Kameier 2013 Vorlesung 1 Einführung und Was ist ein Ventilator? Praktikum 1: Ähnlichkeitstheorie (Energieersparnis und

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 [email protected]


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


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?

3

4Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de

Dimensionsbetrachtung

2

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


Flettner Rotor – Magnus Effekt

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor

Buckau - Baujahr 1924

Alcyone - Baujahr 1980

5

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/15/Magnus_effect.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/Buckau_Flettner_Rotor_Ship_LOC_37764u.jpg


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

6

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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)

8


http://en.wikipedia.org/wiki/Kitegen

9

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Kitegen.jpg


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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http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/75/Airborne_wind_generator-en.svg


http://www.aweconsortium.org/public/downloads/resources/archer_caldeira.pdf

12


Fahrzeuginnengeräusche – Grundlagenuntersuchungen für die BMW Group -

Kameier, Horvat, Wagner, Ullrich, ATZ, Juni 2009

13


Wie sieht die Zukunft aus?

aus: www.qmtmag.com März 2008

14


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


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


Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet

diagonalradial

Ventilatoren – Vorbereitung des 1. Praktikumstermin

Was versteht man unter einem Ventilator?

axial



Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet

centrifugal fan

Turbo-machine / Blower / Industrial Fan

axial fan

rotor stator

rotor blade impeller


volute

inlet nozzle


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



statischer Druck – Totaldruck – Gesamtdruck

ungDruckändertotaleespezifisch

ungDruckänderstatischeespezifisch

1221

22 pp2

ccp

(für inkompressible Medien)

„Gesamt“ = „total“ = „dynamisch“ + „statisch“



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



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



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



Kompressible Strömung – Näherung mit mittlerer Dichte(hier: Staubsaugergebläse)

2AustrittrittintE

Mittel


Y=


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



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!



(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?



VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen

Bild 10. Relatives Oktavschallleistungsspektrum für die Baugruppe RR

Wie ermittelt man die „Akustik“ eines Ventilators?



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



Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel

Im optimalen Betriebspunkt sind

der Wirkungsgrad maximal der Schallpegel minimal

Kennlinie

Wirkungsgrad

Schalldruckpegel

η

Lw

Δp

optimalerBetriebspunkt

V•


Beispiel: Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel

Energieversorgungsblock - Bahn

Kann man einen leiserenVentilator einbauen?


Beispiel: Energieversorgungsblock - Austrittsströmung

Austrittsströmung durch Gitter - VolumenstrombestimmungJet s

tream

s

Velo

city

bala

nce

> 3

50 m

m


Beispiel: Energieversorgungsblock - Eintrittströmung

Energieversorgungsblock - Bahn


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)


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


Messung des Volumenstrom – Rückrechnung der Druckdifferenz

17,5 %geforderter Volumenstrom wird nicht erreicht


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,


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


Kennlinie AxialventilatorMit verstellbaren Schaufeln

Quelle: Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz/Eidam/Rahn,

www.tlt-turbo.com/dateien/194.pdf


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


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