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Branchen-Insights | Lesedauer: ca. 3 Min.
19.11.2019

Bionische Profilierung von Ventilatoren.

(Rolf Mauer) In der Luft-, Regel- und Antriebstechnik sind Ventilatoren elementar wichtig; sie sind Teil vieler Wärme- und Kälte-, Reinraum- und Agraranlagen. Die Energieeffizienz eines Ventilators wird über seinen Wirkungsgrad quantifiziert. Radialventilatoren mit einem hervorragenden Wirkungsgrad von mehr als 70 Prozent entwickelt der Hersteller Ziehl-Abegg.

Bionikexperte Prof. Dr. Claus Mattheck

Bionische Einflüsse bei der Entwicklung von Ventilatoren

Das neue Radiallaufrad des Unternehmens weist Merkmale von drei völlig unterschiedlich bionischen Ansätzen auf: sowohl von der Aerodynamik (Vogelkunde), als auch von der Hydrodynamik (Meeresbiologie) und der Biomechanik (Bäume). Materialeinsparung und eine verbesserte Aerodynamik halbieren zudem den CO2-Verbrauch beim Materialaufwand bei gleicher Luftleistung. Die Umsetzung der bionisch optimierten Geometrien ermöglichen neu entwickelte Spritzgusswerkzeuge.

Von der Tierwelt lernen

Die Hinterkanten der Ventilatorschaufeln sind dem Eulenflügel nachempfunden. Laut Aussagen des Vorstandsvorsitzenden Peter Fenkl ist die Eule als leisester Raubvogel schon für mehrere Designs Vorbild gewesen. Auch vom Körperbau der Meeresbewohner hat man gelernt: Die Evolution hat den Buckelwal im Hinblick auf seine Strömungseffizienz so optimiert, dass er trotz seiner Körpergröße als guter und wendiger Schwimmer gilt. Anders wären seine langen Wanderungen durch die Weltmeere ohne Nahrungsaufnahme auch nicht möglich. Von diesen bionischen Erkenntnissen profitiert die neueste Generation an Ventilatoren.

Erkenntnisse aus der Biomechanik nutzen

Weitere Vorschläge für die Optimierung des neuen Ventilators "ZAbluefin" kamen von Professor Claus Mattheck, einem Vorreiter der Wissenschaft der Biomechanik. Bäume sind ihm Vorbild für beste Festigkeit bei minimalem Materialeinsatz. Die fünf Schaufeln des Radialventilators "ZAbluefin" münden sowohl in die Deck- als auch in die Bodenscheibe in einem leichten Radius am Boden. Damit ähneln sie dem Wuchs von Ästen, die ebenfalls mit einem leichten Radius vom Baum abstehen. Mit dem bloßen Auge ist dies kaum erkennbar, weil die dem Baum nachempfundenen Rundungen sehr gering sind. Dennoch bietet dieser bionische Ansatz beim Übergang der Schaufeln die gleiche Festigkeit wie schwere Flügel – so kann der Materialeinsatz signifikant reduziert werden. Weniger Materialverbrauch in der Produktion bedeutet auch eine bessere CO2-Bilanz.

Bionische Ventilatoren im Detail




 

Bionische VentilatorenDas Unternehmen Ziehl-Abegg setzt beim neuen Radialventilator ZAbluefin bionische Erkenntnisse von Buckelwalen, Eulen und Bäumen um, was nach Firmenangaben Spitzenwirkungsgrade bei einer signifikant verbesserten CO2-Bilanz ermöglicht. Fotohinweis: Ziehl-AbeggDer Luftstrom trifft bei Radialventilatoren je nach Volumenstrom in unterschiedlichen Winkeln auf die Ventilatorschaufeln. Beim Schwimmen im Meer hat der Wal ähnliche Herausforderungen zu meistern: durch die Bewegung der Flossen ändert sich deren Winkelstellung permanent. Würden seine Brustflossen in einem zu steilen Winkel zur Gegenströmung stehen, würde sich das Wasser mit großen Verwirbelungen von den Flossen ablösen. Große Verwirbelungen hingegen sind gekennzeichnet von hohen Strömungsverlusten und Geräuschen. In Jahrtausenden hat der Buckelwal seine Flossen optimiert: So weisen die Vorderkanten der Walfischflossen golfballgroße Beulen auf (Fachbegriff: Tuberkel). Dadurch kann ein 25 bis 30 Tonnen schweres Tier mit seinen langen Brustflossen sehr schnell und wendig schwimmen, denn die Tuberkel führen zu partiellen Wirbeln. Diese wiederum verringern den Wasserwiderstand und verbessern den Auftrieb. Der Effekt ist ähnlich wie beim Golfball, dort allerdings sorgen Dellen (Fachbegriff: Dimpel) für deutlich bessere Flugeigenschaften. Die Wissenschaft der Strömungsmechanik bzw. Fluidmechanik hat die Gesetzmäßigkeiten, die zu den vorgenannten Effekten führen noch nicht gänzlich erforscht.

Der Wal macht es vor

Auch bei der Schwanzflosse des Wales, der „Fluke“, haben die Strömungstechniker genau hingeschaut. Die V-förmige Kontur des hinteren Flügelabschnitts beim Ventilator verzögert mögliche Strömungsabrisse – was diesen für viele unterschiedliche Druckbereiche einsetzbar macht. Insgesamt hat die Evolution den Buckelwal im Hinblick auf die Strömungseffizienz so optimiert, dass er trotz seiner gewaltigen Körpergröße als sehr guter Schwimmer gilt. Von diesen bionischen Erkenntnissen profitiert die neueste Generation an Ventilatoren im Radialbereich bei Baugrößen von 250 bis 560 mm. Der Name "ZAbluefin" lehnt sich an das englische Wort für Flosse „fin“ an.

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