Weniger Energieverbrauch durch gezielte Strömungsoptimierung

Bei der Auslegung von Absaug- und Lüftungsanlagen spielt der Volumenstrom eine entscheidende Rolle. Er beeinflusst nicht nur die Wirksamkeit der Schadstofferfassung, sondern auch die Dimensionierung der Ventilatoren, Rohrleitungen und Filteranlagen sowie die laufenden Energiekosten.

In der Praxis werden Absaugsysteme häufig anhand von Erfahrungswerten und bewährten Konstruktionsprinzipien ausgelegt. Wird die gewünschte Erfassungsleistung nicht erreicht, liegt eine naheliegende Lösung darin, den abgesaugten Luftvolumenstrom zu erhöhen.

Das kann zwar die Erfassung verbessern, führt jedoch häufig zu einem höheren Energiebedarf und größeren Anlagenkomponenten.

Mithilfe von CFD-Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics) lassen sich die Strömungsverhältnisse bereits während der Entwicklung detailliert untersuchen und gezielt optimieren. Ziel ist es, die erforderliche Erfassungsleistung mit einem möglichst geringen Energieaufwand zu erreichen.

Warum ist der Volumenstrom so entscheidend?

Der benötigte Luftvolumenstrom hat wesentlichen Einfluss auf die Investitions- und Betriebskosten einer Absauganlage.

Ein höherer Volumenstrom kann unter anderem folgende Auswirkungen haben:

• Höherer Energieverbrauch: Ventilatoren benötigen mehr elektrische Leistung, um die erforderliche Luftmenge bei gegebenem Druckverlust zu fördern.
  
• Größere Anlagenkomponenten: Rohrleitungen, Ventilatoren und Filteranlagen müssen entsprechend dimensioniert werden.
  
• Höhere Heizkosten: Insbesondere im Winter muss die abgesaugte Luft häufig durch erwärmte Außenluft ersetzt werden.
  
• Höhere Betriebskosten: Größere Luftmengen können den Aufwand für Luftaufbereitung und Filtration erhöhen.

Entscheidend ist daher nicht, möglichst viel Luft abzusaugen, sondern die Luftströmung so zu gestalten, dass Schadstoffe möglichst effizient erfasst und abgeführt werden.

Wie kann CFD-Simulation zur Optimierung beitragen?

Mit CFD-Simulationen können Luftgeschwindigkeiten, Druckverteilungen und Strömungsverläufe innerhalb einer Anlage dreidimensional berechnet und visualisiert werden.

Dadurch lassen sich bereits vor der Fertigung eines Prototyps unterschiedliche Geometrien und Betriebszustände miteinander vergleichen.

1. Optimierung von Absaughauben und Erfassungselementen

Die Geometrie und Positionierung einer Absaughaube bestimmen maßgeblich, wie effektiv Rauch, Staub oder andere Schadstoffe an ihrer Entstehungsstelle erfasst werden.

Mithilfe von CFD-Simulationen können beispielsweise unterschiedliche Haubenformen, Einlassgeometrien und Absaugpositionen untersucht werden.

Dabei lassen sich unter anderem folgende Fragestellungen beantworten:

• Wie verändert sich das Strömungsfeld bei unterschiedlichen Haubengeometrien?
• Welcher Volumenstrom ist für eine ausreichende Schadstofferfassung erforderlich?
• Welchen Einfluss haben Querströmungen und die Position der Schadstoffquelle?
• Wie kann die Geometrie verändert werden, um die Erfassungswirkung zu verbessern?

Durch eine gezielte Optimierung kann es möglich sein, den erforderlichen Volumenstrom zu reduzieren, ohne die Erfassungsleistung zu verschlechtern.

2. Reduzierung der Druckverluste im Rohrleitungssystem

Neben der Erfassung selbst beeinflusst das Rohrleitungsnetz die Effizienz einer Absauganlage.

Insbesondere an Rohrbögen, Abzweigungen, Querschnittsänderungen und Übergängen können zusätzliche Druckverluste entstehen.

Mit CFD-Simulationen lassen sich Bereiche mit hohen Strömungsverlusten identifizieren und konstruktiv verbessern.

Darüber hinaus können Bereiche mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten erkannt werden, in denen bei staubbeladenen Strömungen ein erhöhtes Risiko für Ablagerungen besteht.

Eine strömungstechnisch optimierte Rohrführung kann somit sowohl den Energiebedarf als auch den Wartungsaufwand reduzieren.

3. Gleichmäßige Anströmung von Filteranlagen

Auch die Strömungsverteilung innerhalb eines Filtergehäuses hat Einfluss auf den Betrieb einer Absauganlage. Eine ungleichmäßige Anströmung kann dazu führen, dass einzelne Filterbereiche stärker belastet werden als andere. Dadurch können lokal erhöhte Druckverluste und ungleichmäßige Staubbelastungen entstehen.

Mit CFD-Simulationen lässt sich die Luftverteilung innerhalb des Filtergehäuses untersuchen und durch Anpassungen der Einströmgeometrie, Leitbleche oder Verteiler optimieren.

Ziel ist eine möglichst gleichmäßige Nutzung der verfügbaren Filterfläche.

4. Optimierung der Hallenlüftung

Bei der Lüftung von Produktionshallen ist nicht allein die ausgetauschte Luftmenge entscheidend. Ebenso wichtig ist, wie sich die zugeführte Luft im Raum verteilt und wie belastete Luft abgeführt wird.

Mit CFD-Simulationen können beispielsweise folgende Aspekte untersucht werden:

• Positionierung und Ausrichtung von Zuluftöffnungen
• Verteilung der Luftgeschwindigkeiten im Arbeitsbereich
• Entstehung von Totzonen und unerwünschten Rückströmungen
• Ausbreitung von Wärme und luftgetragenen Schadstoffen

Auf dieser Grundlage lassen sich Lüftungskonzepte entwickeln, die eine gute Luftqualität bei möglichst geringem Energieeinsatz ermöglichen.

Wirtschaftliches Potenzial: Weniger Volumenstrom, geringere Betriebskosten

Bereits eine vergleichsweise geringe Reduktion des erforderlichen Volumenstroms kann über die Lebensdauer einer Anlage zu erheblichen Einsparungen führen.

Ein vereinfachtes Beispiel:

Eine Absauganlage wird mit einem Volumenstrom von 10.000 m³/h und einer Druckdifferenz von 2.000 Pa betrieben. Bei einem Gesamtwirkungsgrad von 60 % ergibt sich eine elektrische Leistungsaufnahme des Ventilators von rund 9,3 kW.

Gelingt es durch eine optimierte Erfassung, den erforderlichen Volumenstrom um 20 % zu reduzieren, und bleibt die Druckdifferenz näherungsweise konstant, sinkt die Leistungsaufnahme auf rund 7,44 kW.

Bei 4.000 Betriebsstunden pro Jahr und einem Strompreis von 0,20 €/kWh ergibt sich daraus eine jährliche Einsparung von etwa 1.488 € allein beim Ventilatorbetrieb.

Die tatsächliche Einsparung hängt von der Anlagenkennlinie, der Ventilatorregelung und den jeweiligen Betriebsbedingungen ab.

Besonders interessant für Hersteller von Absauganlagen

Für Hersteller von Absaug- und Lüftungssystemen bietet die simulationsgestützte Entwicklung einen zusätzlichen wirtschaftlichen Vorteil.

Wird beispielsweise die Geometrie einer serienmäßig produzierten Absaughaube optimiert, kann die Verbesserung bei jedem verkauften Gerät zum Tragen kommen.

Dadurch können sich über die gesamte Produktlebensdauer erhebliche Energieeinsparungen für die Endkunden ergeben.

Gleichzeitig können Hersteller durch eine verbesserte Erfassungsleistung, kompaktere Anlagenkomponenten oder einen geringeren Energiebedarf einen Wettbewerbsvorteil erzielen.

Gerade bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an den Arbeitsschutz, beispielsweise bei der Erfassung von Schweißrauch, ist eine nachvollziehbare technische Bewertung der Erfassungswirkung von besonderem Interesse.

Eine CFD-Simulation kann dabei helfen, Strömungsverhältnisse und mögliche Schwachstellen sichtbar zu machen. Für einen belastbaren Nachweis des tatsächlichen Erfassungsgrads sind jedoch geeignete Messungen beziehungsweise Validierungen unter definierten Betriebsbedingungen erforderlich.

Fazit

Eine effizientere Absauganlage benötigt nicht zwangsläufig mehr Luft, sondern vor allem eine gezielte Strömungsführung.

Mit CFD-Simulationen können Hersteller und Anlagenbauer die Strömungsverhältnisse ihrer Produkte bereits in der Entwicklungsphase analysieren und optimieren.

Dadurch lassen sich Druckverluste reduzieren, die Schadstofferfassung verbessern und der erforderliche Energiebedarf verringern.

Die Eberhart GmbH unterstützt Unternehmen bei der strömungstechnischen Analyse und Optimierung von Absaug- und Lüftungsanlagen. Mithilfe numerischer Strömungssimulationen untersuchen wir bestehende Konstruktionen, vergleichen unterschiedliche Lösungsansätze und schaffen eine fundierte Grundlage für technische Verbesserungen.

Sie entwickeln Absaug- oder Lüftungsanlagen und möchten deren Effizienz verbessern?

Wir unterstützen Sie gerne bei der Analyse und Optimierung Ihrer Systeme.