Industrieofenbau: Freiläufer-Ventilator aus robusten Materialien hält aggressiven Medien stand und arbeitet schwingungsarm
Für eine möglichst gleichmäßige Umwälzung heißer Luft werden im Industrieofenbau und in der lebensmittelverarbeitenden Industrie sogenannte Freiläufer-Ventilatoren eingesetzt, die sich mittels einer Befestigungsplatte direkt im Ofen einbauen lassen.
Vor allem in der Backtechnologie müssen diese Freiläufer extremen Temperaturen und hohen Feuchtigkeitsgraden standhalten. Ist dies nur unzureichend der Fall, besteht die Gefahr, dass Komponenten korrodieren oder sich verformen; die daraus resultierende Unwucht kann auch die Motorlager schädigen und führt im schlimmsten Fall zum Ausfall des Aggregats.
Um einen komplikationsfreien Dauerbetrieb zu gewährleisten, hat die Karl Klein Ventilatorenbau GmbH daher eine Freiläufer-Baureihe entwickelt, die besonders robust und hitzebeständig ist (Bild 1). Eine zentrale Rolle spielt hierbei der Einsatz von korrosionsbeständigen, warmfesten Stählen für alle medienberührten Teile.
Dies ermöglicht, dass die Anlage auch bei Temperaturen von bis zu 450 °C komplikationsfrei arbeiten kann und sogar aggressiven Reinigungsmitteln standhält.
Die rostfreie Edelstahlausführung sowie die eigens entwickelte Temperatursperre verlängern die Lebensdauer des Ventilators zudem deutlich.
Aufgrund der an die jeweilige Anwendung angepassten Konstruktion zeichnen sich die Ventilatoren darüber hinaus durch eine störungsfreie und schwingungsminimierte Arbeitsweise aus.
Während des Backprozesses im Ofen muss gewährleistet sein, dass der Ware auf der untersten Etage genauso viel Wärme zugeführt wird wie der auf der obersten.
Hierfür eignet sich der Einsatz von Freiläufer-Ventilatoren besonders gut, weil sie platzsparend sind und die Luftmassen gleichmäßig sowie großflächig verteilen können. Sie kommen also mit geringem Bauraum aus und benötigen keine aufwändig zu installierenden, zusätzlichen Luftleit-Einrichtungen.
Derartige Freiläufer sind im Ofen häufig feucht-heißen Medien ausgesetzt, was die Widerstandsfähigkeit der Aggregate – beispielsweise durch eine kluge Materialwahl – zu einer zentralen Herausforderung macht. Ventilatoren aus herkömmlichen (Edel-)Stählen sind für einen Einsatz im Industrieofenbau oder in der Backtechnologie jedoch ungeeignet, weil sie rasch korrodieren beziehungsweise bei über 400 °C von Kornzerfall bedroht sind.
Zudem weisen einfache Stähle und Edelstähle nicht die entsprechende Kriechfestigkeit auf und können der konstanten Wärmeeinwirkung nicht standhalten. Zu geringe Laufradfestigkeiten führen daher häufig zu Verformungen; die daraus entstehende Unwucht bedingt Schwingungen, die letztendlich die Zerstörung des Motorlagers sowie einen ungewollten Produktionsstopp zur Folge haben können.
Sonderlösungen für Medientemperaturen von bis zu 600 °C
Die Karl Klein Ventilatorenbau GmbH fertigt ihre Freiläufer daher aus hitzebeständigen – sogenannten warmfesten – Stählen. Diese können sowohl Temperaturen von bis zu 450 °C als auch aggressiven Medien wie etwaigen Reinigungsmitteln standhalten und reduzieren so Verschleißerscheinungen auf ein Minimum; auf Anfrage sind auch Sonderlösungen für Medientemperaturen von bis zu 600 °C erhältlich. Gegen die Feuchte kommt indes rostfreier Edelstahl zum Einsatz, wodurch sich die Standzeit der Ventilatoren erheblich verlängert.
Der Ventilator arbeitet zudem mit einer Temperatursperre, die je nach Situation und Kundenanforderung individuell ausgelegt ist. Bei dieser Sicherheitsvorrichtung handelt es sich um ein Distanzstück samt Kühlflügel, das zwischen dem Motor und der Flanschplatte des Ventilatorteils angeordnet ist. Dabei wird dem A-Lagerschild des Motors mithilfe einer stabilen Abstandskonstruktion, eines kleinen, eigens für diese Anwendung optimierten Ventilatorlaufrads sowie einer ausgefeilten Luftleiteinrichtung kühle Umgebungsluft zugeführt.
Die Wärmeübertragung von der Befestigungsplatte an den Motor ist damit minimiert und es kann eine sehr effiziente Kühlung der Motorlager sichergestellt werden. Dieser Umstand ist enorm wichtig, da gut gekühlte Motoren eine Voraussetzung für lange Standzeiten sind. Bei einem um 15 Grad zu warmen Motorlager reduziert sich die Lebensdauer beispielsweise auf die Hälfte.
Besonders bei Dauereinsatz werden die Motoren durch die Temperatursperre folglich geschont; der laufende Betrieb lässt sich durch ein entsprechendes Monitoring der Kugellagertemperatur überwachen.
Die Konstruktion ist außerdem so ausgeführt, dass die Funktionalität des Freiläufers trotz eines möglichst geringen Materialeinsatzes nicht eingeschränkt wird.
Um dies zu gewährleisten, werden FEM-Berechnungen zur Festigkeits- und Verformungsuntersuchung ebenso obligatorisch eingesetzt wie CFD-Berechnungen zur Optimierung der Strömungsverhältnisse und der aerodynamischen Effizienz.
Schwingungsminimierter Betrieb dank Modalanalysen
Solche Simulationsprogramme verwendet die Karl Klein Ventilatorenbau GmbH auch zur Vermeidung störender Resonanzen. Denn neben einer robusten Ventilatorausführung muss der Freiläufer im Drehzahlbereich auch einen sehr schwingungsarmen und komplikationsfreien Betrieb garantieren.
Aus diesem Grund konstruiert das schwäbische Unternehmen alle Komponenten so, dass die Ventilatoren in einem möglichst großen, auf den Kunden zugeschnittenen Drehzahlbereich ohne störende Schwingungen arbeiten können. „Wir führen Modalanalysen (Bild 2) durch, die mit Versuchsmustern validiert und optimiert werden. Der Freiläufer ist dadurch nahezu wartungsfrei und minimiert gleichzeitig auch seine Schallemissionen.
Bilder: Karl Klein Ventilatorenbau GmbH
Die optimale Abstimmung von Laufrad und integrierter Einströmdüse erfolgt unterdessen mittels CFD-Simulationen. Damit lässt sich eine gleichmäßige, wirbelarme Strömung gewährleisten, die eine Voraussetzung für minimale Geräuschentwicklung darstellt (Bild 3).
Dies ist vor allem deshalb von Relevanz, da Freiläufer im Gegensatz zu anderen Ventilatorenarten kein Spiralgehäuse besitzen, an das sich lärmreduzierende Bauteile wie eingebaute Filter oder Schalldämpfer montieren lassen.
Umso wichtiger ist es daher, dass die eingesogene Luft nicht über etwaige scharfe Kanten strömen muss. Zusätzliche Geräuschbildung lässt sich dadurch vermeiden – was insbesondere im Hinblick auf Arbeits- und Anwohnerlärmschutz ein nicht zu unterschätzender Aspekt ist.
Optionaler Explosionsschutz
Unter Berücksichtigung relevanter Kriterien wie den Einbaumaßen, der Mediumstemperatur und der Werkstoffauswahl entwickelt Karl Klein auf diese Weise maßgeschneiderte Freiläufer.
Dem Unternehmen ist es daher möglich, auch Ventilatoren aus FDA-konformen Materialien (zum Beispiel aus speziellen Stählen, Dichtmaterialien oder Schmierstoffen) für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie herzustellen oder nach der ATEX-Explosionsschutz-Richtlinie zu zertifizieren.
Hierbei gilt es jedoch zu beachten, dass lediglich Fördermediums-Temperaturen von -20 °C bis maximal 60 °C zulässig sind; diese Einschränkung ist per Richtlinie bei allen ATEX-Ventilatoren dieser Bauart einzuhalten.
Ist dies der Fall, greift das Unternehmen zur Fertigung des Aggregats auf eine Kupfer-Stahl-Werkstoffkombination zurück. Sollte das aus Stahl bestehende Laufrad in einem hypothetischen Fall die kupferne Einströmdüse streifen, gibt es keinen Funkenschlag.
Autor
Dipl.-Ing. Siegfried Seidler, Jahrgang 1960, Entwicklungsleiter bei Karl Klein Ventilatorenbau.