Kanalführung

Unter dem Begriff Kanalführung wird in dieser Arbeit die Konstruktion aus verschie-denen Elementen des Rohrleitungsbereichs angeführt, welche die aus dem Gebläse angesaugte, ausgestoßene Luft auffängt und zur Düse weiterleitet. Der Düsenaustritt markiert die Übergangsstelle des Luftstrahls an die Umgebung, die zudem den An-fang der angrenzenden Messstrecke kennzeichnet. Wie bereits in Kapitel 5.3.2 ein-gehend beschrieben wurde, ist der gewünschte Austrittszustand am Düsenende nur dann umsetzbar, wenn ein gewisser Druck am Düseneintritt, sprich ein charakte-ristisches Druckverhältnis vorliegt. Die Gestaltung, sowie die Dimensionierung des Kanals ist in weiterer Folge so auszuführen, dass sich der erforderliche Eintrittsdruck im Betrieb einstellt.

Abbildung 5.7: Einzelkomponenten der Kanalstrecke

Abbildung 5.7 zeigt einen Überblick über die strömungsführenden Rohrkomponen-ten. Die genaue Dimensionierung erfolgte entsprechend der Tabellenwerte der Druck-stufe PN 6 in Anlehnung an die europäische Norm EN 10217-7 für geschweißte nichtrostende Stahlrohre. Die einzelnen zur Anwendung kommenden Elemente sollen nachstehend dargelegt und in Hinblick auf ihre Funktion diskutiert werden. Anhand einiger Parameter soll ein Einblick in die Größenordnung gegeben werden.

Übergangsstück

Zunächst einmal sei erwähnt, dass das Übergangsstück lediglich ein optionales Ele-ment darstellt und je nach Gebläsegröße bzw. Anschlussmaßen erforderlich sein kann.

Es wird an dieser Stelle der Vollständigkeit halber erwähnt, wird allerdings in späte-rer Folge bei der Berechnung, wie auch bei der Simulation nicht mitberücksichtigt, da dort ein direkter Anschluss an das Bypassstück erfolgt. In Abbildung 5.7 mar-kiert das Übergangsstück dennoch den Kanalbeginn. Markantes Merkmal hierbei ist der über den Verlauf sich ändernde Querschnitt, der einlassseitig rechteckig ausge-führt ist und fortan zu einer kreisrunden Geometrie am Ausgang übergeht. Dieser konstruktive Aspekt ist von bedeutender Relevanz, da der anschließende fortschrei-tende Rohrverlauf - zum Erhalt eines rotationssymmetrischen Strömungscharakters - einen runden Querschnitt aufweist, so dass der eckige Lüfterauslass an die runde Geometrie zu adaptieren ist. Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Austrittsfläche des Übergangsstücks gegenüber jener am Einlass größer dimensioniert wurde, wodurch strömungsverändernde Eigenschaften analog denen eines Diffusors auftreten. Dieser Aussage zu Folge bewirkt die Querschnitterweiterung eine Zunahme der im Medium gespeicherten Druckenergie, zu Lasten seiner kinetischen Energie.

Eintrittsgeometrie: abhängig vom Gebläseauslass Austrittsdurchmesser: DN 250

Länge: variabel

Öffnungswinkel: ≈ 4°

Bypass

Hierbei handelt es sich um einen geraden Kanalabschnitt in der Hauptleitung samt Nebenast in Form eines seitlich unter 45° angeschweißten Rohrstückes. Zum Öff-nen bzw. Schließen der Nebenleitung ist an deren Ende eine Kugelhahnapparatur angeflanscht. Bei geöffnetem Bypass trennt sich der Förderstrom in zwei separa-te Teilströme auf, deren Größe allein durch das Öffnungsverhältnis des seitlichen Nebenrohres, mit anderen Worten der Stellung des Kugelhahns, bestimmt wird.

Auf diese Weise lässt sich der Nutzförderstrom an die vorgegebenen Bedingungen anpassen indem ein entsprechender Bypassförderstrom eingerichtet wird. Dieser Ge-sichtspunkt wird im Hydraulik- bzw. Lüfterbereich auch unter dem Namen Bypass-regelung geführt, auf die bereits ausführlich in Kapitel 3.3 eingegangen wurde.

Hauptleitung

Durchmesser: DN 250

Länge: 500 mm

Nebenleitung

Durchmesser: DN 80

Länge: variabel, 300mm gewählt

5 Auslegung und Konstruktion des Kalibrierstandes

Diffusor

Als Diffusor wird in der Strömungsmechanik ein Element bezeichnet, dessen Quer-schnitt sich mit fortschreitendem Verlauf stets erweitert. Der Diffusor hat die Auf-gabe Druck aus der Strömung zurück zu gewinnen und diese zu verzögern, indem kinetische Energie der Strömung (c²/2) in statische Druckenergie (∆p/ρ) - stets ver-lustbehaftet - umgewandelt wird. Vom konstruktiven Standpunkt aus betrachtet, stellt der Öffnungswinkel ϑ ein bedeutendes Kriterium bezüglich der Effizienz eines Diffusors dar und wirkt sich ebenso auf die anfallenden Verluste aus. Für diese Größe werden in einschlägiger Fachliteratur [18] maximale Werte von 6° bis 7° empfohlen, welche bei der Auslegung konischer Diffusoren (runder Querschnitt) stets eingehal-ten werden solleingehal-ten, da speziell im Fall der verzögereingehal-ten Strömung eine hohe Neigung zur Strömungsablösung im Grenzschichtbereich vorliegt. Dieses Phänomen soll hier kurz in Worte gefasst werden.

Die Strömungsgrenzschicht kennzeichnet jenen wandnahen Bereich der Strömung, der sich durch ausgeprägte physikalische Merkmale gegenüber der Außenströmung abgrenzt. Unter der Annahme der sogenannten Haftbedingung (Fluidgeschwindig-keit an der Wand ist null) wird die Strömung in Wandnähe stark verzögert. Bei einem in Strömungsrichtung genügend ausgeprägten Druckanstieg kann die Strö-mungsgrenzschicht der Wand nicht mehr folgen und driftet in die oberen Schichten ab, man spricht auch von Strömungsablösung. Aufgrund der stetigen Zunahme des statischen Druckes in einem Diffusor, erhöhen zu große Querschnittänderungen in Verbindung mit einer zu kurzen Diffusorlänge die Gefahr einer Grenzschichtablö-sung. Diese führt zu Rückströmungsgebieten in Wandnähe und legt der Strömung lokal einen instationären Charakter auf, welcher die ohnehin schon beträchtliche physikalische Modellierung weiterhin verkompliziert. Diese Problematik wirkt sich in weiterer Folge negativ auf das Strömungsprofil aus. Die ohnehin mit Verlusten behaftete Energieumwandlung wird mit weiteren Verlusten beaufschlagt [18].

Abbildung 5.8: Prinzipskizze eines Diffusors [18]

Einige wichtige geometrische Größen werden in Abbildung 5.8 anhand einer

Prinzip-darstellung zusammengefasst. Zur Vermeidung überdimensionierter Öffnungswinkel ist demnach eine passende Kombination aus dem Eintritts- und Austrittsdurchmes-ser, sowie der Länge des Diffusors ausschlaggebend.Nachstehende Auflistung zeigt die gewählten Werte auf.

Eintrittsdurchmesser: DN 250 Austrittsdurchmesser: DN 400

Länge: 1000 mm

Öffnungswinkel: ≈ 4°

Beruhigungsstrecke

Im Zuge der Durchströmung werden vorwiegend durch den Diffusor, wie auch den Bypass zwangsweise Störungen in die Strömung impliziert. Für die Erzeugung ei-nes möglichst gleichmäßigen Strömungsprofils am Austritt sollten auftretende Ge-schwindigkeitsschwankungen und Verwirbelungen bereits im Vorfeld auf ein nied-riges Niveau reduziert werden. Aufgrund des langen, geraden Verlaufs kommt es in der Beruhigungsstrecke zur Einleitung von Ausgleichsvorgängen, die korrigierend auf die Strömung wirken. Unterstützend dazu wird angesichts des in Relation be-trachtet groß gewählten Querschnitts eine langsame Strömungsgeschwindigkeit im Kanal eingestellt und ein ausreichendes Beruhigungsvolumen generiert. Die Beru-higungsstrecke wurde dabei mit einer Länge von 1000mm und einem Durchmesser von DN 400 dimensioniert.

Zur weiteren Verbesserung des Gleichmäßigkeitsgrades, insbesondere zur Minderung von Drallstörungen, sowie zur Limitierung der Beruhigungsstrecke ist zusätzlich ein Strömungsgleichrichter im vorderen Bereich vorzusehen. Es existieren hierbei ver-schiedene Ausführungen. Zu den Konventionellen gehören Einsätze mit kreis- bzw.

wabenförmigen Struktur, die zwischen zwei Rohrstücken angebracht werden.

(a)Kreisförmig, Fa. Elster-Instromet (b)Wabenform, Fa. FCI Abbildung 5.9: Strömungsgleichrichter

Auf der linken Seite in Abbildung 5.9 sind Gleichrichterzellen der Firma Elster-Instromet dargestellt, welche eine kreisförmige Struktur besitzen. Die kleinsten Aus-führungen bestehen dabei aus lediglich einer Lochscheibe und werden direkt in das

5 Auslegung und Konstruktion des Kalibrierstandes

Rohrinnere eingesetzt. Darüber hinaus können mehrerer solcher Elemente in Reiche in einer Zelle vereint sein. Diese werden ebenfalls ins Rohrinnere eingeführt und von den Flanschen fixiert. In der rechten Ansicht ist eine einfache Ausführung mit wabenförmiger Struktur der Firma FCI aufgezeigt.

Deckel

Den Abschluss des Kanals bildet ein Stahldeckel, der zentral mit einer Aufnahme versehen ist. Hierin wird die Düse eingeführt und mit dem Deckel fest verschraubt.

Somit besteht die Möglichkeit verschiedene Düsenspezifikationen mit geringem Auf-wand in die Kanalstrecke zu integrieren, sofern der Eintrittsdurchmesser konstant verbleibt. Diese Option ist bei gewollten großen Änderungen hinsichtlich der Mach-zahl relevant, da der gesamte gewünschte Betriebsbereich (M a = 0,05. . .0,9) allein mit Hilfe der Bypassregelung strömungstechnisch nicht umzusetzen ist.