image 67157 25 v1
Galéria(5)

Usmerňované prúdenie vo ventilátoroch

Partneri sekcie:

Riešenie so vstupnou vzduchovou mriežkou výrazne znižuje hlučnosť ventilátorov. Užívatelia si často všimnú, že v chladiacich, klimatizačných a ventilačných zariadeniach nepracujú inštalované ventilátory tak ticho, ako očakávali. Tieto ventilátory sú počas prevádzky často zdrojom hluku, ktorého hladina je značne vyššia, než uvádza produktová dokumentácia.

obr3
01 EBM
02 EBM
obr4
04 EBM

Vstupná mriežka do axiálnych a radiálnych ventilátorov

Dôvod vyššieho hluku je jednoduchý: hodnoty uvedené v dokumentácii vychádzajú z reprodukovateľných meraní pri štandardných (laboratórnych) podmienkach bez rušivého vplyvu okolitého prostredia. Ventilátory v bežných aplikáciách však majú len málokedy dostatok priestoru na vytvorenie rovnomerného (laminárneho) prúdenia na vstupe či na výstupe, a tak sa samotná aplikácia stáva zdrojom hlučnosti. Intenzita je rôzna a závisí od podmienok inštalácie v príslušnom zariadení. Riešením je vstupná mriežka so špecifickou geometriou, ktorá má v podstate vyrovnávací účinok, vďaka ktorému dochádza k značnému zníženiu nežiaducich turbulencií a aj k efektívnemu zníženiu hladiny vznikajúceho hluku. Tepelné čerpadlá a klimatizačné zariadenia sa inštalujú rozličnými spôsobmi, majú rôzne rozmery a konštrukciu. Rozdiely sú napríklad v umiestnení otvorov na vstup vzduchu do jednotky a výstup vzduchu z nej, v ploche výmenníka tepla a v hustote komponentov inštalovaných v zariadení. Prúdiaci vzduch vstupujúci do ventilátora je teda okrem spôsobu inštalácie ovplyvnený aj ďalšími faktormi, napríklad výmenníkom tepla. V dôsledku toho je (v závislosti od aplikácie) prúd vzduchu vstupujúci do ventilátora veľmi nerovnomerný a obsahuje neustálené zložky. Steny plášťa obdĺžnikových výmenníkov vytvárajú oblasti so spätným prúdením a tým spôsobenými vzduchovými turbulenciami (obr. 1). Toto prúdenie smeruje k miestam s najmenším priestorom medzi saním ventilátora a stenou plášťa. Tu sa prúdnice z oboch strán spájajú a spôsobujú masívne lokálne turbulencie. Tým dochádza k veľkému kolísaniu tlaku a rýchlosti na prednej hrane lopatky, čo môže niekedy viesť k drastickému zvýšeniu hladiny hluku, a to najmä v pásme nízkych frekvencií. Tvorí sa širokopásmový a nízkopásmový hluk so zvukovými zložkami, ktorý sa označuje aj ako tónový hluk. Tónový hluk vytvárajú lopatky prechádzajúce oblasťami s turbulenciami (označuje sa aj ako BPF – Blade Pass Frequency) a jeho harmonické zložky. Tomu zodpovedá vzorec f = n . z . k. Frekvencia hluku pri prechode vzduchu lopatkami f sa vypočíta ako súčin otáčok ventilátora n a počtu lopatiek z. Harmonické zložky hluku pri prechode prúdenia lopatkami sú jej násobkom a označujú sa k. Preto napríklad axiálny ventilátor s piatimi lopatkami s rýchlosťou 1 200 ot./min. (20 ot./s) vytvára hluk pri prechode lopatkami s frekvenciou 100 Hz. Výsledkom je teda nepríjem­ný „bzučivý“ zvuk.

Typický vstupný profil prúdenia s turbulenciami v zákazníckej aplikácii

Obr. 1  Typický vstupný profil prúdenia s turbulenciami v zákazníckej aplikácii

Koniec „bzučivého“ hluku

Ďalší hluk, ktorý vytvárajú výmenníky tepla a klimatizačné zariadenia, je nielen nežiaduci, ale aj netolerovateľný – najmä v prípade obytných prostredí –, jeho eliminácia však nie je vôbec jednoduchá. Nemožno kompenzovať narušenie v prúdení vzduchu optimalizáciou ventilátora. V praxi nebola úspešná ani dodatočná izolácia krytu, a to preto, že izolačné panely sú obvykle účinné len pri vyšších frekvenciách. Špecialisti na ventilátory z ebm-papst Mulfingen preto zvolili odlišný prístup: ak sa ustáli prúdenie vzduchu na vstupe do ventilátora, zníži sa turbulencia a tým sa znížia aj nepríjemné nízkofrekvenčné zvuky, ktoré spôsobuje. Na základe tohto vyvinuli špeciálnu vstupnú mriežku FlowGrid s usmerňujúcim účinkom na vstupe do ventilátora (obr. 2). Táto mriežka zásadne redukuje narušené prúdenie vstupujúceho vzduchu, ktoré spôsobuje hluk a účinne funguje pri axiálnych aj radiál­nych ventilátoroch. Napríklad v prípade kondenzátora vybaveného axiálnym ventilátorom zníži využitie FlowGridu hladinu hluku o 3,9 dB(A) a tónový hluk o 16 dB. Pokiaľ ide o nízkoprofilové klimatizačné zariadenie (priemer 250 mm), znižuje FlowGrid hladinu hluku o 2,5 dB(A) a tónový hluk o 9 dB. Na obr. 3 sú znázornené výsledky meraní hluku na príklade kondenzátora. Použitie vstupnej vzduchovej mriežky znižuje hladinu akustického tlaku a podstatne znižuje tónový hluk. Preto sa značne zmenšuje potreba použitia izolácie a ochrany proti hluku. Vstupná vzduchová mriežka je vyrobená zo vstriekavaného plastu a spĺňa rôzne triedy požiarnej ochrany až po UL94-5VA. Rýchle a jednoduché pripevnenie mriežky FlowGrid k axiálnym a radiálnym ventilátorom sa realizuje pomocou štandardných závitov. V závislosti od konštrukcie konečného zariadenia možno mriežku FlowGrid inštalovať aj dodatočne, napríklad počas servisných prác. V prípade axiálneho ventilátora s veľkosťou 800 mm si vstupná vzduchová mriežka vyžaduje dodatočný inštalačný priestor 15 cm v axiálnom smere, ktorý je obvykle k dispozícii pri väčšine aplikácií.

stupná mriežka radikálne znižuje narušené prúdenie vstupujúceho vzduchu spôsobujúce hluk a účinne funguje ako pri axiálnych, tak aj pri radiálnych ventilátoroch. Nemá prakticky žiadny vplyv na príkon a vzduchovú charakteristiku ventilátora

Obr. 2  Vstupná mriežka radikálne znižuje narušené prúdenie vstupujúceho vzduchu spôsobujúce hluk a účinne funguje ako pri axiálnych, tak aj pri radiálnych ventilátoroch. Nemá prakticky žiadny vplyv na príkon a vzduchovú charakteristiku ventilátora

Ďalšia možnosť akustického vylepšenia

Užívatelia a výrobcovia jednotiek s axiálnymi ventilátormi môžu s ohľadom na zníženie hlučnosti využiť aj ďalší pasívny komponent z dielne ebm-papst. Ak užívatelia kombinujú na ventilátore vyššie opísanú vstupnú vzduchovú mriežku s difúzorom AxiTop na výtlačnej strane, zvýšia energetickú účinnosť a ešte viac znížia emisie hluku – najmä v strednom frekvenčnom pásme. Znamená to, že FlowGrid znižuje nízkofrekvenčné pásmo, zatiaľ čo AxiTop poskytuje ďalšie zníženie v strednom frekvenčnom pásme. V prípade ventilátora s výstupom do voľného priestoru sa výstupné straty často podceňujú z hľadiska spotreby energie. Špeciálne navrhnutý vnútorný aj vonkajší difúzor Axitopu tieto straty minimalizuje. Funguje skôr ako obrátená dýza a značne znižuje výstupné straty vďaka tomu, že zvyšuje statický tlak. Zvyšuje sa účinnosť, a zároveň sa znižuje prevádzkový hluk.

Obr. 3  Použitie vstupnej vzduchovej mriežky výrazne znižuje hladinu akustického tlaku a podstatne oslabuje tónový hluk. Obrázok znázorňuje konkrétne výsledky merania hluku na kondenzátore

Obr. 3  Použitie vstupnej vzduchovej mriežky výrazne znižuje hladinu akustického tlaku a podstatne oslabuje tónový hluk. Obrázok znázorňuje konkrétne výsledky merania hluku na kondenzátore

Ideálne prevádzkové podmienky pre ventilátory

Akustické zlepšenia sú zaujímavé predovšetkým vtedy, keď ventilátory pracujú v prostrediach, v ktorých je hluk kritickým faktorom. Ideálne je, keď má užívateľ možnosť kombinovať vstupnú mriežku FlowGrid s výstupným difúzorom Axitop (obr. 4, 5), napríklad v prípade použitia testovaného kondenzátora. V tomto prípade prechádza vonkajší vzduch cez tepelný výmenník. Kondenzátor je vybavený axiálnym ventilátorom s priemerom 800 mm a na tlakovej strane má umiestnený difúzor. Hladinu hluku možno pomocou vstupnej mriežky znížiť o ďalšie 3 dB(A). Vďaka spoločnému použitiu difúzora AxiTop a mriežky FlowGrid sa hladina hluku zníži o 5,8 dB(A) a tónový hluk o 20 dB  – v okolí jednotky túto zmenu poznať. Rovnako ako vstupná mriežka, aj difúzor je vyrobený z ľahkého a odolného plastu a jednoducho sa montuje na väčšinu aplikácií. Keďže je iba 250 mm vysoký, netreba obvykle zmeniť konštrukciu aplikácie, a to ani v prípade jej modernizácie.  Vďaka použitiu pasívnych komponentov – difúzora a vstupnej vzduchovej mriežky – špecialisti z firmy ebm-papst Mulfingen opäť uspeli v neustále napredujúcom vývoji technológií do ventilátorov a v stanovovaní nových štandardov. Optimalizácia vstupného a výstupného prúdu vzduchu ponúka ideálne prevádzkové podmienky pre ventilátory a umožňuje čo najtichšiu a energeticky efektívnu prevádzku.

Obr. 4  Difúzor obmedzuje vznik hluku v strednom frekvenčnom pásme a možno ho kombinovať so vstupnou vzduchovou mriežkou

Obr. 4  Difúzor obmedzuje vznik hluku v strednom frekvenčnom pásme a možno ho kombinovať so vstupnou vzduchovou mriežkou

Spoločné použitie difúzora AxiTop a mriežky FlowGrid viedlo pri testovanom kondenzátore  k zníženiu emisií hluku o 5,8 dB(A), a to najmä v strednom frekvenčnom pásme
Obr. 5  Spoločné použitie difúzora AxiTop a mriežky FlowGrid viedlo pri testovanom kondenzátore
k zníženiu emisií hluku o 5,8 dB(A), a to najmä v strednom frekvenčnom pásme

Obrázky: ebm-papst
Jens Müller, Michael Strehle
Autori pracujú na oddelení vývoja v oblasti aerodynamiky v spoločnosti ebm-papst Mulfingen.

Článok bol uverejnený v TZB Haustechnik.