EP3927977A1 - Verfahren zur quantitativen bestimmung einer aktuellen betriebszustandsabhängigen grösse eines ventilators, insbesondere einer druckänderung oder druckerhöhung, und ventilator - Google Patents

Verfahren zur quantitativen bestimmung einer aktuellen betriebszustandsabhängigen grösse eines ventilators, insbesondere einer druckänderung oder druckerhöhung, und ventilator

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EP3927977A1
EP3927977A1 EP20749803.1A EP20749803A EP3927977A1 EP 3927977 A1 EP3927977 A1 EP 3927977A1 EP 20749803 A EP20749803 A EP 20749803A EP 3927977 A1 EP3927977 A1 EP 3927977A1
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EP
European Patent Office
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fan
operating state
speed
current
dependent variable
Prior art date
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Pending
Application number
EP20749803.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frieder Loercher
Walter Angelis
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Ziehl Abegg SE
Original Assignee
Ziehl Abegg SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Ziehl Abegg SE filed Critical Ziehl Abegg SE
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Pending legal-status Critical Current

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    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D27/004—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids by varying driving speed
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F05D2270/3061—Mass flow of the working fluid

Definitions

  • the invention relates to a method for the quantitative determination of current operating state-dependent variables of a fan during operation, such as the pressure change, in particular the pressure increase, and a fan in which a quantitative determination of at least one current operating state-dependent variable such as the pressure change, in particular the pressure increase, takes place during operation.
  • the fan can be controlled or regulated as a function of one or more of these variables.
  • a higher-level system in which the fan is installed and operated can also be controlled or regulated depending on one or more of these variables.
  • these variables can be recorded or integrated in their chronological sequence and used in a variety of ways.
  • Knowledge of a current pressure increase is desirable. Knowledge of the current pressure increase can be used to advantage.
  • the user can use it to monitor or check the current status of an air conditioning system, for example the icing status of a heat exchanger, the degree of clogging of a filter, critical flap status or current wind loads.
  • the pressure reserve of a fan that is susceptible to breakage can be monitored. It can be determined whether a fan is being operated in a permissible operating range, for example also to determine whether a so-called drum rotor is working at too low pressures. From the prior art known from practice, it is already known to determine the pressure increase using differential pressure sensors. This is laborious and usually cannot be done directly on the fan. Complex pipelines or electrical lines are usually necessary.
  • Another disadvantage of determining the pressure difference using pressure sensors is the dependence of the measured differential pressure on the position of the pressure sensors and the associated problem of where and how such pressure sensors can be accommodated or attached.
  • the determination of current sound emissions from a fan can be used, for example, to regulate a fan in such a way that a certain prescribed limit value for the sound emission is not exceeded.
  • the determination of a current drive torque of a fan can be used to regulate a fan in such a way that a certain limit drive torque is not exceeded, for example in order not to overload the drive motor.
  • the determination of the current efficiency of a fan can be used to control a system with one fan or with several fans so that the highest possible efficiency is achieved.
  • a method for determining an operating state of the fan of an extractor hood is known from this publication. It is defined as a function of the speed and power consumption of the electric motor. The measurement of the air volume flow via the motor torque is not possible with backward curved fans.
  • the present invention is based on the object of specifying a method for the quantitative determination of current operating state-dependent variables of a fan during operation, for example the pressure change or pressure increase, according to which the current operating-state-dependent variable, for example the pressure change or pressure increase, of the fan without the use of complex sensors such as Pressure sensors with sufficiently good accuracy is possible, without restriction to certain fans.
  • the invention is based on the basic idea / knowledge that the fan "infallibly" measures the pressure change or pressure increase occurring in it, since it has to provide the necessary power to overcome the pressure increase, for example.
  • the user or a higher-level system can read out the current operating state-dependent variable determined, such as the pressure change or the pressure increase, and use it to control the fan or to control a complete ventilation system. It is also conceivable to use the current operating state-dependent variable or its course over time to define a point in time for maintenance, cleaning or To use de-icing of the ventilation system or one or more components of such a ventilation system.
  • the fan can determine and output the counterpressure acting on it in the event of a pressure increase without the aid of pressure sensors.
  • This back pressure is determined at the fan, i.e. at the "source", where the pressure increase is always created or generated.
  • measurement errors related to the sensor system and susceptibility of the measuring devices are eliminated. This applies in particular with regard to the dependencies of the measurement results on the selected position of the respective pressure sensors and the current flow situation at the pressure sensors or around the pressure sensors. This involves, for example, separations and eddies that can occur in certain operating states.
  • the failure probabilities of the pressure sensors and the wiring or data transmission between the pressure sensors and electronics are eliminated.
  • the teaching of the invention is based on a determination of the air volume flow or air mass flow of the fan by a method with high accuracy, advantageously based on an analysis of a flow velocity field. Then the current operating state-dependent variable of the fan, for example the fan pressure increase, taking into account the current speed, possibly measured or estimated information about the current density and a characteristic curve stored on the fan is determined.
  • a fan with the possibility of such a constant volume flow control or constant mass flow control is usually based on a sensor for the direct or indirect determination of the volume or mass flow.
  • the current operating state-dependent variable, for example the pressure change, in particular the pressure increase, of a fan is determined without complex sensors such as pressure sensors, sound sensors or torque sensors, and close to the fan, with an upstream determination of the current air volume flow as high as possible Accuracy is required. Only one sensor for direct or indirect determination of the air volume flow or the air mass flow can be required.
  • the current operating state-dependent variable such as the pressure increase, noise emission, drive torque, drive power, efficiency, vibration or axial thrust
  • the current operating state-dependent variable is determined via the speed.
  • the influence of the current air density, the current ambient temperature or the current air humidity can be taken into account.
  • the determination of the volume flow is carried out beforehand with a high degree of accuracy using a method known from practice.
  • To determine the current operating state-dependent variable, for example the pressure increase or pressure change it is necessary that at least one calibration characteristic is stored on the fan for each operating state-dependent variable that is of interest.
  • a calibration characteristic essentially represents a functional relationship between the volume flow or mass flow and an appropriate operating state-dependent variable for a certain speed or a certain speed curve and a certain density (e.g.
  • the fan can control itself with the calculated current operating status dependent variable. For example, speed control as a function of a currently determined pressure increase is possible. It is also conceivable that the pressure increase or another current operating status-dependent variable can be read out by a user or a higher-level system, so that the user or the higher-level system can control or otherwise influence the fan speed or the ventilation system based on this information.
  • the current operating state-dependent variable or its course over time can also be stored and / or transmitted to the user or the fan manufacturer in order to be able to carry out further optimizations. This can be helpful in the basic selection of the fan or in the design optimization or technical optimization of the fan.
  • a static pressure increase (total-to-static) or a total pressure increase (total-to-total), or some other definition of the pressure increase as required, can generally be understood as a pressure increase / pressure change Dr. All that is required is to determine the calibration curve that can be used to determine the desired pressure increase and to save it on the fan.
  • the method can be used to determine a current operating state-dependent variable, as long as the speed dependency of the target variable is known at least approximately. For example, a determination of the pressure increase (roughly proportional to h L 2), the drive torque (roughly proportional to h L 2), the noise emission (roughly proportional to h L [4..6]), the axial thrust (roughly proportional to h L 2) are conceivable. or of vibration quantities (the dependence on n would have to be determined specifically for the fan in this case). Derived operating state-dependent characteristic values can also be determined, for example the drive power using the speed and the drive torque, or the efficiency using the air volume flow, a pressure increase and the drive power. Corresponding calibration characteristics must be determined and stored on the fan.
  • Fig. 1 is a diagram in which for a fan at a certain
  • Fig. 2 is a diagram in which for a fan at a certain
  • Fig. 3 in a perspective view and in section on a plane through the axis of rotation of the impeller seen an embodiment form of a fan, the determination of a current operating state-dependent variable with the help of a precisely determined by means of an impeller anemometer delivery volume flow V is carried out.
  • a Pressure increase Dr denotes a functional relationship between a volume flow V or a mass flow rh and a pressure increase Dr, which is often specified at a constant speed, but can also be specified with a defined variable speed curve. If the delivery volume flow V or delivery mass flow rh is known, the pressure increase Dr can be determined from the characteristic curve, provided that the current speed corresponds to the speed on which the characteristic curve is based. It can be seen that the pressure increase Dr depends quantitatively on the delivery volume flow V, so in this sense it is a variable that is dependent on the operating state.
  • characteristic curves for other variables that are dependent on the operating state can be determined and saved for certain speeds or speed curves. These other parameters, which are dependent on the operating state, can then also be determined with the aid of the corresponding characteristic curve with a known delivery volume flow or delivery mass flow.
  • Fig. 1 two characteristic curves are shown at a constant speed n and a line for a constant volume flow V.
  • Dr it is usually sufficient to determine only one characteristic curve for a specific speed. The other can, as is done in this example, be obtained by conversion. In doing so, one uses the similarity laws for a fixed fan geometry, according to which V ⁇ n and Dr ⁇ n 2 apply. If a characteristic curve for a speed n is stored, the pressure increase Dr can be determined as follows if the volume flow V and the speed n are known:
  • an increase in pressure or another variable that depends on the operating state of the fan can be influenced by the installation environment of the fan.
  • a correction factor or a correction function can advantageously be taken into account as a function of the installation situation when determining the pressure increase or another variable that is dependent on the operating state.
  • the calibration characteristic can be determined in the installation situation or in a configuration that models the installation situation and stored on the fan and used to determine the variable that is dependent on the operating state.
  • the current delivery volume flow V or the current mass flow rh must be determined with the highest possible accuracy. Particularly in areas in which the characteristic curves in a representation according to FIG.
  • a pressure increase Dr is shown as a function of the speed n.
  • Such a representation can be derived solely from a known calibration characteristic, similar to that described in FIG. 1, and a known speed dependency of the target variable, here Dr. It is easy to see that for a known volume flow V and a known speed n, conclusions can be drawn unambiguously about the pressure increase Dr. Here too, the pressure increase must be corrected with the density, analogously to FIG. 1.
  • the method for determining the pressure increase Dr works accordingly if the mass flow rh is used instead of the volume flow V, except that the effect of the medium density is then already contained in the mass flow rh. Then instead of determining the volume flow rate V in the method, the mass flow rate rh is determined using a known method. A density correction of the pressure increase Dr is no longer necessary.
  • a calibration characteristic can be stored on the fan, which describes a functional relationship between the mass flow rh and the volume flow V, for example at a constant speed.
  • the methods for determining the mass flow are essentially similar to the methods for determining the volume flow. For example, the mass flow rh can be determined with a vane anemometer, but in addition to the anemometer speed, the current medium density must also be determined or estimated and incorporated into the mass flow calculation.
  • volume flow measuring wheel 2 shows, in a perspective view and in section on a plane through the axis of rotation of the impeller 3, an embodiment of a fan 1, the determination of the current operating state-dependent variable with the aid of a conveyed medium volume flow V precisely determined by means of a volume flow measuring wheel 2.
  • the volume flow measuring wheel 2 is constructed in particular from a hub 7 and vanes 6 attached to it.
  • the illustration clearly shows the volume flow measuring wheel 2 and its mounting on an inflow-side structure, here an inflow grille 26.
  • An axis 13 for mounting the volume flow measuring wheel 2 is attached to the central area 30 of the inflow grille 26 via a receiving area 31.
  • the volume flow measuring wheel 2 is mounted on the axle 13 by means of bearings; two bearings, not shown, are provided in the exemplary embodiment.
  • the bearings are used on the volume flow measuring wheel 2 in receptacles 20 provided for this purpose within the hub 7.
  • the volume flow measuring wheel 2 can thereby rotate freely with respect to the inflow grille 26 and independently of the rotor 11 of the motor 4, which drives the impeller 3 of the fan 1.
  • the impeller 3 of the fan 1 is attached to the rotor 11 of the motor 4 with a fastening device 15, which is designed as a sheet metal blank that is cast into the impeller 3 and pressed onto the rotor 11.
  • the measurement and evaluation of the speed n A ne of the volume flow measuring wheel 2 enables an exact determination of the conveying medium volume flow V with or without inclusion of the impeller speed n.
  • the current operating state-dependent variable for example a pressure increase Dr, as described with reference to FIGS. 1 and 2, is determined in the exemplary embodiment.
  • the motor 4 also advantageously has an interface for transferring at least one current operating state-dependent variable to a higher-level system.
  • a time profile of one or more operating state-dependent variables can also advantageously be stored in a suitable time resolution on the motor 4 and read out if necessary.
  • FIG. 3 For the sake of completeness, it should also be mentioned that not all components of the fan 1 are shown in FIG. 3.
  • the fan 1 can comprise numerous other components, not shown. List of reference symbols
  • Axle for mounting the volumetric flow measuring wheel.
  • Fastening device for the impeller on the motor. Mount in the volumetric flow measuring wheel for bearings.

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Abstract

Verfahren zur quantitativen Bestimmung einer aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe, beispielsweise der Druckerhöhung, eines Ventilators, wobei bei bekanntem Volumen- oder Massenstrom des Ventilators über dessen Drehzahl eine aktuelle betriebszustandsabhängige Größe ermittelt wird.

Description

VERFAHREN ZUR QUANTITATIVEN BESTIMMUNG EINER AKTUELLEN BETRIEBSZUSTANDSABHÄNGIGEN GRÖSSE EINES VENTILATORS, INSBESONDERE EINER DRUCKÄNDERUNG ODER DRUCKERHÖHUNG, UND VENTILATOR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung aktueller be- triebszustandsabhängier Größen eines Ventilators im Betrieb, wie beispielsweise der Druckänderung, insbesondere der Druckerhöhung, und einen Ventilator, bei dem eine quantitative Bestimmung zumindest einer aktuellen betriebszustandsab hängigen Größe wie beispielsweise der Druckänderung, insbesondere der Druck erhöhung, im laufenden Betrieb erfolgt.
Die Kenntnis von aktuellen, betriebszustandsabhängigen Größen kann von viel fältigem Nutzen sein. Beispielsweise kann der Ventilator abhängig von einer oder mehreren dieser Größen gesteuert oder geregelt werden. Auch ein überge ordnetes System, in dem der Ventilator eingebaut und betrieben wird, kann ab hängig von einer oder mehreren dieser Größen gesteuert oder geregelt werden. Des Weiteren können diese Größen in ihrem zeitlichen Verlauf aufgezeichnet oder aufintegriert werden und auf vielfältige Weise weiterverwendet werden.
Beim Betrieb von Ventilatoren ist beispielsweise die Kenntnis einer aktuellen Druckerhöhung wünschenswert. Die Kenntnis um die aktuelle Druckerhöhung lässt sich vorteilhaft nutzen. Anwenderseitig kann damit der aktuelle Zustand einer lufttechnischen Anlage überwacht bzw. überprüft werden, beispielsweise der Vereisungszustand eines Wärmetauschers, der Zusetzungsgrad eines Filters, kritische Klappenzustände oder aktuelle Windlasten.
Ventilatorseitig lässt sich bei Kenntnis der Druckerhöhung die Druckreserve eines beispielsweise abrissanfälligen Ventilators überwachen. Es lässt sich feststellen, ob ein Ventilator in einem zulässigen Betriebsbereich betrieben wird, beispiels weise auch dahingehend, ob ein sogenannter Trommelläufer bei zu niedrigen Drücken arbeitet. Aus dem aus der Praxis bekannten Stand der Technik ist es bereits bekannt, die Druckerhöhung über Differenzdrucksensoren zu ermitteln. Dies ist aufwändig und lässt sich in der Regel nicht unmittelbar am Ventilator vornehmen. Meist sind aufwändige Rohrleitungen oder elektrische Leitungen notwendig.
Ein weiterer Nachteil der Druckdifferenzbestimmung über Drucksensoren ist die Abhängigkeit des gemessenen Differenzdrucks von der Position der Druck sensoren und der damit einhergehenden Problematik, wo und wie man solche Drucksensoren unterbringen bzw. anbringen kann.
Aus dem Stand der Technik ist es auch bereits bekannt, eine Volumenstrombe stimmung über das Wellenmoment bei rückwärts gekrümmtem Radiallaufrädern, über Wirkdruckmessungen an der Einlaufdüse oder über Flügelradanemometer oder thermische Anemometer vorzunehmen.
Entsprechend den voranstehenden Ausführungen ist die Bestimmung der Druck änderung oder Druckerhöhung eines Ventilators mit Drucksensoren möglich, insbesondere auch eine Drehzahlüberwachung oder Drehmomentüberwachung eines Ventilators, um indirekt die Zusetzung von Filtern oder die Vereisung feststellen zu können.
Die Bestimmung aktueller Schallemissionen eines Ventilators kann beispielsweise dazu genutzt werden, einen Ventilator derart zu regeln, dass ein bestimmter vor geschriebener Grenzwert für die Schallemission nicht überschritten wird.
Die Bestimmung eines aktuellen Antriebsmoments eines Ventilators kann dazu verwendet werden, einen Ventilator derart zu regeln, dass ein bestimmtes Grenzantriebsmoment nicht überschritten wird, beispielsweise um den Antriebs motor nicht zu überlasten.
Die Bestimmung eines aktuellen Wirkungsgrades eines Ventilators kann dazu verwendet werden, eine Anlage mit einem Ventilator oder mit mehreren Ventilatoren so zu steuern, dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Zum druckschriftlichen Stand der Technik sei beispielhaft auf die DE 102013204 137 A1 verwiesen. Aus dieser Druckschrift ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebszustandes des Lüfters einer Dunstabzugshaube bekannt. Er wird als Funktion von Drehzahl und Leistungsaufnahme des Elektromotors definiert. Die Messung des Luftvolumenstroms über das Motormoment ist jedoch bei rückwärts gekrümmten Ventilatoren nicht möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung aktueller betriebszustandsabhängiger Größen eines Ventilators im Betrieb, beispielsweise der Druckänderung oder Druckerhöhung, anzugeben, wonach die jeweils aktuelle betriebszustandsabhängige Größe, beispielsweise die Druckänderung oder Druckerhöhung, des Ventilators ohne Einsatz aufwändiger Sensoren wie beispielsweise Drucksensoren mit hinreichend guter Genauigkeit möglich ist, ohne Einschränkung auf bestimmte Ventilatoren.
Voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich eines Ventilators durch die Merkmale des nebengeordneten Patent anspruchs 14 gelöst, wonach bei bekanntem Volumen- oder Massenstrom des Ventilators über dessen Drehzahl aktuelle betriebszustandsabhängige Größen, wie beispielsweise Druckänderung oder Druckerhöhung, quantitativ ermittelt werden.
Hinsichtlich einer Bestimmung der aktuellen Druckerhöhung liegt der Erfindung die grundsätzliche Idee/Erkenntnis zugrunde, dass der Ventilator „unfehlbar“ die bei ihm anfallende Druckänderung oder Druckerhöhung misst, da er die nötige Leistung aufbringen muss, um beispielsweise die Druckerhöhung zu überwinden.
In vorteilhafter Weise kann der Nutzer bzw. ein übergeordnetes System die ermittelte aktuelle betriebszustandsabhängige Größe, wie beispielsweise die Druckänderung oder die Druckerhöhung, auslesen und zur Steuerung des Ventilators oder zur Steuerung einer kompletten lufttechnischen Anlage nutzen. Auch ist es denkbar, die aktuelle betriebszustandsabhängige Größe bzw. deren zeitlichen Verlauf zur Definition eines Zeitpunkts zur Wartung, Reinigung oder Enteisung der lufttechnischen Anlage bzw. einer oder mehrerer Komponenten einer solchen lufttechnischen Anlage zu nutzen.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann der Ventilator den bei einer Druckerhöhung auf ihn wirkenden Gegendruck ohne Zuhilfenahme von Drucksensoren ermitteln und ausgeben. Dieser Gegendruck wird am Ventilator, d.h. an der „Quelle“ bestimmt, an dem nämlich die Druckerhöhung wodurch auch immer entsteht bzw. erzeugt wird. Im Vergleich zur Verwendung einer externen Drucksensorik fallen auf die Sensorik bezogene Messfehler und Anfälligkeiten der Messeinrichtungen weg. Dies gilt insbesondere in Bezug auf Abhängigkeiten der Messergebnisse von der gewählten Position der jeweiligen Drucksensoren und der aktuellen Strömungssituation an den Drucksensoren bzw. um die Drucksensoren herum. Dabei geht es beispielsweise um Ablösungen und Wirbel, die bei bestimmten Betriebszuständen auftreten können. Ausfallwahrschein lichkeiten der Drucksensoren sowie der Verdrahtung bzw. Datenübertragung zwischen den Drucksensoren und einer Elektronik sind eliminiert.
Die erfindungsgemäße Lehre basiert auf einer Bestimmung des Luftvolumen stroms oder Luftmassenstroms des Ventilators nach einer Methode mit hoher Genauigkeit, in vorteilhafter Weise basierend auf einer Analyse eines Strömungs geschwindigkeitsfeldes. Danach wird die aktuelle betriebszustandsabhängige Größe des Ventilators, beispielsweise die Ventilatordruckerhöhung, unter Einbe ziehung der aktuellen Drehzahl, gegebenenfalls einer gemessenen oder abge schätzten Information über die aktuelle Dichte und einer auf dem Ventilator hinterlegten Kennlinie bestimmt.
Bei einem Ventilator, der per Vorgabe auf einen konstanten Volumenstrom oder Massenstrom geregelt werden kann, ist eine Bestimmung des Luftvolumenstroms bzw. Luftmassenstroms über einen Sensor nicht nötig, da direkt der vorgegebene Volumenstrom bzw. Massenstrom genutzt werden kann. Allerdings liegt einem Ventilator mit der Möglichkeit einer solchen Volumenstrom-konstant-Regelung bzw. Massenstrom-konstant-Regelung üblicherweise dennoch ein Sensor zur direkten oder indirekten Bestimmung des Volumen- bzw. Massenstroms zugrunde. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die Bestimmung der aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe, beispielsweise der Druckänderung, insbe sondere der Druckerhöhung, eines Ventilators ohne aufwändige Sensoren wie beispielsweise Drucksensoren, Schallsensoren oder Drehmomentsensoren, und dabei ventilatornah, wobei eine vorgeschaltete Bestimmung des aktuellen Luftvolumenstroms mit möglichst hoher Genauigkeit erforderlich ist. Es kann lediglich ein Sensor zur direkten oder indirekten Bestimmung des Luftvolumen stroms oder des Luftmassenstroms benötigt werden.
Bei bekanntem Volumen- oder Massenstrom des Ventilators wird über die Drehzahl die aktuelle betriebszustandsabhängige Größe, wie beispielsweise die Druckerhöhung, Schallemission, Antriebsmoment, Antriebsleistung, Wirkungsgrad, Schwingung oder Axialschub bestimmt. Der Einfluss der aktuellen Luftdichte der aktuellen Umgebungstemperatur oder der aktuellen Luftfeuchtigkeit, kann dabei berücksichtigt werden. Die Bestimmung des Volumenstroms wird mit einer aus der Praxis bekannten Methode mit hoher Genauigkeit vorab durchgeführt. Zur Bestimmung der aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe, beispielsweise der Druckerhöhung oder Druckänderung, ist es nötig, dass je betriebszustands abhängiger Größe, die von Interesse ist, zumindest eine Kalibrierkennlinie auf dem Ventilator hinterlegt ist. Eine Kalibrierkennlinie stellt im Wesentlichen einen funktionalen Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom oder Massenstrom und einer zweckmäßigen betriebszustandsabhängigen Größe für eine bestimmte Drehzahl oder einen bestimmten Drehzahlverlauf und eine bestimmte Dichte dar (beispielsweise Druckerhöhung Dr als Funktion des Volumenstroms V bei einer bestimmten konstanten Drehzahl und Dichte). Die Nutzung einer äquivalenten Kennlinie ist denkbar, beispielsweise kann bei ohnehin bekanntem Luftvolumen strom bzw. Luftmassenstrom eine Umrechnung zwischen statischer Drucker höhung und Totaldruckerhöhung stattfinden.
Der Ventilator kann sich mit der errechneten aktuellen betriebszustandsab hängigen Größe selbst steuern. So ist beispielsweise eine Drehzahlsteuerung als Funktion einer aktuell bestimmten Druckerhöhung möglich. Auch ist es denkbar, dass die Druckerhöhung oder eine andere aktuelle betriebszustandsabhängige Größe von einem Nutzer oder einem übergeordneten System auslesbar sind, so dass der Nutzer oder das übergeordnete System die Ventilatordrehzahl oder die lufttechnische Anlage basierend auf dieser Information steuern oder sonst wie beeinflussen kann.
Die aktuelle betriebszustandsabhängige Größe bzw. deren zeitlicher Verlauf kann auch abgespeichert und/oder an den Nutzer oder den Ventilatorhersteller übermittelt werden, um weitere Optimierungen durchführen zu können. Dies kann bei der grundsätzlichen Auswahl des Ventilators oder bei der Designoptimierung bzw. technischen Optimierung des Ventilators hilfreich sein.
Als Druckerhöhung / Druckänderung Dr kann allgemein, je nach Bedarf, eine statische Druckerhöhung (Total-to-Static) oder eine Totaldruckerhöhung (Total-to- Total) verstanden werden, oder eine andere bedarfsgerechte Definition der Druckerhöhung. Es ist lediglich die zur Bestimmung der gewünschten Drucker höhung nutzbare Kalibrierkennlinie zu bestimmen und auf dem Ventilator abzuspeichern.
Allgemein kann das Verfahren zur Bestimmung einer aktuellen betriebszustands abhängigen Größe angewandt werden, solange die Drehzahlabhängigkeit der Zielgröße zumindest näherungsweise bekannt ist. Denkbar sind beispielsweise eine Bestimmung der Druckerhöhung (etwa proportional hL2), des Antriebs moments (etwa proportional hL2), der Schallemission (etwa proportional hL[4..6]), des Axialschubs (etwa proportional hL2) oder von Schwingungsgrößen (Abhängigkeit von n müsste in diesem Fall ventilatorspezifisch bestimmt werden). Auch abgeleitete betriebszustandsabhängige Kennwerte können bestimmt werden, beispielsweise die Antriebsleistung unter Verwendung der Drehzahl und des Antriebsmomentes, oder der Wirkungsgrad unter Verwendung des Luftvolumenstroms, einer Druckerhöhung und der Antriebsleistung. Dabei müssen jeweils entsprechende Kalibrierkennlinien bestimmt und auf dem Ventilator hinterlegt werden. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nach folgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens oder eines dieses Verfahren nutzenden Ventilators anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Diagramm, in dem für einen Ventilator bei einer bestimmten
Fördermitteldichte für zwei verschiedene jeweils konstante Dreh zahlen zwei Kennlinien einer Druckerhöhung Dr jeweils als Funktion eines Fördervolumenstroms V dargestellt sind,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem für einen Ventilator bei einer bestimmten
Fördermitteldichte für vier verschiedene Fördervolumenströme vier Verläufe einer Druckerhöhung Dr jeweils als Funktion einer Drehzahl n dargestellt sind,
Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Rotationsachse des Laufrades gesehen eine Ausführungs form eines Ventilators, wobei die Bestimmung einer aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe unter Zuhilfenahme eines mittels eines Flügelradanemometers präzise bestimmten Fördermittel volumenstroms V durchgeführt wird.
In Fig. 1 sind in einem Diagramm zwei Kennlinien einer Druckerhöhung Dr eines beispielhaften Ventilators über dessen Förderluftvolumenstrom V für zwei unterschiedliche jeweils konstante Drehzahlen n dargestellt. Die Kennlinien sind lediglich beispielhaft. Sie wurden basierend auf der experimentellen Messung eines bestimmten Ventilators ermittelt und können je nach Ventilator quantitativ und auch vom Verlauf her abweichen. Allgemein wird als Kennlinie einer Druckerhöhung Dr ein funktionaler Zusammenhang eines Volumenstroms V oder eines Massenstroms rh und einer Druckerhöhung Dr bezeichnet, der häufig bei konstanter Drehzahl angegeben wird, aber auch bei einem definierten variablen Drehzahlverlauf angegeben werden kann. Bei bekanntem Fördervolumenstrom V bzw. Fördermassenstrom rh kann, sofern die aktuelle Drehzahl mit der der Kennlinie zugrunde liegenden Drehzahl übereinstimmt, aus der Kennlinie die Druckerhöhung Dr bestimmt werden. Man erkennt, dass die Druckerhöhung Dr quantitativ vom Fördervolumenstrom V abhängt, also in diesem Sinne ein betriebszustandsabhängige Größe ist.
Entsprechend können Kennlinien für andere betriebszustandsabhängige Größen für bestimmte Drehzahlen oder Drehzahlverläufe bestimmt und abgespeichert werden. Auch diese anderen betriebszustandsabhängigen Größen können dann mit Hilfe der entsprechenden Kennlinie bei bekanntem Fördervolumenstrom bzw. Fördermassenstrom bestimmt werden.
In Fig. 1 sind zwei Kennlinien bei jeweils konstanter Drehzahl n dargestellt sowie eine Linie für einen konstanten Volumenstrom V. In der Regel ist es zur Bestimmung einer Ventilatordruckerhöhung Dr ausreichend, nur eine Kennlinie für eine bestimmte Drehzahl zu ermitteln. Die andere kann, wie auch in diesem Beispiel erfolgt, durch Umrechnung erhalten werden. Dabei nutzt man die Ähnlichkeitsgesetze für eine fixierte Ventilatorgeometrie, wonach V~n und Dr ~ n2 gilt. Ist nun eine Kennlinie für eine Drehzahl n hinterlegt, so kann bei bekanntem Volumenstrom V und bekannter Drehzahl n die Druckerhöhung Dr wie folgt bestimmt werden:
1. Berechnung der Kennlinie ( z.B. in Form von Dr(n) ) für die aktuelle Drehzahl n aus der hinterlegten Kalibrierkennlinie (Beispiel: Kalibrier kennlinie für n_Kalibrierung=1800 rpm, aktuelle Drehzahl n=2200 rpm),
2. Bestimmung des Schnittpunkts der berechneten Kennlinie für die aktuelle Drehzahl n mit der Linie des konstanten, aktuell bestimmten Volumenstroms V,
3. Ablesen der aktuellen Druckerhöhung Dr am Schnittpunkt. Zusätzlich kann noch der Dichteeinfluss berücksichtigt werden, wobei die Druckerhöhung proportional zur Dichte ist. Hierzu muss das Verhältnis der aktuellen Dichte zu der zur Kalibrierkennlinie korrespondierenden Dichte bestimmt oder abgeschätzt werden.
Entsprechend können auch andere betriebszustandsabhängige Größen insbe sondere über den Fördervolumenstrom bzw. Fördermassenstrom und die aktuelle Drehzahl ermittelt werden. Es muss nur eine Kalibrierkennlinie hinterlegt sein, die eine Errechnung des gewünschten Zielwertes ermöglicht. Zu beachten ist, dass verschiedene Zielgrößen unterschiedliche Abhängigkeiten von der Drehzahl n haben, die in der jeweiligen Form berücksichtigt werden müssen.
In der Praxis kann eine Druckerhöhung oder eine andere betriebszustandsab hängige Größe des Ventilators von der Installationsumgebung des Ventilators beeinflusst werden. Vorteilhaft kann ein Korrekturfaktor oder eine Korrektur funktion in Abhängigkeit der Einbausituation bei der Bestimmung der Drucker höhung bzw. einer anderen betriebszustandsabhängigen Größe berücksichtigt werden. Alternativ kann die Kalibrierkennlinie in der Einbausituation oder einer Konfiguration, die die Einbausituation modelliert, ermittelt und auf dem Ventilator abgespeichert und zur Bestimmung der betriebszustandsabhängigen Größe genutzt werden. Um eine möglichst genaue Bestimmung einer aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe zu erreichen, muss insbesondere der aktuelle Fördervolumenstrom V bzw. der aktuelle Massenstrom rh mit möglichst hoher Genauigkeit bestimmt sein. Insbesondere in Bereichen, in denen die Kennlinien in einer Darstellung gemäß Fig. 1 steil sind, können geringe Fehler bei der Bestimmung des Fördervolumenstroms V bzw. des Fördermassenstroms rh bereits zu relativ großen Fehlern der daraus berechneten betriebszustandsab hängigen Größe führen. Vorteilhaft ist eine Genauigkeit der Volumenstrom- /Massenstrombestimmung von höchstens 5% Abweichung vom tatsächlichen Wert, bei besonderen Genauigkeitsanforderungen von höchstens 2% Abweichung zum tatsächlichen Wert des aktuellen Fördervolumenstroms/Fördermassenstroms. Es hat sich gezeigt, dass derart hohe Genauigkeitsanforderungen bei der Volumenstrom-/Massenstrombestimmung insbesondere mit Verfahren erfüllt werden, welche auf einer Analyse des Strömungsgeschwindigkeitsfeldes an einer geeigneten Stelle im Bereich des Ventilators beruhen. Beispielhaft basieren solche Verfahren auf der Drehzahlmessung eines Flügelradanemometers.
Es hat sich auch gezeigt, dass eine zeitliche Mittelung des bestimmten Volumen stroms V bzw. Massenstroms rh und/oder der bestimmten betriebszustandsab hängigen Größe über einige Sekunden, beispielsweise >=10 s, vorteilhaft ist.
In Fig. 2 ist, für einen bestimmten beispielhaften Ventilator, für mehrere beispielhafte konstante Volumenströme V jeweils eine Druckerhöhung Dr als Funktion der Drehzahl n dargestellt. Eine solche Darstellung kann allein aus einer bekannten Kalibrierkennlinie, ähnlich wie in Fig. 1 beschrieben, und einer bekannten Drehzahlabhängigkeit der Zielgröße, hier Dr, abgeleitet werden. Es ist leicht zu erkennen, dass für einen bekannten Volumenstrom V und eine bekannte Drehzahl n eindeutig auf die Druckerhöhung Dr geschlossen werden kann. Auch hier ist die Korrektur der Druckerhöhung mit der Dichte, analog zu Fig. 1, durchzuführen.
Das Verfahren zur Bestimmung der Druckerhöhung Dr funktioniert entsprechend, wenn statt des Volumenstroms V der Massenstrom rh herangezogen wird, außer dass dann der Effekt der Mediumsdichte bereits im Massenstrom rh enthalten ist. Dann tritt anstelle der Bestimmung des Volumenstroms V im Verfahren die Bestimmung des Massenstroms rh mit einem bekannten Verfahren. Eine Dichtekorrektur der Druckerhöhung Dr ist nicht mehr nötig. Auf dem Ventilator kann eine Kalibrierkennlinie abgespeichert sein, die einen funktionalen Zusammenhang des Massenstroms rh und des Volumenstroms V beispielsweise bei konstanter Drehzahl beschreibt. Die Verfahren zur Massenstrombestimmung ähneln im Wesentlichen den Verfahren zur Volumenstrombesitmmung. Beispielsweise kann man den Massenstrom rh mit einem Flügelradanemomenter bestimmen, muss allerdings neben der Anemometerdrehzahl auch noch die aktuelle Mediumsdichte bestimmen oder abschätzen und in die Massen stromberechnung einfließen lassen.
Auch für andere betriebszustandsabhängige Zielgrößen als eine Druckerhöhung Dr lassen sich Darstellungen ähnlich der gemäß Fig. 2 aufstellen. Zu berücksichtigen ist, dass die Drehzahlabhängigkeit für unterschiedliche Zielgrößen von unterschiedlicher Natur ist. Drehzahlabhängigkeiten können in vielen Fällen aus allgemeinen Ventilatorgesetzen abgeleitet werden, beispielsweise sind Druckerhöhung, Antriebsmoment oder Axialschub in sehr guter Näherung proportional zum Quadrat der Drehzahl. Der Luftvolumenstrom oder Luft massenstrom sind dabei immer als linear zur Drehzahl zu skalieren. Schall leistungen oder Schalldrücke sind proportional zur 4ten bis 6ten Potenz der Drehzahl. Des Weiteren können aus zwei oder mehreren Zielgrößen abgeleitete Zielgrößen gebildet werden. Für Zielgrößen, bei denen die Drehzahlabhängigkeit nicht aus allgemeinen (Ventilator-)Gesetzen abgeleitet werden kann, können Drehzahlabhängigkeiten auch auf Basis von Versuchen oder Simulationen abgeschätzt werden.
Fig. 3 zeigt in einer perspektivischen Ansicht und im Schnitt an einer Ebene durch die Rotationsachse des Laufrades 3 gesehen eine Ausführungsform eines Ventilators 1, wobei die Bestimmung der aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe unter Zuhilfenahme eines mittels eines Volumenstrommessrades 2 präzise bestimmten Fördermittelvolumenstroms V durchgeführt wird. Das Volumen strommessrad 2 ist insbesondere aus einer Nabe 7 und darauf befestigten Flügeln 6 aufgebaut. Man erkennt in der Darstellung gut das Volumenstrommessrad 2 und seine Lagerung an einer zuströmseitigen Struktur, hier einem Einströmgitter 26. Am Zentralbereich 30 des Einströmgitters 26 ist über einen Aufnahmebereich 31 eine Achse 13 zur Lagerung des Volumenstrommessrades 2 angebracht.
Das Volumenstrommessrad 2 wird mittels Lagern an der Achse 13 gelagert, im Ausführungsbeispiel sind zwei nicht gezeigte Lager vorgesehen. Die Lager werden am Volumenstrommessrad 2 an dafür vorgesehenen Aufnahmen 20 innerhalb der Nabe 7 eingesetzt. Das Volumenstrommessrad 2 kann dadurch frei bezüglich des Einströmgitters 26 und unabhängig vom Rotor 11 des Motors 4, der das Laufrad 3 des Ventilators 1 antreibt, rotieren. Über die Messung der Drehzahl des Volumenstrommessrades 2 kann mit guter Genauigkeit auf den aktuellen Fördermittelvolumenstrom V geschlossen werden. Das Laufrad 3 des Ventilators 1 ist am Rotor 11 des Motors 4 mit einer Befestigungsvorrichtung 15 angebracht, welche als Blechronde ausgeführt ist, die in das Laufrad 3 eingegossen und auf den Rotor 11 aufgepresst ist. Die Messung und Auswertung der Drehzahl nAne des Volumenstrommessrades 2 ermöglicht eine genaue Bestimmung des Fördermittelvolumenstroms V mit oder ohne Ein beziehung der Laufraddrehzahl n.
Ist der Fördermittelvolumenstrom V bestimmt, vorteilhaft mit Hilfe einer im Stator 12 des Motors 4 integrierten Elektronik, wird im Ausführungsbeispiel darauf aufbauend die aktuelle betriebszustandsabhängige Größe, beispielsweise eine Druckerhöhung Dr, wie anhand Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben, bestimmt. Die Drehzahl n des Laufrads 3, welches insbesondere aus Deckring 8, Nabenring 10 und sich dazwischen erstreckenden Laufradflügeln 9 aufgebaut ist, und somit die Drehzahl n des Motors 4, bestehend insbesondere aus einem Stator 12 und einem Rotor 11 , muss bekannt sein. Sie lässt sich einfach innerhalb des Motors 4 bestimmen. Zur Bestimmung der aktuellen Dichte des Fördermediums können Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren verwendet werden. Alternativ kann die Dichte einfach abgeschätzt werden oder dem Motor 4 über eine Schnittstelle von einem übergeordneten System übergeben werden.
Vorteilhaft weist der Motor 4 ebenfalls eine Schnittstelle zur Übergabe zumindest einer aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe an ein übergeordnetes System auf. Weiter vorteilhaft kann ein zeitlicher Verlauf einer oder mehrerer betriebszustandsabhängiger Größen in einer geeigneten zeitlichen Auflösung auf dem Motor 4 abgespeichert und bei Bedarf ausgelesen werden.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass in Fig. 3 nicht alle Komponenten des Ventilators 1 dargestellt sind. Insbesondere ist eine Motorhalterung, die den Stator 11 des Motors 4 beispielsweise an die Düsenplatte 29 anbindet, der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Der Ventilator 1 kann zahlreiche weitere, nicht dargestellte Komponenten umfassen. Bezugszeichenliste
Ventilator
Volumenstrommessrad
Ventilatorlaufrad
Motor
Einströmdüse
Flügel eines Volumenstrommessrades
Nabe eines Volumenstrommessrades
Deckring eines Laufrades
Flügel eines Laufrades
Nabenring eines Laufrades
Rotor eines Motors
Stator eines Motors
Achse zur Lagerung des Volumenstrommessrades Befestigungsvorrichtung des Laufrads auf dem Motor Aufnahme im Volumenstrommessrad für Lager Einströmgitter Düsenplatte
Zentralbereich des Einströmgitters Aufnahmebereich für Welle in Einströmgitter

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zur quantitativen Bestimmung einer aktuellen betriebszu standsabhängigen Größe eines Ventilators, beispielsweise einer Druckerhöhung oder Druckänderung, wobei bei bekanntem Volumen- oder Massenstrom des Ventilators über dessen Drehzahl eine aktuelle betriebszustandsabhängige Größe ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Volumen oder Massenstrom vorab nach einer bekannten Methode ermittelt wird, beispielsweise unter Nutzung eines Flügelradanemometers.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf dem Ventilator eine Kalibrier kennlinie für eine bestimmte Drehzahl oder einen bestimmten Drehzahlverlauf und ggf. eine bestimmte Luftdichte hinterlegt ist, wobei die Kalibrierkennlinie einen funktionalen Zusammenhang zwischen Volumenstrom oder Massenstom und einer betriebszustandsabhängigen Größe beschreibt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei bekanntem Volumenstrom oder Massenstrom und bekannter Drehzahl eine betriebszustandsabhängige Größe wie folgt berechnet wird:
Berechnung zumindest einer Kennlinie für die aktuelle Drehzahl aus einer hinterlegten Kalibrierkennlinie,
Bestimmung des Schnittpunktes einer berechneten Kennlinie für die aktuelle Drehzahl mit einer Linie des konstanten, aktuell bestimmten Volumen stroms bzw. Massenstroms
Ermitteln bzw. Ablesen einer aktuellen betriebszustandsabhängigen Größe am Schnittpunkt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der aktuellen Luftdichte berücksichtigt wird, wobei beispiels weise die Druckerhöhung proportional zur Luftdichte ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Luftdichte gemessen bzw. berechnet oder geschätzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung der Luftdichte das Verhältnis der aktuellen Luftdichte zu der zur hinterlegten Kalibrierkennlinie korrespondierenden Luftdichte bestimmt oder ab geschätzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung einer betriebszustandsabhängigen Größe ein Korrektur faktor oder eine Korrekturfunktion genutzt wird, der bzw. die der Einbausituation und/oder Umgebung des Ventilators Rechnung trägt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung einer betriebszustandsabhängigen Größe die Kalibrier kennlinie herangezogen wird, die in der Einbausituation oder in einer die Einbausituation modellierenden oder simulierenden Konfiguration gewonnen und auf dem Ventilator abgespeichert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere ermittelte betriebszustandsabhängige Größen zur Regelung oder Selbststeuerung des Ventilators dienen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbststeuerung die Drehzahlsteuerung als Funktion einer oder mehrerer betriebs zustandsabhängigen Größen umfasst.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere betriebszustandsabhängige Größen von einem Nutzer oder einem übergeordneten System auslesbar sind, so dass der Nutzer oder das übergeordnete System die Ventilatordrehzahl oder die lufttechnische Anlage anhand der einen oder mehreren betriebszustandsabhängigen Größen steuern oder sonst wie beeinflussen kann.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere betriebszustandsabhängige Größen und/oder der zeitliche Verlauf einer oder mehrerer betriebszustandsabhängiger Größen abgespeichert und/oder dem Nutzer oder dem Ventilatorhersteller zugeleitet wird, um Optimierungen durchzuführen, beispielsweise am Betrieb, an der Auswahl des konkreten Ventilators und/oder am Design bzw. an der Konstruktion des Ventilators.
14. Ventilator mit einer quantitativen Bestimmung einer oder mehrerer betriebs- zustandsabhängiger Größen, wobei bei bekanntem Volumen- oder Massenstrom des Ventilators über dessen Drehzahl zumindest eine aktuelle betriebszu standsabhängige Größe ermittelbar ist.
EP20749803.1A 2019-08-17 2020-07-02 Verfahren zur quantitativen bestimmung einer aktuellen betriebszustandsabhängigen grösse eines ventilators, insbesondere einer druckänderung oder druckerhöhung, und ventilator Pending EP3927977A1 (de)

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