Wie Sie Lärm und Vibrationen von HKL-Anlagen senken
Klimatechnische Anlagen bestehen aus vielen Komponenten, die unerwünschte Vibrationen verursachen können. In der Praxis zeigt sich, dass infolge der Druckpulsationen des Verdichtungsprozesses Schwingungen in das HKL-Gerät eingeleitet werden. Bei fehlender Entkopplung werden diese Betriebsschwingungen über die zumeist starren Aufstellelemente sowie Anschlussrohre in den Untergrund abgeleitet. Dadurch können im weiteren Verlauf andere schwingungsfähige Systeme wie Gebäudedecken zu Eigenschwingungen angeregt werden, die in direkter Folge sekundären Luftschall abstrahlen (Bild 1). Das Ergebnis sind Geräusche und Vibrationen, die in den Büros oder den umliegenden Wohnungen als störend wahrgenommen werden.
So funktioniert eine Schwingungsisolierung
Durch die Verwendung elastischer Aufstellelemente kann die Entstehung von störendem sekundärem Luftschall verhindert werden. Zudem entkoppeln elastische Elemente im Inneren der HKL-Anlagen die eigentlichen Erregerquellen der Vibrationen vom Rest der Maschine. Mit diesen Maßnahmen kann sowohl der primäre als auch der sekundäre Luftschall reduziert werden.
Die elastischen Aufstellelemente und die darauf installierte klimatechnische Anlage bzw. Anlagenteile bilden physikalisch betrachtet ein schwingungsfähiges System (Bild 2).
Dieses wird mit dem Modell des Ein-Massen-Schwingers beschrieben und besitzt eine Eigenfrequenz, die durch die Masse der Anlage m und die dynamische Steifigkeit c der elastischen Lagerung bestimmt wird.
f_0=1/2π∙√(c/m)
Das System wird durch eine äußere Anregung, z.B. durch die Verdichter des Kältemittelkreislaufes, zu erzwungenen Schwingungen angeregt. In der Modelldarstellung wird dies durch die Erregerkraft beschrieben. Zur Beurteilung der Isolationswirkung eines Ein-Massen-Schwingers ist das Frequenzverhältnis η von der Erregerfrequenz der äußeren Anregung (fe) zur Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Systems (f0) zu beachten.
η=f_e/f_0
Ist das Frequenzverhältnis < 1, schwingt die entkoppelte Anlage in gleichem Maße wie dies durch die anregende Kraft vorgegeben wird. Schwingungen werden direkt an die Umgebung weitergeleitet.
Bei einem Frequenzverhältnis von η=1 entspricht die Erregerfrequenz der Eigenfrequenz. An diesem Resonanzpunkt verstärkt sich das Eigenschwingverhalten erheblich, was zu sehr großen Schwingungsamplituden führt. In der Praxis wird dieser Fall vor allem bei Verwendung vermeintlich günstiger Gummiunterlageplatten bei Klimageräten beobachtet.
Wird ein Frequenzverhältnis von η=√2 erreicht, tritt der Effekt der Schwingungsisolation ein. Die schwingende Maschinenmasse hebt die Anregung durch den Kompressor auf und die Auswirkung der Schwingungserregung auf die Umgebung wird erheblich reduziert. Mit steigendem Frequenzverhältnis wächst auch die Effektivität der Schwingungsisolierung weiter an.
Die genaue Kenntnis der Eigenfrequenz der elastischen Lagerung ist sehr wichtig, um ungewollte Überraschungen beim Betrieb der Anlage zu vermeiden. Seriöse Anbieter elastischer Lagerelemente bieten die Möglichkeit, die Eigenfrequenz für ein beliebiges Maschinengewicht schnell zu berechnen. Dies kann mit Hilfe von Diagrammen in Produktkatalogen oder durch die Verwendung von Online-Auswahlprogrammen wie EquipCalc von Getzner erfolgen.
Optimale Schwingungsisolierung mit Polyurethan
Zumeist werden zur Schwingungsisolierung Entkopplungselemente auf Basis von Gummiwerkstoffen verwendet. Deren elastische Wirkung wird durch den Einsatz von Weichmachern erreicht, die sich zwischen Polymerketten des Gummiwerkstoffes einlagern, aber nicht mit diesem verbinden. Sie treten mit der Zeit aus dem Elastomer aus, wodurch die elastischen Eigenschaften nach einiger Zeit deutlich nachlassen und Gummiwerkstoffe verspröden. Langfristig kann mit ihnen daher - im Gegensatz zu PUR-Werkstoffen wie Sylomer, Sylodyn oder Sylodamp - keine gleichbleibend gute, schwingungsisolierende Wirkung erzielt werden.
PUR-Werkstoffe sind als Basis für die Verwendung in elastischen Bauteilen zur Schwingungsisolation wegen ihres Grundaufbaus wesentlich besser geeignet. Sie sind frei von Weichmachern und bieten daher auch über Jahrzehnte gleichbleibende elastische Eigenschaften.In Hinblick auf die Verwendung elastischer Werkstoffe bei Temperaturen unter 0 °C neigen die PUR-Werkstoffe nicht zur temperaturbedingten Versteifung. Ihr Einsatzbereich erstreckt sich von -30 °C bis 70 °C, wobei kurzeitig auch 90 °C auf den PUR-Werkstoff einwirken dürfen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt, der nicht außer Acht gelassen werden darf, ist die dynamische Versteifung von Gummiprodukten aus Natur- oder Synthesekautschuk sowie klassischen Kautschukprodukten wie EPDM oder SBR. So wird sogar im Anhang der ISO 18437-1 explizit auf die ausgeprägte Amplitudenabhängigkeit der dynamischen Eigenschaften von Gummiprodukten aufgrund deren Rußanteil hingewiesen. Besonders kleine Erregeramplituden, wie sie vor allem bei klimatechnischen Anlagen auftreten, führen zu einer erheblichen Versteifung. PUR zeigt dieses Verhalten nicht in diesem Ausmaß (Bild 3).
In der Praxis bedeutet dies, dass Gummi- und PUR-Lager ein unterschiedliches dynamisches Verhalten besitzen, obwohl sie bei gleicher statischer Steifigkeit die gleiche statische Einsenkung aufweisen. Das heißt, dass sie bei dynamischen Belastungen wie Vibrationen unterschiedlich stark versteifen. Gummiprodukte zeigen dann wesentlich höhere dynamische Steifigkeiten als vergleichbare PUR-Produkte. Diese Steifigkeiten führen zu höheren Eigenfrequenzen und zu geringeren Wirksamkeiten der Schwingungsisolation.
Richtige Lagerauswahl und Positionierung in der Anlage
Die praktische Auswahl der Lagerelemente orientiert sich am Berechnungsmodell des Ein-Massen-Schwingers. Notwendige Parameter sind die Maschinenmasse sowie die Geometrie und Art der Aufstellelemente. Bei der Lagerung von gesamten HKL-Anlagen sollten mehrere elastische Lager so positioniert werden, dass ein Abstand zueinander von maximal einem Meter nicht überschritten wird. Die Lage des Gesamtschwerpunktes der klimatechnischen Anlage bzw. der Anlagenkomponente ist ebenso zu berücksichtigen, um eine Schrägstellung des HKL-Gerätes zu vermeiden.
Die Anwendung im Inneren der Anlage an der Kompressorenbaugruppe, also direkt an der Quelle der Schwingungen, vermindert die direkte Anregung des Geräterahmens, was sich auch positiv auf den direkt abgestrahlten Luftschall, den sogenannten primären Luftschall, auswirken kann (Bild 4). Damit Beschädigungen an den empfindlichen Lötverbindungen vermieden werden, kann neben der optimierten Leitungsführung die gesamte Kompressorenbaugruppe auf einem Zwischenrahmen montiert werden, der elastisch zum Rest der Anlage entkoppelt ist (Bild 5).
Montage und elastische Verschraubung
Hinsichtlich der Montage von PUR gibt es kaum Einschränkungen. Elastomer-Zuschnitte können als Punkt-, Streifen- oder vollflächige Lagerung ausgeführt werden. Je nach Anwendung werden auch Federelemente verwendet. Sollen einfache PUR-Zuschnitte verschraubt werden, ist zur Vermeidung einer Schallbrücke die elastische Entkopplung zwischen Schraubenkopf und dem schwingungsfähigen System notwendig. Einfacher und wesentlich komfortabler sind PUR-Metall-Kombinationen, wie z. B. die Isotop-Produktreihe von Getzner. Dank verschiedener Installationsoptionen lassen sich PUR-Werkstoffe so zeitsparend und einfach mit dem zu entkoppelnden Gerät verschrauben (Bild 6).
Fallbeispiel: Elastische Lagerung einer Kälteanlage mit Kompressor
Ein österreichischer Produktionsbetrieb benötigte drei Kälteanlagen mit jeweils zwei Scroll-Kompressoren. Die Anlagen wurden aus Platzgründen auf dem Dachboden über den Büroräumlichkeiten installiert (Bild 7). Das Personal fühlte sich in der Folge durch den sekundären Luftschall der installierten Kompressoren in ihrer täglichen Arbeit gestört, da sich die verwendeten Gummilager als Lagerung und zur Körperschallisolierung als unzureichend erwiesen. Besonders in den Wintermonaten trat dieses Problem verstärkt auf. Da bei solchen nachträglichen Reklamationen nicht mehr ins Gerät selbst eingegriffen werden kann, lag die Lösung in der Lagerung der gesamten Kälteanlage. Dazu wurde der PUR-Werkstoff Sylodyn von Getzner ausgewählt.
Bei der Hauptanregung von 50 Hz zeigte diese Lösung eine Verbesserung von rund 6,6 dB(A) im abgestrahlten (sekundären) Luftschall und von rund 10,6 dB in der Schwingungsbeschleunigung (Bild 8). Um solche Reklamationen für Hersteller und Installateure im Vorhinein zu vermeiden, sollte die Verwendung geeigneter elastischer Bauelemente bereits bei der Entwicklung oder zumindest vor der Aufstellung geprüft werden.
Zusammenfassung
Die Quelle störender Schwingungen von klimatechnischen Anlagen ist vor allem die Kompressorenbaugruppe. Diese führen zur ungewollten Abstrahlung von Vibrationen, die in den umliegenden Wohn- und Arbeitsbereichen als störend wahrgenommen werden. Durch den Einsatz elastischer Elemente wird eine Schwingungsisolierung erreicht und die Weiterleitung von Vibrationen unterbunden. Elastische Lagerungen auf Basis von PUR-Werkstoffen stellen dabei eine Weiterentwicklung der derzeit üblichen elastischen Lager auf Basis von Gummiwerkstoffen dar.
PUR-basierte elastische Lagerelemente, Stahlfederlösungen als auch Kombinationen von Stahlfedern mit Elastomerbauteilen sowie elastische Lösungen aus unterschiedlichen PUR-Werkstoffen mit spezifischem Dämpfungsverhalten von Getzner erzielen eine gute Isolationswirkung über Jahrzehnte.
Dieser Artikel von Thomas Marte ist zuerst erschienen in KK-Ausgabe 10 / 2020. Thomas Marte ist Produktmanager Industry Division, Getzner Werkstoffe GmbH.
