Usmerňované prúdenie vo ventilátoroch

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.

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.

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.

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

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. 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.