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Vorlesung 1 Einführung und „Was ist ein Ventilator?“Praktikum 1: Ähnlichkeitstheorie (Energieersparnis und 1-D Stromfadenberechnung mit Excel)Vorlesung 2 VolumenstrommessungVorlesung 3 Grundlagen StrömungsmechanikVorlesung 4 StrömungsablösungVorlesung 5 KavitationVorlesung 6 Tensorrechnung/Navier-Stokes GleichungPraktikum 2: Pumpenkennlinie und KavitationVorlesung 7 Navier-Stokes GleichungVorlesung 8 WindenergieanlagenPraktikum 3: CFDVorlesung 9 StrömungsmaschinenVorlesung 10 SichtbarmachungPraktikum 4: RadialverdichterVorlesung 11 GrenzschichtströmungVorlesung 12 Instationöre Aerodynamik in StrömungsmaschinenPraktikum: RückspracheVorlesung 13 WiederholungVorlesung 14 Prüfungsvorbereitung
Strömungstechnik IIPlanung des Semesters
Frank Kameier Raum E5.40, Tel. 4351-9721 [email protected]
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Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis
• Strömungsmaschinen - Turbinen- Pumpen- Verdichter- Ventilatoren- Gasturbinen / Flugtriebwerke
• Strömungsmechanik - Luftfahrt- KFZ Aerodynamik- Messtechnik (Gas- und Wasserverbrauch)
• Strömungsakustik - Musikinstrumente
1. Vorlesung Strömungstechnik II PEU
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Motivation – Anwendung von Strömungstechnik in der Praxis
1. Vorlesung Strömungstechnik II PEU
• Wo finden Sie Anwendungen der Strömungstechnik?
• Welcher theoretische Background ist zum Verständnis notwendig?
• Welche Bücher eignen sich zum Lernen?
3
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4Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Dimensionsbetrachtung
2
c~
p 2
Massenerhaltung /Kontinuitäts-Gl.
Mechanische Energieerhaltung (aus Impulserhaltung)
Bernoulli-Gleichung
Ac~V
Fam
23
msm
~s
m
2
2
3 sm
~mkg
Pa
N~sm
kg 2
-Vergleich der Einheiten-
Wiederholung – Wiederholung - W
ieder
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Flettner Rotor – Magnus Effekt
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor
Buckau - Baujahr 1924
Alcyone - Baujahr 1980
5
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Flettner Rotor – Magnus Effekt
Quelle: http://www.hyc86.de/proa.htm
Mbuli - Baujahr 2007 http://www.skysails.info/index.php
• Enercon E-Ship - Konzept - Bau bis 2010: Frachtschiff für Windkraftanlagen mit Flettner-Antrieb
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http://de.wikipedia.org/wiki/E-Ship_1
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)
8
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http://en.wikipedia.org/wiki/Kitegen
9
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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
http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/allgemein/articles/236395/
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http://www.aweconsortium.org/public/downloads/resources/archer_caldeira.pdf
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Fahrzeuginnengeräusche – Grundlagenuntersuchungen für die BMW Group -
Kameier, Horvat, Wagner, Ullrich, ATZ, Juni 2009
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Wie sieht die Zukunft aus?
aus: www.qmtmag.com März 2008
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Wichtigste Literatur zur Vorlesung
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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 IIhttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/pruefung/index.htmlundhttp://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/Vorlesung/bachelor_PP_PEU/Stroemungstechnik_II/pruefungsfragen260510.doc
mündliche Prüfung ab 5. September 2013, Termin 1 x pro Monat – Fragen und Aufbau der Prüfung wie bei der Klausur
Prüfung und Prüfungsfragen
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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), http://www.tlt-turbo.com/dateien/194.pdf
Rolls-Royce plc.: The jet engine, Derby, 1996.
www.windpower.dk
Kameier: Vorlesungsskript Strömungsmaschinen, FH Düsseldorf 1999,http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/d_lehre/a_stroemungstechnik/Skript_stroemaschinen.pdf
Kameier, Reinartz: Vorlesungsskript Strömungsakustik, FH Düsseldorf 2001http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/d_lehre/b_stroemungsakustik/skript_stroeakustik.pdf
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Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet
diagonalradial
Ventilatoren – Vorbereitung des 1. Praktikumstermin
Was versteht man unter einem Ventilator?
axial
Was versteht man unter einem Ventilator?
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Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz; Fotos:Internet
centrifugal fan
Turbo-machine / Blower / Industrial Fan
axial fan
rotor stator
rotor blade impeller
Was versteht man unter einem Ventilator?
volute
inlet nozzle
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19Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Wann nennt man eine Strömungsmaschine Ventilator?
Druckerhöhung < 30000 Pa
Pollrich Ventilator Typ: VR 40 S20 C1 U K 0710
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Volumenstrom q_v [m^3/s]
To
tald
ruckerh
öh
un
g p
_to
tal [P
a]
n = 700 U/min n = 1000 U/min n = 1500 U/min n = 2000 U/min
Was versteht man unter einem Ventilator?
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20Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
statischer Druck – Totaldruck – Gesamtdruck
ungDruckändertotaleespezifisch
ungDruckänderstatischeespezifisch
1221
22 pp2
ccp
(für inkompressible Medien)
„Gesamt“ = „total“ = „dynamisch“ + „statisch“
Was versteht man unter einem Ventilator?
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21Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Welche Rolle spielt die Kompressibilität der Luft?
Druckerhöhung < 30000 Pa
TRp
ideale Gasgleichung
R 287 J/(Kg K)p_b 101300 Pa NormzustandT 273 K 0° C Normzustand
dp rho0 1,293
1000 1,3062000 1,3184000 1,3448000 1,395
10000 1,42120000 1,54840000 1,803
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
0 10000 20000 30000 40000 50000
rho [kg/m^3]
delta_p [Pa]
Ventilatoren
Was versteht man unter einem Ventilator?
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22Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
1. Berechnen Sie die isentrope Temperaturerhöhung bei einer Druckänderung von1000 Pa2000 Pa5000 Pa10000 Pa.
isentrope Relation T2=T1((p1/p2)^((kappa-1)/kappa))[°C] [°C]
p_0 delta_p T_0 delta_T100000 1000 20 0,8100000 2000 20 1,7100000 5000 20 4,1100000 10000 20 8,1
(T_0+273,15)/((p_0/(delta_p+p_0))^((1,4-1)/1,4))-T_0-273,15
Temperaturerhöhung in Folge einer Druckänderung (kompressible Strömung, Ventilator)
isentrope_temperaturerhoehung160403.xls
Faustformel:pro 1000 Pa Druckerhöhungergibt sich 1K Temperaturerhöhung
1
1
21
1
00 Ma2
11
T
T
Was versteht man unter einem Ventilator?
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23Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
kappa 1.4 LuftT 293 °CR 287 J/Kg Ka 343 m/s Schallgeschwindigkeit
[m/s] [km/h] [kg/m^3] [kg/m^3] [%]c_ms c_kmh Ma rho_0 rho rho_0-rho/rho
10 36 0.03 1.2 1.199 0.030 108 0.09 1.2 1.195 0.450 180 0.15 1.2 1.187 1.1
100 360 0.29 1.2 1.151 4.3150 540 0.44 1.2 1.093 9.8
1
1
21
1
00 M a2
11
T
T
Kompressible Strömungen
1
1
21
1
00 Ma2
11
T
T
aus den Isentropenbeziehungen,
vgl. Schade/Kunz/Paschereit/Kameier (2007)
kompressibel_inkompressibel081102_lösung.xls
Was versteht man unter einem Ventilator?
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24Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
Kompressible Strömung – Näherung mit mittlerer Dichte(hier: Staubsaugergebläse)
2AustrittrittintE
Mittel
Was versteht man unter einem Ventilator?
Y=
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25Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
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
Was versteht man unter einem Ventilator?
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26Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
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!
Was versteht man unter einem Ventilator?
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(hier mit Proportionalitäten zur Drehzahl)
s1
n~s
mV
3Volumenstrom (auch qv abgekürzt)
2
22tot s
1n~
mNPapDruckdifferenz(auch ptot abgekürzt)
3
33
2
tot s1
n~s
Kgms
NmVpWP Leistung (qv * ptot / Wirkungsgrad)
Wie ermittelt man die notwendige Antriebsleistung?
Was versteht man unter einem Ventilator?
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28Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen
Bild 10. Relatives Oktavschallleistungsspektrum für die Baugruppe RR
Wie ermittelt man die „Akustik“ eines Ventilators?
Was versteht man unter einem Ventilator?
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29Kameier 2013 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
20 200 2000 20000
Lw [dB]
f [Hz]
Vergleich Prognose zu Messung RV722 (optimaler Bommes Ventilator n=1400 1/min D=0,722 m, qv=1,76 m^3/s, dp=1939 Pa)
Messung Lw=94,8 dB
Prognose Lw=102,2 dB
0A
Alg10LpLw
Schallleistungspegel=Schalldruckpegel + durchschallte Fläche (A0=1m2)
VDI 2081 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen
Was versteht man unter einem Ventilator?
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Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel
Im optimalen Betriebspunkt sind
der Wirkungsgrad maximal der Schallpegel minimal
Kennlinie
Wirkungsgrad
Schalldruckpegel
η
Lw
Δp
optimalerBetriebspunkt
V•
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Beispiel: Lüfterkennlinie • Wirkungsgrad • Schallpegel
Energieversorgungsblock - Bahn
Kann man einen leiserenVentilator einbauen?
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Beispiel: Energieversorgungsblock - Austrittsströmung
Austrittsströmung durch Gitter - VolumenstrombestimmungJet s
tream
s
Velo
city
bala
nce
> 3
50 m
m
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Beispiel: Energieversorgungsblock - Eintrittströmung
Energieversorgungsblock - Bahn
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Beispiel: Was muss man tun, um die Schallemission zu reduzieren?
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pfa =Druckerhöhung „frei ausblasend“
pfa=600 Pa, ptot=623 Pa, qV=2900 m3/h (Auslegung)
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Definition „frei ausblasend“- für einen saugseitigen Prüfstand -
Messverfahren für Strömungsmaschinen – frei ausblasend
Da theoretisch für c2 gilt c2=0 wirdein pfreiausblasend definiert:
2c
pp21
1fa
2
22cpp fat
Die Geschwindigkeiten sind gemäß der Kontinuitätsgleichung aus dem Volumenstrom zu bestimmen!
mit p1=pb-p1
p1p2
saugseitiger Kammerprüfstand gemäß DIN 24163
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Messung des Volumenstrom – Rückrechnung der Druckdifferenz
17,5 %geforderter Volumenstrom wird nicht erreicht
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Druckverlust im System muss reduziert werden!
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Ist: ptot=680 Pa, qV=2300 m3/h Soll: qV=3000 m3/h, d.h. ptot=600 Pa,
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Effizienzklasse - Lüfter
EuP-Richtlinie (Energy-using Products Directive 2005/32/EG) ErP-Richtlinie (Energy-related Product Directive 2009/125/EG)http://www.elektror.de/ErP-Richtlinie.969.0.html#10903
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Kennlinie AxialventilatorMit verstellbaren Schaufeln
Quelle: Ventilatorenfibel, Turbo-Lufttechnik, Grundmann/Schönholtz/Eidam/Rahn,
www.tlt-turbo.com/dateien/194.pdf
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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
Was versteht man unter einem Ventilator?