Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Charakterisierung und Vorhersage der Schallabstrahlung von Axialventilatoren unter dem Einfluss von Wärmeübertragern

Die Anwendungsgebiete von Wärmeübertrager-Axialventilator-Systemen reichen vom Wärmemanagement in industriellen Anlagen bis zur Klimatisierung von Büro- und Lebensräumen. In vielen dieser Anwendungen wird das hydrodynamische und das akustische Verhalten des Gesamtsystems entscheidend durch die Einbaubedingungen des Ventilators beeinflusst.

Das Ziel ist daher diese strömungsmechanischen Randbedingungen zu charakterisieren, im Labormaßstab nachzubilden und deren Einfluss auf die Schallentstehungsmechanismen von Axialventilatoren zu bewerten und abzuschätzen. In einem ersten Schritt werden die Strömungsparameter verschiedener Wärmeübertragergeometrien experimentell erfasst. Basierend darauf werden kausale Zusammenhänge zwischen der Wärmeübertragergeometrie und den Strömungsparametern abgeleitet. Zur Abbildung dieser Randbedingungen und zur Erweiterung des Parameterraums der Zuströmbedingungen wird ein aktives Turbulenzgitter entwickelt. Mit Hilfe des Turbulenzgitters können einzelne Strömungsparameter gezielt eingestellt werden. Durch Schallfeldmessungen an Axialventilatoren kann der Einfluss individueller Strömungsparameter auf die physikalischen Schallentstehungsmechanismen herausgearbeitet werden.

Anhand der Untersuchungsergebnisse ergeben sich Designrichtlinien für geräuscharme Ventilatoren und Wärmeübertrager, die den KMUs einen Wissensvorsprung gegenüber konkurrierenden Unternehmen verschaffen. Zusätzlich werden bekannte Schallvorhersageverfahren um die Geometrieparameter von Wärmeübertragern erweitert. Durch die Erweiterung der Schallvorhersageverfahren wird den KMUs ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, mit dem die Schallabstrahlung von Wärmeübertragersystemen ohne aufwendige Untersuchungen abgeschätzt werden kann. Die reduzierte Schallemission von Wärmeübertrager-Axialventilator-Systemen kann von den KMUs als direkter Wettbewerbsvorteil genutzt werden, so dass höhere Absatzzahlen von Wärmeübertrager-Systemen zu erwarten sind.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsprojekt "Installationseffekte-Axial" wurde grundlegende strömungsakustische Wechselwirkungen zwischen Axialventilatoren und Wärmeübertragern ermittelt und verstanden. So konnte gezeigt werden, wie verschiedene Wärmeübertragerparameter das Strömungsfeld vor dem Axialventilator beeinflussen und wie sich diese auf die Schallabstrahlung der Maschine ausübt. Wärmeübertrager mit großen Kühlmittelrohrdurchmesser sind in diesem Zusammenhang als akustisch schlecht einzustufen. Dies begründet sich in dem gesteigerten Turbulenzgrad, welcher durch die größeren Kühlmittelrohre induziert wird. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass für das Strömungsfeld eine runde Wärmeübertragergeometrie von Vorteil ist.

Der Sonic-Crystaleffekt konnte in den Wärmeübertrageranordnungen nachgewiesen werden. Die einfachen Auslegungsformeln bieten die Möglichkeit schon im Designprozess des Wärmeübertagers akustische Effekte abzuschätzen und gegebenenfalls ungewollte frequenzabhängige tonale Komponenten zu filtern.

Im Zug des Projekts wurde ein aktives Turbulenzgitter entworfen, konstruiert und vermessen. Die Versuchseinrichtung stellt einen neuen Meilenstein in den Untersuchungsmöglichkeiten von Zuströmturbulenzen im Bereich von Axialventilatoren dar. So konnte bewiesen werden, dass mit diesem Gitter eine große Anzahl an verschiedenen Strömungszuständen mit geringem Zeitaufwand erzeugt werden können. Dies ermöglicht es für KMU ähnliche Gitter nachzubauen und den gewonnen Wissenstand zu den aktiven Turbulenzgittern zu nutzen um einerseits Zeit bei experimentellen Untersuchungen zu sparen und anderseits aeroakustische Optimierungen an Ventilatoren in gestörten Zuströmbedingungen durchführen zu können.

Mit Hilfe des aktiven Turbulenzgitters wurden fundamentale Zusammenhänge zwischen spektraler Schallabstrahlung von Axialventilatoren und Zuströmturbulenzen nachgewiesen. So konnte gezeigt werden, dass tonale Komponenten hauptsächlich von räumlichen Inhomogenitäten abhängig sind.