Einführung in Umlenkleitbleche
Im Bereich des Luftstrommanagements spielt das Design von Kanalumlenkungen eine Schlüsselrolle für die Effizienz und Funktionalität von Lüftungs-, HLK-Systemen und Windkanälen. Wenn Luft zu einer scharfen Richtungsänderung gezwungen wird, wie es in Kanalsystemen oft erforderlich ist, stößt sie auf einen erhöhten hydraulischen Widerstand, was zu höheren Druckverlusten und Turbulenzen. Dies beeinträchtigt nicht nur die Effizienz des Systems, da mehr Energie zur Aufrechterhaltung des Luftstroms benötigt wird, sondern wirkt sich aufgrund der ungleichmäßigen Drücke, die durch turbulente Strömungen ausgeübt werden, auch auf die strukturelle Integrität des Kanalsystems aus.
Hier kommen Umlenkleitbleche, auch bekannt als Eckleitbleche oder Leitschaufeln, ins Spiel (Abb. 1). Sie sind für die Installation in den Ecken konzipiert und ermöglichen es der Luft, die Umlenkung mit minimalem Widerstand zu durchströmen. Dadurch werden Druckverluste effektiv reduziert und Turbulenzen gemindert, ohne dass der zusätzliche Platzbedarf von Bögen mit sanftem Radius erforderlich ist. Dies macht Umlenkleitbleche zu einer idealen Lösung für ein effizientes Luftstrommanagement auf engstem Raum.
Abb. 1. Ecksegment-Baugruppe mit Umlenkleitblechen von Tunnel Tech
Hochleistungs-Leitschaufelsegmente im Wettbewerb mit generischen HLK-Lösungen.
Die traditionelle Lösung zur Überwindung der erwähnten schädlichen Phänomene wie erhöhte Turbulenz, Druckverlust und Lärm in einem stark gekrümmten Kanal besteht in der Konstruktion von radialen Kanalbögen (Abb. 2 und Abb. 4, Fall 2). Diese Bögen sind zwar teilweise effektiv bei der Minderung von Turbulenz, Lärm und Druckverlusten (die in einer scharfen Biegung üblich sind, wie in Abb. 4, Fall 1 zu sehen ist), bringen jedoch ihre eigenen Probleme mit sich.
Einige traditionelle Lüftungskanalsysteme mit einer Umlenkung aus sanft gekrümmtem Blech mit gebogenen Strömungsrichtern sind in Abb. 2 links dargestellt. Das Bild zeigt einige Beispiele für Standardvarianten, die üblicherweise in HLK-Kanälen verwendet werden, z. B. in Übereinstimmung mit den DW144-Kanalstandards.
Solche Kanallösungen sind üblich und kostengünstig für kleine Anwendungen im Bauwesen, in Kleinunternehmen und in HLK-Systemen mit geringer Leistung, bei denen die Energiekosten kein wesentlicher Faktor sind. Dieses Design ist jedoch keine gute Lösung für Lüftungs- und Kühlsysteme im mittleren und großen Maßstab sowie für Hochleistungs-Stromerzeugung, Metallurgie, Turbomaschinen, Wärmetauscher, Abwärmerückgewinnung und moderne Anwendungen im Bereich grüner und erneuerbarer Energien, bei denen hydraulische Effizienz und Energieeinsparungen ein Muss sind.
Es ist jedoch nicht erforderlich, jedes Mal einen maßgeschneiderten, nicht standardmäßigen Kanal zu bauen, wenn der Energieverbrauch eines hydraulischen Netzwerks bis zur Perfektion optimiert werden muss. Dieselbe Abbildung 2 auf der rechten Seite zeigt eine Variante des diagonalen Leitschaufelsegments von Tunnel Tech, das energieeffizient, geräusch- und turbulenzarm ist und gleichzeitig die Industriestandards für HLK-Systeme erfüllt, aber auch in groß angelegten und leistungsstarken industriellen Anwendungsfällen eingesetzt werden kann. Ein Beispiel für eine Großanlage, in die das diagonale Umlenkleitblech-Segment problemlos integriert werden kann, ist in Abb. 3 dargestellt.
Abb. 2. Traditioneller, mittelgroßer, glatter HLK-Bogen mit Trennblech aus Metall, DW144-Standard (links), und diagonale Hochleistungs-Umlenkleitblech-Baugruppe von Tunnel Tech für Standard-Luftkanäle (rechts).
Abb. 3. Großformatige Luftkanal-Umlenksegmente von Tunnel Tech für Windkanäle, Stromerzeugung und industrielle Anwendungen.
Design von Umlenkleitblechen zur Reduzierung von Druckabfall, Turbulenz und Lärm
Zum Vergleich verschiedener Umlenkdesigns sind die Druckabfälle (ΔP) und die CFD-simulierten Strömungsmuster in Abb. 4 unten dargestellt. Als anschauliches Beispiel wurden eine Einlass-Luftgeschwindigkeit von 20 m/s und ein quadratischer Kanal von 2×2 m gewählt. Der Geschwindigkeitsbereich von 20 m/s wurde zu Demonstrationszwecken gewählt, da professionelle Vertikal-Windkanäle für das Indoor-Skydiving normalerweise die meiste Zeit in Betriebsarten arbeiten, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit im Umlenkbereich zwischen 10 und 30 m/s variiert. Die CFD-Berechnungen wurden für 1 Standardatmosphäre bei 20 °C und null Luftfeuchtigkeit mit einem kompressiblen Gas und einer adiabaten Wand mit einer Rauheit von 250 µm durchgeführt. Es wurde ein Netz von 6 bis 10 Mio. Zellen pro Domäne verwendet. An der Einlassgrenze wurden ein flaches Einlassprofil und 2 % Turbulenz angewendet. Die Turbulenz wurde mit dem k-ε-Modell behandelt.
HINWEIS! Bitte beachten Sie, dass die in Abb. 4 gezeigten Abbildungen spezielle Beispiele sind, die ausschließlich zur Veranschaulichung der Funktionsprinzipien und zum Vergleich einiger Arten von Umlenksegmenten dienen. Diese Fälle können nicht als allgemeingültig für absolut jeden Anwendungsfall angesehen werden. Für jedes reale Lüftungssystem oder andere hydraulische Netzwerke müssen spezifische hydraulische Parameter, Kanalgröße und -form, Rauheit und strukturelle Unregelmäßigkeiten, Strömungsinhomogenitäten und genaue physikalische Gasparameter für jeden Berechnungspunkt berücksichtigt werden. Sie können eine solche Berechnung für ein spezifisches System in Auftrag geben, indem Sie uns kontaktieren.
Die folgenden Designfälle werden beschrieben:
- Ecksegment ohne Leitschaufeln.
- Sanft gekrümmtes Ecksegment (r = ½ der Kanalhöhe) mit radial gebogenen Strömungsrichtern. Der Druckabfall hängt auch von der Anzahl und der Geometrie der Kanalabstandshalter ab. Gezeigt wird das Beispiel mit einer minimierten Anzahl optimal geformter Luftstrom-Trennbleche.
- Einfache, radial gekrümmte, dünne Bleche (10-20 mm dick).
- Typische, nicht optimierte Umlenkleitbleche der engsten Wettbewerber.
- Umlenkleitbleche von Tunnel Tech (TTE-TV) mit optimiertem Profil.
Das größte Problem von rund gekrümmten Kanälen mit einer geringen Anzahl einfacher gebogener Trennbleche (oder ganz ohne Leitschaufeln) ist das Druck- und Geschwindigkeitsverteilungsmuster am Austritt des Ecksegments (Abb. 4, Fall 2, siehe Austrittsquerschnitt). Dieses Muster zeigt, dass die Geschwindigkeit von der Außenwand zur Innenwand jedes Strömungsteilbereichs zunimmt, was zu einer ungleichmäßigen Strömung, starker Turbulenz und Lärm führt. Je kleiner der Umlenkradius, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit von Strömungsabrissen, Verzerrungen des Druck- und Geschwindigkeitsfeldes, höheren Geräuschpegeln und einem größeren Druckabfall.
Die einzige Möglichkeit, diese Probleme zu überwinden, besteht in einem großen Krümmungsradius eines solchen Ecksegments und einer Erhöhung der Anzahl der Luftleitschaufeln. Hier tritt das zweite Problem auf – der erhöhte Platzbedarf für solche Bögen und die Materialkosten für mehrere radiale Kanalabstandshalter, die auf den Kanalquerschnitt dimensioniert sind. In großen Kanalsystemen kann die Implementierung von Bögen mit sanftem Radius zu unverhältnismäßig großen Strukturen führen, was diesen Ansatz in vielen Szenarien unpraktisch macht, insbesondere wenn der Platz begrenzt ist. Der zusätzliche Platzbedarf wird durch die gestrichelten Linien in Abb. 4, Fall 2 unten dargestellt. Man muss die Höhe und Breite jeder Umlenkung um mindestens ½ der Kanalgröße erhöhen. Für Umlauf-Windkanäle bedeutet dies eine Vergrößerung der Gebäudeabmessungen um mehrere Meter in jede Richtung, was zu höheren Kosten für die Luftkanäle und höheren Investitionsausgaben führt. Darüber hinaus kostet jeder Strömungsteiler genauso viel wie die Kanalwand.
Abb. 4. Ecksegmente in einem Kanalsystem - Vergleich von Design und Leistung
Die optimale Lösung für Windkanäle und industrielle Lüftungssysteme sind Umlenkleitbleche mit einem Flügelprofil, die entlang der Diagonalen angeordnet sind, wie in Abbildung 4, Fälle 3-5 dargestellt.
Alle obigen CFD-Bilder entsprechen beispielhaft einem Luftkanal-Ecksegment mit einem 2x2 m großen Einlass bei einer Luftgeschwindigkeit von 20 m/s, was für Anwendungsfälle im Indoor-Skydiving und in Unterschall-Windkanälen mit niedriger Geschwindigkeit am relevantesten ist.
Abbildung 4, Fall 3 zeigt ein Ecksegment mit einfachen Leitschaufeln aus dünnen, gebogenen Blechen. Abb. 4, Fall 4 ist das beste Beispiel für Umlenkleitbleche, die von den engsten Wettbewerbern von TunnelTech angeboten werden. Beide weisen eine geringere Sehnenlänge und eine nicht optimierte Profilform auf, was zu einer verbleibenden Strömungsinhomogenität am Segmentaustritt, einem höheren aerodynamischen Widerstand und Kanalgeräuschen führt. Dünne Schaufeln aus einfach gebogenen Blechen überschreiten in der Regel selbst bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten die zulässigen Geräuschpegel. Eine Variante mit einem dicken und kurzen Profil mit einem geringen Verhältnis von Sehnenlänge zu Dicke weist zudem eine kleinere Oberfläche auf, was bei Anwendungen unerwünscht ist, bei denen gekühlte Umlenkleitbleche zur Wärmeübertragung eingesetzt werden.
Im unteren Teil von Abbildung 4, Fall 5 ist die Luftkanalumlenkung dargestellt, die mit Hochleistungs-Umlenkleitblechen von Tunnel Tech ausgestattet ist (für Bestellungen siehe folgende Artikelnummer: TTE-TV-90). Wie aus den Querschnitten ersichtlich ist, ist die Strömung bei richtig profilierten Leitschaufeln gleichmäßiger, was zu einem geringeren Druckabfall und niedriger Turbulenz führt.
Das Druck-/Geschwindigkeitsprofil am Austritt ist bei den mit langsehnigen Leitblechen ausgestatteten Ecksegmenten von Tunnel Tech ebenfalls deutlich besser als in anderen Fällen. Dies führt zu der unübertroffenen aerodynamischen Qualität von Tunnel Tech, die sich in zahlreichen Bewertungen von professionellen Skydivern und anderen Kunden widerspiegelt.
Alle oben diskutierten Daten, einschließlich der Sehnenlänge und der Kühlungsoptionen, sind auch in <strong>Tabelle 1</strong> aufgeführt.
| Fall / Leitblechtyp | ΔP (Pa) (*) | ξ (*) | Sehnenlänge (mm) | Kühlung |
|---|---|---|---|---|
| 1. Keine Leitbleche, scharfe Umlenkung | 114 | 0.47 | — | Nein |
| 2. Sanft gekrümmtes Ecksegment | 41 | 0.17 | > 2000 | Nein |
| 3. Einfache, radial gekrümmte, dünne Bleche | 80 | 0.33 | 250–500 | Nein |
| 4. Umlenkleitbleche der engsten Wettbewerber | 88 | 0.37 | 280 | Ja |
| 5. Optimierte Umlenkleitbleche von Tunnel Tech | 57 | 0.24 | 500 | Ja |
Die Werte des hydraulischen Verlustbeiwerts für den Geschwindigkeitsbereich bis 100 m/s für das Kanalumlenksegment mit den Leitblechen von TunnelTech und denen der Wettbewerber, ohne Abweichung aufgrund der Wahl der Ausgangsdaten, sind in Abb. 5 dargestellt.
Weitere Details zu den hydraulischen Verlusten entlang der Kanallänge, dem örtlichen Widerstand und dem gesamten hydraulischen Verlustbeiwert werden im Folgenden erläutert.
Abb. 5. Vergleich der Umlenksegmente von Tunnel Tech und Wettbewerbern. Hydraulischer Verlustbeiwert nach Darcy-Weisbach für dieselbe Geometrie und anfängliche Berechnungsbedingungen.
Minderung von Turbulenzen für zuverlässige hydraulische und strukturelle Sicherheitsberechnungen
Abb. 6. Turbulenzskala (m) des Ecksegments mit Leitblechen von Tunnel Tech bei 20 m/s
Ein glattes und vorhersehbares Druck-/Geschwindigkeitsprofil ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen hohe Turbulenzen oder Strömungsabrisse nicht akzeptabel sind, wie z. B. in experimentellen Windkanälen, Indoor-Skydiving-Anlagen und Hochleistungsanwendungen. Diese parasitären Phänomene sowie Druckpulsationen, die durch Strömungsabrisse und großräumige Turbulenzen verursacht werden, sind auch in Anlagen inakzeptabel, die die Abwesenheit von akustisch induzierten Vibrationen erfordern und bei denen aufgrund von Anforderungen an die strukturelle Stabilität der Luftkanäle keine Abweichungen des statischen Drucks zulässig sind. Darüber hinaus sind diese turbulenten Strömungen eine häufige Lärmquelle, was die Gesamtleistung des Systems und den Komfort für die Endnutzer weiter beeinträchtigt.
Es sollte auch berücksichtigt werden, dass sich Strömungsunregelmäßigkeiten tendenziell weiterentwickeln und verstärken, wenn keine speziellen Gleichrichter, Wabengitter, Deturbulisierungsnetze oder andere Vorrichtungen zum Luftstrommanagement verwendet werden [1-3]. Eine präzise gasdynamische Analyse erfordert die Berechnung des Widerstands jedes nachfolgenden Luftkanalelements unter Berücksichtigung des realen Einlassdruck-/Geschwindigkeitsprofils, das im vorherigen Element des hydraulischen Netzwerks erzeugt wird. Bei langen hydraulischen Netzwerken ist es aufgrund der enormen Abmessungen oft unmöglich, eine CFD-Simulation des gesamten Systems durchzuführen. Für eine solche Situation werden approximative semi-empirische Berechnungen unter Einbeziehung dimensionsloser Fluidkennzahlen und Geometriekriterien [4] oder auf solchen Methoden basierende Software verwendet. Auch die FEA-Modellierung zur Bestimmung der strukturellen Stabilität von Kanälen wird typischerweise mit einem stabilen statischen Druckfeld durchgeführt, das auf die Kanalwände wirkt. Somit können starke Strömungsunregelmäßigkeiten, die sich stromabwärts entwickeln, auch Fehler in sicherheitskritische Untersuchungen von tragenden Strukturen einbringen.
Näherungsmethoden befassen sich in der Regel nicht mit der Verzerrung des Geschwindigkeitsprofils am Einlass zum hydraulischen Netzwerkelement und berücksichtigen bestenfalls, ob das Profil ausgebildet oder noch nicht ausgebildet (gleichmäßig) ist, sowie die Parameter der Grenzschicht. In Windkanälen und industriellen Lüftungssystemen kann jede Strömungsumlenkung zu Ungleichmäßigkeiten und starkem Drall führen, was zu Unsicherheiten bei der Berechnung des hydraulischen Widerstands in langen hydraulischen Netzwerken führt. Daher sollte man, wo immer möglich, das Auftreten großer Unregelmäßigkeiten im Geschwindigkeitsprofil vermeiden.
Wie in Abb. 6 und aus dem oben Gezeigten ersichtlich ist, sind die Parameter von Umlenksegmenten mit TunnelTech-Umlenkleitblechen so beschaffen, dass sie keine zusätzlichen Strömungsstörungen erzeugen, sondern auch dazu verwendet werden können, Drall und Ungleichmäßigkeiten stromabwärts des Umlenksegments zu dämpfen. Somit kann das Umlenksegment mit TunnelTech-Leitblechen auch als effektiver Strömungsgleichrichter fungieren, wenn es nach dem Axialventilator, dem Kanaldiffusor, dem Wärmetauscher, der Messstrecke, einer Abzweigung oder Einmündung in einen Kanal oder einem anderen turbulenzerzeugenden Objekt installiert wird.
Örtlicher Widerstandsbeiwert
Die Eigenschaften des örtlichen Widerstands einer Umlenkung können mit der bekannten Darcy-Weisbach-Gleichung berechnet werden:
ΔP = ξ · ρ · v² / 2
Wobei:
- ΔP – Gesamtdruckverluste (Druckabfall) in Pa;
- ξ – örtlicher Widerstandsbeiwert (Darcy-Weisbach);
- ρ – Fluiddichte (kg/m³);
- V – Fluidgeschwindigkeit am Einlassquerschnitt (m/s).
Diese Parameter, die die Energieeffizienz des Luftkanals bestimmen, hängen stark vom Design der Umlenkleitbleche ab.
Gemäß [4] kann der Gesamtwiderstand eines komplexen hydraulischen Elements als Summe aus dem Längenreibungswiderstand ξL und dem örtlichen Widerstand ξ0 dargestellt werden:
ξSUM = ξL + ξ0
Für einen geradlinigen Luftkanal ist der Längenwiderstand proportional zur Länge und umgekehrt proportional zum hydraulischen Durchmesser, was durch folgende Formel ausgedrückt wird:
ξL = (L / D) · f
wobei f der Darcy-Reibungsbeiwert ist.
Bei einfach geformten Rohren (z. B. kreisförmig, quadratisch, sechseckig) kann f durch eine nichtlineare Abhängigkeit nur von der Reynolds-Zahl ausgedrückt werden – siehe Kapitel 2 in [4] oder https://de.wikipedia.org/wiki/Darcy-Weisbach-Gleichung
Der Reibungsbeiwert f für ein einfaches rundes Rohr (Kreiskanal) mit glatten Wänden, mit einem voll ausgebildeten, stabilisierten Strömungsprofil am Einlass und für ein turbulentes Regime (Reynolds-Zahlen Re > 4×103) kann mit folgender Formel berechnet werden:
f = 1 / (1.81 · lg(Re) – 1.64)²
Bei realen Kanälen muss auch die Rauheit berücksichtigt werden.
Abb. 7 unten zeigt eine grafische Darstellung des Darcy-Reibungsbeiwerts in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl Re für verschiedene relative Wandrauheiten, erstmals veröffentlicht von Nikuradse in [5-8]. Dieses Diagramm ist auch als Moody-Diagramm [9] oder Colebrook-White-Gleichung [10-11] bekannt. Eine moderne Studie für glatte Rohre findet sich in [12].
Dieses Diagramm zeigt die komplexe Abhängigkeit von f(Re) für ein rundes Rohr mit unterschiedlicher Rauheit. Für quadratische und andere nicht kreisförmige Rohre ist das Diagramm komplexer. Daher müssen Strömungsregime (Reynolds-Zahl), die Kanalform und die relative Wandrauheit berücksichtigt werden.
Abb. 7. Moody-Diagramm (auch Nikuradse-Diagramm), das den Darcy-Weisbach-Reibungsbeiwert fD aufgetragen gegen die Reynolds-Zahl Re für verschiedene relative Rauheiten zeigt – Originaldiagramm: S Beck und R Collins, University of Sheffield, geteilt unter CC BY-SA 4.0, wikimedia.org
Bei realen rauen Kanälen ist es dennoch möglich, den Gesamtwiderstand als Summe ξSUM = ξL + ξ0 aus dem Längenwiderstand und dem örtlichen Widerstand darzustellen.
Diese Darstellung der Summe vereinfacht die Untersuchung der Kanalparameter, da der örtliche Widerstand ξ0 für eine vereinfachte Elementgeometrie berechnet werden kann – zum Beispiel in einer periodischen Formulierung des Problems mit einem kleineren Berechnungsbereich oder in einer 2D-Version des Problems. Beachten Sie die enorme Größe des Berechnungsbereichs der in Abb. 4 gezeigten Beispiele, bei denen das Segment eine Höhe von 3 und eine Länge von 18 Metern aufweist und die Netzkonvergenz erst bei einer Größe von mehr als 10 Millionen Netzelementen adäquat in Erscheinung tritt. Eine Variante der Problemformulierung mit periodischen oder 2D-Bedingungen für diese Fälle könnte eine um eine Größenordnung geringere Anzahl von Netzelementen aufweisen, und die vereinfachte Berechnung jedes Geschwindigkeitspunkts für das ΔP(v)-Diagramm würde nur wenige Minuten oder sogar Sekunden statt Stunden dauern.
Somit kann die Aufteilung in die Summe zweier Widerstände die Berechnungen erheblich vereinfachen – man kann den örtlichen Widerstand ξ0 schnell bestimmen und dann den Längenwiderstand ξL addieren. Letzterer lässt sich aus bekannten Tabellen oder durch Näherungsformeln unter Verwendung vereinfachter Gleichungen basierend auf dimensionslosen Kennzahlen und Parametern der Luftkanalgeometrie schnell abschätzen. Für hydraulische und Kanalnetzwerk-Elemente mit abrupten Änderungen der Strömungsrichtung (abgewinkelte Bögen, sanfte Krümmungen, Bögen mit unterschiedlichen Winkeln mit und ohne Umlenkleitbleche) wird ein ähnlicher Ansatz und eine ähnliche Methode in den Kapiteln 6-1 und 6-2 des umfassenden Handbook of hydraulic resistance [4] vorgestellt.
Technische Spezifikationen
Umfassende technische Daten für präzise Engineering- und Leistungsberechnungen.
Integrierte Kühltechnologie
Unsere Umlenkleitbleche revolutionieren das Tunneldesign und verfügen über integrierte interne Kühlkanäle – für überlegene Wärmeaustauscheffizienz ohne Beeinträchtigung der Luftstromqualität.
- Massive Wärmeabfuhrkapazität, skalierbar von hunderten Kilowatt bis zu zig Megawatt.
- Effizientes Thermomanagement ohne negativen Einfluss auf Luftstromturbulenz oder Strömungsqualität.
- Entwickelt mit sechs integrierten internen Kühlkanälen pro Schaufel für maximale thermische Effizienz
- Nahtlose Integration in standardmäßige industrielle Wasserkühlungsinfrastrukturen
Produkt-Highlights
Die Luftstrom-Umlenkleitbleche von Tunnel Tech (Produkt TTE-TV) stehen an der Spitze dieser Technologie und bieten eine beispiellose Effizienz im Luftstrommanagement. Unsere Produkte sind für eine Vielzahl von Anwendungen konzipiert, von Indoor-Skydiving-Anlagen und Windkanälen bis hin zu HLK- und Lüftungssystemen, und verkörpern modernstes aerodynamisches Design und Energieeffizienz.
Leistung des Umlenkleitblech-Segments in Luftkanälen
Die Hochleistungs-Luftleitschaufeln von Tunnel Tech setzen den Industriestandard für Leistung und aerodynamische Effizienz. Unsere energiesparenden Umlenkleitbleche sind so konstruiert, dass sie die aerodynamische Reibung minimieren, einen reibungslosen Luftstrom gewährleisten und den Energieverbrauch senken.
Die Umlenkleitbleche von TunnelTech weisen hervorragende Eigenschaften hinsichtlich des örtlichen Widerstands im Luftkanal auf. Die Widerstandsparameter, berechnet mit der Darcy-Weisbach-Gleichung, wie oben beschrieben, sind in den folgenden Abbildungen (siehe Abb. 8 unten) und im Datenblatt für Umlenkleitbleche dargestellt.
Im Allgemeinen werden für den Fall, dass die Kanalgröße unbekannt ist, Werte für ein idealisiertes Element mit periodischen seitlichen Randbedingungen angegeben, ohne den Beitrag durch zusätzlichen Wandwiderstand entlang der Länge, Rauheit und den Einfluss anderer lokaler Parameter zu berücksichtigen. In Abb. 8 sind die Werte für ein idealisiertes Umlenkecksegment mit Tunnel Tech-Leitblechen angegeben, das in der Näherung einer unendlichen periodischen Sequenz eines 15-Schaufel-Stapels mit periodischen Randbedingungen berechnet wurde.
Abb. 8. Örtlicher Widerstandsbeiwert der Tunnel Tech Umlenkleitbleche und entsprechender Druckabfall.
Wenn das HLK- oder ein anderes hydraulisches System aus Kanälen besteht, die im Allgemeinen die Querschnittsform der Strömungsfläche entlang des Strömungswegs nicht ändern, ist es zweckmäßig, den spezifischen Widerstand pro Längeneinheit für Näherungsberechnungen abzuschätzen (natürlich für den gesamten Geschwindigkeitsbereich zu schätzen):
KL = ξL / L = f / Dh
wobei Dh der hydraulische Durchmesser des Kanals ist. Der Wert von KL lässt sich, wie oben besprochen, leicht aus Nachschlagewerken ermitteln. Durch Multiplikation mit der Länge und Addition der örtlichen Widerstandswerte ξ0, die aus Datenblättern entnommen oder unabhängig berechnet wurden, ist es somit möglich, den Gesamtdruckverlust im System schnell abzuschätzen.
ξSUM = KL · L + ξ0
Die oben in Abb. 4 gezeigten anschaulichen Beispiele eines quadratischen Kanals von 2×2 Metern mit den in der Berechnung verwendeten Gasparametern und der Rauheit weisen einen spezifischen Widerstand pro Längeneinheit in der Größenordnung von K<sub>L</sub> = ξ<sub>L</sub> / L ~ 2,1 Pa auf. Dieser Wert gilt bei der Bewertung eines quadratischen Kanals ohne Berücksichtigung von Bögen, Leitblechen oder anderen internen Einbauten. Für eine Gesamtlänge von 21 Metern, die die Luftmasse entlang des Kanals zurücklegt, ergibt sich ein Druckabfall von ~44 Pascal. Addiert man dazu den in Abb. 8 gezeigten Wert (11 Pa für eine Geschwindigkeit von 20 m/s, entnommen aus dem Datenblatt für Umlenkleitbleche (Tabelle A.2.1)), ergibt sich ein Gesamtwiderstand von 55 Pa für ein reales 2×2 quadratisches Kanalsegment mit darin befindlichen Umlenkleitblechen. Dieser Wert stimmt gut mit dem in Abb. 4, Fall 5 gezeigten Wert überein.
Weitere Informationen zu Näherungsmethoden zur Berechnung von Kanalwiderständen beliebiger Form ohne Verwendung von CFD-Methoden finden sich leicht in <a href="#references">[4]</a> oder ähnlicher Literatur.
HINWEIS! Bitte beachten Sie, dass die in Abb. 4 gezeigten Beispiele nur ein Sonderfall zur Demonstration der Funktionsweise der Umlenkleitbleche sind und nicht zur Bewertung eines beliebigen Kanals herangezogen werden können! Abbildung 8 ist in einem breiteren Kontext anwendbar, jedoch müssen die spezifischen Parameter des Kanals des Kunden berücksichtigt werden. Jedes spezifische System erfordert eine detaillierte Analyse, die Sie bei Tunnel Tech in Auftrag geben können. Für eine genaue Berechnung des hydraulischen Kanalwiderstands und eine fachmännische Bewertung des Energieverbrauchs Ihrer Lüftungs- oder Windkanalanlagen kontaktieren Sie uns bitte.
Zusätzliche Informationen zu Dienstleistungen sowie Forschung und Entwicklung finden Sie auch auf der Seite Technologie und im Bereich Dienstleistungen.
Umlenkleitbleche für industrielle Kühlung und Heizung
Einzigartig unter den Leitschaufeln für industrielle Luftkanäle bieten unsere Produkte die Möglichkeit, Kühlmittel mit einer hohen Durchflussrate zirkulieren zu lassen, was eine effiziente Kühlung oder Erwärmung der Luft beim Durchströmen des Kanals ermöglicht. Diese Eigenschaft eröffnet neue Möglichkeiten in der thermischen Regulierung für den Einsatz von Raumklima-Leitblechen und widerstandsarmen, in den Luftkanal integrierten Wärmetauschern und bietet unseren Kunden vielseitige Lösungen für ihre Luftstromanforderungen.
Bewertet mit der Berechnungsmethode HTCL (Wärmeübergangskoeffizient pro laufendem Meter), die den Wärmestrom (in Watt) pro Meter Umlenkleitblechlänge für jedes Kelvin der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz (ΔTLMTD) zwischen der Außenluft und dem Kühlmittel des Eckleitblechs quantifiziert, sind unsere Leitschaufeln für eine effektive Wärmeableitung unter verschiedenen Luftstrombedingungen ausgelegt und garantieren eine stabile Leistung und Temperaturregelung.
Die Parameter des Wärmeübergangskoeffizienten für die wassergekühlten Umlenkleitbleche sind in Abb. 9 sowohl für feuchte als auch für trockene Luft dargestellt, wobei ΔP [kPa] die Wasserdruckdifferenz zwischen den Einlass- und Auslassanschlüssen der Leitbleche (blau und rot in Abb. 10) darstellt.
Abb. 10. Kühlkanäle der Umlenkleitbleche
Abb. 9. HTCL-Koeffizient. Trockene (RH=0 %) und feuchte Luft (RH=90 % bei 30 °C) bei unterschiedlicher Kühlmitteldruckdifferenz (Wasser) zwischen den Einlass- und Auslassanschlüssen der Kühlkanäle.
Umlenkleitbleche für die Abwärmerückgewinnung
Gekühlte Umlenkleitbleche mit integrierten Wärmetauscherkanälen bieten eine vielseitige Lösung für die Abwärmerückgewinnung in einer Vielzahl von Anwendungen. Wenn sie in Wärmetauschersysteme integriert werden, können diese Leitbleche überschüssige thermische Energie einfangen, die andernfalls verloren ginge, und sie an Wärmerückgewinnungssysteme übertragen, wodurch die Gesamteffizienz des Systems erheblich gesteigert wird.
In der praktischen Anwendung kann diese Technologie in mehreren Bereichen eingesetzt werden. Beispielsweise können gekühlte Umlenkleitbleche in industriellen Prozessen Abwärme aus Abgasen zurückgewinnen und diese zur Vorwärmung einströmender Flüssigkeiten oder Luft umleiten, wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird. In HLK-Systemen werden ähnliche Prinzipien durch Geräte wie Wärmerückgewinnungslüfter (HRVs) und Energierückgewinnungslüfter (ERVs) angewendet, die Wärme zwischen Abluft- und Zuluftströmen übertragen. Dieser Prozess minimiert die Energie, die zum Heizen oder Kühlen der einströmenden Luft erforderlich ist, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt.
Zusätzlich können gekühlte Umlenkleitbleche in Systeme integriert werden, die in der Stromerzeugung und im Bereich der erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Beispielsweise wird in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) die Abwärme aus der Stromerzeugung zurückgewonnen und für Heizzwecke genutzt, was die Gesamteffizienz des Systems verbessert. In Geothermiesystemen können diese Leitbleche helfen, die aus der Erde gewonnene thermische Energie zu verwalten und die Wärmeübertragungsprozesse zu optimieren.
Bei Initiativen für grüne und erneuerbare Energien spielt die Abwärmerückgewinnung eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung des CO2-Fußabdrucks und der Verbesserung der Nachhaltigkeit von Energiesystemen. Dieser Ansatz steht im Einklang mit den Prinzipien der schlanken Produktion (Lean Manufacturing), indem er die Ressourceneffizienz verbessert und die Betriebskosten durch effektives Wärmemanagement senkt. Darüber hinaus zeigt die Integration solcher Technologien in ESG-Projekten das Engagement zur Minimierung der Umweltauswirkungen und zur Optimierung der Ressourcennutzung, was im Einklang mit umfassenderen Nachhaltigkeitszielen steht.
Wärmerückgewinnung – Verwandte Projekte
Tunnel Tech verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Umsetzung von Projekten mit Wärmetauschern und HLK-Systemen, die für die Abwärmerückgewinnung mittels gekühlter Umlenkleitbleche konzipiert sind. Durch die Integration dieser Leitbleche in Wärmetauscheranlagen, die darauf ausgelegt sind, thermische Energie einzufangen und wiederzuverwenden, die andernfalls verloren ginge, ermöglicht Tunnel Tech eine effektivere Rückgewinnung von Abwärme aus verschiedenen industriellen und gewerblichen Prozessen. Dieser Ansatz verbessert nicht nur die Energieeffizienz, sondern unterstützt auch Nachhaltigkeitsziele durch die Reduzierung von Energieverbrauch und Betriebskosten.
Anwendungen
Unsere Umlenkleitbleche kommen in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen zum Einsatz
HLK-Systeme
| Gewerbegebäude | Optimierung von Luftkanälen; Energieeffizienz; Senkung der Betriebskosten; Verbesserung von Gesundheit und Sicherheit durch effizientes Management von Luftqualität und Temperatur; |
| Wohnanlagen | Gewährleistung komfortabler Wohnumgebungen mit optimaler Luftqualität und -strömung; Verbesserung von Gesundheit und Sicherheit; |
| Rechenzentren | Luftleitbleche für das Wärmemanagement halten kritische Temperatur- und Feuchtigkeitswerte für die Leistung und Langlebigkeit von Servern aufrecht; |
Lüftungssysteme im Bauwesen
| Krankenhäuser und Gesundheitseinrichtungen | Leise arbeitende Umlenkleitbleche bieten eine essenzielle Luftqualitätskontrolle zum Schutz von Patienten und Personal; Verbesserung von Gesundheit und Sicherheit durch effizientes Management von Luftqualität und Temperatur |
| Bildungseinrichtungen | Schaffung förderlicher Lernumgebungen durch verbesserte Luftzirkulation |
Umgebungskontrolle
| Elektronik, Biotechnologie, Lebensmitteltechnik und andere Hightech-Anlagen / Reinräume | Regulierung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit für anspruchsvolle Hightech-Produktionen; Klimaleitschaufeln halten strenge Luftstromstandards für Fertigung und Forschung aufrecht |
| Sportarenen | Gewährleistung von Komfort und Sicherheit für Sportler und Zuschauer gleichermaßen |
Industrielle und spezialisierte Anwendungen
| Tunnelbau und -instandhaltung | Verbesserung der Luftqualität und Sicherheit für Arbeiter in Tunnelumgebungen; |
| Industrieanlagen | Optimierung von Luftkanälen; Energieeffizienz; Nachhaltige Entwicklung; Senkung der Betriebskosten; |
| Gießereien und Schwerindustrieanlagen | Energieeffizienz; Senkung der Betriebskosten; Abwärmerückgewinnung; Dekarbonisierung und ESG; Hochleistungs-HLK-Luftkanäle; Wärmemanagement; |
| Schiffstechnik | Verbesserung der Lüftungssysteme auf Schiffen und U-Booten für den Komfort der Besatzung und die Zuverlässigkeit der Ausrüstung; |
| Bergbau und Untertagebau | Bereitstellung essenzieller Belüftung für Bergbaustandorte und andere unterirdische Bauwerke zur Verringerung des Risikos gefährlicher Bedingungen; |
Jede dieser Anwendungen profitiert erheblich vom fortschrittlichen Design und der Funktionalität der Umlenkleitbleche von TunnelTech, was einen Quantensprung im effizienten Luftstrommanagement darstellt. Durch die Wahl der widerstandsarmen Leitschaufeln von TunnelTech können Kunden erwarten, ihre Systemleistungsziele nicht nur zu erreichen, sondern zu übertreffen, und das bei gleichzeitiger
- •Reduzierung des Energieverbrauchs * um bis zu 30 %
- •Lärmminderung * um 60 %, im Vergleich zu herkömmlichen Luftkanälen.
* – experimentelle Ergebnisse für die Windkanalgeometrie des TT45 PRO.
Für Anfragen und weitere Details darüber, wie unsere Umlenkleitbleche an spezifische Anforderungen angepasst werden können, kontaktieren Sie bitte unser Team. Machen Sie TunnelTech zu Ihrem Partner für optimale Lösungen im Luftstrommanagement.
Installation & Wartung
- •Abmessungen und Spezifikationen
Überprüfen Sie vor der Installation die Kanalabmessungen und die Spezifikationen der Umlenkleitbleche
- •Montageoptionen
Erhältlich in Ausführungen zum Klemmen, Schrauben und Schweißen
- •Lastenhandhabung
Befolgen Sie die Richtlinien zur Lastenhandhabung für einen sicheren Transport und eine sichere Positionierung
- •Schritt-für-Schritt-Installation
Detaillierte Installationsanweisungen werden mit jeder Produktlieferung bereitgestellt
- •Inspektionsplan
Regelmäßige Sichtprüfungen zur Sicherstellung der Ausrichtung der Leitbleche und der strukturellen Integrität
- •Reinigungsverfahren
Regelmäßige Reinigung zur Entfernung von Staub- und Schmutzablagerungen auf den Leitblechoberflächen
- •Verschleißüberwachung
Überwachung auf Anzeichen von Korrosion, Erosion oder mechanischen Schäden
- •Anleitung zur Fehlerbehebung
Behebung häufiger Probleme wie Vibrationen, Lärm oder verringerter Luftstromeffizienz
Dokumentation
Technische Informationen zu den Ecksegment-Baugruppen für Windkanäle von Tunnel Tech und den Parametern der Umlenkleitbleche sind in einem umfassenden Datenblatt für die Produkte TTE-TSA und TTE-TV verfügbar. Die Dokumentation enthält Informationen zu Designoptionen, örtlichen Widerstandsbeiwerten für horizontale und vertikale 90-Grad-Umlenkungen sowie hydraulische und wärmetechnische Parameter für gekühlte Umlenkleitbleche.
TTE-TSA Datenblatt herunterladen (PDF)Referenzen und verwandte Publikationen
Zusätzliche Informationen zum Design und zur Optimierung von Umlenkschaufeln für Windkanäle, industrielle Kanalsysteme, HLK-Kanäle und Luftstrommanagement-Ausrüstung, Ventilator-Gleichrichter usw. finden Sie unter den folgenden Links:
- Baals, D.D., and W.R. Corliss. Wind Tunnels of NASA. NASA; SP-440. Scientific and Technical Information Branch, National Aeronautics and Space Administration, 1981. books.google.rs
- Barlow, J.B., W.H. Rae, and A. Pope. Low-Speed Wind Tunnel Testing. Wiley, 1999. books.google.rs
- Pope, A., and K.L. Goin. High Speed Wind Tunnel Testing. Wiley, 1965. books.google.rs
- Idelchik, I. E. “Handbook of Hydraulic Resistance, Revised and Augmented.” Begell House, 2008. begellhouse.com
- Nikuradse, J. 1933. Strömungsgesetz in rauhen Rohren, VDI Forschungshefte 361. (Englische Übersetzung: Laws of flow in rough pipes). Technischer Bericht, NACA Technical Memorandum 1292. National Advisory Commission for Aeronautics (1950), Washington, DC. ntrs.nasa.gov
- Nikuradse, J. (1931), Strömungswiderstand in rauhen Rohren. Z. angew. Math. Mech., 11: 409-411. doi.org/10.1002/zamm.19310110603
- Nikuradse, J. 1932. Laws of turbulent flow in smooth pipes (Englische Übersetzung). NASA TT F-10: 359 (1966).
- Nikuradse, J. 1930. Widerstandsgesetz und Geschwindigkeitsverteilung von turbulenten Wasserströmung in glatten und rauhen Rohren, Proc. 3rd Int. Cong. Appl. Mech., Stockholm, 239-248.
- Moody, L. F. 1944. Friction factors for pipe flow. Trans. ASME, 66, 671–684. doi.org/10.1115/1.4018140
- Colebrook, C. (1939). Turbulent Flow in Pipes, with Particular Reference to the Transition Region between the Smooth and Rough Pipe Laws. Journal of the Institution of Civil Engineers, Volume 11 Issue 4, February 1939, pp. 133-156. doi.org/10.1680/ijoti.1939.13150
- Colebrook, C. F. (February 1939). “Turbulent flow in pipes, with particular reference to the transition region between smooth and rough pipe laws”. Journal of the Institution of Civil Engineers. London. Volume 12 Issue 8, October 1939, pp. 393-422. doi:10.1680/ijoti.1939.14509.
- McKeon, Beverley J., Chris J. Swanson, Mark V. Zagarola, Russell James Donnelly, and Alexander J. Smits. “Friction Factors for Smooth Pipe Flow.” Journal of Fluid Mechanics 511 (2004): 41–44. doi.org/10.1017/S0022112004009796
- Mehta R.D., Bradshaw P. Design rules for small low speed wind tunnels. The Aeronautical Journal. 1979;83(827):443-453. doi.org/10.1017/S0001924000031985
- Cattafesta, Louis, Chris Bahr, and Jose Mathew. “Fundamentals of Wind-Tunnel Design.” In Encyclopedia of Aerospace Engineering. John Wiley & Sons, Ltd, 2010. doi.org/10.1002/9780470686652.eae532
- Hurtado, J.P.; Villegas, B.; Pérez, S.; Acuña, E. Optimization Study of Guide Vanes for the Intake Fan-Duct Connection Using CFD. Processes 2021, 9, 1555. doi.org/10.3390/pr9091555 mdpi.com
- Gelder, T.F., Moore, R.D., Sanz, J.M. and McFarland, E.R. Wind tunnel turning vanes of modern design. 24th Aerospace Science Meeting. NASA Technical Memorandum, AIAA Paper 86-0044. Reno, Nevada, January 1986. semanticscholar.org
- Schirf, Collin. “Optimization of Expanding Turning Vanes by Bezier Curve Parameterization,” Master Dissertation, University of Maryland, 2019. doi.org/10.13016/5x1x-gxhz
- Almeida, Odenir De, Frederico Carnevalli De Miranda, Olivio Ferreira Neto, and Fernanda Guimarães Saad. “Low Subsonic Wind Tunnel – Design and Construction.” Journal of Aerospace Technology and Management 10 (February 26, 2018). doi.org/10.5028/jatm.v10.716
- Modi, P. P., and S. Jayanti. “Pressure Losses and Flow Maldistribution in Ducts with Sharp Bends.” Chemical Engineering Research and Design 82, no. 3 (2004): 321–31. doi.org/10.1205/026387604322870435
- Kotb, N. A. E., M. R. Mokhtarzadeh-Dehghan, and A. J. Ward-Smith. “A Numerical Study of Laminar and Turbulent Flows in a Two-dimensional Bend with or without a Guide Vane.” International Journal for Numerical Methods in Engineering 26, no. 1 (January 1988): 245–62. doi.org/10.1002/nme.1620260117
- Sahlin, A.; Johansson, A.V. Design of guide vanes for minimizing the pressure loss in sharp bends. Fluids A Fluid Dyn. 1991, 3, 1934–1940.
- Crawford, N.M.; Cunningham, G.Y. Prediction of Pressure Drop for Turbulent Fluid Flow in 90° Bends. Sage: London, UK, 2003; pp. 153–155.
- Kumar, S.; Nandi, N. Change in Flow Separation and Velocity Distribution Due to Effect of Guide Vane Installed in a 90° Pipe Bend. Mech. Eng. 2017, 21, 353–361.
Siehe auch:
- Moody-Diagramm: en.wikipedia.org/wiki/Moody_chart
- Darcy-Weisbach: en.wikipedia.org/wiki/Darcy–Weisbach_equation
- Reibungsbeiwert: en.wikipedia.org/wiki/Fanning_friction_factor, en.wikipedia.org/wiki/Darcy_friction_factor_formulae
- Reibungsverlust: en.wikipedia.org/wiki/Friction_loss