Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis

Präsentation zum Thema: "Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis"—  Präsentation transkript:

0 Strömungstechnik II Planung des Semesters
Frank Kameier Raum E5.40, Tel Vorlesung 1 Einführung und „Was ist ein Ventilator?“ Praktikum 1: Ähnlichkeitstheorie (Energieersparnis und 1-D Stromfadenberechnung mit Excel) Vorlesung 2 Volumenstrommessung Vorlesung 3 Grundlagen Strömungsmechanik Vorlesung 4 Strömungsablösung Vorlesung 5 Kavitation Vorlesung 6 Tensorrechnung/Navier-Stokes Gleichung Praktikum 2: Pumpenkennlinie und Kavitation Vorlesung 7 Navier-Stokes Gleichung Vorlesung 8 Windenergieanlagen Praktikum 3: CFD Vorlesung 9 Strömungsmaschinen Vorlesung 10 Sichtbarmachung Praktikum 4: Radialverdichter Vorlesung Grenzschichtströmung Vorlesung Instationöre Aerodynamik in Strömungsmaschinen Praktikum: Rücksprache Vorlesung Wiederholung Vorlesung Prüfungsvorbereitung

1 Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis
1. Vorlesung Strömungstechnik II PEU Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis • Strömungsmaschinen - Turbinen Pumpen Verdichter Ventilatoren - Gasturbinen / Flugtriebwerke • Strömungsmechanik - Luftfahrt KFZ Aerodynamik Messtechnik (Gas- und Wasserverbrauch) • Strömungsakustik - Musikinstrumente

2 Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis
1. Vorlesung Strömungstechnik II PEU Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis • Wo finden Sie Anwendungen der Strömungstechnik? • Welcher theoretische Background ist zum Verständnis notwendig? • Welche Bücher eignen sich zum Lernen?

3 Dimensionsbetrachtung
-Vergleich der Einheiten- Massenerhaltung /Kontinuitäts-Gl. Mechanische Energieerhaltung (aus Impulserhaltung) Bernoulli-Gleichung Wiederholung – Wiederholung - Wieder

4 Flettner Rotor – Magnus Effekt
Buckau - Baujahr 1924 Alcyone - Baujahr 1980 Quelle:

5 Flettner Rotor – Magnus Effekt
Enercon E-Ship - Konzept - Bau bis 2010: Frachtschiff für Windkraftanlagen mit Flettner-Antrieb Mbuli - Baujahr 2007 Quelle:

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7 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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9 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

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11 http://www. aweconsortium

12 Fahrzeuginnengeräusche – Grundlagenuntersuchungen für die BMW Group -
Kameier, Horvat, Wagner, Ullrich, ATZ, Juni 2009

13 Wie sieht die Zukunft aus?
aus: März 2008

14 Prüfung und Prüfungsfragen
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 II und mündliche Prüfung ab 5. September 2013, Termin 1 x pro Monat – Fragen und Aufbau der Prüfung wie bei der Klausur Wichtigste Literatur zur Vorlesung

15 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), Rolls-Royce plc.: The jet engine, Derby, 1996. Kameier: Vorlesungsskript Strömungsmaschinen, FH Düsseldorf 1999, Kameier, Reinartz: Vorlesungsskript Strömungsakustik, FH Düsseldorf 2001

16 Was versteht man unter einem Ventilator?
Ventilatoren – Vorbereitung des 1. Praktikumstermin Was versteht man unter einem Ventilator? axial radial diagonal Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet

17 Was versteht man unter einem Ventilator?
Turbo-machine / Blower / Industrial Fan rotor stator inlet nozzle impeller centrifugal fan rotor blade axial fan volute Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet

18 Wann nennt man eine Strömungsmaschine Ventilator?
Was versteht man unter einem Ventilator? Wann nennt man eine Strömungsmaschine Ventilator?  Druckerhöhung < Pa

19 Was versteht man unter einem Ventilator?
statischer Druck – Totaldruck – Gesamtdruck (für inkompressible Medien)

20 Ventilatoren 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

21 Was versteht man unter einem Ventilator?
Temperaturerhöhung in Folge einer Druckänderung (kompressible Strömung, Ventilator) Faustformel: pro 1000 Pa Druckerhöhung ergibt sich 1K Temperaturerhöhung isentrope_temperaturerhoehung xls

22 Was versteht man unter einem Ventilator?
Kompressible Strömungen aus den Isentropenbeziehungen, vgl. Schade/Kunz/Paschereit/Kameier (2007) kompressibel_inkompressibel081102_lösung.xls

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

24 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

25 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!

26 Was versteht man unter einem Ventilator?
Wie ermittelt man die notwendige Antriebsleistung? (hier mit Proportionalitäten zur Drehzahl) Volumenstrom (auch qv abgekürzt) Druckdifferenz(auch ptot abgekürzt) Leistung (qv * ptot / Wirkungsgrad)

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

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

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

30 Beispiel: Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel
Kann man einen leiseren Ventilator einbauen? Energieversorgungsblock - Bahn

31 Beispiel: Energieversorgungsblock - Austrittsströmung
Austrittsströmung durch Gitter - Volumenstrombestimmung

32 Beispiel: Energieversorgungsblock - Eintrittströmung
Energieversorgungsblock - Bahn

33 Beispiel: Was muss man tun, um die Schallemission zu reduzieren?
verbauter Ventilator - K3G 355-AY40 pfa=600 Pa, ptot=623 Pa, qV=2900 m3/h (Auslegung) pfa =Druckerhöhung „frei ausblasend“

34 Definition „frei ausblasend“ - für einen saugseitigen Prüfstand -
Messverfahren für Strömungsmaschinen – frei ausblasend Definition „frei ausblasend“ - für einen saugseitigen Prüfstand - Da theoretisch für c2 gilt c2=0 wird ein pfreiausblasend definiert: p1 p2 saugseitiger Kammerprüfstand gemäß DIN 24163 mit p1=pb-p1 Die Geschwindigkeiten sind gemäß der Kontinuitätsgleichung aus dem Volumenstrom zu bestimmen!

35 Messung des Volumenstrom – Rückrechnung der Druckdifferenz
17,5 % geforderter Volumenstrom wird nicht erreicht

36 Druckverlust im System muss reduziert werden!
verbauter Ventilator - K3G 355-AY40 Ist: ptot=680 Pa, qV=2300 m3/h Soll: qV=3000 m3/h, d.h. ptot=600 Pa,

37 Effizienzklasse - Lüfter
EuP-Richtlinie (Energy-using Products Directive 2005/32/EG) ErP-Richtlinie (Energy-related Product Directive 2009/125/EG)

38 Kennlinie Axialventilator Mit verstellbaren Schaufeln
Quelle: Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz/Eidam/Rahn,

39 Was versteht man unter einem Ventilator?
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