Wärmemanagement Wie sich der Wirkungsgrad von Ventilatoren erhöhen lässt

Wie man den Wirkungsgrad moderner Ventilatoren mit strömungstechnischen Optimierungen erhöhen kann, wissen die Experten von EBM-Papst.

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Die Ökodesign-Richtlinie (ErP, Energy related Products) bildet die Basis für die Effizienzbewertung von verschiedenen Komponenten und Geräten. So wird z.B. die Mindesteffizienz von Ventilatoren in der Ventilatorenverordnung EU327/2011 festgelegt. Dabei werden auch Ventilatoren betrachtet, die z.B. in Geräten für die Kälte-, Klima- und Lüftungstechnik eingebaut sind. Die Geräte erhalten nur dann eine CE-Kennzeichnung, wenn auch die Ventilatoren den Anforderungen der Ventilatorenverordnung genügen.

Die Wirkungsgradanforderungen für Ventilatoren sind bereits seit 2013 festgelegt, wurden dann 2015 noch einmal angehoben und in naher Zukunft ist eine weitere Anhebung geplant. Mittlerweile ist die Wirkung der Verordnung nicht zu übersehen: Energieeffiziente EC-Ventilatoren stärken ihre Marktposition, was die CO₂-Billanz verbessert und damit der Umwelt zugutekommt. Für die hohen Wirkungsgrade der modernen Ventilatoren sind dabei – neben energieeffizienten Motoren – vor allem strömungstechnische Optimierungen ausschlaggebend.

Effizienz eines Ventilators richtig beurteilen

Um die Effizienz eines Ventilators zu beurteilen, muss er so bewertet werden, wie er später eingesetzt wird. Ansonsten darf er – und damit auch die Kundenapplikation – keine CE-Kennzeichnung tragen. Das hat gute Gründe, denn schon jede kleine Veränderung, z.B. der Düsengestaltung oder Tragstreben, hat Einfluss auf die Effizienz eines Ventilators und damit auf die ErP-Konformität.

Tragstreben beispielsweise „versperren“ zwangsläufig den Luftstrom am Ein- oder Austritt, wodurch der Wirkungsgrad je nach Betriebspunkt um wesentliche Prozente sinkt. Die Düsengeometrie hat ähnliche Auswirkungen, selbst wenn der Luftspalt gleich bleibt. Der Wirkungsgrad sinkt um einige Prozentpunkte, wenn man beispielsweise einen Axialventilator in einer Kurzdüse statt in einer Volldüse betreibt. Auch die Positionierung innerhalb der Düse ist entscheidend. Bei einer axialen Verschiebung von wenigen Millimetern können Wirkungsgradverluste die Folge sein.

Wer im Hinblick auf die Ventilatorenverordnung auf der sicheren Seite sein will, sollte deshalb am besten zu einer Lösung greifen, deren Energieeffizienz genau in dem Zustand ermittelt wurde, wie er sie letztendlich einsetzt, sonst muss der Anwender selbst die ErP-Konformität nachweisen.

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Aerodynamischen Verlustmechanismen untersuchen

Möchte man Ventilatoren im Hinblick auf den Wirkungsgrad optimieren, gilt es die aerodynamischen Verlustmechanismen zu untersuchen, um sie zu reduzieren. Bei Axialventilatoren gibt es typischerweise Verluste am Spalt, also zwischen rotierendem Laufrad und stehendem Wandring. Hier sind die Verbesserungsmöglichkeiten schnell ausgeschöpft, da der Spalt aus fertigungstechnischen Gründen immer eine gewisse Größe haben wird. Hinzu kommen Turbulenzverluste, Verluste, die durch Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeit entstehen, sowie Verluste auf der Austrittsseite.

Beim Radialventilator entstehen die Spaltverluste dadurch, dass ein Teil der Luft durch den Düsenspalt im Kreis gefördert wird. Hinzu kommen Druckverluste an den Schaufeln, die nicht in allen Bereichen optimal angeströmt werden. Bei beiden Bauarten liegt häufig das größte Optimierungspotential am Luftaustritt. Hohe Austrittsgeschwindigkeiten führen hier zu Verlusten, da die Geschwindigkeit und damit der dynamische Druck nicht genutzt wird.

Axialventilatoren mit Nachleitrad und Diffusor optimieren

Bei Axialventilatoren beispielsweise lässt sich mit einem Nachleitrad oder einem Diffusor viel erreichen. Da die Luft durch die Rotation hinter dem Axiallaufrad mit einem Drall austritt, entsteht durch das feststehend eingebaute Nachleitrad eine statische Druckerhöhung. Der im Drall, also dem Drehimpuls enthaltene dynamische Energieanteil, wird dabei in statischen Druck umgesetzt. Um die Druckaustrittsverluste bei größeren Axialventilatoren zu minimieren, bieten sich an der Austrittseite außen angebrachte Diffusoren an. In der Praxis ermöglicht der Einsatz des Axitop-Diffusors von EBM-Papst beispielsweise neben einem geringeren Energieverbrauch auch mehr Freiheitsgrade für Anwender und Entwickler. So kann die Abstimmung des Diffusors je nach Einsatzgebiet auf unterschiedliche Eigenschaften hin optimiert werden. Bei gleichbleibendem Energieeinsatz ist eine höhere Förderleistung ebenso möglich wie geringerer Energieverbrauch bei gleicher Luftleistung. Auch das akustische Verhalten lässt sich über den Diffusor verbessern.

Damit eingebaute Axialventilatoren im anwendungsspezifischen Betriebspunkt mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad arbeiten, wurde bei EBM-Papst die Axiblade-Baureihe entwickelt. Für einen optimierten Wirkungsgrad und Geräuschreduktion (s. „Ergänzendes zum Thema“) sorgen die Durchmesservergrößerung bei gleichem Bauraum wie der Marktstandard sowie der modulare Aufbau: Je nach geforderten Druckbereichen werden die Ventilatoren zum Beispiel mit einem Nachleitrad kombiniert. Hinzu kommen Laufräder mit profilierter Schaufelgeometrie und Winglets für ein bestmögliches Geräusch.

So lassen sich die Axialventilatoren optimal auf die jeweilige Anwendung auslegen, mit einer Effizienzsteigerung von bis zu 40 % verglichen mit der bewährten Hyblade-Baureihe. Die Version ohne Nachleitrad eignet sich für niedrige bis mittlere Druckbereiche. Essentiell ist das Nachleitrad bei hohen Gegendrücken bis 260 Pa, um die hohe Effizienz zu erreichen. Da die Grundfläche dieser Axialventilatoren dem Marktstandard entspricht, sind am Kundengerät praktisch keine Designänderungen notwendig. Dabei bauen die Ventilatoren niedriger als die üblichen Varianten. Die Höhe spielt in den meisten Anwendungen zwar eine eher untergeordnete Rolle, nicht jedoch beim Transport. Hier zählt jeder Zentimeter.

Radialventilator im Spiralgehäuse optimieren

Mit Blick auf die sich weiter verschärfenden Anforderungen an die Effizienz von Lüftungsgeräten für Wohngebäude hat EBM-Papst auch die Radical-Radialventilatoren strömungstechnisch optimiert. Um die Austrittsverluste weiter zu reduzieren, lassen sich die Ventilatoren mit einem ebenfalls nach strömungstechnischen Kriterien optimierten Spiralgehäuse kombinieren. Das Spiralgehäuse mit rundem Ausblasquerschnitt wird direkt mit dem Rohrstutzen am Luftaustritt des Gerätes verbunden. Dadurch reduzieren sich die üblichen Turbulenz-Strömungsverluste. Gleichzeitig wird die Kennlinie sehr druckstabil und im Vergleich zum baugleichen Trommelläufer steigert sich der Wirkungsgrad um bis zu 38 %.

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* Daniel Gebert ist in der Funktionsentwicklung Ventilatoren bei der ebm-papst Mulfingen GmbH tätig.

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