Wärmen ohne Lärmen
Wärmepumpen sind ein wesentlicher Baustein bei der Energiewende im Gebäude. Ihre Entwicklung und Produktion hat hohe Priorität, auch bei der Bosch Home Comfort Group. Neben der Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz der Wärmepumpen spielt die Geräuschentwicklung eine wichtige Rolle bei der Kaufentscheidung und der Zufriedenheit der Endkunden.
Um diese Thematik prägend in den Entwicklungsprozess zu integrieren, hat ein Bosch-Team in Kooperation mit Tribo Technologies, CADFEM und Ansys dafür eine Simulationslösung entwickelt.
Die Bosch Home Comfort Group bietet innovative und nachhaltige Lösungen für Wärme, Klima und Wohlbefinden im Gebäude und leistet einen entscheidenden Beitrag zur Energiewende. Gemäß unserem Unternehmenszweck ‚Make. Home. Comfort. Green.‘ gehen wir mit technologischem und digitalem Pioniergeist voran und entwickeln Technik fürs Leben: begeisternde Produkte und Services, die den Wohnkomfort und damit die Lebensqualität der Menschen nachhaltig verbessern. Im Vordergrund steht dabei die Wärmepumpe, denn die Elektrifizierung ist der wichtigste Schritt, um die Klimaziele zu erreichen. Dabei soll jedoch die Geräuschentwicklung stark eingegrenzt werden, um eine hohe Lebensqualität für die Nutzer und deren Umgebung abzusichern.
Die Bosch Home Comfort Group ist ein führender europäischer Anbieter von smarten, nachhaltigen und energieeffizienten Lösungen für Heizung, Kühlung, Wohlfühlen und Prozesswärme. Im Geschäftsjahr 2022 erzielte das Unternehmen mit rund 14 400 Mitarbeitern einen Umsatz von 4,5 Milliarden Euro. www.bosch-homecomfortgroup.com
Weniger Kompressorvibration mit reduziertem Messaufwand
Allen Beteiligten war klar, dass die Kompressorvibrationen einen großen Anteil an der Geräuschentstehung innerhalb der Wärmepumpe haben. Bei experimentellen Untersuchungen war es jedoch nicht immer möglich, detailliert zu untersuchen, was im Inneren des Kompressors passiert. Dies sollte anhand von Mehrkörpersimulationen (MKS) mit Ansys Motion erreicht werden.
Dabei wurden mehrere Ziele verfolgt. Einerseits sollte das Verständnis zur Kompressoranregung vertieft und erweitert werden, um eine genauere Geräuschvorhersage beim Einsatz der Wärmepumpen treffen zu können. Andererseits wurde aber auch eine Reduzierung des nicht unerheblichen Messaufwandes angestrebt. Eine zusätzliche Herausforderung war es, dass die Zusammenhänge im Kompressor messtechnisch nur schwer oder gar nicht erfassbar sind.
„Da Ansys Mechanical in unserer Abteilung bereits für FE-Simulation eingesetzt wird, hat es sich angeboten, Ansys Motion für die Mehrkörpersimulation zu nutzen“, erklärt Anja Thielecke, die bei der Bosch Home Comfort Group im Bereich Engineering Application System zum Thema Akustik promoviert. „Diese Berechnungen können genauso wie Ansys Mechanical über die Ansys Workbench gesteuert werden. Folglich lassen sich mit geringem Aufwand neben FE-Simulationen auch MKS-Analysen durchführen.“
Simulation zeigt Gleitlager „unter der Lupe“
Die Gleitlager spielen eine entscheidende Rolle beim Vibrationsverhalten der Kompressoren. Folglich wurde nach einer Simulationslösung gesucht, um diese Lager detailliert zu berechnen. Tribo-X inside Ansys, eine von CADFEM gemeinsam mit Tribo Technologies entwickelte Software zur Kopplung von Hydrodynamik und FEM, bietet diese Möglichkeit bereits in Ansys Mechanical. Das Add-In bildet das Verhalten gleitgelagerter Wellen in seiner ganzen Komplexität umfassend ab, beispielsweise um Gleitlagerkoeffizienten zu berechnen, Lagerverformungen, Mischreibungen oder Kavitation.
Tribo-X inside Ansys auf einen Blick
Lagerschäden lassen sich vorhersagen und mit der richtigen Dimensionierung des Gleitlagers vermeiden. Dabei kommt es auf jedes µm an. Im Video erfahren Sie, wie sich Form- und Lageabweichungen (z.B. Wellenschiefstellung, Montagefehler) auf die Schmierspalthöhe sowie den Verschleiß im Gleitlager auswirken und konstruktiv vermeiden lassen.
Ansys Motion + Tribo-X = genaue Schwingungsvorhersage
Damit Bosch die Tribo-X-Software auch in einer Mehrkörpersimulation nutzen konnte, realisierten Tribo Technologies und Ansys gemeinsam deren Integration in Ansys Motion. Dies brachte den Entwicklungsingenieuren, die das Akustikverhalten der Bosch-Wärmepumpen analysieren und optimieren, weitere Vorteile.
So verbesserte sich die qualitative Vorhersagbarkeit der Vibrationsanregung sowie die Identifikation von entscheidenden Faktoren für die Genauigkeit der Schwingungsvorhersage. Anhand von Parameteruntersuchungen waren die Bosch-Ingenieure in der Lage, das Verhalten der Kompressoren für die unterschiedlichen Betriebspunkte nacheinander qualitativ vorherzusagen.
Ein besseres Verständnis für die Wirkzusammenhänge
„Mit unseren Berechnungen konnten wir den Einfluss der Gleitlager auf die Geräuschentwicklung aufzeigen“, berichtet Anja Thielecke. „Durch eine qualitative Abbildung des Frequenzspektrums waren die Auswirkungen unserer Akustikoptimierungen am Kompressor nachvollziehbar. Außerdem führte der sich ergänzende Einsatz von Messung und Simulation dazu, dass ein Verfahren zur Vibrationsreduktion mit Messungen getestet werden konnte. Parallel wurde das Verständnis für die entsprechenden Wirkzusammenhänge mit Simulationen überprüft. Hier profitierten wir immer wieder von dem umfassenden Know-how der CADFEM-Spezialisten, die uns bei dem Projekt begleiten.“
Insgesamt wird durch den Simulationseinsatz ein hohes Nutzenpotential gesehen. Die Vibration des Kompressors könnte bei einzelnen Ordnungen um bis zu 20 dB, was einem Faktor 10 entspricht, verringert werden. Damit ließe sich eine signifikante Geräuschreduktion in der Wärmepumpe erreichen.
Produkteigenschaften frühzeitig positiv beeinflussen
Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass Simulationen zur Bewertung akustischer Maßnahmen in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses eingesetzt werden können (Linksverschiebung). Das spart nicht nur Kosten für spät erkannte, aber unbedingt notwendige Änderungen und zeitaufwändige Messungen, sondern verbessert auch frühzeitig die zu erwartenden Produkteigenschaften
Für Menschen ist Lärm eine der am stärksten empfundenen Umweltbelastungen. Der Mehrwert für die Bosch-Kunden und für deren Umwelt zeigt sich somit in den angenehm klingenden und kaum wahrnehmbaren Wärmepumpen.
