungsgrades auftritt. Der Anstellwinkel mit dem höchsten Wirkungsgrad wird daraufhin angefahren und fest eingestellt. Die Messungen sowie der dazugehörige Anstellwinkel werden in einer Datenbank gespeichert.
Verringert sich der Systemwirkungsgrad sofort, wird in der anderen Richtung (z. B. Erhöhung des Anstellwinkels) analog der Wert gesucht, der den höchsten Wirkungsgrad repräsentiert.
Zur Verbesserung der Konvergenz wird hierzu ein numerisches Optimierungsverfahren, wie beispielsweise das Linesearchverfahren, verwendet. Durch Variation der Schrittweite und Suchrichtung kann so die Dynamik des Systems durch schnellere Anpassungszyklen gesteigert werden.
Die gefundenen Optima werden in einer Datenbank gespeichert, auf deren Basis ein Berechnungsmodell aufgebaut und ständig angepasst wird, so dass bei veränderten Betriebsbedingungen schnell das jeweilige Optimum angesteuert werden kann.
Über eine interne Logik kann variabel ein Zyklus eingestellt werden, in welchen Perioden eine eventuell sinnvolle automatische Überprüfung der Optima sinnvoll erscheint.
Die in den Figuren verwendeten gleichen Bezugszeichen sind über die unterschiedlichen Ausführungsbeispiele hinweg oft für die Kennzeichnung ähnlicher Merkmale wiederverwendet, worin keine Widersprüchlichkeit begründet sein soll. Es dient der besseren Vergleichbarkeit.
Bezugszeichenliste:

1: Nachleiteinrichtung
2: Ventilator
3: Ventilatorgehäuse
4: Leitelement
5: Achse
6: Ventilationsvorrichtung
40: Kreisring
42: Länge
44: Krümmungswinkel
45: Flankenwinkel
46: Anstellwinkel
48: Spitzabschlusswinkel
49: Stumpfeintrittswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 384 0 268 C1 [0002]
EP 2 815 130 B1 [0003]

Claims

Nachleiteinrichtung (1) zur Erweiterung eines Ventilators (2) mit einem Ventilatorgehäuse (3), insbesondere eines Radialventilators, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachleiteinrichtung (1) mehrere Leitelemente (4) zur Beeinflussung der den Ventilator (2) verlassenden Luftströmung aufweist.
Nachleiteinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (4) radial außerhalb oder zumindest im radial äußeren Bereich des Ventilators im Ventilatorgehäuse (3) oder in einer Leitelementaufnahme angeordnet sind, besonders bevorzugt im Fall von Radial- oder Diagonalventilatoren.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (4) verstellbar oder veränderbar sind, insbesondere um eine im Ventilatorgehäuse (3) oder in einer Leitelementaufnahme befestigte oder angeformte Achse (5) in einem Anstellwinkel (46) schwenkbar.
Nachleiteinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (4) nicht einheitlich alle gleich, sondern einzeln in unterschiedlichem Ausmaß verstellbar oder veränderbar sind.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (4) in ihrer Länge (42) und / oder axialen Tiefe veränderbar sind, insbesondere teleskopartig.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente (4) ihre gesamte Form verändernd verstärkt oder schwächer ausgeprägt bombierbar sind und / oder gezielt in Bezug auf die Bezugswinkel Krümmungswinkel (44) und / oder Flankenwinkel (45) und / oder Spitzabschlusswinkel (48) und / oder Stumpfeintrittswinkel (49) veränderbar sind.
Nachleiteinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Leitelemente (4) etwa dem Zwei- bis Dreifachen einer Flügelanzahl des Ventilators (2) entspricht.
Ventilationsvorrichtung (6), insbesondere zum Einbau in einen Strömungskanal, besonders bevorzugt zum Einbau in einen Strömungskanal der Raumlufttechnik, umfassend eine Strömungsmaschine mit zumindest einem Ventilator (2) und zumindest einem Diffusor, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Nachleiteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Diffusor verwendet ist.
Ventilationsvorrichtung (6), insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Datenverarbeitungssystem integriert oder angeschlossen ist, mit einem installierten Computerprogramm, das eine Verstellung und / oder Veränderung von Leitelementen (4) mittels künstlicher Intelligenz in gleichem oder individuellem Ausmaß steuert, wobei die künstliche Intelligenz Erfahrungen bekannter Betriebszustände und aktuelle Luftparameter abgleicht und daraus Steuersignale für die Leitelemente (4) errechnet.
Verfahren zur Effizienzsteigerung und / oder Leistungssteigerung von Ventilationsvorrichtungen, insbesondere Ventilationsvorrichtungen raumlufttechnischer Anlagen, wobei einem Ventilator (2) in Luftströmungsrichtung nachfolgend, insbesondere radial außen als radiale Erweiterung, eine Nachleiteinrichtung (1) die Luftströmung beeinflusst, insbesondere eine Drallreduktion bewirkend.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachleiteinrichtung (1) Leitelemente (4) aufweist, und dass die Leitelemente (4) verstellt und / oder zur Beeinflussung der Luftströmung, insbesondere zur Druckrückgewinnung verändert werden, insbesondere unter Nutzung eines oder mehrerer Vorrichtungsmerkmale der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Computerprogrammes die Luftströmung in der Nachleiteinrichtung (1) beeinflusst wird, dem ein dreidimensionales Berechnungsmodell zugrunde liegt, welches den optimalen Anstellwinkel, und / oder die optimale Krümmung und / oder die optimale Streckung von Leitelementen (4) errechnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass dass ein lernendes System selbständig und selbstadaptierend einen optimalen Betriebspunkt ermittelt.
Verwendung einer radial um einen Ventilator (2) angeordneten Nachleiteinrichtung (1) als Diffusor.
Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachleiteinrichtung (1) parameterabhängig verstellbar ist, um als aerodynamischer Diffusor zu wirken, insbesondere mittels zumindest eines der Vorrichtungsmerkmale aus einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verwendung einer der Nachleiteinrichtungen aus den Ansprüchen 1 bis 7 mit insbesondere im Ventilatorgehäuse (3) befestigten Sensoren zur Speisung einer Datenbank und zur Nutzung in einem selbstlernenden System.