Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk

Präsentation zum Thema: "Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk"—  Präsentation transkript:

1 Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk
Der elektrische Strom gelangt über die Halteleinen zum Boden!

2 … neuer interessanter Link
… Google investiert in ein ähnliches Konzept

3 Ventilatoren / Radialverdichter
Frank Kameier Strömungstechnik II 8. Vorlesung Strömungsmaschinen Ventilatoren / Radialverdichter • Grundlagen • Regelung und Energieeffizienz • Strömung in Laufrad und Spiralgehäuse von Radialventilatoren

4 Aufbau eines Radialventilators

5 Spiralgehäuse Jeder Ventilator ohne Gehäuse mit logarithmischer Spirale kann aerodynamisch verbessert werden! Vier-Radien-Methode (Bommes)

6 Welche Rolle spielt die Kompressibilität der Luft?
Was versteht man unter einem Ventilator? Welche Rolle spielt die Kompressibilität der Luft?  Druckerhöhung < Pa Ventilatoren ideale Gasgleichung 1_HDT_Ventilatoren_dichte_differenzdruck xlsx

7 Was versteht man unter einem Ventilator?
Temperaturerhöhung in Folge einer Druckänderung (kompressible Strömung, Ventilator) Faustformel: pro 1000 Pa Druckerhöhung ergibt sich 1K Temperaturerhöhung 2_HDT_Ventilatoren_isentrope_temperaturerhoehung_excel2010_ xlsx

8 Was versteht man unter einem Ventilator?
Kompressible Strömungen aus den Isentropenbeziehungen, vgl. Schade/Kunz/Paschereit/Kameier (2007) 3_HDT_Ventilatoren_kompressibel_inkompressibel_excel2010_060313_lösung.xlsx

9 Was versteht man unter einem Ventilator?
Kompressible Strömung – Näherung mit mittlerer Dichte (hier: Staubsaugergebläse) Y= ∆𝑝 𝜌

10 Was versteht man unter einem Ventilator?
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

11 Was versteht man unter einem Ventilator?
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!

12 Was versteht man unter einem Ventilator?
Wie ermittelt man die „Akustik“ eines Ventilators? VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen

13 Was versteht man unter einem Ventilator?
VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen Schallleistungspegel=Schalldruckpegel + durchschallte Fläche (A0=1m2) 4_HDT_Ventilatoren_Prognose_Lw_ueber_St_ xlsx

14 Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel
Im optimalen Betriebspunkt sind  der Wirkungsgrad maximal der Schallpegel minimal optimaler Betriebspunkt η Wirkungsgrad Lw Schalldruckpegel V •

15 Euler-Diagramm - Drehimpulsbilanz - Verluste

16 Energieeffizienz versus Geräusche

17 Regelung von Ventilatoren - Drosselklappe

18 Regelung von Ventilatoren - Drallregler

19 Regelung von Ventilatoren - Drehzahlreglung

20 Drehzahlregelung  Abschaltung eines Großkraftwerks in der BRD
Radgen (2002), Fraunhofer-Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung, Karlsruhe 1 – Drosselklappe 2 – Drallregler 3 – Drehzahlreglung

21 Klimazentralgerät mit freilaufendem Radialventilator (Fa. Rox)

22 Vergleich mit und ohne Spiralgehäuse
über 10 %-Punkte Wirkungsgraddifferenz Siepert, H., Kennfeldverlauf eines Radialrades mit und ohne Spiralgehäuse, HLH Bd. 58, Nr. 8, 2007

23 Radialventilator – Betrieb in einem Trocknungsofen (warm/kalt Betrieb)
ungeregelter Weg - Stand der Technik - idealer Weg (temperaturgeregelte Drehzahl) kalt warm 15_HDT_Trocknungsofen_kalt_warm_Kennlinienhochrechnung_ xls

24 Introduction / State-of-the-art The Cordier-Diagram
Frank Kameier (Professor for Fluid Mechanics and Acoustics) Sophia Schönwald Robert Heinze Tobias Pohlmann University of Applied Sciences Dept. of Mechanical & Process Engineering - Institute of Sound and Vibration Engineering - Industrial centrifugal fans – low energy consumption and low noise design Introduction / State-of-the-art The Cordier-Diagram Influence of blade design on efficiency The “Düsseldorf” design methodology CFD results Summary

25 … the common industrial
Industrial ventilation fan for a broad operating range There is no benefit of a centrifugal fan with forward curved blades to a machine with backwards curved Blades. … the common industrial view is different!

26 The Diagram of Otto Cordier from 1953
non-dimensional rotor speed Which machine can provide pressure rise and flow rate with high efficiency? non-dimensional rotor diameter

27 The Cordier-Diagram by Willi Bohl 1980
non-dimensional rotor speed (specific speed) compressors turbines Which machine can provide pressure rise and flow rate with high efficiency? The impeller design influences the overall efficiency! specific speed Not considered in the Cordier-Diagram! non-dimensional rotor diameter (specific diameter) specific diameter

28 Different blade curvatures of centrifugal fans
radial tipped forward curved backward curved

29 Influence of the blade design on efficiency, pressure rise and the non-dimensional power

30 Performance in comparison backwards/forward curved blades
“Backwards curved” needs higher rotational speed and results in same performance with much higher efficiency!

31 “Düsseldorf” design tool
Graphical user interface based on EXCEL connected to AutoDesk for 3-D design.

32 “Düsseldorf” design procedure

33 “Düsseldorf” impeller design (Bommes – design concept)
impeller/inlet nozzle gap - a main importance from acoustical point of view

34 “Düsseldorf” impeller design (Bommes – design concept)
Horvat (2009) found new impeller /casing position for an improved acoustics. (Cut-off with big round nose and moved position into the casing volute.)

35 “Düsseldorf” impeller design (Bommes – design concept)
3-D design of casing and impeller are available for further CFD and FEM calculations.

36 Investigation of up-stream effects on the flow in an impeller blade section
impeller with volute casing free-wheeling impeller without casing

37 Investigation of up-stream effects on the flow in an impeller blade section
free-wheeling impeller without casing impeller with volute casing

38 Investigation of up-stream effects on the flow in an impeller blade section
free-wheeling impeller without casing impeller with volute casing … from acoustics point of view: with volute – no blade passing frequency free-wheeling impeller – with blade passing frequency

39 Variation of the casing width – Ph.d.-Thesis Schönwald 2014
30% increased width 60% increased width

40 Variation of the casing width – Ph.d.-Thesis Schönwald 2014
30% increased width 60% increased width

41 Variation of the casing width
Original % increased width

42 Summary – Industrial centrifugal fans – low energy consumption and low noise design Centrifugal fans designed with the guidelines of L. Bommes have an efficiency up to 87% with moderate noise emission. The “Düsseldorf” design concept allows to design a complete machine for any application in a few steps. The “too” often used centrifugal fans with forward curved blades should not be used any more. The efficiency of 60 % results in “energy wasting”. For a permanent running 20 kW machine around 6000 € could be saved in one year. Accurate CFD calculations are only possible with a hexahedral impeller grid and transient calculations over a minimum of 3 revolutions.

43 Optimale Position der Einlaufdüse
- Einfluss der Spaltströmung auf die Kennlinien -

44 Optimale Position der Einlaufdüse
- Einfluss der Spaltströmung auf die Kennlinien - 44

45 Parametrisierung der Radien (Positionierung der Einlaufdüse)
Die gedachte Verlängerung der Tangente am inneren Ende der Einlaufdüse soll den Deckscheibenradius durch beide Enden schneiden. Spaltlänge Spaltweite Deckscheibenradius Einlaufdüsenradius

46 Strömungsführung des Spaltstroms (CFD-Rechnung)
Optimale Führung Sekundärströmung in der Ecke

47 Abgedichteter Spalt an der Einlaufdüse
47 Dichtband Abdichtung des Spaltes zwischen Laufrad und Einlaufdüse.

48 Dimensionsloses Kennfeld – mit und ohne abgedichtetem Spalt
Aufwertung der Ventilatorkennlinie durch Abdichtung des Spaltes.

49 Spezifischer Schallleistungspegel: Normierung auf die Förderleistung
Der spezifischer Schallleistungspegel nach Madison … … ermöglicht eine Vergleichbarkeit von Strömungsmaschinen unterschiedlicher Bautypen. Referenzgrößen

50 Spezifischer Schallleistungspegel versus Wirkungsgrad
Der Spalt ist Bauteil mit akustischem Einfluss! „effizient“ aber nicht „leise“

51 Low Noise Design: akustisch optimierte Gehäusezunge
Unter akustischen Gesichtspunkten optimierte Zunge - „fest verdrahtet“ in parametrisierter Zeichnung. Der Abstand zwischen Laufrad und Zunge beträgt 0,125-0,167 vom Laufraddurchmesser. Die Zunge ist nicht das nächste feststehende Bauteil zum Laufrad. Der Radius der Gehäusezunge sollte einen möglichst großen Radius haben. Akustisch wirksame Zunge ist strömungstechnisch nicht optimal  Wirkungsgradverlust ! jz

52 Gehäusezunge – reduzierte Effizienz verbesserte Akustik

53 Dimensionsloses Kennfeld – Vergleich Original und Modifikation

54 Spezifischer Schallleistungspegel – Original und Modifikation
Die Konfiguration mit der modifizierten Gehäusezunge ist im Auslegungspunkt leiser. ≈ 4 dB

55 Schmalbandspektrum - Blattfolgefrequenz
ca. 10 dB Im Vergleich zum Original-Design kann der Pegel der BFF um über 10 dB gesenkt werden.

56 - keine Optimierung - Einfluss der Schaufelwinkel auf die Aerodynamik und Akustik rückwärts gekrümmt gerade radial endend

57 Dimensionsloses Kennfeld – Vergleich der Schaufelformen
flache Kennlinie war Kundenwunsch! rückwärts gekrümmt gerade radial endend

58 Spezifischer Schallleistungspegel – Vergleich der Schaufelformen
Das Laufrad mit rückwärts gekrümmten Schaufeln ist über weite Teile der Kennlinie akustisch am günstigsten. Auslegung leisester Betrieb - Gehäuse ist zu klein - rückwärts gekrümmt gerade radial endend (Gesetz von MADISON (1949))

59 Spezifischer Schallleistungspegel versus Wirkungsgrad
59 rückwärts gekrümmt ist „leise“ und „effizient“ rückwärts gekrümmt gerade radial endend

60 Geräuschprognose mittels Ähnlichkeitstheorie
Variation der Zungengeometrie

61 Hier exemplarisch: Variation der Zungengeometrie
Spiralgehäuse mit Vier-Radien-Methode konstruiert

62 Geräuschprognose mittels Ähnlichkeitstheorie
(Gesetz von MADISON (1949)) Variation der Zungengeometrie

63 Zungenabstand und Geräuschentstehung
s [mm] Laufrad= 380 mm

64 Zungenabstand und Geräuschentstehung
s [mm] Laufrad = 380 mm

65 Literaturangaben Horvat, I., Kameier, F.: CAE für Radialventilatoren unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes – Energieeffizienz, Haltbarkeit, Lärm, FKZ 1776X07, BMBF Forschungsprojektes, Abschlussbericht Juni 2009. Willburger, A.,Lawerenz, M., Hoppe, L., Düsen- und Beschaufelungsgeometrie freilaufender Radialventilatoren, HLH Bd. 59 Br. 1, 2008 Bommes, Fricke, Grundmann (Hrsg.), Ventilatoren, 2. Auflage, Essen, Vulkan-Verlag 2002. Bommes, L., Reinartz, D., Entwurfspolynome zur optimalen Auswahl und Bemessung von Industrieventilatoren radialer Bauart, 5th Conference of Industrial Fans, Zakopane, 6-8th October 1997. Bommes, L., Reinartz, D., Polynomisches Verfahren zur optimalen Gestaltung von Radialventilatoren, HLH Bd. 48 Nr. 4, 1997. Bommes, L.: Minderung des Drehklanges bei einem Radialventilator kleiner Schnellläufigkeit, Fo-Bericht Nr. 2895, Westdeutscher Verlag, 1979. Bommes, L., Brockmeyer, H., Reinders, H., Lüftungstechnisches Taschenbuch, Niederrhein-Verlag, 1975 Bommes, L., Problemlösungen bei der Gestaltung von Radialventilatoren, HLH Bd. 25 Br. 12, 1974