Energieverbrauch von Turbogebläsen, Schraubengebläsen und mehrstufige Zentrifugalgebläse

Die genaue Bestimmung der Leistung von Gebläsen wie Turbogebläsen , Schraubengebläsen und mehrstufige Zentrifugalgebläse kann zu komplexen Messsystemen führen. Der Energieverbrauch ist in den meisten Fällen die wichtigste zu bestimmende Eigenschaft. Dazu müssen mindestens die Größen Spannung, Strom, Volumenstrom, Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit gemessen werden. Bei allen Messungen gilt: Je genauer die Messergebnisse sein müssen, desto höher die Investitionen und desto kritischer die Anwendung der Instrumentierung. Dabei kommt uns unsere jahrzehntelange Erfahrung im Bereich verschiedener Messtechniken in unseren Messsystemen für Gebläse zugute. Vor dem Bau hat sich Sjerp & Jongeneel zum Ziel gesetzt, dass das Messsystem jederzeit transparent und überprüfbar ist. Darüber hinaus sind die Messungen äußerst genau und auf international anerkannte Standards rückführbar. Das Messsystem erfüllt die Normen zum Messen von Gebläsen, versteckt sich aber ausdrücklich nicht dahinter. Schließlich werden diese Normen hauptsächlich von Gebläseherstellern geschrieben und diese haben ihre Interessen darin vertreten, damit sie ihre kommerziellen Spezifikationen einhalten können. Wir werden hier zeigen, dass es insbesondere für einen Techniker nicht schwierig ist, unser Messsystem zu verstehen. Dies, um letztlich zur Transparenz der tatsächlichen Leistung großer Energieverbraucher wie Gebläse beizutragen.

Transparentes Messsystem

Schema Messsystem

Ein Diagramm mit Zehner Messpunkten würde auf den ersten Blick kompliziert erscheinen aber durch die Unterteilung in Blöcke deutlich. Wir betrachten Gebläse (DUT,I), die wir messen, als Blackbox. Die einfallende elektrische Energie gegenüber der austretenden Prozessluft wird auch als Wire-to-Air-Effizienz bezeichnet. Wir messen daher den tatsächlich verbrauchten Volumenstrom der Luft. Das scheint logisch, jedoch wird oft der gesamte ankommende Volumenstrom gemessen, wodurch Unsicherheiten bei der Bestimmung des Kühlluft/Prozessluft-Verhältnisses entstehen. Andererseits wollen wir auch alle Verluste für Turnkey Module für den Energieverbrauch einbeziehen. Dazu gehören neben Gebläse und Motor auch Luftfilter, EMV-Filter, Frequenzumrichter, Steuerung, Kühlung, interne Transportverluste und eventuelle Getriebe- oder Ölkühler. Die Software des Messsystems erfasst sowohl die Außenmessungen als auch die Innenmessungen des Gebläsemoduls. Das Messsystem wird daher auch zum Kalibrieren der internen Sensoren des Gebläsemoduls verwendet.

Volumenstrom

Turbinen-Durchflussmesser DN400

Die genaue Volumenstrommessung von Luft und Gasen ist aufgrund von Wirbeln, die Hunderte von Metern durch gerade Rohrleitungen zurücklegen können, eine Herausforderung. Ein ideales Strömungsprofil zu erhalten ist, im Gegensatz zu Flüssigkeiten, für Luft und Gas unter Nicht-Laborbedingungen eine Utopie. Für diesen Messaufbau hat man sich daher für eine altbekannte Technik entschieden: den Turbinen-Durchflussmesser. Unser Turbinen-Durchflussmesser DN400 verfügt über einen integrierten Strömungsgleichrichter und kann relativ einfach demontiert und an ein akkreditiertes Kalibrierlabor geschickt werden. Dadurch können wir unsere Volumenstrommessungen über den gesamten Messbereich mit einer Messunsicherheit von 0,15 % durchführen. Am Einlauf ist ein kalibriertes Rohr mit einer Länge von 20 x D und genau dem gleichen Innendurchmesser wie beim Turbinen-Durchflussmesser DN400 installiert. Dadurch werden Abweichungen von den Volumenstrommessungen im System selbst verhindert.

Luftbedingungen

Prüfen des Drucksensors im Gebläseauslasspfad

Die Eigenschaften der Luft ist aufgrund ihres Einflusses auf den Massenstrom und die Effizienz der Gebläse selbst ein wichtiges Element bei der Bestimmung der Gebläseleistung. Am Einlass der Gebläse messen wir Absolutdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Aus diesen Größen werden die Stromdichte der Luft und das Verhältnis zwischen Wasserdampf [kg] und trockener Luft [kg] ermittelt. Daraus berechnen wir das Feuchteverhältnis W = m(Wasserdampf)[kg] / m(trockene Luft)[kg] der angesaugten Luft, die sich im Messsystem nicht ändert. Gebläse erhöhen die Temperatur erheblich und es tritt keine Kondensation auf. Dadurch können wir aus dem am Eintritt ermittelten Feuchteverhältnis W am Ort des Turbinen-Durchflussmesser sehr genau den Durchfluss in u. a. Nm³/h (101,325 kPa & 273,15 K) berechnen. Nach dem Gebläse werden Druck und Temperatur an verschiedenen Stellen im Messsystem gemessen. Diese Stellen werden in der Regel verdoppelt, da aufgrund der hohen Kapazitäten großzügige Rohrdurchmesser verwendet wurden. Die Sensoren sind zudem so platziert, dass sie die bestehenden Normen zur Messung von Gasen und Prüfung von Gebläsen und Kompressoren mehr als erfüllen. Um auch hier die hohe Genauigkeit zu gewährleisten, sind die Sensoren thermisch entkoppelt und durch robuste Kupplungen leicht austauschbar. Bei diesen Größen hat sich auch hier herausgestellt, dass jeder Hersteller von Messgeräten sein Spezialgebiet hat. Um die von uns geforderte Genauigkeit zu erreichen, haben wir daher für jede Messgröße einen anderen Lieferanten ausgewählt.

Leistungsmessung

Überprüfen der Seriennummern mit dem Kalibrierungsbericht der Nullfluss-Stromwandler

Turnkey Gebläsemodule verwenden Frequenzumrichter. Das bedeutet auch, dass der von Turnkey Gebläsemodulen aufgenommene Strom einen großen Anteil an höheren Harmonischen hat und somit auch die Netzspannung beeinflusst. Um genaue Leistungsmessungen vorzunehmen, sind hier nur Leistungsanalysatoren geeignet. Diese sind in der Lage, den hochfrequenten Anteil in die Spannungen und Ströme aller Phasen einzubeziehen. Das Foto zeigt den Anschlusskasten, in dem die 1500-A-Nullflussstromwandler installiert sind. Diese sind über den gesamten Messbereich extrem linear. Die Wandler, die Schnittstelle, der Leistungsanalysator und die Messleitungen werden Systemkalibrierungen unterzogen, was zu einer Messunsicherheit von 0,05 % führt.

Steuerung des Systemwiderstands

DN250 servogesteuertes Blenden Regulierschieber

Um die gewünschten stabilen Betriebspunkte von Gebläsen einzustellen und zu messen, muss der Luftwiderstand im Messsystem geregelt werden. Je kleiner die Schritte sind, in denen ein Ventil auf- oder zugesteuert werden kann, desto näher kommt man dem gewünschten Betriebspunkt. Die Marktrecherche führte zu keinem Anbieter, der die geforderten Toleranzen für unser Messsystem erreichen konnte. Der gezeigte Blenden Regulierschieber DN250 ist ein einzigartiges, im eigenen Haus erfolgreich entwickeltes Ventil. Der externe Antrieb erfolgt mittels CNC-Servolineartechnik, mit der die Öffnung des Ventils in 100.000 Schritten von 1 bis 100 % gesteuert wird. Bei Turbogebläsen führt dies zur praxisgerechten PID-Regelung zu stabilen Arbeitspunkten auf 1,0 m³/h genau.

Software

Hauptbildschirm-Gebläsemesssoftware während eines stabilen Betriebspunkts

Die eigenentwickelte Software ermöglicht es uns, alle Messdaten der gebläserelevanten Größen auszulesen und zu verarbeiten. Außerdem steuern wir damit die schlüsselfertige Gebläsemodule und es enthält eine umfangreiche PID-Regelung, mit der die gewünschten stabilen Betriebspunkte erreicht werden. Die benötigten Sensoren sind in der Sensordatenbank detailliert beschrieben, mit der Möglichkeit eventuelle Sensorabweichungen von akkreditierten Kalibrierberichten mit mehreren Korrekturpolynomen auszugleichen. Das heißt, genau wie bei der Systemkalibrierung für die Leistungsmessung erfassen wir auch bei einer Kettenkalibrierung die gesamte Trajektorie für alle Sensoren. Dies wiederum mit dem Ziel, einen sehr genauen Messwert zu erhalten. Die Daten aller erfassten Arbeitspunkte lassen sich auch auf die verwendeten Sensoren und deren Kalibrierungen zurückführen. Aus der Datenbank mit Ergebnissen können wir individuelle Messberichte mit den von Ihnen gewünschten Messdaten erstellen.

Kalibrierung & Überprüfung

Kalibriergeräte und Kalibrierklemmenblock

Mit unseren Gebläsemesssystemen haben wir uns zum Ziel gesetzt, genaue Messungen durchzuführen, rückführbar auf international anerkannte Standards und jederzeit durch Dritte nachprüfbar. Dies ist uns wichtig, da in der Welt der Gebläse immer noch kommerzielle Spezifikationen vorherrschen und wir unseren Kunden realistische, wirklich nachvollziehbare Gebläsespezifikationen bieten möchten. Das bedeutet auch, dass wir aus energieverbrauchstechnischer Sicht derzeit nicht die beste Geschichte am Markt erzählen. Wir wissen jedoch, dass unsere Produkte relativ gut sind. So auch beim Energieverbrauch, mit dem unsere Gebläse einen wichtigen Beitrag zur Prozessoptimierung leisten können. Wir bitten Sie daher, die Spezifikationen von Wettbewerbsgebläsen kritisch zu betrachten, insbesondere in Bezug auf den Energieverbrauch. Dies ist dann auch eine Einladung, dasselbe mit unseren Daten zu tun. Die Überprüfung ist daher die Basis unserer Messsysteme. Das Foto zeigt, wie das live bei Messungen möglich ist. Der Turbinen-Durchflussmesser DN400 hat zwei äquivalente Ausgänge mit der gleichen Anzahl von Impulsen / m³ /h. Ein Ausgang geht an die Datenerfassung des Messsystems und wird von der Software zu Anzeigewerten und gespeicherten Messwerten verarbeitet. Der Aufbau auf dem Foto zeigt ein Hochfrequenz-Oszilloskop, mit dem der andere Ausgang gemessen wird. Bildschirmwerte und gespeicherte Messwerte können somit direkt mit Fremdinstrumenten verglichen werden. Dies gilt auch für alle anderen Messungen, die mit einem Loopkalibrator über die Klemmleiste überprüft werden können.