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Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Vorlesung 1 Einführung und „Was ist ein Ventilator?“Praktikum 1: Ähnlichkeitstheorie (Energieersparnis und 1-D Stromfadenberechnung mit Excel)Vorlesung 2 VolumenstrommessungVorlesung 3 Grundlagen StrömungsmechanikVorlesung 4 StrömungsablösungVorlesung 5 KavitationVorlesung 6 Tensorrechnung/Navier-Stokes GleichungPraktikum 2: Pumpenkennlinie und KavitationVorlesung 7 Navier-Stokes GleichungVorlesung 8 WindenergieanlagenPraktikum 3: CFDVorlesung 9 StrömungsmaschinenVorlesung 10 SichtbarmachungPraktikum 4: RadialverdichterVorlesung 11 GrenzschichtströmungVorlesung 12 Instationöre Aerodynamik in StrömungsmaschinenPraktikum: RückspracheVorlesung 13 WiederholungVorlesung 14 Prüfungsvorbereitung
Strömungstechnik IIPlanung des Semesters
Frank Kameier Raum E5.40, Tel. 4351-9721 frank.kameier@fh-duesseldorf.de
Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis
• Strömungsmaschinen - Turbinen- Pumpen- Verdichter- Ventilatoren- Gasturbinen / Flugtriebwerke
• Strömungsmechanik - Luftfahrt- KFZ Aerodynamik- Messtechnik (Gas- und Wasserverbrauch)
• Strömungsakustik - Musikinstrumente
1. Vorlesung Strömungstechnik II PEU
Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis
1. Vorlesung Strömungstechnik II PEU
• Wo finden Sie Anwendungen der Strömungstechnik?
• Welcher theoretische Background ist zum Verständnis notwendig?
• Welche Bücher eignen sich zum Lernen?
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4Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Dimensionsbetrachtung
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c~
p 2
Massenerhaltung /Kontinuitäts-Gl.
Mechanische Energieerhaltung (aus Impulserhaltung)
Bernoulli-Gleichung
Ac~V
Fam
23
msm
~s
m
2
2
3 sm
~mkg
Pa
N~sm
kg 2
-Vergleich der Einheiten-
Wiederholung – Wiederholung - W
ieder
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Flettner Rotor – Magnus Effekt
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor
Buckau - Baujahr 1924
Alcyone - Baujahr 1980
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Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Flettner Rotor – Magnus Effekt
Quelle: http://www.hyc86.de/proa.htm
Mbuli - Baujahr 2007 http://www.skysails.info/index.php
• Enercon E-Ship - Konzept - Bau bis 2010: Frachtschiff für Windkraftanlagen mit Flettner-Antrieb
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http://de.wikipedia.org/wiki/E-Ship_1
E-Ship 1 (Enercon)
4 Flettner-Rotoren mit 27 m Höhe und 4 m Durchmesser
Angestrebt ist eine Kraftstoffersparnis von 30–40 % bei einer Fahrt von 16 Knoten (8,2 m/s)
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Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
http://en.wikipedia.org/wiki/Kitegen
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Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Beim Kite Gen werden Kunststoffseile auf zwei Spulen immer wieder auf- und abgespult und treiben so einen ringförmigen elektromagenetischen Generator an.
… die Stromerzeugung erfolgt am Boden“
In 800 Metern Höhe herrschen Windgeschwindigkeiten von durchschnittlich 7,2 Metern pro Sekunde und ermöglichen so Stromleistungen von 205 Watt je Quadratmeter
http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/allgemein/articles/236395/
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Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
http://www.aweconsortium.org/public/downloads/resources/archer_caldeira.pdf
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Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Fahrzeuginnengeräusche – Grundlagenuntersuchungen für die BMW Group -
Kameier, Horvat, Wagner, Ullrich, ATZ, Juni 2009
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Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Wie sieht die Zukunft aus?
aus: www.qmtmag.com März 2008
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Wichtigste Literatur zur Vorlesung
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schriftliche Prüfung am Semesterende: Geschwindigkeitsdreiecke, Berechnung von Strömungen, 1-D oder 3-D jeweils mit Reibung (geschlossene Gleichungssysteme, Benennung der Unbekannten, Einheit einzelner Terme), eigener Schwerpunkt gemäß Fragenkatalog, Anwendungen und Erklärung der Praktika Strömungstechnik I und IIhttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/pruefung/index.htmlundhttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/Vorlesung/bachelor_PP_PEU/Stroemungstechnik_II/pruefungsfragen260510.doc
mündliche Prüfung ab 5. September 2013, Termin 1 x pro Monat – Fragen und Aufbau der Prüfung wie bei der Klausur
Prüfung und Prüfungsfragen
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Literatur
Schade, Kunz, Paschereit, Kameier: Strömungslehre, de Gruyter, 2007
Fox, R.W., McDonald, A.T.: Introduction to Fluid Mechanics, 4th Edition, New York, 1992
Grundmann, R., Schönholtz, F., Eidam, H., Rahn, B., Grundlagen der Ventilatorentechnik (Ventilatoren-Fibel), http://www.tlt-turbo.com/dateien/194.pdf
Rolls-Royce plc.: The jet engine, Derby, 1996.
www.windpower.dk
Kameier: Vorlesungsskript Strömungsmaschinen, FH Düsseldorf 1999,http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/d_lehre/a_stroemungstechnik/Skript_stroemaschinen.pdf
Kameier, Reinartz: Vorlesungsskript Strömungsakustik, FH Düsseldorf 2001http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/d_lehre/b_stroemungsakustik/skript_stroeakustik.pdf
Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet
diagonalradial
Ventilatoren – Vorbereitung des 1. Praktikumstermin
Was versteht man unter einem Ventilator?
axial
Was versteht man unter einem Ventilator?
Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet
centrifugal fan
Turbo-machine / Blower / Industrial Fan
axial fan
rotor stator
rotor blade impeller
Was versteht man unter einem Ventilator?
volute
inlet nozzle
19Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Wann nennt man eine Strömungsmaschine Ventilator?
Druckerhöhung < 30000 Pa
Pollrich Ventilator Typ: VR 40 S20 C1 U K 0710
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Volumenstrom q_v [m^3/s]
To
tald
ruckerh
öh
un
g p
_to
tal [P
a]
n = 700 U/min n = 1000 U/min n = 1500 U/min n = 2000 U/min
Was versteht man unter einem Ventilator?
20Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
statischer Druck – Totaldruck – Gesamtdruck
ungDruckändertotaleespezifisch
ungDruckänderstatischeespezifisch
1221
22 pp2
ccp
(für inkompressible Medien)
„Gesamt“ = „total“ = „dynamisch“ + „statisch“
Was versteht man unter einem Ventilator?
21Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Welche Rolle spielt die Kompressibilität der Luft?
Druckerhöhung < 30000 Pa
TRp
ideale Gasgleichung
R 287 J/(Kg K)p_b 101300 Pa NormzustandT 273 K 0° C Normzustand
dp rho0 1,293
1000 1,3062000 1,3184000 1,3448000 1,395
10000 1,42120000 1,54840000 1,803
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0 10000 20000 30000 40000 50000
rho [kg/m^3]
delta_p [Pa]
Ventilatoren
Was versteht man unter einem Ventilator?
22Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
1. Berechnen Sie die isentrope Temperaturerhöhung bei einer Druckänderung von1000 Pa2000 Pa5000 Pa10000 Pa.
isentrope Relation T2=T1((p1/p2)^((kappa-1)/kappa))[°C] [°C]
p_0 delta_p T_0 delta_T100000 1000 20 0,8100000 2000 20 1,7100000 5000 20 4,1100000 10000 20 8,1
(T_0+273,15)/((p_0/(delta_p+p_0))^((1,4-1)/1,4))-T_0-273,15
Temperaturerhöhung in Folge einer Druckänderung (kompressible Strömung, Ventilator)
isentrope_temperaturerhoehung160403.xls
Faustformel:pro 1000 Pa Druckerhöhungergibt sich 1K Temperaturerhöhung
1
1
21
1
00 Ma2
11
T
T
Was versteht man unter einem Ventilator?
23Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
kappa 1.4 LuftT 293 °CR 287 J/Kg Ka 343 m/s Schallgeschwindigkeit
[m/s] [km/h] [kg/m^3] [kg/m^3] [%]c_ms c_kmh Ma rho_0 rho rho_0-rho/rho
10 36 0.03 1.2 1.199 0.030 108 0.09 1.2 1.195 0.450 180 0.15 1.2 1.187 1.1
100 360 0.29 1.2 1.151 4.3150 540 0.44 1.2 1.093 9.8
1
1
21
1
00 M a2
11
T
T
Kompressible Strömungen
1
1
21
1
00 Ma2
11
T
T
aus den Isentropenbeziehungen,
vgl. Schade/Kunz/Paschereit/Kameier (2007)
kompressibel_inkompressibel081102_lösung.xls
Was versteht man unter einem Ventilator?
24Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Kompressible Strömung – Näherung mit mittlerer Dichte(hier: Staubsaugergebläse)
2AustrittrittintE
Mittel
Was versteht man unter einem Ventilator?
Y=
25Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Wann ist ein Ventilator effizient?
Gültig nur für Radialventilator mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln (efficiency grade 61 )!
ErP COMMISSION REGULATION (EU): implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for fans driven by motors with an electric input power between 125 W and 500 kW, No 327/2011, 30 March 2011
Was versteht man unter einem Ventilator?
26Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Wann ist ein Ventilator besonders effizient?
1.) Die Strömung muss den Schaufeln des Rotors folgen.
2.) Die Umlenkung zwischen rotierendem und raumfestem System muss optimal sein:
Rotor und Stator (Laufrad und Gehäuse) müssen so nah wie möglich aneinander grenzen!
Diese Abstände müssen klein sein!
Nachteil:Ventilator wird laut!
Was versteht man unter einem Ventilator?
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(hier mit Proportionalitäten zur Drehzahl)
s1
n~s
mV
3Volumenstrom (auch qv abgekürzt)
2
22tot s
1n~
mNPapDruckdifferenz(auch ptot abgekürzt)
3
33
2
tot s1
n~s
Kgms
NmVpWP Leistung (qv * ptot / Wirkungsgrad)
Wie ermittelt man die notwendige Antriebsleistung?
Was versteht man unter einem Ventilator?
28Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen
Bild 10. Relatives Oktavschallleistungsspektrum für die Baugruppe RR
Wie ermittelt man die „Akustik“ eines Ventilators?
Was versteht man unter einem Ventilator?
29Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
20 200 2000 20000
Lw [dB]
f [Hz]
Vergleich Prognose zu Messung RV722 (optimaler Bommes Ventilator n=1400 1/min D=0,722 m, qv=1,76 m^3/s, dp=1939 Pa)
Messung Lw=94,8 dB
Prognose Lw=102,2 dB
0A
Alg10LpLw
Schallleistungspegel=Schalldruckpegel + durchschallte Fläche (A0=1m2)
VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen
Was versteht man unter einem Ventilator?
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Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel
Im optimalen Betriebspunkt sind
der Wirkungsgrad maximal der Schallpegel minimal
Kennlinie
Wirkungsgrad
Schalldruckpegel
η
Lw
Δp
optimalerBetriebspunkt
V•
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Beispiel: Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel
Energieversorgungsblock - Bahn
Kann man einen leiserenVentilator einbauen?
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Beispiel: Energieversorgungsblock - Austrittsströmung
Austrittsströmung durch Gitter - VolumenstrombestimmungJet s
tream
s
Velo
city
bala
nce
> 3
50 m
m
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Beispiel: Energieversorgungsblock - Eintrittströmung
Energieversorgungsblock - Bahn
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Beispiel: Was muss man tun, um die Schallemission zu reduzieren?
verbauter Ventilator - K3G 355-AY40 www.ebmppst.com
pfa =Druckerhöhung „frei ausblasend“
pfa=600 Pa, ptot=623 Pa, qV=2900 m3/h (Auslegung)
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Definition „frei ausblasend“- für einen saugseitigen Prüfstand -
Messverfahren für Strömungsmaschinen – frei ausblasend
Da theoretisch für c2 gilt c2=0 wirdein pfreiausblasend definiert:
2c
pp21
1fa
2
22cpp fat
Die Geschwindigkeiten sind gemäß der Kontinuitätsgleichung aus dem Volumenstrom zu bestimmen!
mit p1=pb-p1
p1p2
saugseitiger Kammerprüfstand gemäß DIN 24163
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Messung des Volumenstrom – Rückrechnung der Druckdifferenz
17,5 %geforderter Volumenstrom wird nicht erreicht
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Druckverlust im System muss reduziert werden!
verbauter Ventilator - K3G 355-AY40 www.ebmppst.com
Ist: ptot=680 Pa, qV=2300 m3/h Soll: qV=3000 m3/h, d.h. ptot=600 Pa,
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Effizienzklasse - Lüfter
EuP-Richtlinie (Energy-using Products Directive 2005/32/EG) ErP-Richtlinie (Energy-related Product Directive 2009/125/EG)http://www.elektror.de/ErP-Richtlinie.969.0.html#10903
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Kennlinie AxialventilatorMit verstellbaren Schaufeln
Quelle: Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz/Eidam/Rahn,
www.tlt-turbo.com/dateien/194.pdf
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Wie viel Kenntnisse der Strömungsmechanik und Akustik benötigt man, um das alles zu verstehen?
• eindimensionale versus mehrdimensionale Strömungen
• Reibungseinflüsse
• laminare und turbulente Grenzschichten oder Rohrströmungen
• instationäre Strömungen und Akustik
Was versteht man unter einem Ventilator?
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