Ventilatoren gehören zu den größten Energieverbrauchern in der EU. Besonders energieintensive Industrieventilatoren werden in der Zementindustrie eingesetzt, wobei in diesem Einsatzgebiet die Anforderungen hinsichtlich des Einflusses von Staub zu Einschränkungen der aerodynamischen Auslegung der Laufräder führt. Empirische Erfahrungen werden mit modernsten Auslegungsverfahren verknüpft, um mittels Optimierungsalgorithmen hoch effiziente Konstruktionsdesigns zu finden und technisch anwendbar zu machen. Für Anwendungen in Lüftungsanalgen generell steht die Gehäusegeometrie als Spiralgehäuse im Fokus der Untersuchungen.

Herausforderung

Die Ökodesign-Richtlinie Ventilatoren nennt Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Ventilatoren und gibt in der Verordnung (EU) Nr. 327/2011 zur Umsetzung auch Zahlenwerte für einen fortschrittlichen Energieverbrauch und für das Einsparpotential in dem Zeitfenster von 2005 bis 2020 an. Demnach hätten bei einer vollständigen Umsetzung der Ökodesign-Richtlinie und bei Übereinstimmung von Bedarf und Prognose des Energiebedarfs in der EU bis zu 45 Kraftwerke mit einer jeweiligen Kapazität von 800MW eingespart werden können. Das vorliegende Forschungsprojekt Green-Fans trägt dazu bei, dass der Energiebedarf zukünftiger Installationen gerade von großen Industrieventilatoren deutlich reduziert wird und durchweg Wirkungsgrade von über 80% realisiert werden. Der industrielle Ansatz zur Fertigung von Industrieventilatoren war bisher eine Art Baukastensystem. Zeitgemäß sind dagegen eine individuelle Auslegung und bessere Anpassung an den industriellen Einsatz. Für die Auslegung von Industrieventilatoren radialer Bauart steht kommerzielle Software zur Verfügung, die im Rahmen des Forschungsprojektes mit den Ergebnissen der Hochschulforschung an die Anforderung "Industrieventilator" und insbesondere im Einsatzbereich der Zementherstellung (Laufräder) und Lüftungsanlagen (Spiralgehäuse) optimiert werden soll. Energieeffizienz und Haltbarkeit stehen dabei im Fokus.

Ziele und Vorgehen

Die Auslegung einer Strömungsmaschine ist ein semi-empirisches und iteratives Verfahren. Die Produktpalette der Ventilatorhersteller ist aufgrund ihrer Baukastenphilosophie imitiert und beschränkt sich oftmals auf ineffiziente gerade Schaufelformen. Hier setzt das avisierte Forschungsvorhaben an:

• Optimierung der Schaufelform entsprechend der gesetzten aerodynamischen Gesamtperformance,
• Berücksichtigung der Fertigbarkeit (keine Profilierung, keine 3D-Verwindung),
• CFD Analysen mit Mehrkomponentenfluid (Prozessgas und Feststoffanteil wie z.B. in der Zementindustrie),
• die Ermittlung der notwenigen Ein- und Austrittswinkel um einen sicheren Abtransport des Feststoffs zu gewährleisten,
• Reduktion von Ablöse- und Rückströmgebieten (z.B. mittels Spiralgehäuse),
• ableiten eines Prognosemodells für eine passende Schaufelform in Abhängigkeit der aerodynamischen Betriebsbedingungen, des mitgeförderten Feststoffs (Dichte, Massenanteil etc. Fokus auf Zementindustrie) für eine Implementierung in die Designsoftware.​

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Innovationen und Perspektiven

Mit dem Forschungsprojekt erfolgt auf hohem industriellem Niveau ein Beitrag zur Dekarbonisierung und eine Motivation gerichtet an die Beschäftigten und Entscheider von Zementwerken, den Einsatz von Hochtechnologien zu fokussieren, um an einen moderaten Energieverbrauch zu gelangen - ähnlich den Erfolgen bei Leuchtmitteln mit der Umstellung auf LED.

Die Fortentwicklung der kommerziellen Software zur Auslegung von Strömungsmaschinen soll durch die geplante "Autopilot-Funktion" einfacher zugänglich gemacht werden. Erleichterte Bedienung des Auslegungswerkzeugs und Vereinheitlichung der Auslegungsphilosophien werden verfolgt. Die numerischen Untersuchungen decken relevantes Produktportfolio unter Variation der verschiedenen Einsatzbedingungen ab. Optimierte Schaufelkonfigurationen werden entwickelt. Diese Datenbasis wird zum Aufbau eines stetig erweiterbaren Metamodells genutzt, was in industrielle Auslegestrategie eingebunden werden kann. Mit einem automatisierten Design-Werkzeug können einfache Varianten von Strömungsmaschinen ausgelegt werden, die z.B. aeroakustisch zu optimieren sind – weitere Forschungsarbeiten werden somit folgen.

Perspektive ist auch die Etablierung eines Prognosewerkzeuges, welches dann ohne individuelle CFD-Analysen jeder Maschine die Prognose einer für die jeweiligen Einsatzbedingungen energetisch optimierte Schaufel- und Laufradgeometrie liefert und dies unter Einhaltung der Fertigbarkeit sowie der Vermeidung von Anbackungen. Weitere Perspektiven sind eine Generalisierbarkeit des Designkonzeptes zur Anwendung der Anbackungsvermeidung in anderen Bereichen wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie (bspw. Kaffeemehl) oder generell der Einsatz in der Stahlindustrie.​