Der optimale Wirbel Coburger Forscher ist nachhaltigeren Ventilatoren auf der Spur

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Die EU hat angekündigt, die Ökodesign-Richtlinie für Industrieventilatoren bald zu verschärfen. In seiner Doktorarbeit hat Manuel Fritsche dafür nun etwas entwickelt ...

Im Bereich Ventilatoren gibt es also politikgetriebenen Handlungsbedarf in Sachen Verbesserungen. Grund ist eben die EU-Verordnung Nr. 327/2011 als Teil der „ErP“-Richtlinie 2009/125/EG, die immer strengere Anforderungen an die Energieeffizienz für diese Maschinen vorschreibt. Der Mindestwirkungsgrad wird vom Gesetzgeber mit der Zeit also systematisch erhöht, bringt es Manuel Fritsche auf den Punkt. Das stelle aber für Ventilatorenhersteller eine ernstzunehmende technische Herausforderung dar. Per numerischen Strömungssimulationen kann er berechnen, wie verschiedene Faktoren die Luftströmung am Ventilator beeinflussen.

Turbulente Geschehnisse verstehen

Strömungen sind aber komplexe Vorgänge, die von Turbulenz, Dreidimensionalität und Instationarität dominiert werden, wie der Experte sagt. Vom Zusammenspiel hänge ab, wie die Luftströme sich bewegten. Wenn zum Beispiel am Ventilatorenblatt eine Verwirbelung entsteht, geht das auf Kosten der Wirksamkeit. Aber im Idealfall strömt die Luft einfach entlang der Schaufel des Ventilators. Wie die optimale Strömungsführung auszusehen hat, haben sich Spezialisten allerdings schon früher überlegt, heißt es weiter. Man hat dann mehrere Prototypen erstellt und getestet, was am besten funktioniert. Seit etwa 20 Jahren verlagern sich diese Tests auch immer mehr in puncto Computersimulationen, wobei man sich den Bau von Prototypen sparen kann. Und solche Simulationen beherrscht eben auch Fritsche. Bei den altbekannten Auslegungsverfahren wird von einer zylindrischen Nabenform und aerodynamisch profilierten Schaufeln ausgegangen, für die empirische Profildaten benötigt werden. Niederdruck-Axialventilatoren werden in der industriellen Praxis aus Kosten- und Fertigungsgründen allerdings meist mit dreidimensional gebogenen Schaufeln aus gleichbleibend dickem Blech hergestellt. Dafür hat Fritsche eine simulationsgetriebene Auslegungs- und Optimierungsstrategie für den Anwendungsfall eines Axialventilators mit Leitapparat entwickelt. Für die überdurchschnittliche Leistung dieser Doktorarbeit wurde er übrigens mit „Magna Cum Laude“ ausgezeichnet. Betreut wurde die kooperative Promotion an der Fakultät Maschinenbau und Automobiltechnik der Hochschule Coburg von Prof. Dr. Philipp Epple, sowie von Prof. Dr. Antonio Delgado vom Lehrstuhl für Strömungsmechanik der FAU Erlangen-Nürnberg.

Der richtige Gegenwind zum Klimawandel

Die Dissertation ist Teil eines Kooperationsprojekts zwischen der Hochschule Coburg und einem Ventilatorenhersteller, das über das Zentrale Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundeswirtschaftsministeriums gefördert wird. Mithilfe von Prototypen eines darin involvierten Ventilatorenherstellers, der aber nicht genannt wird, wurde Fritsches neues Auslegungs- und Optimierungsverfahren validiert. Als Handmuster hat ihm das Institut für Prototypen- und Modelltechnik der Hochschule Coburg Ventilatoren im 3D-Druckverfahren erstellt. Auf Basis seiner Forschung könnten Axialventilatoren nun mit nennenswerten Wirkungsgradsteigerungen und optimiertem Betriebsverhalten ausgelegt werden. Das trage dazu bei, die künftig strengere EU-Richtlinie mit Blick auf den Klimaschutz zu erfüllen. Und überall dort, wo große Lüftungsanlagen eingesetzt werden, kann das von ihm entwickelte Verfahren die Energieeffizienz von Ventilatoren verbessern.

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