Systém usměrňování proudění zaručuje nízkou hlučnost

29. srpna 2014

Partneři sekce:

Uživatelé si často všimnou, že v chladicích, klimatizačních a ventilačních zařízeních neběží instalované ventilátory tak tiše, jak se očekávalo. Tyto ventilátory jsou během provozu často zdrojem hluku, jehož hladina je značně vyšší, než uvádí produktová dokumentace.

Vstupní mřížka pro axiální a radiální ventilátory

Důvod je jednoduchý: hodnoty uvedené v dokumentaci vycházejí z reprodukovatelných měření za standardních (laboratorních) podmínek bez rušivého vlivu okolního prostředí. Ventilátory v běžných aplikacích mají málokdy dostatek prostoru k vytvoření rovnoměrného (laminárního) proudění jak na vstupu, tak na výstupu, a tak se samotná aplikace stává zdrojem hlučnosti. Intenzita je různá a je závislá na podmínkách instalace v příslušném zařízení. Řešením je vstupní mřížka se specifickou geometrií, která má v podstatě vyrovnávací účinek, díky němuž dochází ke značnému snížení nežádoucích turbulencí, a tedy k efektivnímu snížení hladiny vznikajícího hluku.

Tepelná čerpadla a klimatizační zařízení se instalují různými způsoby, mají různé rozměry a různou konstrukci. Rozdíly jsou např. v umístění otvorů pro vstup a výstup vzduchu z jednotky a do ní, v ploše výměníku tepla a v hustotě komponentů instalovaných v zařízení. Proudící vzduch vstupující do ventilátoru je tedy kromě způsobu instalace ovlivněn dalšími faktory jako např. výměníkem tepla. V důsledku toho je, v závislosti na aplikaci, proud vzduchu vstupující do ventilátoru velmi nerovnoměrný a obsahuje neustálené složky. Stěny pláště obdélníkových výměníků vytvářejí oblasti se zpětným prouděním a tím způsobenými vzduchovými turbulencemi (obr. 1). Toto proudění směřuje k místům s nejmenším prostorem mezi sáním ventilátoru a stěnou pláště. Zde se proudnice z obou stran spojují a způsobují masivní, lokální turbulence. Tím dochází k velkému kolísání tlaku a rychlosti na přední hraně lopatky, což může někdy vést k drastickému zvýšení hladiny hluku, a to zejména v pásmu nízkých frekvencí. Tvoří se širokopásmový a nízkopásmový hluk se zvukovými složkami, který se též označuje jako tónový hluk.

Obr. 1 Typický vstupní profil proudění s turbulencemi v zákaznické aplikaci

Tónový hluk je tvořen lopatkami procházejícími oblastmi s turbulencemi (označován také jako BPF – Blade Pass Frequency) a jeho harmonickými složkami. Odpovídající vzorec je f = n . z . k. Frekvence hluku při průchodu lopatkami f se vypočítá jako součin otáček ventilátoru n a počtu lopatek z. Harmonické složky hluku při průchodu lopatkami jsou jejím násobkem a označují se k. Proto např. axiální ventilátor s pěti lopatkami s rychlostí 1 200 ot./min. (20 ot./s) vytváří při průchodu lopatkami hluk o frekvenci 100 Hz. Výsledkem je tedy nepříjemný „bzučivý“ zvuk.

Konec „bzučivému“ hluku

Další hluk, který vytvářejí výměníky tepla a klimatizační zařízení, je nejen nežádoucí, ale také netolerovatelný. Je tomu tak zejména v případě obytných prostředí, ačkoli eliminace tohoto hluku je velice nesnadná. Není možné kompenzovat narušení v proudění vzduchu optimalizací ventilátoru. V praxi se jako úspěšná neukázala být ani dodatečná izolace krytu, a to proto, že izolační panely jsou obvykle účinné jen při vyšších frekvencích. Specialisté na ventilátory z ebm-papst Mulfingen proto zvolili odlišný přístup: pokud se ustálí proudění vzduchu na vstupu do ventilátoru, sníží se turbulence a tím také nepříjemné nízkofrekvenční zvuky, které způsobují.

Obr. 2 Vstupní mřížka radikálně snižuje narušené proudění vstupujícího vzduchu způsobující hluk a účinně funguje jak u axiálních, tak u radiálních ventilátorů. Nemá prakticky žádný vliv na příkon a vzduchovou charakteristiku ventilátoru.

Na základě výše uvedeného vyvinuli inženýři z ebm-papst Mulfingen speciální vstupní mřížku FlowGrid s usměrňujícím účinkem na vstupu do ventilátoru (obr. 2). Tato mřížka zásadně redukuje narušené proudění vstupujícího vzduchu způsobující hluk a účinně funguje jak u axiálních, tak u radiálních ventilátorů. Například v případě kondenzátoru vybaveného axiálním ventilátorem sníží využití FlowGridu hladinu hluku o 3,9 dB(A) a tónový hluk o 16 dB. Pokud jde o nízkoprofilové klimatizační zařízení (průměr 250 mm), snižuje FlowGrid hladinu hluku o 2,5 dB(A) a tónový hluk o 9 dB. Obrázek 3 znázorňuje výsledky měření hluku na příkladu kondenzátoru. Použití vstupní vzduchové mřížky snižuje hladinu akustického tlaku a podstatně snižuje tónový hluk. Proto se značně zmenšuje potřeba použití izolace a ochrany proti hluku. Vstupní vzduchová mřížka je vyrobena ze vstřikovaného plastu a splňuje různé třídy požární ochrany až po UL94-5VA. Rychlé a snadné připevnění mřížky FlowGrid k axiálním a radiálním ventilátorům je realizováno pomocí standardních šroubů. V závislosti na konstrukci konečného zařízení je možné mřížku FlowGrid instalovat i dodatečně, např. během nadcházejících servisních prací. V případě axiálního ventilátoru o velikosti 800 mm vyžaduje vstupní vzduchová mřížka dodatečný instalační prostor 15 cm v axiálním směru, který je obvykle k dispozici u většiny aplikací.

Obr. 3 Použití vstupní vzduchové mřížky výrazně snižuje hladinu akustického tlaku a podstatně oslabuje tónový hluk. Obrázek znázorňuje vlastní výsledky měření hluku na kondenzátoru.

Další možnost akustického vylepšení

Uživatelé a výrobci jednotek s axiálními ventilátory mohou s ohledem na snížení hlučnosti využít i dalšího pasivního komponentu z dílny ebm-papst. Pokud uživatelé kombinují na ventilátoru vstupní vzduchovou mřížku popsanou výše s difuzorem AxiTop na výtlačné straně, zvýší energetickou účinnost a ještě více sníží emise hluku – a to především ve středním frekvenčním pásmu. Znamená to, že FlowGrid snižuje nízkofrekvenční pásmo, zatímco AxiTop poskytuje další snížení ve středním frekvenčním pásmu. V případě ventilátorů s výstupem do volného prostoru se výstupní ztráty často podceňují z hlediska spotřeby energie. Speciálně navržený vnitřní i vnější difuzor AxiTopu tyto ztráty minimalizuje. Funguje spíše jako obrácená tryska a značně snižuje výstupní ztráty díky tomu, že zvyšuje statický tlak. Zvyšuje se účinnost a zároveň se snižuje provozní hluk.

Obr. 4 Společné použití difuzoru AxiTop a mřížky FlowGrid vedlo u testovaného kondenzátoru ke snížení emisí hluku o 5,8 dB(A), a to především ve středním frekvenčním pásmu.

Ideální provozní podmínky pro ventilátory

Akustická zlepšení jsou zajímavá především tehdy, když ventilátory pracují v prostředích, ve kterých je hluk kritickým faktorem. Ideální je, když uživatel má možnost navíc kombinovat vstupní mřížku Flowgrid s výstupním difuzorem AxiTop (obr. 4, 5), např. v případě použití testovaného kondenzátoru. V tomto případě vnější vzduch prochází skrz tepelný výměník. Kondenzátor je vybaven axiálním ventilátorem o průměru 800 mm a na tlakové straně má umístěn difuzor. Hladinu hluku lze pomocí vstupní mřížky snížit o další 3 dB(A). Díky společnému použití difuzoru AxiTop a mřížky FlowGrid se hladina hluku sníží o 5,8 dB(A) a tónový hluk o 20 dB – v okolí jednotky je tato změna znát. Stejně jako vstupní mřížka je i difuzor vyroben z lehkého a odolného plastu a snadno se montuje na většinu aplikací. Jelikož je pouze 250 mm vysoký, není obvykle nutné změnit konstrukci aplikace, a to ani v případě její modernizace. Díky použití pasivních komponentů – difuzoru a vstupní vzduchové mřížky – specialisté z firmy ebm-papst Mulfingen opět uspěli v pokračujícím vývoji technologií pro ventilátory a ve stanovování nových standardů. Optimalizace vstupního a výstupního proudu vzduchu nabízí ideální provozní podmínky pro ventilátory a umožňuje co nejtišší a energeticky efektivní provoz.