Digitaler Leistungsprüfstand für Ventilatoren als SaaS-Angebot

Da ich selbst, mit 77 Jahren nicht mehr aktiv im Geschäft tätig bin, sich also eine eigene Investition nicht mehr rechnet, habe ich die Idee eines Digitalen Leistungsprüfstand für Ventilatoren an ein verheißungsvolles Startup Unternehmen abgetreten. In der Natur der Sache liegt es, dass ein Startup zur Umsetzung von Ideen Investoren benötigt.

Ich suche deshalb Interessenten aus der Ventilatoren-Branche, die bereit sind sich mit Kapital und Ideen in das Projekt sowie bei der Validierungskampagne mit einzubringen.

Es gibt, wie ja auch aus vielen Berichten zu lesen ist, viele gute CAE-/CFD-Systeme. All diese Anbieter wollen aber die Software verkaufen und auch gerne noch an der Schulung entsprechendes Personals verdienen. Da es bei den meist mittelständischen Ventilatorenbauern viel zu wenig Experten gibt, die CFD-Systeme beherrschen und meist auch bei vor Ort genutzten Systemen viel zu wenig Rechnerleistung gibt um Entwicklungen mit einer Vielzahl an Varianten und Detailänderungen zu einer optimalen Geometrie zu führen, geschweige denn einer Kundenauftrag bezogenen Einmalfertigung zu realisieren, kam mir die Idee eines SaaS-Angebots eines „Digitalen Leistungsprüfstand für Ventilatoren.

D.h. ich stelle mir eine Client-Server-Architektur vor bei der der Anbieter der SaaS-Lösung den Client als eine auf Kunden individuelle Wünschen angepasste selbsterklärende Nutzerführung eines automatisierten Workflows ausführt. D.h. der Kunde lädt seine 3D-CAD-Konstruktion in den Client. Hier erfolgt eine automatische Vergitterung, inkl. automatischer Verfeinerung, Lücken-, Spaltverfeinerung etc. Das so erstellte Rechengitter wird zusammen mit den Konfigurationsdateien dann an die Cloud gesendet, wo die eigentliche Simulationsrechnung bis hin zur Darstellung des Ergebnisses der erreichten Ventilatorkennlinien auf dem Server vollzogen und zur Darstellung wieder auf den Client gesendet wird.

Ziel der Lösung ist es mit dem Digitalen Prüfstand ein Ergebnis zu erzielen, dass sich 1:1 mit der Messung auf einem realen Prüfstand einer Leistungsmessung gemäß ISO 5801:2017 deckt.

Dies würde nicht nur die Entwicklungskosten, die Zeit und die Energiekosten drastisch reduzieren, sondern auch bei Kundenauftrag spezifischer Einmalfertigung ganz neue Märkte erschließen.

Ausführliche Details können mit Interessenten gerne besprochen werden, zu dem Zweck sollte sie sich bei mir unter horst.benderoth@benderoth-consulting.de melden.

Vom Produkt-Lieferant zu erweiterten Geschäftsmodellen – Teil 1

In dem folgenden Beitrag  Teil 1 möchte ich am Beispiel des Ventilatorenbaus, den aktuellen Stand und die Chancen  aufzeigen, die sich, und das gilt stellvertretend für viele mittelständische Maschinenbauer, durch die Digitalisierung ergeben.

Bild 1: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bild Reitz Ventilatoren

Wenn wir uns den aktuellen Stand bei der Mehrzahl der mittelständischen Ventilatorenbauer ansehen, stellen wir fest, daß diese meist reine Produkt-Lieferanten sind. Was heißt das?

Für alle Leser, die nicht gerade aus dem Ventilatorenbau kommen und nicht unbedingt nach einer DIN-Norm suchen, sondern einfach mal googeln was Wikipedia als Begriffs-Definition so anbietet, finden sie folgende Definition:                                                                                                Ein Ventilator (von lat. Ventilare  „Wind erzeugen“, „Kühlung zufächeln“)  ist eine fremd angetriebene Strömungsmaschine, die meist mittels eines in einem Gehäuse rotierenden Laufrads ein gasförmiges Medium fördert und verdichtet sowie dabei zwischen Ansaug- und Druckseite ein Druckverhältnis zwischen 1 und 1,1 erzielt.

Bild 2: Quelle: Bild; fotolia, Text; http://de.wikepedia.org/wki/Ventilator

Maschinen mit einem Druckverhältnis zwischen 1,1 und 3 sind Gebläse. Ventilatoren und Gebläse werden auch als Lüfter bezeichnet, insbesondere wenn sie zur Luftabsaugung vorgesehen sind. Im weiteren Sinn werden alle zu den Verdichtern gerechnet. Verdichter im engeren Sinn erzielen dagegen Druckverhältnisse von mehr  als 3. Im Verhältnis zur Leistung erzielen Ventilatoren aufgrund des niedrigen Druckverhältnisses hohe Volumenströme. Gebläse wegen des mittleren Druckverhältnisses mittlere Volumenströme. Für die, die jetzt ganz verwirrt sind, das Ganze einfach in Bildern.

Bild 3: Quelle: TROX-TLT, Berliner Luft, Nicotra Gebhardt, TLT Turbo, Reitz Ventilatoren 

Unter dem Sammelbegriff Ventilatoren laufen die verschiedensten Ausprägungen. Während  grundsätzlich zwischen Axial- und Radialventilatoren unterschieden wird, ist ein weiteres Unterscheidungskriterium die Anwendung. Hier wird zwischen Klimaventilatoren oder auch  Ventilatoren der Technischen Gebäude Ausrüstung einerseits

Bild 4: Quelle: Reitz Ventilatoren, TLT Turbo

und den Industrieventilatoren bzw. Prozess-Ventilatoren andererseits unterschieden. Die unterschiedlichen Anforderungen an die Ventilatoren prägen hier deutlich die Ausführungen und Bauarten der Ventilatoren.

Bild 5: Quelle: IKTD Universität Stuttgart, Dipl.-Ing. Matthias Bachmann und Dipl.-Ing. S. Recker 

Allen gemeinsam ist die Tatsache, dass der Produkt-Lieferant im Ventilatorenbau  versucht das eigentliche Produkt, also den Ventilator zu optimieren, d.h.; Die optimale Auslegungsdrehzahl zu finden,  mittels CFD-Analyse die Laufradströmung und damit den Wirkungsgrad zu verbessern,  mittels FEM  und Modal-Analysen die Laufradbelastung und damit Festigkeit  mit kleinst möglichen Massen zu realisieren, Untersuchungen der Lagerbelastung durchzuführen, sowie Maßnahmen zu Geräuschreduzierung vorzunehmen.

Kurz er ist bemüht, im Sinne der zuständigen EU-Richtlinien  und Verordnungen, ein effizientes Produkt zu gestalten, zu fertigen und zu liefern.

Bild 6: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bild Reitz Ventilatoren

Der nächste Schritt in der Entwicklung des Ventilatorenbaus ist der Systemlieferant. Dies vor allem getrieben durch die EU-Richtlinien, wie der Er-P-Richtlinie 2009/125/EG sowie der speziell auf Ventilatoren bezogene Verordnung (EU) Nr. 327/2011, aber auch der internationalen Normenreihe IEC 61800-9, die eine ganzheitliche Betrachtung der Effizienz eines kompletten Antriebsystems ermöglicht. Die deutsche Fassung dieser internationalen Norm ist mit der  DIN EN 61800-9-2 am 01.01.2018 veröffentlicht worden und ersetzt die bisherige DIN EN 50598-2. Hierin heißt es, um die effizienteste Lösung einer elektrisch betriebenen Arbeitsmaschine herauszufinden, müssen zur Energieeffizienzindex      (EEI) -Ermittlung die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen. Hinzu kommen die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Übertragungs-Module. Also das Zusammenspiel des kompletten Ventilatorsystems.

Mit der internationalen Normreihe IEC 61800-9 wurde im Jahr 2017 ein normatives Werkzeug veröffentlicht, das unter anderem eine objektive Bewertung der Energieeffizienz von Antriebssystemen, aber auch des erweiterten Produktbereiches ermöglicht. Die Effizienzklassen der Complete Drive Module (der Frequenzumrichter) werden hierin in den Klassen IE0 bis IE2 festgelegt. Vergleichbares gilt für das Power Drive System also das komplette Antriebssystem (Motor+FU). Bei der Ermittlung der Verluste eines Power-Drive-Systems werden die Einzelverluste des Motors und des kompletten FU´s addiert. Die Verlustbestimmung wird in 8 Betriebspunkten ermittelt. Um die effizienteste Lösung einer elektrisch betriebenen Arbeitsmaschine herauszufinden, müssen zur Energieeffizienzindex (EEI)-Ermittlung die Verluste des eingesetzten Motorsystems vorliegen. Hinzu kommen die Verluste der Arbeitsmaschine inklusiv der Übertragungs-Module. Die Arbeitsmaschine ist in unserem Fall der Ventilator.

Bild 7: Quelle: ZVEI – Handout – zu Norm EN 50598 – heute DIN EN 61800-9-2

Entscheidend dabei ist die Einsicht, nicht Komponenten sparen Energie, sondern Systeme in ihrer verfahrenstechnischen Anwendung.

Bild 8: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting

Da aber der entscheidende Ansatz der Verlustvermeidung bei der Wahl des Regelkonzeptes von den verfahrenstechnischen Anforderungen des Kundenprozesses bestimmt wird, sollte also auch logischerweise die konzeptionelle Gestaltung, Lieferung und damit Verantwortung des erweiterten Produktes Ventilatorsystem in einer Hand bei dem Ventilatorlieferanten angesiedelt sein. Nur er kann bei den vom Verfahrenstechniker vorgegebenen Lastpunkten einer Anlage die mit der Ventilatorkennlinie und dem entsprechend gewählten Regelungskonzept sich ergebenden Arbeitspunkte und damit den Energieeffizienzindex (EEI) des kompletten Ventilatorsystems (CFS) bestimmen bzw. ein für die Anforderungen entsprechendes Ventilatorsystem auslegen. Eine strikte Trennung von Maschinenbau und Antriebstechnik muss dem Energieeffizienzgedanken weichen. Deshalb plädiere ich bereits aus Energieeffizienzgründen, das CFS als Einheit zu betrachten und die Konzeptionierung und Lieferung in einer Hand zu belassen.

Das es weitere Gründe für die einheitliche Behandlung als Ventilatorsystem gerade im Zuge der Digitalisierung gibt, wird in dem weiteren Verlauf dieses Beitrags deutlich.

Eine sehr gelungene Umsetzung eines kompletten Ventilator-Systems aus dem Niederdruckbereich sehen Sie hier mit einer Baureihe der Firma ebmpapst. Und zwar das Ventilator-System der Baureihe RadiFit:

Bild 9:  Quelle: ebmpapst Produkt RadiFit 

Es besteht aus den Komponenten: Spiralgehäuse, Hochleistungslaufrad, GreenTech EC-Motor und  der elektronischen Steuerung für eine stufenlos steuerbare Drehzahl mit integriertem Blockier- und Übertemperaturschutz.

Bei dieser Art Ventilatoren, würde kein Kunde auf die Idee kommen den Antrieb oder die Regelung beizustellen. Ganz abgesehen davon, dass ebm-papst die Antriebe auch selbst herstellt.

Bild 10: Quelle: ebmpapst Produkt RadiCal

Bei dem rückwärtsgekrümmten GreenTech EC-Ventilator der RadiCal Baureihe handelt es sich um eine All-in_One Lösung aus einer Hand. Also Laufrad, GreenTech EC-Motor mit integrierter Steuerelektronik und Spiralgehäuse. Zus. einer zum Patent angemeldeten Volumenstrommessung  mit Flügelradanemometer, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren und einer MODBUS-RTU Schnittstelle. ebm-papst zeigte 2018 auf der Messe Chillventa in Nürnberg bereits die Linie GreenIntelligence. Hierbei entwickelt ebm-papst aus energieeffizienten Ventilatoren und Antrieben eine intelligente vernetzte Komplettlösung. Alle Produkte mit GreenIntelligence von ebm-papst sind IoT-fähig und mit jedem System vernetzbar – und das schnell und einfach per Plug & Play. D.h. hier sind Smart Fans bereits Realität.

Bild 11: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Reitz

Anders sieht das bei den sogenannten Industrie- bzw. Prozeß-Ventilatoren aus. Hier wollen oft sogar die Ventilatorlieferanten nichts mit der E-Technik, geschweige denn  der Leistungs-Elektronik zu tun haben. Denn wie höre ich häufig. „Wir sind ja schließlich Maschinenbauer“. Aber auch hier besteht das komplette Ventilator-System immer aus dem eigentlichen Ventilator (also dem Laufrad, dem Gehäuse, bei separater Lagerung den Lagern, den  Moment übertragenden Komponenten (Kupplung, Riementrieb) und den Konsolen etc.)

Bild 12: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Danfoss, ABB, Siemens, REEL S.r.l.

dem Antrieb – In den meisten Fällen einem Elektromotor, wobei man je nach Einsatzbedingungen und Antriebsgröße entscheiden muss, welche Antriebslösung die richtige ist. Drehstromasynchronmotor mit Alu-Läufer. Drehstromasynchronmotor mit Kupferläufer. Synchronmotor mit Permanentmagneten am Rotor. Synchronreluktanzmotor dessen spezielles Rotordesign den magnetischen Fluss führt und so ein Reluktanzmoment erzeugt. Wobei der Synchronmotor mit Permanentmagneten bei kleineren Leistungen und hohen dyn. Anforderungen und der Synchronreluktanzmotor bei Leistungen bis max. 450 kW  die richtige Wahl bei dem Wunsch nach einer Effizienzklasse >=IE4 in Verbindung mit einem Frequenzumrichter sind. Die verschiedenen Motorkonzepte beeinflussen erheblich den Antriebswirkungsgrad.

Bild 13: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Reitz, CG Drives & Automation, Siemens, ABB, Danfoss

Die dritte wichtige Komponente ist die Regelung.

Ob Drosselklappenregelung, Drallregelung oder Drehzahlregelung, und hierbei je nach Leistung mit einem Aufsatz-FU, mit einem Einbaugerät oder einem kompletten Schranksystem. Der richtige Antrieb (Motor +FU) bestimmt schon einmal den Antriebssystem-Wirkungsgrad. In Verbindung mit dem Ventilator dann den Ventilatorsystem-Wirkungsgrad und was viel wichtiger ist, durch die Unterschiede in der Regelungsart die unterschiedlichen Leistungsaufnahmen über den Regelbereich. Entscheidend  ist aber hier, dass das Ventilator-System, also Ventilator, Motor und Regelung exakt aufeinander abgestimmt ist. Wobei hier leider in der Praxis oft die Systemkomponenten auseinander gerissen werden (also nicht aus einer Hand geliefert werden), weshalb gerade die Abstimmarbeiten vernachlässigt werden, obgleich diese von großer Bedeutung sind, da es sonst bei nicht richtig abgestimmten Ventilator-Systemen bzw. falsch parametrierten Antriebssystemen zu Schwingungen und letztlich Schäden an den Ventilatoren kommen kann.

Wenn in den ErP-Richtlinien bzw. der EU-Verordnung Nr. 327/2011 vom Ventilator-System-Wirkungsgrad gesprochen wird, sind also zumindest diese drei Komponenten gemeint.

Bild 14: Quelle: HBC Horst Benderoth Consulting, Bilder: Scheuch, Siemens, Reitz

Zwar nicht im Sinne der EU-Richtlinie 327/2011, wohl aber im Sinne der Anforderungen an ein optimales Ventilator-System, gehören die aktiven oder passiven Maßnahmen zur Schallreduktion mit in die Betrachtung. Denn auch hier gewinnen durch steigende Marktanforderungen und verschärfte gesetzliche Bestimmungen maschinenakustische Produktanforderungen immer mehr an Bedeutung.

Ist damit das Ventilator-System abgerundet? – Ich sage nein.

Denn wenn wir im Ergebnis erweiterte digitale Geschäftsmodelle anstreben, müssen erst die Grundlagen, die digitale Geschäftsmodelle erst möglich machen, gelöst und damit vorhanden sein.

Hierzu zählen, die Sensorik, Konnektivität, Cloud-Nutzung, das Arbeiten mit Digitalen Zwillingen und den Plattform-Technologien.

Im Teil 2 werde ich über die Sensorik berichten bzw. versuche ich zu der Frage, wie bekommen wir die Daten zu einer vorausschauenden Wartung bis hin zu einem IoT-basierten Predictive Maintenance des CFS in den Griff, Antworten zu finden.

Bedarf an einem Seminar? – „Veränderung des Ventilatorenbaus im Zeichen der Digitalisierung“

Da die HBC im Rahmen ihrer Beratertätigkeit immer mehr die Fragen nach den Vorteilen und Möglichkeiten der Digitalisierung auch für mittelständische Maschinenbauer, wie z.B. dem Ventilatorenbau, gestellt bekommt, habe ich überlegt, diese Themen eventuell in einem größeren Rahmen zu behandeln. Dies hätte den Vorteil, dass ich von verschiedenen Lösungsanbietern hierzu Referenten gewinnen könnte, um so den Teilnehmern einen neutralen Überblick bereits bestehender Lösungen aufzeigen zu können.

Mich würde interessieren, wer an einem Seminar, wie im ersten Entwurf des nachfolgenden Konzeptes beschrieben, teilnehmen würde, wenn dies auf einem entsprechenden Bildungsforum angeboten würde. Rückmeldungen bitte nur direkt an meine

E-Mail: horst.benderoth@benderoth-consulting.de

Ihre Daten werden von mir rechtskonform und gemäß DSGVO behandelt und keinem Dritten weitergeleitet.

1. Entwurf des Seminarkonzeptes

Vom Produkt-Lieferant, zum System-Lieferant, zu Digitale Services und erweiterten Geschäftsmodellen auf Basis einer IIoT (Industrial Internet of Things) Plattform.

Zielsetzung

Die Schärfung des Bewusstseins, dass auch dem Klein- und Mittelstand heute bedarfsbezogen Rechenkapazitäten, PaaS (Platform as a Service) und Saas (Software as a Service) – Dienste aus der Cloud zur Verfügung stehen, mit denen sich Schritt für Schritt die Weichen in Richtung Digitalisierung der Unternehmensprozesse und des Geschäftsmodells realisieren lassen.

Dies Seminar soll der Tatsache, dass trotz des Hypes im Mittelstand digitale Geschäftsmodelle aktuell immer noch stark defizitär sind, entgegen wirken.

Teilnehmerkreis

Da die Digitalisierung Chefsache und in die Firmenstrategie und Organisation adäquat zu verankern ist, richtet sich dies Seminar gezielt an die Führungsebene der Klein- und Mittelständler.

Die beispielhafte Konkretisierung an dem Ventilatorenbau, soll aber Interessierte aus anderen Branchen nicht ausschließen.

Zum Thema

Die Digitalisierung hat auch auf produzierende Unternehmen starke Auswirkungen sowohl auf deren Fertigung als auch auf deren Geschäftsbeziehungen.

Am Beispiel des Ventilatorenbaus soll den für die Unternehmensentwicklung Verantwortlichen der notwendige Wandel im Zeichen der Digitalisierung und die Möglichkeiten, die sich hierdurch auch dem Mittelstand eröffnen, aufgezeigt werden.

Die Entwicklung vom Produkt-Lieferanten, über den System-Lieferanten, bis zu erweiterten Geschäftsmodellen (wie z.B. IIoT-basiertes Predictive Maintenance des CFS (Complete Fan System), oder die Unterstützung des Service-Personals durch verfügbaren Remote Support mit Augmented Automation Anwendungen usw. wird behandelt.

Der Weg dahin führt über die Wahl des geeigneten Plattform-Anbieters, der Erstellung des Digitalen Zwilling (des Produktes und der Produktion) – dem PLM Product Lifecycle Management System usw.

Das diese Entwicklung dem Mittelstand (trotz meist fehlender Ressourcen) nicht vorenthalten bleiben muss, soll dieses Seminar vermitteln.

Themen

  • Einführung aktueller Stand und Aussichten
  • Vom Produkt-Lieferant zum System-Lieferant
  • Von der technologischen Anforderung über den digitalen Zwilling zum realen Produkt (Stichwort Engineering-Kette)
  • Digitale Services und neue Geschäftsmodelle auf Basis einer IIoT Plattform
  • Vom Ventilatorhersteller bis zum Anlagenbetreiber, ein wachsendes Ökosystem im Kontext von IIoT.
  • Zustandsüberwachung für die Kernelemente des Antriebstrang (FU, Motor) leicht gemacht.
  • Daten zusammenführen, aufbereiten und visualisieren.
  • Maßgeschneiderte Data Analytics Lösungen entwickeln.
  • Mit virtueller Inbetriebnahme Risiken senken und Kosten reduzieren.
  • ………………………………….
  • ………………………………….

 

Veränderungen des Ventilatorenbaus im Zeichen der Digitalisierung

Die Veränderungen durch die zunehmende Digitalisierung sind  immens – und zwar sowohl aus ökonomischer als auch sozialer Perspektive: Informationstechnologien, digitale Geschäftsmodelle, Maschinen mit künstlicher Intelligenz und neue Medien wandeln Märkte, Branchen und damit die Anforderungen an die eigene Geschäftsphilosophie.

Man kann die Entwicklung der vergangenen dreißig Jahre grob unterteilen in ein Zeitalter der Hardware, ein Zeitalter des Engineerings und ein beginnendes Zeitalter vernetzter Systeme, bei dem ein digitales Modell im Zentrum der Entwicklung stehen wird. Die Vorteile der digitalen Transformation liegen beispielsweise in der Produktionssimulation, im Maintenance, der Flexibilisierung, der Modularisierung usw.

Dafür bedarf es eines digitalen Modells. Man spricht hier vom digitalen Zwilling (Digital Twin), der für eine Maschine vorhanden sein muss. Der digitale Zwilling ist das virtuelle Abbild eines Produktes, das sein physisches Pendant ein Produktleben lang begleitet. D.h. es muss mit der realen Maschine per Datenaustausch verbunden sein. Dafür braucht es auch integrierte Informationssysteme, die einen durchgängigen Austausch von Informationen von der Planung über die Produktion, der Auftragsabwicklung bis hinunter in die Maschinenebene zulassen. Bei einem derartigen durchgängigen System spricht man von einem Product Lifecycle Management System (PLM) das sinnvollerweise von der Produktentwicklung, der digitalen Fabrik für die Produktionsplanung, dem ERP-System für die unternehmerischen Belange, dem Manufacturing Execution System (MES) für die Produktion bis hin zu den Informationen aus dem Feld, also wenn das Produkt bei Kunden im Einsatz ist, alle Informationen enthält.

Realer und digitaler Zwilling tauschen dann Statusdaten aus, die Sensoren permanent erfassen. Unternehmen können so Produktfehler in der Entwicklungsphase früher erkennen – und ihre Anlagen und Bauteile selbst nach der Auslieferung mittels IoT-basierter Rückmeldungen kontrollieren.

Doch all diese aktuell angesagten Entwicklungen setzen voraus, dass sich der Ventilatorbauer zumindest einmal vom Produkt-Lieferanten zum System-Lieferanten entwickelt hat. Denn erst für das komplette Ventilatorsystem (CFS Complete Fan System), also Ventilator plus Motor plus Regelung (idealerweise mittels Frequenzumrichter) und den erforderlichen Sensoren, gibt die Entwicklung hin zu erweiterten Geschäftsmodellen, wie z.B. dem IoT-basierten Predictive Maintenance des CFS einen Sinn.

Erforderliche Abstimmarbeiten des Ventilator-Systems

Spätestens seit der EU-Richtlinie 327/2011 hat sich bei Ventilatoren die Systembetrachtung durchgesetzt. Wobei die Richtlinie vordergründig nur den Wirkungsgrad des Gesamtsystems im Blickwinkel hat.

Bei kleineren Ventilator-Einheiten, wie sie beispielsweise in der Kälte-, Klima- und Gebäudetechnik eingesetzt werden, ist der Systemgedanke gängige Praxis. Hier wird zur Erreichung eines guten Systemwirkungsgrades und damit eines effizienten Produktes an allen Stellschrauben gedreht. Bei den sogenannten EC-Ventilatoren reicht das von aerodynamisch optimierten Hochleistungslaufrädern in optimerten Gehäusen mit Spiralkontur, über den Einsatz von EC-Motoren (Electronical Commutation), also Synchron-Motore mit Permanentmagneten und elektronischer Kommutierung (Stromwendung) durch Transistoren bis hin zur passenden elektronischen Steuerung für eine stufenlose steuerbare Drehzahl. Der erforderliche mechanische, elektrische akustische und letztlich schwingungstechnische Abgleich ist hier, bei Lieferung eines Gesamtsystems aus einer Hand eine Selbstverständlichkeit.

Anders sieht dies bei größeren Prozeß-Ventilatoren aus. Die auf den ersten Blick aus kommerzieller Sicht selbstverständliche Aufteilung der Liefergrenzen – Ventilator (Maschinenbau) auf der einen Seite, regelbarer Antrieb, also Motor und Frequenzumrichter, zur E-Technik bzw. Regelungstechnik auf der anderen Seite – hat nicht nur den Nachteil einer unklaren Verantwortlichkeit des Ventilator-Systemwirkungsgrades, diese Aufteilung führt auch zu einer Grauzone in der sich für das Abstimmen im Hinblick auf einen schwingungsarmen Lauf nach ISO/DIS 14694 bzw. >300 kW Antriebsleistung nach DIN ISO 10816-3 keine der beiden Lieferparteien zuständig fühlt, und so diese zwingend erforderlichen Arbeiten meist vernachlässigt werden. So treten zwangsläufig Schwingungsprobleme des Gesamtsystems auf, mit dem Ergebnis, dass die Schwingungsprobleme und die hieraus entstehenden Schäden als Garantiepunkt zwischen den Parteien strittig hin und her geschoben werden.

Das Ergebnis meiner Untersuchungen in den vielen Jahren meiner aktiven beruflichen Laufbahn zeigte nun, dass es sich bei einem drehzahlgeregelten Ventilator-System schwingungstechnisch um ein sehr komplexes System handelt. Dieses System ist nicht einmal mit Hilfe modernster Rechnerprogramme, wie z.B. Finite Elemente oder Modalanalysen, in einem angemessenen Aufwand vorausbestimmbar. Da z.B. bei einer Wellenstrangberechnung nicht nur die Federkonstanten der Einzelelemente Motorwelle, Kupplung, Ventilatorwelle sondern als Ansatz der Berechnung natürlich auch die Antriebsdrehmomente, der Regelbereich und damit die Erregerfrequenzen bekannt sein müssen. Hier gibt es aber zu dem gewollten und berechenbaren Antriebsgrunddrehmoment eine Vielzahl an systembedingten, und vor allem durch Parametrierung veränderbaren, zur jeweiligen Grundfrequenz überlagerten Oberwellendrehmomente. D.h. eine rein theoretische Betrachtung ist so gut oder falsch wie der Ansatz. Das bedeutet, Resonanzschwingungen können konstruktiv nur aufwendig vermieden werden, wenn die Erregerfrequenzen, -momente bzw. –kräfte bekannt sind. Diese sind aber parametrierbar und insofern im Voraus nicht festlegbar.

Die Ursache liegt also in der Kombinationsvielfalt von den verschiedensten Erreger- und Eigenschwingungen:

Im Folgenden sind einige der Schwingungsursachen dargestellt.

  1. Der gewünschte Regelbereich von z.B. 5-50 Hz, d.h. ein weites Spektrum an Erregerfrequenzen.
  2. Die Ausgangsspannung eines Frequenzumrichters enthält neben der gewünschten Grundschwingung Lamda = 1 eine Reihe von Oberschwingungen mit den Ordnungszahlen Lamda = 5,7,11 usw. Diese Oberschwingungen bewirken abwechselnd mit- und gegensinnig zu den Grundschwingungsfeldern mit lamda-facher Geschwindigkeit umlaufende zusätzliche Drehfelder. Hierdurch können asynchrone Sattelmomente gebildet werden. In jedem Fall aber treten zusätzliche magnetische Anregungen durch Umrichterspeisung im Motor auf.
  3. Resonanzen können im Motor und im Ventilator auftreten. Ein Beispiel: Allein die Tatsache, Wälzlager bei verschiedenen Frequenzen von 5-50 Hz zu betreiben, kann im Lager zu Resonanzen führen. Wird die Erregerfrequenz jetzt noch von Oberwellen lamda-facher Ordnung überlagert, ist die Wahrscheinlichkeit, Resonanzpunkte zu erhalten, um ein Vielfaches gestiegen.
  4. Resonanzverhalten durch Eigenspannungen: Ein Ventilator bleibt selbst bei stabilster Ausführung letztlich eine Blechschweißkonstruktion mit den verschiedensten Eigenspannungen im Blech, schwingungstechnisch ein idealer Resonanzkasten. Erregt man diesen, wie unter 1. und 2. beschrieben, trifft man mit 90%-iger Sicherheit auf Resonanzpunkte, die durch Verstimmen beseitigt werden müssen.
  5. Nicht zu unterschätzen ist die Tatsache, dass bei einem Ventilator ein kompressibles Medium gefördert wird, das kleinste drehfrequente Schwingungen verstärkt und nicht, wie z.B. bei einer Pumpe, dämpft. Dies ist im Übrigen auch ein Grund warum bei Ventilatoren mit falsch parametrierten Frequenzumrichtern es bei Anlagen mit häufigen Lastwechseln zu Kupplungsschäden kommt.

Außer der Schwingungsproblematik des Ventilators treten auch Resonanzschwingungen z.B. der Trafobleche des Antriebmotor durch Oberwellen bei FU-Betrieb auf. Diese führen zu einer Schallpegelerhöhung, die je nach FU-System und Parametrierung zwischen 5-12 dB(A) liegen kann. Aber auch angeregte Blechflächen des Ventilatorgehäuses oder der Motorkonsole können in Resonanzschwingungen versetzt werden und als solche wie eine Membrane wirken und selbst zur neuen Schallquelle, die die tonale Frequenz der Taktfrequenz des FU´s widerspiegelt,
werden.  

Letztlich führen sogenannte Common-mode Spannungen und Ströme bei nicht sachgerechter optinaler Ausstattungen des Motors und des Frequenzumrichters, aber auch des Erdungskonzepts durch ein kapazitiv eingekoppeltes Wellenpotential zu Lagerströmen und damit Lagerschäden.  

Konsequenz:

Das System Ventilator, Motor und Frequenzumrichter muss aus schwingungstechnischer Sicht so aufeinander abgestimmt werden, dass über den garantierten Regelbereich alle Resonanzschwingungen beseitigt werden, um die geforderte Schwinggüte nach ISO/DIS 14694 bzw. >300 kW Antriebsleistung nach DIN ISO 10816-3 einhalten zu können. Die hierzu erforderlichen Arbeiten sind in jedem Fall von den Komponentenlieferanten zu fordern, da anderenfalls die erforderliche Schwinggüte nicht garantiert werden kann. Die Abstimmarbeiten eines drehzahlgeregelten Ventilators sollten idealerweise (soweit von der Leistungsgröße her wirtschaftlich sinnvoll) auf einem Ventilatorenprüfstand durchgeführt werden, weil nur hier klar zwischen elektrischen Schwingungen des Antriebs, mechanischen Schwingungen des Ventilators oder aber Schwingungen der vom Ventilator aufgebauten Gassäule (Pumpen, Strömungsabrisse, Verwirbelungen im Leitungssystem etc.) unterschieden werden kann. Auf diese Art und Weise lassen sich im Vorhinein Unstimmigkeiten über Ursache und Wirkung im Anlagenprozess vermeiden. Im Prüffeld kann jede Rückwirkung des Systems ausgeklammert werden und somit ein optimales und vor allem stabiles, schwingungsarmes Laufverhalten eingestellt, parametriert und dokumentiert werden. Dies ist auch mit ein Grund weshalb das Ventilator-System (also Ventilator, Motor und Regelung) auch bei größeren Prozeß-Ventilatoren in einer Hand bleiben sollte.

 

 

 

Nennen Sie das strömungsgerechte Ausführung?

Haben wir wirklich nichts dazugelernt?
Trotz der Möglichkeiten mittels CFD-Analysen strömungsgerechte Zu- und Abluftleitungen zu gestalten, sehen Leitungsführungen der Luft- bzw. Rauchgaskanäle heute nicht besser als früher aus.

Bei einer derartig schlechten Kanalführung,  wie diese CFD-Analyse der Firma NECON InnoSys GmbH bei der Untersuchung eines Ansaugkanals des Primärlüfters in einem Kraftwerk zeigt, kann weder der Ansaugschalldämpfer seine bestimmungsgemäße Wirkung entfalten, noch die nach dem Schalldämpfer sich ergebende Zuströmung zu dem Prozeß-Ventilator als optimal bezeichnet werden. Ganz im Gegenteil. Durch die Verwirbelung und ungleiche Anströmung des Schalldämpfers sorgen diese instationären Zustände für unterschiedliche Beaufschlagung der einzelnen Kulissenspalten. Diese zeitlich wechselnden Strömungsprobleme sorgen für Teilströmungen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und damit unterschiedlichen Druckverhältnissen zwischen den Kulissen. Diese Druckpulsationen führen auf Dauer zu Beschädigungen der Schalldämpfer-Kulissen.  Ganz abgesehen davon, daß die eigentliche Dämpfungswirkung des Schalls, für die der Schalldämpfer eigentlich ausgelegt ist, damit nicht erreicht werden kann.

Das selbst bei gleicher Kanalführung mit richtiger Anordnung von Leitblechen eine wesentliche Verbesserung erreicht werden kann, bewies dieser Verbesserungsvorschlag der Firma NECON InnoSys GmbH. Über die Folgen ihres Tuns machen sich Anlagenplaner meistens keine Gedanken. Im Gegenteil der Komponentenlieferant wird bei auftretenden Problemen zur Beseitigung der Mängel aufgefordert. Was Ursache und was Wirkung ist, läßt sich in einem Kunden- Lieferanten Verhältnis meist schwer klären. Deshalb möchte ich in dem HDT Seminar „VENTILATOREN – Systembetrachtung, Anlagenintegration und Akustik“ u.a. in einem Referat darauf hinweisen, welch enormer Einfluss und Einbußen der Energie-Effizienz derartig unüberlegtes Handeln bedeutet.
Schicken Sie mir Beispiele aus Ihren Anlagen und noch besser schicken Sie Ihre Anlagenplaner zum Seminar – wir möchten mit Ihnen über die Auswirkungen solchen Tuns diskutieren.

Nähere Informationen finden Sie unter;

Bypaßregelung die größte Energievernichtung

Im Rahmen meiner Beratungstätigkeiten zur Energieeinsparung von Prozeßventilatoren habe ich eine Situation vorgefunden, bei der eine einfache Umrüstung der Ventilatoren auf Drehzahlregelung keinen Erfolg gebracht hätte.

Bei der Auswertung der Daten für die mittlere Jahresauslastung der Anlage , stellte ich fest, dass trotz Teillast der Anlage die  3 Saugzüge der diversen Rauchgasreinigungsstufen in einer offenen Bypaßregelung betrieben wurden.

Hierdurch ziehen die Saugzüge soviel Rauchgasvolumen über den Bypaß zurück, wie diese in der Überwindung des mit höherem Volumen zum Quadrat steigenden Widerstand in der Anlage bedingt durch ihre Ventilatorkennlinien her schaffen. D.h. die Saugzüge wurden mit offenem Drallregler trotz Teillastbetrieb der Anlage betrieben und schafften noch nicht einmal den Auslegungsvolumenstrom durchzusetzen.

Bei dieser Anlagenkonstellation würde also auch eine Umrüstung von Drall- auf Drehzahlregelung keine Energieeinsparung bewirken, da die Saugzüge auch dann mit voller Drehzahl betrieben würden.

Ich habe dem Anlagenbetreiber deshalb vorgeschlagen zus. Klappen in die Bypaßstrecken einzubauen und diese soweit geschlossen zu halten, wie es verfahrenstechnisch für eine Mindestdurchflussmenge der einzelnen Filterstufen erforderlich ist. Anschließend die Saugzüge auf Drehzahlregelung umzurüsten.

Die sich durch diese Maßnahmen ergebenden Betriebspunkte auf den Kennlinien der Saugzüge ergeben dann eine Energie-Einsparung von ca. 68%.

Helfen Sie mit die gewünschte Systemfunktion Effizienz zu gestalten

Ich erlebe im Zuge meiner Beratungstätigkeit von Anlagenbetreibern, dass trotz auf dem Papier und nachweislich auf dem Prüfstand energetisch vorbildlicher Produkte, durch Planungen, die den optimalen Platzbedarf einer Anlage im Vordergrund haben, durch Auslegungen, die durch Angstzuschläge nicht Bedarfsgerecht sind, durch Einbindung in die Gesamtanlage, die mit strömungsgerechter Ausführung aber auch nichts gemein haben, durch Regelungen die von Investkosten statt Lebenszykluskosten geprägt sind und letztlich Betriebsweisen, bei denen weit mehr Verluste entstehen als bei dem Gesamtsystem Ventilator gemäß EU 327/2011.
Diese Diskussion in einem Kunden- Lieferantenverhältnis zu führen fällt schwer.
Deshalb wollte ich bereits im letzten HDT Ventilatoren-Seminar alle Beteiligten, vom Planer über den Anlagenbauer, den Komponenten Lieferanten bis hin zum Betreiber in das Seminar und zur Diskussion einladen. Anlagenplaner und -bauer fühlten sich hier aber leider nicht angesprochen, und so beschäftige ich mich heute immer noch damit diese bestehenden Mängel aufzuzeigen und in Zusammenarbeit mit meinen Kunden zu beseitigen.

Es geht um die Systemsynthese, die zielführende Konstruktion eines Systems mit bekannten Eingangsgrößen, woraus die gewünschte Ausgangsgröße resultiert.
Es geht also darum, für die gewünschte Systemfunktion „Effizienz“ eine funktionserfüllende Struktur zu finden.

Kombinierte Regelungsverfahren

Bevor jedoch bei all den positiven Aspekten für die Drehzahlregelung der Eindruck entsteht, dies sei die einzig empfehlenswerte Regelungskonzeption, soll nicht verschwiegen werden, dass es die berühmte Ausnahme gibt.

Bei all den bisher genannten Vorteilen der Drehzahlregelung wurde eine quadratische Anlagenkennlinie des Prozesses, in dem die Ventilatoren eingesetzt werden, vorausgesetzt.

Es gibt jedoch auch Anwendungsfälle, wie z.B. bei Anlagen mit Wirbelschichtfeuerungen, bei denen das Wirbelbett für die Verbrennungsluft einen konstanten Anteil auf hohem Widerstandsniveau über den Regelbereich aufweist und nur ein kleiner Anteil mit quadratischem Verhalten hinzukommt. Bei sehr kleinen Volumenströmen wird hier sogar aufgrund der zur Fluidisierung in der Wirbelbettkammer benötigten höheren Widerstände die Anlagenkennlinie noch ansteigen.

D.h. in der Summe kommt es zu einer sehr komplexen Anlagenkennlinie B, die von 0 in Richtung Auslegungspunkt BP_100% bei hohem
Widerstand beginnend erst abfällt, um anschließend wieder
anzusteigen.

Eine derartige Anlagenkennlinie kann, wie im Bild gezeigt, durch Drehzahlregelung nicht bzw. nur schlecht abgedeckt werden, da eine
Drehzahlabsenkung zur Abdeckung solcher Teillastpunkte im Regelbereich nur minimal, in dem dargestellten Beispiel nur zwischen 80 und 100% der Drehzahl möglich ist.

Bei derartigen Einsatzfällen würde man sicherlich im Normalfall eine Drallregelung empfehlen.

Andererseits sind gerade bei der Wirbelschichtfeuerung sehr hohe Drücke von 2000 daPa bis zu 3500 daPa und mehr erforderlich, was sich bei Betrieb mit Volumenstrommengen unter 30% mit einem Drallregler bei Drücken oberhalb 2500 daPa problematisch gestaltet. In diesem Bereich kommt es zu instationären Ablöseerscheinungen, durch Fehlströmungen an den strömungsführenden Teilen. Die Ablösungen verursachen in den Schaufelkanälen Wirbel, was dazu führen  kann, dass der Schaufelkanal durch Rückströmungen “verstopft,” d.h.  nicht befüllt wird. Durch die Rotation des Laufrades und die Interaktion der einzelnen  Schaufelkanäle wandert die Ablösung durch die Kanäle des Laufrades. Es tritt der sogenannte “rotating stall” auf.

Das Laufrad wird  dabei  starken wechselnden  Kräfte  ausgesetzt . Bei 3500 daPa, also 3,5 to pro m2 kann dies zu enormen Schäden am Laufzeug und der Lagerung führen, bis hin zur totalen Zerstörung der Gebläse.

In solchen Fällen, aber auch um das immer noch vorhandene Potential der Energieeinsparung im oberen Volumenstrombereich auszuschöpfen, besteht durchaus die Möglichkeit, die Drall- und die Drehzahlregelung zu kombinieren (siehe Bild).

Mit der Kombination der Drehzahl- und Drallregelung lässt sich einerseits im Bereich oberhalb 70% des Volumenstroms durchaus noch energiesparend mit Drehzahlregelung arbeiten. Vor allem aber wird im Teillastbereich bereits die Druckerhöhung auf unter 80% durch die Drehzahlregelung und damit in einen etwas verträglicheren Bereich abgesenkt, um so mit der Drallregelung auch Teillast-Volumenströme unter 30% ohne Schäden realisieren zu können.

Trudelantrieb ohne Freilaufkupplung

Bei Saugzug-Ventilatoren ist häufig ein Trudelantrieb erforderlich, um bei Ausfall des Hauptantriebs noch eine ausreichende Menge der Rauchgase mittels eines Hilfsantriebs, dem sogenannten Trudelantrieb, aus dem System zu fördern.

Üblicherweise wird hierzu bisher ein Getriebemotor mit angebauter Freilaufkupplung eingesetzt (siehe obere Bildhälfte). Das Problem hierbei ist es, einen Getriebemotor mit der passenden Abtriebsdrehzahl zu finden, um die von der Verfahrenstechnik gewünschte Fördermenge im Trudelbetrieb zu gewährleisten.

Galanter geht dies mit einem einfachen Drehstrom-Asynchronmotor (mit entsprechend höherer Polpaarzahl) der mittels eines Frequenzumrichter an dem Notstromnetz bei Ausfall des Hauptantriebs zugeschaltet werden kann (siehe untere Bildhälfte).

Vorraussetzung ist einerseits, daß der Motor für die höhere Drehzahl des Saugzug-Ventilators im Leerlauf  zulässig ist, da dieser direkt über eine elastische Kupplung angekoppelt ist, und andererseits ein Frequenzumrichter mit Drehmoment orientierter Regelung eingesetzt wird. Dieser Trudelantrieb synchronisiert sich durch Momentenabgleich beim Zuschalten dann automatisch mit dem auslaufenden Saugzug-Ventilator auf die gewünschte, einstellbare Trudeldrehzahl.

Derartige Trudelantriebe habe ich in meiner aktiven Zeit getestet und in der Praxis erfolgreich eingesetzt.