Zur Her­stel­lung moder­ner Werk­stof­fe ist eine exak­te Tem­pe­ra­tur­füh­rung wäh­rend der Wär­me­be­hand­lung erfor­der­lich. Die Pro­zes­se zur Behand­lung von Alu­mi­ni­um- und Kup­fer­werk­stof­fen sowie eini­ger Stahl­sor­ten mit einer Behand­lungs­tem­pe­ra­tur bis 800 °C wer­den häu­fig in Hoch­kon­vek­ti­ons­öfen mit Zwangs­um­wäl­zung durch­ge­führt. Dabei wird ein hohes Maß an Tem­pe­ra­tur­gleich­mä­ßig­keit im Ofen gefor­dert. Da die Wär­me­über­tra­gung über Kon­vek­ti­on erfolgt, ergibt sich dar­aus die For­de­rung nach einem mög­lichst gro­ßen und gleich­mä­ßi­gen Volu­men­strom. In Hoch­kon­vek­ti­ons­an­la­gen wer­den Ven­ti­la­to­ren ver­schie­de­ner Bau­art ein­ge­setzt, haupt­säch­lich Axi­al- und Radi­al­ven­ti­la­to­ren, Quer­strom­ven­ti­la­to­ren bil­den bis­her die Aus­nah­me. Die nach­ste­hen­de Tabel­le lis­tet die wich­tigs­ten Eigen­schaf­ten (Wir­kungs­grad und maxi­ma­le Betriebs­tem­pe­ra­tur) sowie Vor- und Nach­tei­le der ver­schie­de­nen Ven­ti­la­tor­ty­pen auf.

Ver­gleich ver­schie­de­ner Ventilatorbauarten

Als Alter­na­ti­ve zu den bis­her haupt­säch­lich ein­ge­setz­ten Lauf­rad­ty­pen bie­ten sich Quer­strom­ven­ti­la­to­ren an. Quer­strom­ven­ti­la­to­ren sind Ven­ti­la­to­ren, die das Pro­zess­gas radi­al ansau­gen und aus­bla­sen. Sie errei­chen bei glei­chem Volu­men­strom eine höhe­re Strö­mungs­gleich­mä­ßig­keit als ein ver­gleich­ba­res Radi­al­ge­blä­se. Die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit ist nahe­zu homo­gen über die Aus­blas­brei­te. Dies ist ein ent­schei­den­der Vor­teil für den Ein­satz in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen, da hier ein gleich­mä­ßi­ger Volu­men­strom über die gesam­te Ofen- bzw. Zonen­brei­te gefor­dert ist. In dem vor­an­ge­gan­ge­nen IGF-Vor­ha­ben 18418 N konn­te gezeigt wer­den, dass Quer­strom­ven­ti­la­to­ren die strö­mungs­tech­ni­schen Anfor­de­run­gen für den Ein­satz in typi­schen Indus­trie­öfen erfül­len. Der im vor­an­ge­gan­ge­nen IGF-Vor­ha­ben 18418 N am Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau und Wär­me­tech­nik auf­ge­bau­te Heiß­ver­suchs­stand eig­net sich zur Unter­su­chung von Quer­strom­ven­ti­la­to­ren bei einer Pro­zess­tem­pe­ra­tur bis 500 °C. Der Quer­strom­ven­ti­la­tor ist an einen Strö­mungs­ka­nal ange­flanscht, sodass das Ven­ti­la­tor­mo­dul ein­fach aus­ge­tauscht wer­den kann. Die Luft wird im Heiß­ver­suchs­stand im geschlos­se­nen Kreis geför­dert. Die Anla­gen­kenn­li­nie kann über eine Dros­sel­vor­rich­tung ein­ge­stellt wer­den. Vier gleich­läu­fi­ge Dros­sel­klap­pen wer­den dabei über einen Line­ar­ak­tua­tor gesteu­ert. Durch die Posi­ti­ons­rück­mel­dung des Elek­tro­zy­lin­ders kann der Betriebs­punkt repro­du­zier­bar ein­ge­stellt wer­den. Die Behei­zung des Ver­suchs­stands erfolgt über ein 40 kW Heiz­re­gis­ter, mit zuge­hö­ri­ger Rege­lung. Als Regel­grö­ße wird ein Ther­mo­ele­ment im Heiz­re­gis­ter ver­wen­det. Es sind zwei Mess­stel­len zur Strö­mungs­mes­sung vor­han­den, zum einen im unte­ren hori­zon­ta­len Kanal­seg­ment, am Aus­lass des Ven­ti­la­tors. Hier kann das Abström­pro­fil des Ven­ti­la­tors ört­lich auf­ge­löst gemes­sen wer­den. Für den Fall, dass sich der Volu­men­strom auf­grund von insta­tio­nä­ren Effek­ten nicht genau genug bestim­men lässt, ist eine wei­te­re Mess­stel­le im obe­ren hori­zon­ta­len Abschnitt vor­ge­se­hen. Hier wird die Strö­mung durch zwei 90°-Krümmer und die Dros­se­lung gleichgerichtet.

Quer­strom­ven­ti­la­tor Heiß­ver­suchs­stand am IOB

Ziel die­ses Pro­jekts ist die Aus­le­gung eines ther­mo­me­cha­nisch sta­bi­len Quer­strom­ven­ti­la­tors für den Ein­satz in Ther­mo­pro­zess­an­la­gen. Dazu wer­den nume­ri­sche Unter­su­chun­gen zur Stei­ge­rung der ther­mo­me­cha­ni­schen Sta­bi­li­tät mit­tels Fini­te Ele­men­te Metho­de und der Ein­fluss auf die strö­mungs­me­cha­ni­schen Eigen­schaf­ten mit­tels nume­ri­scher Strö­mungs­me­cha­nik durch­ge­führt. Basie­rend auf den Ergeb­nis­sen die­ser Unter­su­chun­gen wird ein Fer­ti­gungs­mus­ter kon­stru­iert und gefer­tigt. Die­ses Funk­ti­ons­mus­ter wird anschlie­ßend in den um aus­führ­li­che Sen­so­rik ergänz­ten Heiß­ver­suchs­stand ein­ge­baut und hin­sicht­lich sei­nes Strö­mungs- und Schwin­gungs­ver­hal­tens untersucht.
Auf Basis der Ergeb­nis­se die­ses Pro­jekts sol­len Anla­gen­bau­er und Zulie­fe­rer die Mög­lich­keit haben die Kon­struk­ti­ons­emp­feh­lun­gen zu adap­tie­ren, um ther­mo­me­cha­nisch sta­bi­le Quer­strom­ven­ti­la­to­ren zu bau­en. Dar­aus resul­tie­rend sol­len Quer­strom­ven­ti­la­to­ren einen mög­lichst brei­ten Ein­satz in kon­vek­ti­ven Wär­me­be­hand­lungs­an­la­gen finden.