Für eine möglichst gleichmäßige Umwälzung heißer Luft werden in der Backtechnologie sogenannte Freiläufer-Ventilatoren eingesetzt, die sich mittels einer Befestigungsplatte direkt im Ofen einbauen lassen. Hierbei müssen die 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.

Für einen komplikationsfreien Dauerbetrieb hat Karl Klein Ventilatorenbau eine Freiläufer-Baureihe entwickelt, die besonders robust und hitzebeständig ist. Eine zentrale Rolle spielt der Einsatz von korrosionsbeständigen, warmfesten Stählen für alle medienberührten Teile. So kann die Anlage auch bei Temperaturen von bis zu 450 °C komplikationsfrei arbeiten und aggressiven Reinigungsmitteln standhalten. Die rostfreie Edelstahlausführung sowie die eigens entwickelte Temperatursperre verlängern die Lebensdauer des Ventilators deutlich. Aufgrund der an die jeweilige Anwendung angepassten Konstruktion arbeiten die Ventilatoren störungsfrei und schwingungsminimiert.  „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“, erklärt Hans-Albert Schur, Vertriebsleiter bei Karl Klein Ventilatorenbau. „Hierfür eignet sich der Einsatz von Freiläuferventilatoren 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 feucht-heißen Medien ausgesetzt, was die Widerstandsfähigkeit der Aggregate, z. B. durch eine kluge Materialwahl, zu einer zentralen Herausforderung macht. Ventilatoren aus herkömmlichen (Edel-)Stählen sind im Industrieofenbau oder in der Backtechnologie ungeeignet, da sie rasch korrodieren bzw. 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 häufig zu Verformungen und damit auch zu einer Unwucht. Dadurch entstehen wiederum Schwingungen, die das Motor­lager zerstören und so ungewollte Produktionsstopps auslösen.

Sonderlösungen für Temperaturen bis 600 °C Die Karl Klein Ventilatorenbau GmbH fertigt ihre Freiläufer daher aus hitzebeständigen, sogenannten warmfesten Stählen. Diese können Temperaturen von bis zu 450 °C und aggressiven Medien wie Reinigungsmitteln standhalten und reduzieren den Verschleiß auf ein Minimum. Auf Anfrage sind Sonderlösungen für Medientemperaturen von bis zu 600 °C erhältlich. Gegen die Feuchte kommt rostfreier Edelstahl zum Einsatz, was die Standzeit der Ventilatoren erheblich verlängert.  „Der Ventilator arbeitet zudem mit einer Temperatursperre, die je nach Situation und Kundenanforderung individuell ausgelegt ist“, führt Schur aus. Bei dieser Sicherheitsvorrichtung handelt es sich um ein Distanzstück samt Kühlflügel, das zwischen dem Motor und der Flanschplatte des Ventilatorteils angeordnet ist. Dank einer ausgefeilten Luftleiteinrichtung und eines kleinen, eigens für diese Anwendung optimierten Ventilatorlaufrads wird dem A-Lagerschild des Motors 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“, so Schur. „Dieser Umstand ist enorm wichtig, da gut gekühlte Motoren eine Voraussetzung für lange Standzeiten sind. Bei einem um 15 °C zu warmen Motorlager reduziert sich die Lebensdauer bspw. 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 so ausgeführt, dass die Funktionalität des Freiläufers bei möglichst geringem Materialeinsatz nicht eingeschränkt wird. Dafür 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 schwingungsarmen und komplikationsfreien Betrieb garantieren. Daher konstruiert das schwäbische Unternehmen alle Komponenten so, dass die Ventilatoren in einem möglichst großen, auf den Kunden zugeschnittenen Drehzahlbereich ohne störende Schwingungen arbeiten. „Wir führen Modalanalysen durch, die mit Versuchsmustern validiert und optimiert werden“, so Schur. „Der Freiläufer ist dadurch nahezu wartungsfrei und minimiert gleichzeitig auch seine Schallemissionen.“  Die optimale Abstimmung von Laufrad und integrierter Einströmdüse erfolgt mittels CFD-Simulationen. Das gewährleistet eine gleichmäßige, wirbelarme Strömung für eine minimale Geräuschentwicklung. Dies ist besonders relevant, da Freiläufer im Gegensatz zu anderen Ventilatorenarten kein Spiralgehäuse besitzen, an das sich lärmreduzierende Bauteile wie Filter oder Schalldämpfer montieren lassen. „Umso wichtiger ist es daher, dass die eingesogene Luft nicht über etwaige scharfe Kanten strömen muss“, erklärt Schur. „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 maßgeschneiderte Freiläufer. Dem Unternehmen ist es daher möglich, auch Ventilatoren aus FDA-konformen Materialien (z. B. 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“, erläutert Schur abschließend.