Date post: | 26-Dec-2015 |
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1 Grundlagen der Ventilatorentechnik
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Prof. Dr.-Ing.Reinhard Grundmann,Aachen
Friedrich Schönholtz †, Bad Hersfeld
Überarbeitet und ergänzt vonDipl.-Ing. (FH) Herbert Eidam,Bad Hersfeld und Dipl.-Ing.Bernd Rahn, Berlin
Grundlagen derVentilatorentechnik
Diese Ventilatorenfibel ist gedachtfür den Anlagenbauer und -betrei-ber.
Fast alle verfahrenstechnischenAnlagen sind ohne Ventilatorenund Pumpen nicht zu betreiben.Durch den Betrieb von Ventilato-ren werden erst Gas-Massenströ-me in Bewegung versetzt und ver-fahrenstechnische Anlagen in Be-trieb genommen. Gewisse Grund-kenntnisse der Ventilatorentech-nik sind deshalb notwendig, so-wohl für den Anlagenbauer alsauch für den Betreiber. Diese tech-nischen Grundkenntnisse überStrömungstechnik, Funktion, Bau-arten und Verhalten der Ventilato-ren in der Anlage will diese Venti-latorenfibel vermitteln. Weiterhinwird in ihr auf Grenzbereiche ver-schiedener Bauarten hingewiesen.
Ventilatorenhersteller respektiveVentilatorenkonstrukteure werdenmit dieser Ventilatorenfibel nur be-dingt zufriedengestellt. Die dortauftretenden Probleme und Fragenkann und will diese Ventilatorenfi-bel nicht lösen. Hierzu wird auf dieeinschlägige fachwissenschaftli-che Literatur hingewiesen.
Über diese Ventilatorenfibel hin-aus stehen im Hause TLT-TurboGmbH Fachingenieure zur Verfü-gung, die gerne Probleme lösen,die diese Ventilatorenfibel nichtbeantworten kann.
Inhaltsverzeichnis
I. Einleitung
1.1 Was ist ein Ventilator? . . . . . . . . . . . . 2.21.2 Bauarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3
II. Strömungstechnische Grundlagen
2.1 Das strömende Medium . . . . . . . . . . . 2.42.2 Höhenformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.42.3 Zustandsgrößen der Strömung/
BERNOULLIsche Gleichung. . . . . . . . 2.42.4 Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . 2.52.5 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.52.5.1 Druckverlust durch
Reibungswiderstand . . . . . . . . . . . . . . 2.52.5.2 Druckverlust durch Formwiderstand . . 2.72.5.2.1
Stoßverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.82.5.2.2
Diffusorverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.82.6 Anlagenkennlinie. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.82.7 BERNOULLIsche Gleichung für
reale Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.92.8 Geschwindigkeitsverteilung im
Rohr bzw. Kanal . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.92.9 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10
III. Der Axialventilator
3.1 Aufbau und Funktion. . . . . . . . . . . . . 2.113.2 Geschwindigkeitsdreiecke. . . . . . . . . 2.113.3 Bauformen der Axialventilatoren. . . . 2.133.3.1 Axialventilatoren für die
Lüftungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.133.3.1.1
Leitradanordnung . . . . . . . . . . . . . . . 2.133.3.1.2
Laufschaufelanordnung. . . . . . . . . . . 2.133.3.2 Axialventilatoren für industrielle
Anwendungen bzw.Groß-Axialventilatoren . . . . . . . . . . . 2.14
3.3.2.1Axialventilator mit verstellbarenLaufschaufeln und festemNachleitwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14
3.3.2.2Axialventilator mit verstellbarenVorleitwerk und feststehendenLaufradschaufeln. . . . . . . . . . . . . . . . 2.15
3.3.2.3Axialventilatoren mitDrehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . 2.16
3.3.3 Luftrichtung im Ventilator . . . . . . . . . 2.173.3.4 Nabenverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . 2.173.3.5 Art des Antriebs. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17
IV. Der Radialventilator
4.1 Aufbau und Funktion. . . . . . . . . . . . . 2.194.2 Geschwindigkeitsdreiecke. . . . . . . . . 2.194.2.1 Rückwärts gekrümmte Schaufeln . . . 2.194.2.2 Rückwärts geneigte gerade
Schaufeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.194.2.3 Radial endende Schaufeln . . . . . . . . 2.194.2.4 Vorwärts gekrümmte Schaufeln . . . . 2.19
4.3 Konfiguration der Radialventilatoren. 2.204.3.1 Typenbezeichnungen . . . . . . . . . . . . 2.204.3.2 Art des Ansauges . . . . . . . . . . . . . . . 2.214.4 Bauformen und
Antriebsanordnungen . . . . . . . . . . . . 2.224.4.1 Gehäusestellungen und
Drehrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.224.5 Wichtige Sonder- und Spezial-
bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.234.5.1 Freilaufende Radialventilatoren . . . . 2.234.5.2 Dach-Radialventilatoren . . . . . . . . . . 2.244.6 Staub- und Verschleißbetrieb . . . . . . 2.264.6.1 Förderung von Staub und
faserigem Gut . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.264.6.2 Verschleiß an Ventilatoren . . . . . . . . 2.27
V. Der Ventilator in der Anlage
5.1 Anlagen- und Ventilatorkennlinie,Proportionalitätsgesetze . . . . . . . . . . 2.28
5.2 Dimensionslose Kenngrößen . . . . . . 2.315.3 Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . 2.325.4 Parallelschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . 2.345.5 Hintereinanderschaltung
Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.345.6 Druckmessung am Ventilator . . . . . . 2.35
Iverzeichnis
VI. Regelung von Ventilatoren
6.1 Drosselregelung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.386.2 Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . 2.396.3 Schaufelverstellung. . . . . . . . . . . . . . 2.396.4 Drallregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.39
VII. Auslegung des Antriebs
7.1 Motoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.407.2 Keilriemenantrieb . . . . . . . . . . . . . . . 2.407.3 Kupplungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.40
VIII. Explosionsschutz an Ventilatoren
8.1 Normative Situation . . . . . . . . . . . . . 2.418.2 Produktnorm Ventilatoren. . . . . . . . . 2.428.3 Kennzeichnungsbeispiel. . . . . . . . . . 2.428.4 Konstruktionshinweise . . . . . . . . . . . 2.438.5 Explosionsgeschützte Ventilatoren-
bauart am Beispiel eines Radial-ventilators, direkt angetrieben . . . . . 2.43
IX. Einbau- und Auslegungshinweise
9.1 Freiansaugender Ventilator. . . . . . . . 2.449.2 Freiausblasender Ventilator . . . . . . . 2.449.3 Ventilator im Rohrsystem . . . . . . . . . 2.469.4 Parallelbetrieb, Hintereinander-
schaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.47
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Grundlagen der Ventilatorentechnik 2
I. Einleitung
1.1 Was ist ein Ventilator?
Ein Ventilator ist eine Strömungsma-schine, die Arbeit in ein gasförmigesMedium transformiert. Die Aufgabeeines Ventilators ist ein Volumen-strom eines gasförmigen Mediums,meistens Luft durch ein System (An-
lage) zu transportieren. Das Systemsetzt der Bewegung des Volumen-stroms einen Widerstand entgegen,den der Ventilator mittels Druckauf-bau (Totaldruckdifferenz) überwindenmuß. Er stellt gewissermaßen dasHerz einer jeden Anlage dar.
Folgende Größen sind für die Spezifikation des Ventilators wichtig:
Kurz- zeichen Formel Dim. Bezeichnung
V cm*A m3/s Volumenstrom
cm V/A m/s mittlere Geschwindigkeit
A p/4 (Da2 - Di2) m2 Querschnittsfläche
Da m Außendurchmesser
Di m Innendurchmesser
v Di/Da – Nabenverhältnis
Pt1 Pa Ansaugdruck
Dpt pt2 – pt1 o. DH · Pa Totaldruckdifferenz
kg/m3 Dichte
k cp/cv – Exponent *.)
f – Kompressionsfaktor *.)
H m Förderhöhe Gassäule
Pfluid W Leistung des Mediums
P Pfluid/h W Wellenleistung
h Pfluid/P – Wirkungsgrad
n min-1 Drehzahl
u p · D · n/60 m/s Umfangsgeschwindigkeit
w cm/ua – Lieferzahl
c – Druckzahl
1,2,a,i,m Indices
fKreisringfläche beim Axialventilator!g
d
*.) Wird in der Lüftungs- und Klimatechnik (Dpt < 2500 Pa) vernachlässigt!
k
k – 1
p1Dpt
p1+Dpt
p1( )f g–1· ·
V · Dpt · f
p
2 · Dpt · f
Ua2 ·
d
·
·
d
k – 1k
3 Grundlagen der Ventilatorentechnik
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1.2 Bauarten
Ein wichtiges Ziel des Ventilatoren-herstellers ist, für die anstehendeAufgabe einen Ventilator auszulegen,der einen möglichst hohen Wirkungs-grad hat um die Energiekosten desAntriebes klein zu halten. Im Wesent-lichen gibt es vier grundverschiedeneBauarten von Ventilatoren, deren Be-zeichnung sich nach dem Verlauf derFlußlinie durch das Laufrad richtet:
a) die axiale Bauart:die Flußlinie verläuft in axialer Richtung gerade durch das Laufrad
c) die halbaxiale Bauartsie liegt zwischen der axialen und radialen Bauart, die Flußlinie ver-läuft gekrümmt durch das Laufrad
b) die radiale Bauart:die Flußlinie verläuft in radialer Richtung (senkrecht zur Achse) gera-de durch das Laufrad
d) die radiale Bauart ohne Spiralgehäuse:die Flußlinie verläuft nahezu wie bei der radialen Bauart mit Spiral-gehäuse
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Grundlagen der Ventilatorentechnik 4
II. StrömungstechnischeGrundlagen
2.1 Das strömende Medium
Das strömende Medium ist gasför-mig. In der Luft- und Klimatechnik istdas Fördermedium Luft. Die Eigen-schaften werden durch die Zustands-größen und Stoffeigenschaften be-schrieben. Die wichtigsten Zustands-größen sind:
Temperatur Tgemessen in K (grad Kelvin)Druck p gemessen in Pa
Die wichtigsten Stoffeigenschaftensind:Gaskonstante Rgemessen in Nm/kg KZähigkeit v gemessen in m2/sDichte gemessen in kg/m3
Der Zusammenhang zwischen Zu-standsgrößen und Stoffeigenschaf-ten wird durch die Gasgleichung ge-geben:
Für Luft ist die GaskonstanteR = 287 Nm/kg · K
Die absolute Temperatur T beginntbei -273°C = 0 K
+20°C sind also 293 K
Damit ergibt sich für die Dichte derLuft bei 0°C und p = 101325 Pa(= 760 Torr):
Die Druckabhängigkeit der Dichte istbei den in der Lüftungstechnik auftre-tenden Druckdifferenzen so gering,daß man sie vernachlässigt, d.h. Luftwird als „nicht zusammendrückbar“ (= inkompressibles Medium) ange-nommen).
Die Temperaturabhängigkeit der Luft-dichte ist zu berücksichtigen. Nachder Gasgleichung gilt für zwei ver-schiedene Temperaturen bei glei-chem Druck
Mit den angegebenen BezugswertenTo = 273 K (= 0°C) und o = 1,29kg/m3 ergibt sich die Berechnungs-formel für die Luftdichte bei x°C:
Beispiel: Wie groß ist die Luftdichtebei 20°C?
Bemerkung:
Diese Werte gelten für trockene Luft.Die Dichte von feuchter Luft ist stetsetwas kleiner. Dieser Einfluß ist imallgemeinen zu vernachlässigen.
2.2 Höhenformel
Wenn der Ventilator nicht in der Näheder Meereshöhe eingebaut wird son-dern in den Bergen in einer Höhe Hbetrieben werden soll, muß die Dich-te in dieser Höhe berechnet werden.Hierfür gibt es eine internationaleVereinbarung. Man berechnet denDruck pa in der Höhe H zu:
pao ist der Druck auf Nullniveau H dieHöhe in Metern über Null.
Die Dichte errechnet sich dann mitder angegebenen Temperatur nachder Gasgleichung.
2.3 Zustandsgrößen der idealenStrömung / BERNOULLIscheGleichung
Eine Strömung wird beschriebendurch die Angabe von Geschwindig-keit, statischem Druck und geodäti-scher Höhe. Das sind die Zustands-größen, die miteinander verbundensind durch die BERNOULLIsche Glei-chung.
Sie besagt, daß für jeden Punkt derStrömung (bei stationärer Strö-mung*)) die Summe aus Geschwin-digkeits-, Druck- und Höhenenergiegleich ist:
mit
= Dichte in kg/m3
c = mittlere Strömungsgeschwindig-keit in m/s
ps = statischer Druck in Pa
g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s2
h = geodätische Höhe in m
Bei Luftströmungen wird das Höhen-glied der Gleichung · g · h, d.h. dasGewicht der Luftsäule wegen Gering-fügigkeit vernachlässigt. Dann wirddaraus
nennt man Geschwindigkeitsdruckoder dynamischen Druck pd und dieSumme aus dynamischem und stati-schem Druck Gesamtdruck pt
*) stationäre Strömung liegt vor, wenn die Zu-standsgrößen an einer bestimmten Stelle zeit-lich konstant sind.
= =======d pR·T
0d 101325287·273
d
= kg/m3 = 1,29 kg/m3
dd
d
0d0d1 d
1T0
T1= bzw. =
T0
T1
xd
= 1,29 kg/m3273273 + x
d
= 1,29 kg/m3 = 1,2 kg/m3273273 + 2020
pa = pao · 287 – 0,0065 · H287f g 5,255
c2 + ps + · g · h = konstant
dd
2
c2 + ps = konstant
d
2
pt = c2 + ps = pd + ps
d
2
d
c2
d
2
5 Grundlagen der Ventilatorentechnik
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Die BERNOULLIsche Gleichung sagtin dieser Form aus, daß der Gesamt-druck an jeder Stelle der Strömunggleich groß ist. Ein einfaches Beispielsoll dies verdeutlichen, die Strömungdurch einen Kanal veränderlichenQuerschnitts:
2.4 Kontinuitätsgleichung
Die zweite zentrale Grundgleichung istdie Kontinuitätsgleichung. Sie besagt,daß an jeder Stelle im unverzweigtenSystem der Volumenstrom (bei kon-stanter Dichte) gleich groß ist.
mit
V̇ = Volumenstrom in m3/s
c = Strömungsgeschwindigkeit in m/s
A = durchströmte Fläche in m2
2.5 Druckverlust
Im Gegensatz zur idealen Strömungtreten in realen Strömungen Druck-verluste auf, die zusätzlich vom Ven-tilator in einer Anlage zu überwindensind. Man unterscheidet zwei ver-schiedene Widerstandsarten
a) Reibungswiderstand undb) Formwiderstand (auch Druck-
widerstand genannt)
2.5.1 Druckverlust durch Reibungs-widerstand
Dieser Druckverlust wird, wie schonder Name sagt, durch Reibung derströmenden Luft verursacht und wirdwie folgt berechnet
für Kreisrohre
Dp bedeutet Druckdifferenz, hier zwi-schen 2 Stellen des Rohres, die denAbstand 1 voneinander haben.
für Kanäle beliebigen Querschnitts
mit
l = Reibungsbeiwert (dimensionslos)
l = Rohrlänge in m
d = Rohrdurchmesser in m
dh = hydraulischer Druchmesser in m
A = Querschnittsfläche in m2
U = benetzter Umfang in m
Beispiel: a) rechteckiger Kanal mitden Seiten a und b
V̇ = A1 · c1 = A2 · c2 und c2 = c1A1A2
V̇ = c · A = konstant
ld
ldh
mit dh = 4 AU
dh = =4ab2(a + b)
2aba + b
l(a+b)2abDpv = l pd
Dpv = l · · pd
Dpv = l · · pd
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Grundlagen der Ventilatorentechnik 6
b) Kreisringrohr mit d1 und d2
l-Werte erhält man aus Diagrammen(z. B. Moody-Diagramm), sie sind ab-hängig von der Rauhigkeit der Kanal-wand und der Reynoldszahl
Re = der Strömung.*
Es gibt auch spezielle Diagramme, indenen die obigen Abhängigkeiten be-reits ausgewertet und jeweils auf einRohr von 1 m Länge bezogen sind.Dargestellt sind runde Rohre. Hatman z. B. rechteckige Kanäle, so be-nutzt man die gleichen Diagramme,nur mit dem entsprechenden hydrau-lischen Druchmesser dh anstelle desRohrdurchmessers d:
* g ist die kinematische Zähigkeit des Fluids,
für Luft von 20°C ist g = 15 · 10-6
d 1 d 2
m2
s
Reibungswiderstände im geraden Kanal (hydraulisch glatt)
dh = = d2 – d14 (d2
2 – d12)
p (d1 + d2)
p4
Dpv = l pdl
d2 – d1
c · d
g
Die Darstellung der Druckverluste prom gerades Rohr gilt für hydraulischglatte Kanäle. Bei rauhen Kanälen istder aus dem Diagramm ermittelteWert Dpvo zu korrigieren, indem manaus der untenstehenden Tabelle dieRauhigkeit k abliest und mit Hilfe desDiagrammes den Korrekturfaktor Ckfeststellt.
Dpv = Ck · Dpvo in Pa pro m Kanal
Rauhigkeit k fmmg
Kanalart k
Kunststoffrohre 0,005
Asbestzementrohre 0,1
Stahlrohre 0,1
Blechkanäle 0,15
Flexible Schläuche 0,7
Holzkanäle 2,5
Betonkanäle 0,8
Gemauerte Kanäle 4,0
Bei rauhen Kanälen ist dann
7 Grundlagen der Ventilatorentechnik
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2.5.2 Druckverlust durch Form-widerstand
Druckverlust durch Formwiderstandkann verschiedene Ursachen haben,z. B. Umlenkungen, Verzweigungen,Querschnittsänderungen, Drossel-organe, Bauelemente wie Lufterhit-zer, Kühler, Filter usw.
Seine Berechnung erfolgt nach derBeziehung
z wird Widerstandsbeiwert genannt.
Die entsprechenden z-Werte sindüberwiegend nur experimentell zubestimmen und werden von Herstel-lern der Bauelemente angegeben.
Eine Zusammenstellung der wichtig-sten z-Werte ist nachfolgend angege-ben.*
Dpv = z · c2 = z · pd2
d
* Quelle: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik: Recknagel-Sprenger 58. Ausgabe
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Grundlagen der Ventilatorentechnik 8
2.5.2.1 Stoßverlust
Ein wichtiger Formwiderstand, denman auch genügend genau berech-nen kann, ist die sprunghafte Quer-schnittserweiterung.
Der Verlust, der durch die Verzöge-rung der Strömung von c1 auf c2 ent-steht, nennt man Stoßverlust. Er läßtsich mit folgender Gleichung berech-nen:
Die z-Werte für diesen Stoßverlustsind im Diagramm 1 dargestellt. Füreinseitige Querschnittserweiterungist der Widerstandsbeiwert dem Dia-gramm 2 zu entnehmen.
2.5.2.2 Diffusorverlust
Wenn die Querschnittsveränderungnicht plötzlich, sondern allmählich er-folgt, spricht man von einem Diffusor.Ein Diffusor hat die Aufgabe, die Strö-mung zu verzögern und damit dyna-mischen Druck in statischen umzu-wandeln: „Druckrückgewinn“. DerWirkungsgrad dieser Umwandlung iststark vom Öffnungswinkel a abhän-gig. Ist dieser größer als 10°,, liegtdie Strömung nicht mehr an derWand an, sie löst sich ab und diesverursacht große Verluste.
Das nachstehende Diagramm zeigt z-Werte für einen Diffusor mit ver-schiedenen Öffnungswinkeln a
2.6 Anlagenkennlinie (Widerstands-parabel)
Die Summe sämtlicher Druckverlusteeiner Anlage, saug- und druckseitigvom Ventilator, ergibt die für die Aus-legung und Auswahl wichtige Total-druckdifferenz Dpt bei einem be-stimmten vorgegebenen Volumen-strom V. Dieses Wertepaar Dpt und Vist gleichzeitig ein Punkt der Anlagen-kennlinie, die auch Widerstandspara-bel genannt wird. Da die Verluste (beiturbulenter Strömung*) proportionaldem Quadrat der Geschwindigkeitbzw. des Volumenstromes sind, er-gibt sich eine quadratische Parabel,wenn man Dpt über V darstellt. Stelltman diese Parabel auf doppel-loga-rithmischem Papier dar, erhält mananstelle der Parabel eine Gerade mitder Steigung 2, dann Dpt =kV2 loga-rithmiert, ergibt log Dpt = 2 log V + logk, wobei k eine anlagenspezifischeKonstante ist.
*Es gibt auch Elemente mit nichtturbulenter,sog. turbulenzarmer Verdrängungsströmung,z. B. Filter. Diese sind in den Berechnungengesondert zu betrachten.
Diagramm 1
Diagramm 2
Lineare Darstellung der Anlagenkennlinie
Logarithmische Darstellung der Anlagenkennli-nie
Dpv = z · (c2 –c2)2= z · c12 (1– )22
d
A2
A12
d
9 Grundlagen der Ventilatorentechnik
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Die lineare Darstellung hat den Vor-teil der leichteren, gewohnten Ables-barkeit; Zwischenwerte sind einfachzu interpolieren. Veränderungen derAnlagenparabel hingegen sind imdoppel-logarithmischen Papier leich-ter zu konstruieren, da alle Anlagen-kennlinien parallele Geraden (mit derSteigung 2) sind.
Die Anlagenparabel muß übrigensnicht immer durch den Nullpunkt imDpt-V-Diagramm laufen, sondernkann auch den im folgenden Bild ge-zeigten Verlauf haben, der sich z. B.dann ergibt, wenn ein Ventilator in ei-nem Überdruckraum oder Druckkes-sel fördert. Seine Druckdifferenz ge-genüber der Atmosphäre ist Dp1. DieAnlagenkennlinie schneidet dann dieDpt -Ordinate im Punkt Dp1
2.7 BERNOULLIsche Gleichung fürreale Strömungen
Die BERNOULLIsche Gleichung läßtsich durch Einfügung der Verlustglie-der für Reibungs- und Formverlustefür die Anwendung auf reale Strö-mungen erweitern. Für zwei Punkteeiner Strömung, (1) und (2), gilt dann(bei Vernachlässigung des Höhen-gliedes):
wobei
c12 + p1 = c2
2 + p2 + zi· pdi
+ l · · pdi2
d
2
d
Sn
i = 1
Sn
i = 1
Sm
i = 1
lidi
lidi
2.8 Geschwindigkeitsverteilungenim Rohr bzw. Kanal
Durch den Einfluß der Reibung undder Wandhaftung ergibt sich bei Strö-mungsvorgängen eine über denQuerschnitt gesehen nicht konstanteGeschwindigkeitsverteilung. Es bildetsich ein sogenanntes Geschwindig-keitsprofil aus. Nur unmittelbar hintereiner Einströmdüse ist eine fastgleichmäßige Verteilung vorhanden.Nach einer gewissen Strecke hat sichdas Profil ausgebildet:
Diese Profilausbildung ist besondersbei Messungen zu beachten, bei de-nen es z. B. auf die Ermittlung desVolumenstromes ankommt.
Verzerrte Geschwindigkeitsprofileund auch ungleichmäßige Druckver-teilungen über den Querschnitt tretennach Einbauten und Umlenkungenauf. Als praktisch wichtiges Beispielhierzu sei der Krümmer bzw. dasKnie genannt.
Hinter der Umlenkung ergibt sichdurch Ablösung der Strömung an derInnenseite ein sehr ungleichmäßigesGeschwindigkeitsprofil. Außerdem istder statische Druck an der Außensei-te größer als innen, wo sogar Unter-druck auftreten kann. Durch Einbauvon Leitblechen läßt sich dieser Ef-fekt erheblich reduzieren und der Wi-derstandsbeiwert wird ebenfalls her-abgesetzt (siehe 2.5.2)
zi · pdi = die Summe aller (n) Formwiderstände zwischen den Punk-ten (1) und (2) ist, und
Sm
i = 1l · · pdi = die Summe aller (m) Reibungswiderstände zwischen den
Punkten (1) und (2) ist.
Dp t
ød
10d
nach ca. 6dh ist dasGeschwindigkeitsprofilwieder ausgeglichen.
dh = hydraulischer Durchmesser des durch-strömten Querschnitts.
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Grundlagen der Ventilatorentechnik 10
2.9 Druckmessung
Die folgenden Skizzen veranschauli-chen die grundsätzlichen Möglichkei-ten zur Messung der drei Drückeps, pd und pt
ps das ist der statische Druck, alsoder Druck, der auf eine zur Strö-mungsrichtung parallele Wandausgeübt wird.
pd das ist der dynamische Druck oderGeschwindigkeitsdruck.
pt das ist der Totaldruck, also dieSumme aus statischem und dyna-mischem Druck.
Messung auf der Druckseite
Messung auf der Saugseite
1 Der statische Druck ps wird z. B.über eine sauber entgrateteWandbohrung mit einem Mano-meter gemessen. Zweckmäßig istes, über den Umfang verteilt meh-rere Bohrungen anzubringen unddiese Meßstellen über eineRingleitung miteinander zu verbin-den.
2 Der Totaldruck pt läßt sich mit ei-ner um 90° abgewinkelten Sonde,die der Strömung mit der Öffnungentgegengehalten wird, messen.Diese Sonde heißt PITOT-Rohr.
3 Der dynamische Druck wird alsDifferenz zwischen pt und ps ge-messen. Da pt = ps + pd gilt, istpd = pt – ps
Ein Gerät zur Messung des dyna-mischen Druckes ist dasPRANDTLsche Staurohr, das eineKombination aus PITOT-Rohr undstatischer Drucksonde darstellt.
Bei Druckmessungen an Anlagen istnach Möglichkeit eine Stelle zuwählen, wo ein gleichmäßiges Ge-schwindigkeitsprofil herrscht. Zu ver-meiden sind Meßorte unmittelbar hin-ter Krümmern (siehe 2.8), Abzwei-gen, Erweiterungen etc., da hier derstatische Druck über den Querschnittgesehen nicht konstant ist und dieMessungen zwangsläufig fehlerhaftsind.
Die üblichen Druckmeßgeräte zeigendie Drücke in Pa an. Ältere Druck-meßgeräte zeigen noch in mm WS = 1 kp/m2 an.
Die Umrechnung in das gültige Maß-system (SI-System) lautet:
1 mm WS = 1 kp/m2 = 9,81 Pa ø 10 Pa
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III. Der Axialventilator
3.1 Aufbau und Funktion
Der Axialventilator besteht aus derEinlaufdüse mit dem Gehäuse, demLaufrad und dem Antriebsmotor mitNachleitwerk bzw. Halterung (bei leit-werkslosen Axialventilatoren).
Große Axialventilatoren werdendruckseitig mit einem Diffusor ausge-stattet zur verlustarmen Umwandlungdes hohen dynamischen Druckes instatischen Druck. Die Ausführungdes Diffusors ist unterschiedlich, ab-hängig ob mit oder ohne Nachleit-werk.
Die Einströmdüse hat die Aufgabe,eine gleichmäßige Geschwindigkeits-verteilung vor dem Laufrad zu erzeu-gen, damit dieses voll über die ge-samte Schaufellänge beaufschlagtwird (siehe 2.8). In den Schaufel-kanälen des Laufrades findet dieEnergieumsetzung statt. Hier wirdstatischer und dynamischer Druck er-zeugt. Hinter dem Laufrad stellt sicheine stark drallbehaftete, spiralenför-mige Strömung ein, d. h. die vomLaufrad abströmende Luft hat eineGeschwindigkeitskomponente in tan-gentialer (Umfangs-) Richtung.
Um diese nutzlose Komponente dy-namischer Druckenergie in statischeDruckenergie zu verwandeln, werdenLeitwerke eingesetzt. Das sind fest imSchacht in Strömungsrichtung voroder hinter dem Laufrad angeordneteLeitschaufelkränze. Entsprechendnennt man sie Vorleitwerk bzw. Nach-leitwerk. Sie bewirken eine Umlen-kung der Strömung in dem Sinne,daß die Abströmung hinter dem Ven-tilator axial gerichtet ist.
Gehäuse
Diffusor(empfohlene Option)
Laufrad
Einströmdüse Nachleitwerk
Motorhalterung
ohne Nachleitwerk
Motorhalterung
Motor
3.2 Geschwindigkeitsdreiecke
Die Strömungsvorgänge im Ventilatorlassen sich anschaulich durch dieGeschwindigkeitsdreiecke darstellen.Hierbei bedeuten
Index 0 Eintritt VorleitwerkIndex 1R Eintritt Laufrad bzw.
Austritt Vorleitwerk (Ring-querschnitt)
Index 2 Austritt Laufrad bzw. Ein-tritt Nachleitwerk
Index 3 Austritt Nachleitwerk
c absolute Geschwindigkeitw relative Geschwindigkeitu Umfangsgeschwindigkeit des
Laufrades
Die absolute Strömungsgeschwindig-keit c ist stets die vektorielle Summeaus Umfangsgeschwindigkeit u undder relativen Strömungsgeschwindig-keit w:
c1R ist die drallfreie absolute Eintritts-geschwindigkeit in das Laufrad(R Ringquerschnitt beachten)
c = u + wR R R Drehrichtung – Laufrad –
LaufradW1 c 1R
Schaufel-profil
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Grundlagen der Ventilatorentechnik 12
u ist die Umfangsgeschwindigkeitdes Laufrades, die sich aus derLaufraddrehzahl ergibt:
mit
v = Winkelgeschwindigkeit desLaufrades in s–1
u = Umfangsgeschwindigkeit in m/s
d = Druchmesser des Schaufel-schnittes in m
n = Laufraddrehzahl in min–1
w1 ist die relative Anströmgeschwin-digkeit der Schaufel. Sie ergibtsich aus der vektoriellen Additionder Eintrittsgeschwindigkeit c1und der Umfangsgeschwindigkeitu. Die Länge der Pfeile ist dabeigleich dem Geschwindigkeitsbe-trag.
Die Änderung von w1 zu w2 erfolgtdurch die Krümmung und Form derSchaufelkanäle.
c2 ist die absolute Geschwindigkeitbeim Austritt aus dem Schaufelgitterund damit ggfs. die Eintrittskompo-nente für das Nachleitwerk.
a) Axialventilator ohne Leitwerk
b) Axialventilator mit Nachleitwerk
c) Axialventilator mit VorleitwerkVorleitwerk
Düse
Laufrad
d) Axialventilator als Gegenläufer
Zur Erzielung höherer Drücke können manche Axialventilatoren als Gegen-läufer eingesetzt werden. Hierzu sind zwei komplette Ventilatoren, jeweilsmit Motor, erforderlich, die, gegenläufig drehend, so installiert werden, daßdie beiden Laufräder unmittelbar gegenüber angeordnet sind.
Gegenläufer weisen im Vergleich zum zweistufigen gleichlaufenden Axial-ventilator aerodynamisch keine signifikanten Unterschiede auf. Die Schall-entwicklung ist beim Gegenläufer jedoch deutlich ungünstiger als beim zwei-stufigen Gleichläufer.
u 2=
u
u 1=
u
Dre
hric
htun
g–
Lauf
rad
–
w 2
c2
w 1
c1R
u 1=
u
w 1
c1R
co
u 1=
u
w 1
c 1R
c3 = c1R
Dre
hric
htun
g–
Lauf
rad
–
Dre
hric
htun
g–
Lauf
rad
–
Nachleitwerk(feststehend)
Vorleitwerk(feststehend)
u 2=
uw 2
c2 c 2
u
u 2=
u
w2
c2Schnitt AB:
A B
ød
Motor
Motorhalterung
Laufrad
Düse
Motor
Motor
Gehäuse
Gehäuse
Laufrad
Düse
Motor-halterung
Nachleit-werk
u = · v =d2
d · p · n60
Motorhalterung
Gehäuse
13 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
3.3 Bauformen der Axialventilatoren
Axialventilatoren können nach denunterschiedlichsten Gesichtspunktenje nach Anwendung und Betriebsbe-dingungen eingeteilt werden.
3.3.1 Axialventilatoren für die Lüf-tungstechnik
3.3.1.1 Leitwerkanordnung
W Axialventilator ohne LeitwerkW Axialventilator mit VorleitwerkW Axialventilator mit Nachleitwerk
3.3.1.2 Laufschaufelanordnung
Axialventilatoren mit starrer, nichtverstellbarer Laufschaufel haben nureine unveränderliche Kennlinie für je-de Drehzahl.
Axialventilatoren mit verstellbarenLaufradschaufeln haben mehrereKennlinien, die in Abhängigkeit vomSchaufelanstellwinkel dargestelltwerden. Sie haben den Vorteil beson-derer Anpassungsmöglichkeiten anunterschiedliche Betriebsbedingun-gen.
Standard ist die Anordnung mit imStillstand verstellbaren Laufschaufelnund Nachleitwerk. Für einfache Lüf-tungsaufgaben – niedrige Drücke –werden auch im Stillstand verstellba-re Laufschaufeln ohne Nachleitwerkeingesetzt.
Beispiel:Axialventilator (im Stillstand verstell-bare Schaufelwinkel)
Fabrikat:TLT-Turbo GmbHTyp AXN 12/56/800/M-D Bauform M-D
Am Weinberg 68 · D-36251 Bad Hersfeld/Germany�Tel.: +49.6621.950-0 · Fax: +49.6621.950-100
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 14
3.3.2 Axialventilatoren für indu-strielle Anwendungen bzw.Groß-Axialventilatoren
Bei diesen Axialventilatoren wird inder Praxis im Wesentlichen unter-schieden zwischen folgenden dreiAusführungen:
3.3.2.1 Axialventilator mit verstell-baren Laufschaufeln undfestem Nachleitwerk
Diese Axialventilatoren sind verfüg-bar:
W mit einzeln im Stillstand verstellba-ren Laufradschaufeln
W mit zentral im Stillstand verstellba-ren Laufradschaufeln
W mit gemeinsam während des Be-triebes regelbaren Laufradschau-feln. Diese Ausführung bietet Vor-teile bei der Regelung des Volu-menstromes und ergibt einen sehrumfangreichen Arbeitsbereich mitgutem Teillastverhalten.
Die hydraulische Laufschaufelver-stellung während des Betriebes istheute Stand der Technik.
Beispiel:Axialventilator mit Laufschaufelver-stellung
Fabrikat:TLT-Turbo GmbH
Ventilatorgehäuse-Oberteil
2-stufiger Rotor
Kupplungshälften
Zwischenwelle
Kompensator
Diffusor
Ventilatorgehäuseunterteil
Ansaugkasten
Hydr. Verstellmechanismus
Umlenkecke
Schalld.Ummantelung
Stellantrieb zurLaufschaufelverstellung
Ölversorgungsanlage
Schwingungsaufnehmer
Lager-Temperaturanzeige
Axialgebläse mit hydraulischer Flügelverstellung während des Betriebes
För
derh
öhe
fmgG
assä
ule
Volumenstrom V fm3/sg
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
h = %
h88
86
83
80
75
70
60
50
40
15 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
3.3.2.2 Axialventilatoren mit ver-stellbarem Vorleitwerk undfeststehenden Laufrad-schaufeln
Das Teillastverhalten dieses Axial-ventilators ist in den meisten Fällenschlechter als das der laufschaufel-geregelten Axialventilatoren.
Bedingt durch seine robuste Bau-weise wird dieser Typ bevorzugt ein-gesetzt für extreme Betriebsbedin-gungen wie z. B. hoher Temperaturund Staubbeladung.
Typische Anwendungen:Kraftwerke und Bergbau
Beispiel:Axialventilator mit verstellbarem Vor-leitwerk
Fabrikat:TLT-Turbo GmbHTyp AN
Axialventilator mit Vorleitwerk
För
derh
öhe
fmgG
assä
ule
Volumenstrom V fm3/sg
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
h 87,587
8582
7974
63
53
42
31
20
10
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 16
3.3.2.3 Axialventilatoren mit Dreh-zahlregelung
Durch den heutigen Stand der Dreh-zahlregelung von Elektromotoren mit-tels Frequenzumrichter ist die Kombi-nation mit einem Ventilator ideal.
Besonders beim Axialventilator miteinzeln im Stillstand verstellbarenLaufschaufeln mit Elektromotor,drehzahlgeregelt über moderne Fre-quenzumrichtertechnik, ergeben sichbemerkenswerte Vorteile:
W Günstige Plazierung des Betriebs-punktes auf der Kennlinie desAxialventilators.
W Sehr gutes Teillastverhalten beiquadratisch verlaufender Anlagen-kennlinie
W Günstige Akustik im Teillastbereich
W Der einfache mechanische Aufbauist der Garant für einen störungs-freien Betrieb.
Beispiel:Axialventilatordrehzahlgeregelt(im Stillstand verstellbare Schaufeln)
Fabrikat:TLT-Turbo GmbHTyp AXN 12/56/1400/D/R2
Bauform R2
DREHZAHLREGELUNGAm Weinberg 68 · D-36251 Bad Hersfeld/Germany�Tel.: +49.6621.950-0 · Fax: +49.6621.950-100
17 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
3.3.3 Luftrichtung im Ventilator
Die Luftrichtung im Axialventilator istin der Regel vom Laufrad und Leit-werk über den Motor bzw. die Lage-rung. Alle Kennlinien basieren aufdieser Anordnung.
Es kann jedoch Anlagen bzw. verfah-renstechnische Gründe geben, die ei-ne Anordnung des Motors auf derSaugseite erfordern. Für diese Fällebietet TLT GmbH die Ausführungüber Motor saugend an. („S“)
Vorzuziehen ist die Luftrichtung „D“,denn bei der Luftrichtung „S“ muß dieKennlinie abgewertet werden und derWirkungsgrad wird schlechter.
3.3.4 Nabenverhältnis
Unter Nabenverhältnis versteht mandas Verhältnis Laufradnabendurch-messer zu Laufradaußendurchmes-ser. Bei Axialventilatoren liegen die
Verhältnisse etwa zwischen 0,25 und0,63. Axialverdichter zum Vergleichkönnen noch größere Nabenverhält-nisse haben.
Je kleiner das Nabenverhältnis, destogeringer der Druck des Axialventila-tors.
3.3.5 Art des Antriebes
StandardausführungTyp AXN-Bauform M-D(über Motor drückend)
SonderausführungTyp AXN-Bauform M-S(über Motor saugend)
Axialventilator – in Normalausführung mit di-rektem Antrieb
Bauform M = Laufrad auf Motorwellenstumpf
Axialventilator – mit Antrieb über Keilriemen(Motor separat auf Grundrahmen)
Bauform R2 = Laufrad über Keilriemen ange-trieben
Axialventilator – mit Antrieb über Keilriemen(Motor auf Ventilatorgehäuse aufgebaut) inleichter Ausführung für die Lüftungstechnik
Bauform R1 = Laufrad über Keilriemen ange-trieben
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 18
Groß-Axialventilator – doppelstufigmit gemeinsamer Doppellagerung di-rekt über Kupplung und Zwischen-welle angetrieben. Anordnung desElektromotors außerhalb des Gas-stromes.
Horizontale Aufstellung!
Groß-Axialventilator – einstufig mitDoppellagerung direkt über Kupplungund Zwischenwelle angetrieben. An-ordnung des Elektromotors vertikalaußerhalb des Gasstromes.
Vertikale Aufstellung!z. B. im Kamin
Groß-Axialventilator – einstufig, Lauf-rad auf Motorwelle. Elektromotor imLuftstrom.
Vertikale Aufstellung!
DiffusorElektro-motor
Saugtasche
Raum für Wartung
Raum für Wartung
19 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
IV. Der Radialventilator
4.1 Aufbau und Funktion
Der Radialventilator besteht aus demSpiralgehäuse mit Einströmdüse undAustrittstutzen, dem Laufrad und derZunge. Die zu fördernde Luft trittdurch die Einströmdüse in das Lauf-rad ein und wird dabei in radiale Rich-tung umgelenkt. Im Laufrad (Schau-felkanal) findet die Energieumset-zung statt, d. h. die dem Laufrad überdie Welle vom Antriebsmotor zuge-führte mechanische Energie wird inDruck- und Geschwindigkeitsenergieumgesetzt. Das Spiralgehäuse hatzwei Aufgaben zu erfüllen. Es sam-melt die aus dem Laufrad ausströ-mende Luft, führt sie zu einem ge-meinsamen Austritt und es wandelteinen Teil der Geschwindigkeitsener-gie (dynamischer Druck) in Druck-energie (statischer Druck) durch die
stetige Querschnittserweiterung inStrömungsrichtung um (Diffusoref-fekt).
Die engste Stelle zwischen Spiral-gehäusewand und Laufrad wird vonder Zunge gebildet.
Radialventilatoren erreichen höhereDrücke als Axialventilatoren, da dieradialen Schaufelkanäle durch dieunterschiedlichen Umfangsge-schwindigkeiten am Ein- und Austrittdes Laufrades zur statischenDruckerzeugung beitragen.
Einströmdüse
Antrieb
Zunge
Laufrad
4.2 Geschwindigkeitsdreiecke
Bei Radialventilatoren unterscheidetman im wesentlichen zwischen vierverschiedenen Laufradtypen je nachForm der Schaufel:
4.2.1 Rückwärts gekrümmteSchaufeln
Radialventilatoren mit rückwärts ge-krümmten Schaufeln nennt man we-gen ihres sehr guten Wirkungsgradesauch „Hochleistungsventilatoren“.Besonders geeignet sind dieseLaufräder auch für freilaufende Ra-dialventilatoren.
Schaufelaustrittswinkel w2 % 30° ]
4.2.2 Rückwärts geneigte geradeSchaufeln
Geeignet für Gas mit groben trocke-nen Materialteilchen. Wegen desnoch sehr guten Wirkungsgrades ge-nannt „Hochleistungs-Staubschaufel-Ventilator“.
Schaufelaustrittswinkel w2 = 40 bis 60° ]
4.2.3 Radial endende Schaufeln
Diese Räder finden in der Lüftungs-und Klimatechnik wenig Anwendung.Sie dienen hauptsächlich wegen ihrerVerkrustungssicherheit zur Förde-rung staub- und stoffbeladener Gase(pneumatischer Transport). Je nachStaubart werden dazu allerdingsauch rückwärts gekrümmte Schau-feln benutzt.
Schaufelaustrittswinkel w2 = 75 bis 90° ]
4.2.4 Vorwärts gekrümmte Schau-feln
Radialventilatoren mit vielen kurzen,vorwärtsgekrümmten Schaufelnheißen auch Trommelläufer. Der An-teil der Geschwindigkeitsenergie istsehr hoch. Wegen des niedrigen Wir-kungsgrades wird dieser Typ nurnoch bei kleinen Radialventilatoren inder Lüftungstechnik eingesetzt.
u2
c2c1
w1
u1
w2
u2
u1
c2
c1
w2
w1
c2 w2
w1
u1
c1
u2
c1
u1
u2
w2c2
w1
Spiralgehäuse
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 20
4.3 Konfigurationen der Radialven-tilatoren
Radialventilatoren werden üblicher-weise nach folgenden Gesichtspunk-ten eingeteilt:
W Schaufelform
a) Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln = „Hochlei-stungsventilatoren“.
b) Radialventilatoren mit rückwärtsgeneigten geraden Schaufeln =„Hochleistungs-Staubschaufel-Ventilator“
c) Radialventilatoren mit radial en-denden Schaufeln für schmutzig-ste Industrieanwendungen.
d) Radialventilatoren mit vorwärts ge-krümmten Schaufeln für die Lüf-tungstechnik, (siehe auch 4.2).
W Laufradverhältnisse
Ein wesentliches Charakteristikum istdas Verhältnis zwischen Außen-durchmesser und Ansaugdurchmes-ser (= Nenndurchmesser) des Radial-laufrades. Dieses Verhältnis kenn-zeichnet die Baureihe von Radialven-tilatoren. Die üblichen Durchmesser-verhältnisse liegen zwischen 1,1 und7,1. In der Lüftungs- und Klimatech-nik sind Baureihen 11 und 14 üblich.Je größer die Baureihe ist, um sohöher ist die Druckerzeugung desVentilators.
Das TLT-Turbo GmbH-Programm(ehemals Babcock BSH) ist in siebenBaureihen gegliedert, denen jeweils
nachstehende Drücke zugeordnetsind:
4.3.1 Typenbezeichnungen
Die Typenbezeichnung eines Radial-ventilators hat neben seinem Druck-vermögen Auskunft zu geben überseine speziellen Anwendungseigen-schaften. Hierzu bietet sich neben derBaureihe der Schaufelaustrittswinkelw2 an. Jede Baureihe weist deshalbverschiedene Laufradbeschaufelun-gen auf, gekennzeichnet durch denSchaufelaustrittswinkel w2. Damitsind die Möglichkeiten geschaffen,sich an anwendungsspezifische An-forderungskriterien anzupassen.
W Kennlinienverlauf steil oder flach
W Anforderungen an den Regelbe-reich
W Staubbetrieb
W Verschleiß oder Anbackungen
W Jeder Betriebspunkt durch direktenMotorantrieb
Typenbezeichnung des TLT-Turbo GmbH-Standard-Programmes der Industrie-Radialventilatoren
Z. B. das Standard-Programm bei derTLT-Turbo GmbH ist in sieben Venti-latorbaureihen gegliedert (Abb.), de-nen jeweils verschiedene Schaufel-formen mit unterschiedlichen Schau-felaustrittswinkeln zugeordnet sind.
Darüber hinaus kann jeder Typ ausverschiedenartigen Werkstoffen fürchemische Angriffe und höhere Tem-peraturen gebaut werden.
Baureihe Druckbereiche bei = 1,20 kg/m3
(Richtwerte)
d
11 100 – 2800 Pa 14 1800 – 4500 Pa 18 2800 – 7100 Pa 22 5500 – 11200 Pa 28 8100 – 16000 Pa 35 12500 – 20000 Pa 45 16000 – 25000 Pa
Durchmesserverhältnis 1,4 = Baureihe 14
14 / 45
Baureihe(Durchmesser-verhältnis x10)
Schaufelaus-trittswinkel w2
21 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
Nebenstehende Abbildung zeigt alleTypen des Standard-Programmesmit Kennzeichnung der wichtigstenEigenschaften. Bei dieser Leistungs-dichte kann jeder Bedarfsfall optimalgelöst werden.
w = Steil verlaufende Kennlinienmaximale Wirkungsgrade für In-dustrieatmosphäre besondersgünstige Regelcharakteristik
W = Für Staubbetriebstaubabweisend für grobe undtrockene Materialteilchen
W = Für extremen Staubbetriebselbstreinigende Laufradbe-schaufelungenAusnahme bilden Materialien,die sich durch chemische Reak-tionen oder elektrostatischeAufladungen ansetzen.
Typen diebevorzugtin derLüftungs-und Klima-technikeingesetztwerden
einseitig saugendes Radiallaufrad
doppelseitig saugendes Radiallaufrad
11/20 w11/25 w11/30 w
11.1/30 w11/40 W
11/45 W11/60 W
14/20 w14/30 w14/45 W
14/60 W14/80 W
18/30 w18/50 W18/80 W
22/40 w22/55 W22/80 W
28/40 w28/60 W28/75 W
35/45 w35/75 W
45/50 w45/78 W
4.3.2 Art des Ansaugs
Radialventilatoren können mit einsei-tigem oder doppelseitigem Ansaug(ein- oder doppelflutig) ausgeführtwerden. Der doppelseitige saugendeRadialventilator fördert bei gleicherVentilatornenngröße und gleichemGesamtdruck etwa das Doppelte desVolumenstromes. Diese Anordnungentspricht einer Parallelschaltung(siehe 5.4).
Grundlagen der Ventilatorentechnik 22
4.4 Bauformen* und Antriebsan-ordnungen
*Bauformen nach VDMA 24164
4.4.1 Gehäusestellungen undDrehrichtungen
Die Angabe der Gehäusestellung undDrehrichtung erfolgt immer von derAntriebsseite her gesehen.
Entsprechende Bezeichnungen sindder obigen Tabelle zu entnehmen.
Bauformen-Beispiele(mit Zubehör-Optionen)
Bauform RUM: Einseitig saugend, Laufrad aufMotorwellen stumpf
Bauform RUR: Einseitig saugend, Laufrad an-getrieben über Riemen
Bauform ZER: Zweiseitig saugend, Laufrad an-getrieben über Keilriemen
Bauform RUK IV: Einseitig saugend, für direk-ten Motorantrieb über elastische Kupplung
Bauform RUK V: Einseitig saugend, für direk-ten Motorantrieb über elastische Kupplung
Bauform ZSKI : Zweiseitig saugend, mit An-saugkästen, für direkten Motorantrieb
Bauart Anschluß Antrieb
R U M
Z E K
S R
einseitig saugend
zweiseitig saugend
unmittelbarer Rohranschluß
mit Einströmdüse
mit Saugkasten
Laufrad direkt auf Motor- wellenzapfen
über Kupplung
über Riemen
2
23 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
4.5 Wichtige Sonder- und Spezial-bauarten
4.5.1 Freilaufende Radial-ventilatoren
Diese Bauart wird bevorzugt in ein-seitig saugender Ausführung einge-setzt, wo große Luftmengen gegen
Gesamtdrücke % 2500 Pa zu fördernsind.
Zum Beispiel in:
Trocknern aller Art,Lackieranlagen,Rückkühlwerken,Reinraumanlagen,Zentralgeräten der Lüftungs-und Klimatechnik
Freilaufender Radialventilator fürTrocknereinbau
Antrieb durch NormmotorTemperatur max. 250°CMotorkühlung mit RaumluftKühlluft gelangt in Aufstellungsraum
Freilaufender Radialventilator fürhorizontalen Einbau in ein Klima-zentralgerät
Antrieb durch Normmotor im Förder-luftstrom.
Freilaufender Radialventilator fürvertikalen Einbau
Antrieb durch Normmotor im Förder-luftstrom
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 24
4.5.2 Dach-Radialventilatoren
Eine spezielle Bauart des Radialven-tilators ist der Dach-Radialventilator,der freisaugend und dank seinesDruckvermögens als zentraler Abluft-ventilator eingesetzt werden kann.
Es stehen viele Bauformen zur Verfü-gung, z. B.
Dach-RadialventilatorBauform DRH
mit horizontalem LuftaustrittAntrieb über Spezialmotor(Außenläufer)
Dach-RadialventilatorBauform DRV
mit vertikalem LuftaustrittAntrieb über Spezialmotor(Außenläufer)
Dach-RadialventilatorBauform DRVF
mit vertikalem Luftaustrittangetrieben von einem Normmotor
25 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
Dach-RadialventilatorBauform BVD
mit senkrechtem Ausblasals Brandgas-Ventilator zur Absau-gung von Rauch- bzw. Brandgasenfür 400°C/620°C – 120 Min.
Dach-RadialventilatorBauform DR-SDH
mit horizontalem AusblasAnsaugseitig und ausblasseitigschallgedämpft
Dach-RadialventilatorBauform DR-SDV
mit schallgedämpftem vertikalemAusblas
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 26
4.6 Staub- und Verschleißbetrieb
In Abluft- und gewissen Prozeßventi-latoren sind die Themen Staub undVerschleiß bei der Auslegung beson-ders zu berücksichtigen. Hierbei sindStaubbeladung, deren Konsistenzund Feuchtigkeit wichtige Faktoren.
4.6.1 Förderung von Staub und fa-serigem Gut
Rückwärts gekrümmteBeschaufelung
Staub haftet!R > T
Für trockenenStaub bedingtgeeignet!
aFN FZ
RT
a
Radial endendeBeschaufelung
Staub wirdabgeschleudert!R < T
Für schmutzigeIndustrie-anwendungen!
a
Laufrad ohneDeckscheibe
Faseriges Gutgleitet!R < T
Speziell fürpneumatischen Transportvon faserigem Gut!
F N
FN
F Z
FZ
RT
R
T
a
(Deckscheibe feststehendam Gehäuse)
Begriffserklärung
FN = Kraft in Normalrichtung
FZ = Zentrifugalkraft
T = Kraft in Tagentialrichtung
R = Reibkraft = FN ·µ
µ = Reibungszahl
Weitere Hinweise zur Auswahl dergeeigneten Radialventilatoren be-finden sich im Kapitel 4.2 und 4.3.
Achtung:Bei starker Staubbelastung desgeförderten Gasstromes ist derzusätzliche Leistungsbedarf undDruckabfall zu berücksichtigen.
Jedes Staubteil, das nicht haftet,verursacht möglicherweise Ver-schleiß. Während sich fehlende Er-kenntnisse über den Ver-schleißvorgang in erster Linie aufdie Ersatzteilfrage ausgewählterVentilatorentypen auswirken, ent-scheiden Unsicherheiten zum Haft-verhalten oft generell über den Ein-satz der Ventilatoren.
Die Neigung zum Anhaften auf derSchaufelsaugseite bei Radialrä-dern mit rückwärts gekrümmter Be-schaufelung und auf der Schaufel-druckseite bei vorwärts gekrümm-tem Schaufelverlauf, ist präzise nurüber Kenntnis der jeweiligenRutschwinkel der Staub-Korn-größenverteilung vermeidbar. [1]
[1] Ventilatoren im EinsatzSchlender, KlingenbergVDI-Verlag 1996ISBN 3-1840 1293-x
27 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
4.6.2 Verschleiß an Ventilatoren
In Ventilatoren, deren Förderstrommit Materialteilchen belastet ist, trittVerschleiß auf. Er läßt sich in solchenVentilatoren nicht verhindern, wohlaber durch geeignete Maßnahmenreduzieren.
Verschleiß an Ventilatoren bedingtdurch Abrasion verändert die beauf-schlagten Oberflächen. Es bildensich Mulden, Wellen, Kratzer und Rie-fen. Es tritt somit ein Mikrozerpan-nungsprozeß auf, der einen Material-verlust zur Folge hat.
Abrasion wird ausgelöst durch die imGasstrom enthaltenen Materialteil-chen, die über die betreffendenFlächen gleiten oder mit unterschied-lichen Winkeln aufprallen.
In der DIN 50320 sind Verschleiß-vorgänge und ihre Begriffe behan-delt.
Die wichtigsten Kriterien eines Ver-schleißorgans sind:
A. Ventilatorlaufrad– Härte des Grundkörpers und seine
Materialstärke– Laufrad-Umfangsgeschwindigkeit– Laufschaufelform
B. Förderstrombeladung– Härte der angreifenden Materialteil-
chen
– Korngröße und Körperform der Ma-terialteilchen
– Dichte der Materialteilchen
Verschleißvorgänge
Einfluß der Härte von Materialteil-chen auf den Abtrag an der Ober-fläche für weichen Grundkörper (z. B.Laufradschaufel ungeschützt) undharter Grundkörper (z. B. Laufrad-schaufel gepanzert mit Hartmetallen).
1 Ist die Härte der angreifenden Ma-terialteilchen geringer als derGrundkörper, tritt wenig Verschleißauf. Der Verschleißvorgang liegt inder Tieflage.
2 Ist jedoch Härte der angreifendenMaterialteilchen höher als der
Grundkörper, tritt erheblicher Ver-schleiß auf. Der Verschleißvorgangliegt in der Hochlage.
3 Sind Härte der angreifenden Mate-rialteilchen etwa gleich dem Grund-körper, verursachen geringe Ver-schiebungen bereits beachtlicheVeränderungen im Verschleißver-halten. Der Verschleißvorgang liegtim Steilanstieg.
Wichtig
Zur Minimierung von Verschleiß mußdie Härtepaarung so gewählt werden,daß die Härte des Grundkörpers aufder Verschleißseite über der des an-greifenden Materials liegt.
a weicher Grundkörperb harter Grundkörper
Anmerkung:Verschleißmaßnahmen an Laufrädern führen zu höheren Gewichten und Unwuchtkräf-ten. Folgeerscheinungen wie– verstärkte Antriebswellen und Lager– verstärkte Unterbauten des Ventilators– negative Beeinflußung des Wirkungsgradessind zu beachten!
Maßnahmen Beschreibung
1. Schaufelmaterial sSte 70
2. Schaufelstärke „s“ um 2 – 3 mmerhöht
3. Schweißraupen quer zur Förder-richtung durch Panzerelektroden,Schweißraupenabstand „a“ verrin-gert sich zum Außendurchmesser.
1. Grund-Schaufelmaterial s
2. Oberflächenpanzerung durchhochfeste Schleißschutzbeschich-tung s1 = ca. 0,8 – 1,0 mm durchharte Wolfram-Chromkarbide imFlammaufspritzverfahren
1. Grund-Schaufelmaterial s
2. Oberflächenpanzerung durchhochfeste Schleißschutzbeschich-tung s1 = ca. 5 mm durch harte,Chromkarbid enthaltende Auf-tragsschweißung in einer in sichgeschlossenen Schweißschicht
ss s 1
b
a1a2
a3a4
a5
a6
b = Seitenschutz
Schaufelform eben(nicht gekrümmt)
s s 1
Schaufelform eben(nicht gekrümmt)
bb
Der allgemeine Grundsatz, dass ei-ne Radialventilatorschaufel, die anjedem Punkt der radialen Er-streckung eine Tangente zurStaubstrombahn ist, stets den ge-ringsten Verschleiß - Gleitver-schleiß - aufweist, kann als gesi-chert betrachtet werden. Ist die an-gepasste Auswahl entsprechenderBeschaufelungen nicht möglich,bleibt nur der Weg über entspre-chende Werkstoffe und Material-dicken, den Verschleißvorgangwirtschaftlich zu gestalten.
Härte der angreifenden Materialien
Hochlage
Tieflage
Stei
lans
tieg
Abt
rag
a
b
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 28
V. Der Ventilator in derAnlage
5.1 Anlagen- und Ventilatorkenn-linie, Proportionalitätsgesetze
Über die Theorie der Anlagenkennli-nien wurde bereits in 2.5 berichtet.Nachfolgend sind an einem Beispiel(Radialventilator Typ RA 11.1, Nenn-größe 800, Fabr. TLT-Turbo GmbH)die Gesetzmäßigkeiten aufgezeigtund zwar in linearer und in doppello-garithmischer Darstellung.
Vergleicht man zwei Betriebspunkte,dann gilt: Das Druckverhältnis istgleich dem Volumenverhältnis zumQuadrat, d. h.
Im Beispiel ist der Betriebspunkt B1bei V̇1 = 10 m3/s undDpt1 = 1750 Pa. Wie groß istDpt2 bei ·V2 = 5 m3/s
Dpt2 = 1750 Pa · = 438 Pa.( )25
10
Dpt1Dpt2
= bzw. Dpt2 = Dpt1 ·( )2V1
V2( )2V2
V1
Anlagenkennlinien mit unterschied-lichen Betriebspunkten
Die Totaldruckerhöhung eines Venti-lators setzt sich zusammen aus derstatischen und dynamischen Druck-erhöhung. Der dynamische Anteilwird bezogen auf den Ventilatorsaug-stutzen. Er wird nach der bekanntenBeziehung
berechnet. Hierbei ist c die mittlereGeschwindigkeit im Ventilatorsaug-stutzen, also
In unserem Beispiel ist fürV̇ = 10 m3/s und für den gewähltenRadialventilator NG 800:
Dynamischer Druck im Ventilator-saugstutzen
(c = Linie des dynamischen Druckes)
pd = c2
pd = · c2 = · 19,92 = 238 Pa
c = mit A = Fläche desVentilatorsaugstutzens
V̇A
A = = = 0,502 m2d2 p4
0,82 m2 p4
c = = = 19,9 m/s10 m3
0,502 m2 · sV̇A
1,22
kg m2
m3 s2
2
d
2
d
·
·
·
·
lineare Darstellung doppelt logarithmische Darstellung
29 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
Die Charakteristik eines Ventilatorswird durch eine Kennlinie beschrie-ben. Diese wird unter bestimmten Be-dingungen, die in der DIN 24163 fest-gelegt sind, auf dem Prüfstand ermit-telt. Hierbei werden verschiedene Be-triebspunkte durch Drosselung desVolumenstromes simuliert und die je-weiligen gemessenen WertepaareDpt 4 V̇ in einem Diagramm aufge-tragen und zur Kennlinie miteinanderverbunden. Gleichzeitig wird hierbeider Leistungsbedarf an der Ventila-torwelle zur Ermittlung des Wirkungs-grades gemessen. Er ergibt sich ausAntriebsdrehmoment MW und derWinkelgeschwindigkeit v. Der Wir-kungsgrad h ist der Quotient aus ab-gegebener und zugeführter Leistung.Die abgegebene Leistung P nenntman Nutz- oder Förderleistung, diezugeführte ist die zum Antrieb erfor-derliche Wellenleistung Pw.
P = Dpt ·V̇
Pw = MW · v
h = =P
PW
Dpt ·V̇
MW · v
Dpt ·V̇h
jbzw. Pw = =
wenn h bekannt ist.
Ph
P = Leistung in W (bzw. kW,wenn pt in kPa)
Dpt = Totaldruckerhöhung in Pa(bzw. kPa)
V̇ = Volumenstrom in m3/s
Mw = Antriebsdrehmoment in Nm
v = Winkelgeschwindigkeit in 1/s
v = · s–1 für n in min –1p · n30
Ventilator- und Anlagenkennlinie
Der Betriebspunkt des Ventilators inder Anlage ergibt sich stets alsSchnittpunkt zwischen Anlagen- undVentilatorkennlinie!
Der Schnittpunkt der Ventilatoren-kennlinie mit der Linie des dynami-schen Druckes stellt das maximaleSchluckvermögen eines Ventilatorsdar, das ist die Luftmenge, die er ge-gen den „Anlagenwiderstand Null“fördern würde.
D
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 30
Proportionalitätsgesetze (Beispiel)
1) Drehzahländerung (von n1 auf n2,hier von 1400 auf 1600 min –1)
In unserem Beispiel wurden die Dreh-zahlen des Ventilators von 1400 auf1600 min –1 verändert.
Durch die bekannte, quadratischeCharakteristik der Anlagenkennlinietreten folgende Veränderungen auf:
a) der Volumenstrom ·V ändert sichproportional mit der Drehzahl, also
b) die Totaldruckerhöhung Dpt ändertsich mit dem Quadrat der Dreh-zahl, also
c) der Leistungsbedarf an der WellePw ändert sich mit der dritten Po-tenz der Drehzahl, also
= bzw. ·V2 = ·V1 ·
= bzw. Dpt2 = Dpt1 ·
·V1·V2
Dpt1
Dpt2
n1
n2
n1
n2
n2
n1
n2
n1( )2 ( )2
= bzw. Pw2 = Pw1 ·Pw1
Pw2
n1
n2
n2
n1( )3 ( )3
Drehzahländerung (von n1 auf n2, hier von 1400 auf 1600 min–1)
Proportionalitätsgesetze für geo-metrisch und kinematisch ähnli-che Ventilatorbaureihen.Index 2 = Bezugsbaugröße
Formelzeichen:·V = Volumenstrom [m3/h bzw. m3/s]n = Drehzahl [min-1]Dpt = Totaldruckdifferenz [Pa]Pw = Leistungsbedarf a. d. Welle [kW]T = Temperatur [°C]
= Dichte [kg/m3]d = Rad außen Ø [m]
d
A n Þ const., = const.
B n = const., Þ const. bzw.
T Þ const.
·V1 = ·V2 = const.
d
dC n = const., d2 Þ const.
D n Þ const., d Þ const., Þ const.d
lineare Darstellung doppelt logarithmische Darstellung
=·V1·V2
n1
n2
Dpt1
Dpt2( )2n1
n2= =
·V1·V2
( )2
Pw1
Pw2( )3n1
n2= =
·V1·V2
( )3
Dpt1
Dpt2= =1
2
d
dT1
T2
Pw1
Pw2= =1
2
d
dT1
T2
=·V1·V2
d1
d2( )3
Dpt1
Dpt2=
d1
d2( )2
Pw1
Pw2=
d1
d2( )5
=·V1·V2
n1
n2
d1
d2( )3
Dpt1
Dpt2=
n1
n2( )2 1
2
d
dd1
d2( )2
=n1
n2( )3 1
2
d
dd1
d2( )5Pw1
Pw2
31 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
5.2 Dimensionslose Kenngrößen
Um Ventilatoren untereinander hin-sichtlich ihrer Eignung für bestimmteEinsatzfälle besser beurteilen undvergleichen zu können, sind für diewichtigsten Eigenschaften dimen-sionslose Kenngrößen festgelegtworden:
a) Wirkungsgrad
(siehe 5.1)
mit Dpt in Pa, V̇ in m3/s und Pw in W.
h ist das Verhältnis der erbrachtenFörderleistung des Ventilators zur er-forderlichen Antriebsleistung an derWelle und damit ein Maß für die Güteder Energieumsetzung im Ventilator.
b) Druckziffer
mit Dpt in Pa, in kg/m3 und u2 inm/s.
c ist ein Maß für die Totaldruckdiffe-renz, die ein Ventilator, bezogen aufdie Umfangsgeschwindigkeit seinesRadaußendurchmessers, erzeugt.
c) Lieferzahl
mit ·V in m3/s, u2 in m/s und d2 in m.
w ist ein Maß für den Volumen-strom, den ein Ventilator, bezogenauf seinen Radaußendurchmesserund seine Umfangsgeschwindig-keit, fördert.
d) Leistungsziffer
l ist ein Maß für die erforderlicheWellenleistung
e) Durchmesser-kennzahl
besagt, wievielmal der Radaußen-durchmesser größer ist als der einesVergleichsventilators mit c = 1 undw = 1.
f) Schnelllaufzahl
s besagt, wievielmal schneller oderlangsamer sich das Laufrad gegen-über dem Vergleichsventilator mitw = c = 1 dreht.
g) Drosselzahl
t ist der Parameter für die Anlagen-parabel im dimensionslosen Kenn-linienfeld.
d
h =Dpt ·V̇
Pw
c =Dpt· u2
22
d
w =V̇
u2 · p · d22
4
l =w · c
h
d =c
w
14
12
s =w
c
12
34
t =w2
c
2) Dichte- bzw. Temperaturänderung
Die Ventilatorkennlinien in der Lüf-tungs- und Klimatechnik sind darge-stellt für eine Temperatur von +20°C= 293 k. Die Dichte beträgt hierbei1,2 kg/m3. Liegen andere Temperatu-ren vor, z. B. bei einem Außenluft-ventilator, der auf –15°C = 258 K aus-gelegt werden soll, dann können die-se Ventilatorenkennlinien für die an-dere Temperatur umgerechnet wer-den:
a) der Volumenstrom bleibt immerkonstant, d. h. ein Ventilator för-dert immer den gleichen Volu-menstrom, gleichgültig ob dieLuft „leicht“, z. B. +40°C, oder obsie „schwer“, z. B. –15°C, ist.Das liegt daran, daß die Dichte imVolumenstrom nicht enthalten ist(im Gegensatz zum Massenstrom,der sich sehr wohl ändert!)
b) Es ändern sich die von der Dichte0 und damit von der Temperatur
abhängigen Werte (siehe 2.1),
also:
Die Totaldruckerhöhung DDpt, derdynamische Druck DDpd, der Anla-genwiderstand DDpt, der Leistungs-bedarf Pw und zwar alle proportio-nal der Änderung der Dichte !
Damit gilt also zusammengefaßt:
Diese Beziehung gilt für die Total-druckerhöhung des Ventilators undden Widerstand der Anlage.
wobei T jeweils als absolute Tempe-ratur in K einzusetzen ist.
d
d
d
Änderung der Dichte (von 1 auf 2, hier von +20°C auf -15°C)
d d
2
1
·V1 = ·V2
Dpt2 = Dpt1 · = Dpt1 ·
dd T1
T2
2
1Dpd2 = Dpd1 · = Dpd1 ·
dd
T1
T2
2
1Pw2 = Pw1 · = Pw1 ·
dd T1
T2
lineare Darstellung doppelt logarithmische Darstellung
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 32
Der Vergleich zwischen RV/RAund AXN zeigt folgendes Bild:
Lieferzahl:Der RV hat mit Abstand die höch-ste Lieferzahl (max. 1,2) gegen-über AXN (0,38) und RATR (0,55).
Druckziffer:Der RV hat mit Abstand die höch-ste Druckziffer (max. 2,6) gegen-über RATR (1,37) und AXN (0,45).
Kennlinie:Der RA hat eine steile Kennlinie.Das wird deutlich, wenn manKennlinienabweichungen der LinieA, die die Ventilatorkennlinie in Bschneidet, betrachtet. Liegt die An-lagenkennlinie A im Betrieb niedri-ger als berechnet (A1, SchnittpunktB1) bzw. höher (A2, B2), so sind dieAbweichungen in der Lieferzahlund damit im Volumenstrom klein.
Ähnlich verhält es sich beim AXN,jedoch ist hier zu beachten, daß abeiner bestimmten Lieferzahl (hier0,23) die Strömung abreißt, dasbedeutet, daß die Luft das Schau-felprofil nicht mehr richtig um-strömt.
Axialventilatoren dürfen nie im Ab-rißgebiet betrieben werden, die
5.3 Auswahlkriterien
Mit Hilfe der dimensionslosen Kenn-ziffern werden die wichtigsten Venti-latorbauarten miteinander verglichen
I. Rückwärts gekrümmte Be-schaufelung fsiehe 4.2.1g.(Hochleistungsläufer – kurz„RA“)
II. Rückwärts geneigte gerade Be-schaufelung fsiehe 4.2.2g.(Hochleistungsstaubläufer –kurz „RA St“)
III.Radialendende Beschaufelungfsiehe 4.2.3g. (AuchTransport-läufer – kurz „RA TR“)
IV.Vorwärts gekrümmte Beschau-felung fsiehe 4.2.4g. (AuchTrommelläufer genannt – kurz„RV“)
Alle Radialventilatoren mit Spiral-gehäuse! Freilaufende Radialven-tilatoren werden bei diesen Aus-wahlkriterien nicht berücksichtigt.
V. Axialventilator mit Nachleitwerkfsiehe 3.2 und 3.3g. (kurz „AXN“)
Lieferzahl w
Dru
ckzi
ffer
c Õ
Leis
tung
sziff
er l
Õ
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
0,20 1,2
0,18 1,0
0,16 0,8
0,14 0,6
0,12 0,4
h = 0,620,67
0,73
B2
A2
A1
B1
A
B
0,72
0,68
0,84
c
0,79
0,82
l
0,10 0,2
Õ
Radialventilator mit rückwärts gekrümmter Beschaufelung „RA“
Leis
tung
sziff
er l
Õ
Lieferzahl w
0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,59 0,70 0,750,79
0,800,79
0,780,72
0,64
h =
c
A2
A
A1B2
B
B1
l
Õ
Radialventilator mit rückwärts geneigter gerader Beschaufelung „RASt“
Dru
ckzi
ffer
c Õ
0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
A2 A A1
B2 BB1
0,42 0,58 0,670,75 0,76 0,77
0,760,74 0,72
0,710,69 0,68
h =
c
l
Lieferzahl w Õ
1,6
Radialventilator mit radial endender Beschaufelung „RATR“
Dru
ckzi
ffer
c Õ
Leis
tung
sziff
er l
Õ
33 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
Radialventilator mit vorwärts gekrümmter Beschaufelung „RV“Auslegung hat stets mit Sicher-heitsabstand zum kritischen Punktzu erfolgen.
RV haben eine flache Kennlinie,d. h. geringe Druckabweichungenbedingen große Volumenstrom-änderungen.
Wirkungsgrad:Den besten Wirkungsgrad hat derRA (0,84), gefolgt vom AXN (0,82).Wegen der sicheren Auslegungsollten hiervon beim AXN maximal0,78 genutzt werden. Der RV hatdemgegenüber nur bescheideneWirkungsgrade (max. 0,69).
Leistungsziffer:Der RA hat seinen maximalenLeistungsbedarf etwa beim bestenWirkungsgrad, wo auch die Ausle-gung erfolgen sollte. Er ist damitüberlastungssicher, da der Lei-stungsbedarf sowohl beim Dros-seln als auch bei Volumenstrom-zunahme abfällt. Der AX hat einenziemlich konstanten Leistungsbe-darf im Auslegungsbereich. BeimRV dagegen steigt dieser bei Volu-menstromzunahme rapide an, esbesteht hier die Gefahr der Mo-torüberlastung, wenn z. B. der An-lagenwiderstand kleiner als vor-ausberechnet ist.
Durchmesserkennzahl:Die kleinste Kennzahl beim AXN(1,6 bei hmax.) zeigt den Hauptvor-teil dieses Typs, die platzsparendeBauweise. Es folgen RV mit 1,8und RA mit 2,0.
Schnelllaufzahl:Die höchste w und c-Werte beikleinster Umfangsgeschwindigkeiterbringt der RV (s = 0,36) gegen-über RA 0,6 und AXN 0,95.
Axialventilator mit Nachleitwerk „AXN“(nur ein Schaufelwinkel dargestellt)
Lieferzahl w0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
6
5
4
3
2
3
2,5
2
1,5
1
h = 0,550,67
0,69 B2
A2
A1
B1
A
B0,5
0,35c
0,620,68
Õ
Dru
ckzi
ffer
c Õ
Leis
tung
sziff
er l
Õ
Lieferzahl w
0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
h = 0,81 0,82
B2
A2
A1
B1
A
B0,73
0,56
c
0,81l
0,16
0,15
0,14
0,13
0,5
0,4
0,3
0,2
Abriß!
Õ
Dru
ckzi
ffer
c Õ
Leis
tung
sziff
er l
Õ
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 34
5.4 Parallelschaltung
Wenn der geforderte Volumenstromsehr groß ist, besteht die Möglichkeitdes Parallelbetriebes zweier odermehrerer Ventilatoren. Ein Beispielfür den Parallelbetrieb zweier fest mit-einander verbundenen Ventilatorenist der doppelseitig saugende Radial-ventilator. Natürlich werden auchVentilatoren parallel geschaltet, dieunabhängig voneinander betriebenwerden können. Das kann man dannregeltechnisch ausnutzen, indemman durch Zu- oder Abschalten einesVentilators den Volumenstrom ver-größert oder verkleinert.
Um die Kennlinie von parallel ge-schalteten Ventilatoren zu ermitteln,addiert man die Volumenströme beigleichen Dpt-Werten. (Beispiel wieRadialventilator RA 11.1, NG 800)
V1 = Kennlinie eines Ventilators
V2 = gemeinsame Kennlinie beiderVentilatoren
B1 mit V̇1 und Dpt1 =Betriebspunkt, wenn ein Ventilatorläuft
B2 mit V̇2 und Dpt2 =Betriebspunkt, wenn beide Ventilato-ren laufen
5.5 Hintereinanderschaltung(Reihenschaltung)
Sind außergewöhnlich hohe Wider-stände zu überwinden, so kann manzwei oder mehrere Ventilatoren hin-tereinander schalten. Dabei addierensich theoretisch die Totaldrücke Dpt,während V̇ konstant bleibt. In der Pra-xis ist dies aber nicht zu verwirk-lichen, da hierbei Verluste auftreten,die im wesentlichen durch eine nichtoptimale Anströmung der zweitenStufe verursacht werden.
V1 = Kennlinie eines Ventilators
V2 = gemeinsame Kennlinie beiderVentilatoren
B1 mit V̇1 und Dpt1 =Betriebspunkt, wenn ein Ventilatorläuft
B2 mit V̇2 und Dpt2 =Betriebspunkt, wenn beide Ventilato-ren laufen.
35 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
5.6 Druckmessung an Ventilatoren
In der Lufttechnik ist es üblich, die ge-genüber dem atmosphärischen Luft-druck po (= Barometerstand) gemes-senen Drücke als Absolutwerte zubehandeln, was möglich ist, wennman den Umgebungsluftdruck alsBezugsnullpunkt annimmt. Dann gibtes allerdings auch negative statischeDrücke, wie z. B. auf der Saugseitedes Ventilators.
Die Totaldruckdifferenz eines Ventila-tors ist die Differenz der Gesamt-drücke zwischen Austritt und Eintritt:
Dpt = pt2 - pt1 = ps2 + pd2 - (ps1 + pd1)
= ps2 - ps1 + pd2 - pd1
= Dps + Dpd
Die Totaldruckdifferenz ist also gleichder Summe aus statischer Druckdif-ferenz Dps und dynamischer Druck-differenz Dpd zwischen Austritt undEintritt des Ventilators (jeweils alsMittelwerte über den Eintritt- bzw.Austrittquerschnitt des Ventilators ge-messen).
Beispiele verschiedener Meßanordnungen an Radialventilatoren
a) Widerstände druckseitig, frei ansaugend
Dpt = ps2 + pd2 = pt2
= ps2 + c22, da pt1 = 0!
d
2
b) Widerstände saugseitig, frei ausblasend
Dpt = ps1 - pd1 + pd2
Für den Sonderfall, daß A1 = A2 istDpd1 = pd2
Dann ist pt = ps1
1. ohne Diffusor
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 36
Dpt = ps1 + pd3 - pd1
2. mit Diffusor
c) Widerstand druck- und saugseitig
Dpt = ps2 + ps1 + pd2 - pd1
Für den Sonderfall, daß A1 = A2 istpd1 = pd2
Dann ist Dpt = ps2 + ps1.
37 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
d) Meßanordnung eines Axial-ventilators
Während der mittlere dynamischeDruck sich aus dem gemessenen Vo-lumenstrom ergibt, bereitet die Mes-sung des statischen Druckes, insbe-sondere auf der Druckseite des Ven-tilators, Schwierigkeiten, da es ver-schiedene Möglichkeiten gibt. Des-halb gehört zu jeder Kennlinienanga-be die Angabe der Meßanordnung.So ist es beispielsweise bei einemAxialventilator wichtig zu wissen, obder statische Druck saugseitig oderwenn druckseitig, an welcher Stellehinter dem Ventilator gemessen wur-de: direkt hinter dem Leitwerk oder ineinigem Abstand davon.
Hier im Beispiel wird der statischeDruck saugseitig gemessen, da derAnlagenwiderstand saugseitig durcheine Siebdrossel simuliert wird. In derKennlinie wurde dann der dynami-sche Druck, bezogen auf den vollenKreisausschnitt, rechnerisch dem ge-messenen statischen Druck zuge-schlagen. Die Messung mit und ohnedruckseitigen Kanal zeigte keine Un-terschiede. Mißt man druckseitig di-rekt hinter dem Leitwerk den stati-schen Druck, so erhält man hier einenanderen Wert als bei einer Messungweiter vom Leitwerk entfernt. Verur-sacht wird dies durch die Ringströ-mung unmittelbar hinter dem Leit-werk, deren Profil sich erst weiter hin-ten über den vollen Rohrquerschnittausgleicht. Dabei wird ein Teil des dy-namischen Druckes in statischenDruck umgewandelt (Druckrückge-winn), der Rest geht als sog. Naben-stoßverlust verloren.
Beispiel:
Bei einem Axialventilator mit einemNabenverhältnis von 0,56 ist der mitt-lere dynamische Druck in der Ring-strömung:
Geschwindigkeitsprofile: a vor dem Axialventilatorb unmittelbar hinter dem Leitwerkc im Abstand 2...4D hinter dem Ventilator
V̇ = c1 · A1 = cR · AR
cR = 1,457 · c1 bzw.
pdR = 1,4572 · pd1 = 2,12 · pd1
c1 · = cR · d12 - (0,56 d1)2 = CR · d1
2 · (1- 0,56)2
= CR · d12
· 0,6864
d12 · p4
p4p4
p4 f g· ·
·
DpDüse
Dps1verstellbareSiebdrossel
Ventilatormit
Nachleitwerk
ohneNachleitwerk
ohne Nachleitwerk mit Diffusor
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 38
Das bedeutet, daß der dynamischeDruck in der Ringströmung mehr alsdoppelt so groß ist wie der auf denvollen Rohrquerschnitt bezogeneDruck!
Der Nabenstoßverlust ist nach2.4.2.1
Dp = (cR - c3)2 = 0,21 pd3 = 0,21 pd1
Er ist als „innerer Verlust“ des Venti-lators zu sehen, und ist in der Kenn-linie bereits enthalten, wenn in genü-gendem Abstand hinter dem Laufradgemessen wird.
Wird der Ventilator saugseitig undfreiblasend gemessen und geht derdynamische Druck der Ringströmungin die Totaldruckdifferenz ein, dannist der Nabenstoßverlust nicht in derKennlinie enthalten. Dies müßte dannbei der Auslegung berücksichtigt wer-den.
e) Allgemein
Zur Messung des statischen Druckesmittels Wandbohrung empfehlen sichmehrere, gleichmäßig am Umfangeverteilte Bohrungen, die über eineRingleitung miteinander verbundensind. So werden Ungleichmäßigkei-ten am besten ausgeglichen und manerhält einen Mittelwert. Der statischeDruck kann nur dann als nahezu kon-
stant über den Querschnitt gesehenangenommen werden, wenn dieStromlinien an der Meßstelle geradeverlaufen. Das ist hinter Krümmern(s. 2.7), Formstücken und Einbautennicht der Fall. Sind die Voraussetzun-gen zur Messung über Wandbohrun-gen nicht gegeben, muß der Strö-mungsquerschnitt mit einerDrucksonde abgetastet und aus denNetzpunktwerten der Mittelwert be-stimmt werden.
Für Abnahme- und Leistungsmes-sungen gilt die VDI-Richtlinie 2044,der alle Einzelheiten der Versuchsan-ordnung und -durchführung zu ent-nehmen sind.
d
2
VI. Regelung vonVentilatoren
Unter der Regelung von Ventilato-ren soll im folgenden Regelungdes Volumenstromes verstandenwerden.
6.1 Drosselregelung
Die einfachste, aber auch unwirt-schaftlichste Regelung ist die Dros-selregelung. Hierbei wird eine ver-stellbare Blende in das System ein-gebaut, mit deren Hilfe die Anlagen-kennlinie verändert wird, was zu neu-en Schnittpunkten mit der Ventilator-kennlinie führt, die weiter links, alsobei kleinerem V̇ liegen.
Beispiel: (Radialventilator TLT-TurboGmbH, RA 11.1, NG 800)
Wirkungsgrade in den Schnittpunkten
B : 83 % B1: 84 % B2: 82 %
B3: 77 % B4: 70 % B5: 63 %
Das Beispiel zeigt, daß bei der Dros-selregelung die Kennlinie des Venti-lators weiter links, also bei höheremDruck, geschnitten wird, der dannnoch zusätzlich weggedrosselt wer-den muß. Außerdem sinkt bei stärke-rer Drosselung auch noch der Wir-kungsgrad des Ventilators.
Bei einer Drosselung des Volumen-stromes von V̇-Schnittpunkt B – umca. 25 %, was etwa dem SchnittpunktB2 entspricht, ändert sich der Lei-stungsbedarf von Pw = 21,1 kW aufPw’ = 20,2 kW. Die Veränderung be-trägt also – 4%.
V̇ in m3/s
39 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
6.2 Drehzahlregelung
Wirtschaftlicher, aber aufwendiger,ist die Drehzahlregelung eines Venti-lators mit Hilfe von entsprechenden,regelbaren Elektromotoren. Diese Artder Regelung hat den Vorteil, daß derVentilator immer im günstigen Wir-kungsgradbereich betrieben werdenkann. Die Anlagenkennlinie bleibthierbei erhalten, während die Ventila-torenkennlinie sich analog den Pro-portionalitätsgesetzen verändert. DieNachteile dieser Regelungsart sinddie höheren Anschaffungskosten fürden elektrischen Frequenzumrichterzur Drehzahlregelung, sowie dieschlechten elektrischen Wirkungs-grade im Teillastbereich.
Beispiel:
Wirkungsgrad in allen Schnittpunkten83 %!
Bei einer Verminderung des Volu-menstromes V̇ – Schnittpunkt B – umca. 25 %, was etwa dem SchnittpunktB3 entspricht, ändert sich der Lei-stungsbedarf (ohne Berücksichtigungder elektrischen Verluste) von Pw =21,1 kW auf Pw’ = 8,8 kW.
Diese Veränderung beträgt also– 58 %. Der Gewinn gegenüber derDrosselregelung ist offensichtlich!
6.3 Schaufelverstellung
Bei Axialventilatoren mit verstellba-ren Schaufeln läßt sich durch Verstel-lung des Schaufelwinkels eine Rege-lung des Volumenstromes erreichen.
Beispiel:
Wirkungsgrade in den Schnittpunkten:
B : 77 % Bo: 78 % B1: 70 %
B2: 59 % B3: 50 % B4: 40 %
B5: 30 %
Bei einer Verminderung des Volu-menstromes V̇ – Schnittpunkt B – umca. 25 %, was etwa dem SchnittpunktB2 entspricht, ändert sich der Lei-stungsbedarf von Pw = 10,4 kW aufPw’ = 5,7 kW. Die Veränderung be-trägt also –45 %.
Bei Axialventilatoren mit verstellba-ren Laufschaufeln werden bei der Re-gelung des Volumenstromes nichtganz die Wirkungsgrade wie bei derDrehzahlregelung erreicht, jedochentfallen die elektrischen Verluste.
Bei Axialventilatoren mit „im Lauf ver-stellbaren Schaufeln“ ist der Investi-tionsaufwand beträchtlich höher alsbei „im Stillstand verstellbarenSchaufeln“. Dieser Aufwand lohntsich nur, wenn aus betriebstechni-schen Gründen ein oft veränderlicherVolumenstrom eingestellt werdenmuß.
6.4 Drallregler
Vorwiegend bei Radial-, aber auchbei Axialventilatoren können Drallreg-ler eingesetzt werden. Sie werdensaugseitig angebracht und ändern alsverstellbare Vorleitwerke die Rich-tung der Eintrittsgeschwindigkeit c1 indas Laufrad. Sie erzeugen eine Drall-strömung am Laufradeintritt und be-wirken damit eine entsprechende Vo-lumenstromänderung.
Beispiel: (Radialventilator, TLT-TurboGmbH, RA 11.1, NG 800 mit Drall-regler)
Wirkungsgrade in den Schnittpunkten:
B : 83 % B1: 80 % B2: 60 %
B3: 40 % B4: 30 %
Bei einer Verminderung des Volu-menstromes V̇ – Schnittpunkt B – umca. 25 %, was etwa dem SchnittpunktB2 entspricht, ändert sich der Leistungsbedarf von Pw = 21,1 kWauf Pw’ = 12,5 kW. Die Veränderungbeträgt also – 41 %.
Bei großen Volumenstromänderun-gen ist infolge der rapiden Wirkungs-verschlechterung die Drallregelungnur sinnvoll in Verbindung mit polum-schaltbarem Motor. Z. B. bietet derdreifach polumschaltbare Motor bei100, 75 und 50 % der Nenndrehzahlbei optimalem Wirkungsgrad einenweiten Regelbereich.
Die Vorteile der Drallregelung sindgeringer Investitionsaufwand und dieEinsatzmöglichkeit von Kurzschluß-motoren.
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 40
VII. Auslegung desAntriebes
7.1 Motoren
Der Leistungsbedarf Pw an der Welledes Ventilators kann berechnet wer-den (siehe 5.1). Im allgemeinenschlägt man dem Leistungsbedarf Pwnoch eine gewisse Leistungsreservezu. Diese beträgt bei direkt angetrie-benen Ventilatoren etwa 5 bis 10 %,bei über Keilriemen angetriebenenVentilatoren je nach Größe 10 bis 20%.
Ein wichtiges Kriterium bei der Motor-auswahl ist die Größe seines Be-schleunigungsmomentes. Diese mußin einem bestimmten Verhältnis zumMassenträgheitsmoment des Ventila-tors stehen, damit ein einwandfreierAnlauf gewährleistet ist.
Das Massenträgheitsmoment J be-zieht sich auf die drehenden Teile desVentilators, also Laufrad, Nabe, Wel-le. Es ist das Produkt aus der Masseder drehenden Teile, multipliziert mitdem Quadrat des „Trägheitsradius“.Es wird im allgemeinen experimentellermittelt und vom Ventilatorenherstel-ler angegeben. Die Motorherstellerlassen im allgemeinen eine Anlauf-zeit von 10 s zu. Damit kann der Mo-tor überprüft werden nach der Bezie-hung
tA = Anlaufzeit in s
J = Massenträgheitsmoment desVentilatorrades und des Motorsin kgm2
nM = Motordrehzahl in min–1
Mb = mittleres Beschleunigungsmo-ment in Nm als Differenz zwi-schen dem Motormoment MMund dem Ventilatormoment Mw
Diese Beziehung gilt für direkten An-trieb. Bei Keilriemenantrieb ist mitdem sog. reduzierten Massenträg-heitsmoment zu rechnen:
Jred. = JM + JV
JV = MassenträgheitsmomentVentilator-Laufrad
JM = MassenträgheitsmomentMotor
Jred. = Summe der Massenträgheits-momente berechnet aus JV +JM
Das Moment Mw kann aufgrund derWellenleistung Pw und der Ventilator-drehzahl nv errechnet werden, dasBeschleunigungsmoment Mb ist vomMotorenhersteller zu erfragen.
7.2 Keilriemenantrieb
In der Lüftungs- und Klimatechnik istder Keilriemenantrieb sehr verbreitet.Keilriemen besitzen eine sehr guteHaftung durch die Keilwirkung zwi-schen Riemen und Scheibe. Der Keil-riemen sollte so ausgelegt sein, daßdie Riemengeschwindigkeit nichtgrößer als 20 m/s wird. Die Bestim-mung erfolgt unter Berücksichtigungder DIN 2218 nach Herstellerkatalo-gen, wo nach Wahl des Riemenprofilsin Abhängigkeit von Scheibendurch-messern und Drehzahlen die über-tragbaren Leistungen ermittelt wer-den.
7.3. Kupplungen
Kupplungen dienen zur Verbindungdrehender Maschinenteile, hier alsovon Motor und Ventilatorrad. Sie ha-ben die Aufgabe, bei einer bestimm-ten Drehzahl n ein Drehmoment M zuübertragen.
Grundlage der Dimensionierung istdeshalb die Ventilatorendrehzahl nvund das Drehmoment an der Ventila-torwelle Mw bzw. die WellenleistungPw
Mw = Drehmoment des Ventilatorsin Nm
Pw = Wellenleistung in kW
nv = Ventilatorendrehzahl in min–1
In der Lüftungs- und Klimatechnikwerden vorwiegend elastische, direktwirkende Kupplungen eingesetzt. Inbesonderen Fällen (wenn der Motorin der maximalen Anlaufzeit nicht sei-ne Nenndrehzahl erreicht) werdenauch Fliehkraftkupplungen einge-setzt, bei denen erst der Motor aufseine Nenndrehzahl hochläuft unddann der Ventilator von der Kupplungdurch Reibungskräfte beschleunigtwird, bis er seine Betriebsdrehzahl er-reicht hat.
tA =
J · vMb
p · n30
J ·nM
9,55 · Mb
Jred ·nM
9,55 · Mb
nv
nM( )2
p·n30
Pw
v
tA =
Mw = bzw. mit v =
mit: v = ; tA =
wobeiMw = 9549 ·Pw
nv
41 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
VIII. Explosionsschutz anVentilatoren
(Aktueller Stand Januar 2005)
8.1 Normative Situation
Die Richtlinie 94/9/EG(ATEX) regeltdie Angleichung der Rechtsvorschrif-ten für die EU Mitgliedsstaaten betreffsGeräte und Schutzsysteme zur bestim-mungsgemäßen Verwendung in explo-sionsgefährdeten Bereichen,ATEX 95.
Die ATEX 137, Richtlinie 1999/ 92/ EG,enthält Mindestvorschriften zur Ver-besserung des Gesundheitsschutzesund der Sicherheit der Arbeitnehmerdie durch explosionsgefährdete Atmos-phäre gefährdet werden können.
ATEX 95: Für Hersteller von Geräten,Komponenten und Schutzsystemen.ATEX 137: Für die Errichtung von An-lagen sowie Anpassung bestehenderAnlagen.
Vorgenannte Richtlinien gelten inDeutschland seit 01.07.2003.
Grundsätzliche Anforderungen an dieKonstruktion, Bau, Prüfung und Kenn-zeichnung von nicht-elektrischen Gerä-ten werden in der europäischen Nor-mungsreihe pr EN 13463, Teile 1- 8festgeschrieben.
Ventilatoren im allgemeinen Sinne sinddabei als nicht-elektrische Geräte be-trachtet worden.
Im Einzelnen beinhaltet diese Nor-mungsreihe:
DIN EN 13463-1, Apr.2002: Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz inexplosionsgefährdeten Bereichen:Grundlagen und AnforderungenMit Berichtigung v. Juli 2003.
pr EN 13463-2: Nicht-elektrischeGeräte für den Einsatz in explosions-gefährdeten Bereichen: Schutz durchschwadenhemmende Kapselung
pr EN 13463-3: Nicht-elektrischeGeräte für den Einsatz in explosions-gefährdeten Bereichen: DruckfesteKapselung
pr EN 13463-4: Nicht-elektrischeGeräte für den Einsatz in explosions-gefährdeten Bereichen: Eigensicher-heit
DIN EN 13463-5, März 2004: Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz inexplosionsgefährdeten Bereichen:Konstruktive Sicherheit
pr EN 13463-6: Nicht-elektrischeGeräte für den Einsatz in explosions-gefährdeten Bereichen: Zündquellen-überwachung
pr EN 13463-7: Nicht-elektrischeGeräte für den Einsatz in explosions-gefährdeten Bereichen: Überdruckkap-selung
DIN EN 13463-8, Jan.2004: Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz inexplosionsgefährdeten Bereichen:Flüssigkeitskapselung
EN 50303, Gruppe I: Kategorie M1-Geräte für den Einsatz in Atmos-phären, die durch Grubengas und/oderbrennbare Stäube gefährdet sind.
DIN EN 1127-1,Okt.97: Explosions-fähige Atmosphäre-ExplosionsschutzTeil 1: Grundlagen und Methodik
DIN EN 1127-2,Jul.02: Weitere natio-nale Normen: Explosionsfähige Atmos-phäre-ExplosionsschutzTeil 2: Grundlagen und Methodik inBergwerken
DIN 14424, Sept.88: Feuerwehrwe-sen, Explosionsgeschützte tragbareUmfüll-Pumpe mit Elektromotor; Anfor-derungen, Typ- und Abnahmeprüfung.
DIN 14427, März 95: Explosionsge-schützte tragbare Gefahrgut-Umfüll-pumpe mit Elektromotor; Anforderun-gen, Prüfungen
DIN 14642,Okt. 95: Handscheinwerfer,explosionsgeschützt mit Fahrzeughal-terung
DIN 22419-1,Nov, 95: Schlagwetterge-schützte und explosionsgeschützteelektrische Betriebsmittel fürden Bergbau; Einführung für Kabel undLeitungen, Teil 1: Sicherheitstechni-sche Anforderungen und Prüfungen
DIN 22419-2,Nov.95: Schlagwetterge-schützte und explosionsgeschützteelektrische Betriebsmittel fürden Bergbau; Einführung für Kabel undLeitungen, Teil 2: Zwischenstücke fürEinführungen, SicherheitstechnischeAnforderungen und Prüfungen
DIN 22419-3,Nov.95: Schlagwetterge-schützte und explosionsgeschützteelektrische Betriebsmittel fürden Bergbau; Einführung für Kabel undLeitungen, Teil 3: Anbauflansche fürEinführungen; SicherheitstechnischeAnforderungen und Prüfungen
DIN EN 50016 (VDE 0170/0171 Teil 3),Mai 96: Elektrische Betriebsmittel fürexplosiongefährdete Bereiche; Über-druckkapselung „p“; Deutsche Fas-sung EN 50016; 1995
DIN EN 50039,Apr. 82: ElektrischeBetriebsmittel für explosionsgefährdeteBereiche; Eigensichere elektrische Sy-steme „i“ (VDE-Bestimmung fürschlagwettergeschützte und explosi-onsgeschützte elektrische Betriebsmit-tel)
DIN EN 50050, Jun.02: ElektrischeBetriebsmittel für explosionsgefährdeteBereiche; Elektrostatische Hand-sprüheinrichtungenDeutsche Fassung EN 50050; 2001
DIN EN 60079-10 (VDE 0165 Teil 101),Sep.96: Elektrische Betriebsmittel fürgasexplosionsgefährdete Bereiche;Teil 10: Einteilung der explosionsge-fährdeten Bereiche (IEC 79-10:1995);Deutsche Fassung EN 60079-10; 1996
DIN EN 60079-14 (VDE 0165 Teil 1);Aug. 98: Elektrische Betriebsmittel fürgasexplosionsgefährdete Bereiche;Teil 14: Elektrische Anlagen in explo-sions-gefährdeten Bereichen (ausge-nommen Grubenbaue);(IEC 60079-14:1996) Deutsche FassungEN 60079-14; 1997
DIN EN ISO 10807, Jan.97: Rohrlei-tungen; Flexible gewellte metallischeSchlauchleitungen für den Schutz elek-trischer Leitungen in explosionsgefähr-deter Atmosphäre (ISO 10807:1994)Deutsche FassungEN ISO 10807; 1996
DIN VDE 0170/0171-9,Jul.88: Elektri-sche Betriebsmittel für explosionsge-fährdete Bereiche; Vergusskapse-lung“m“; Deutsche FassungEN 50028; 1987
DIN VDE 0170/0171-13,Nov.86: Elek-trische Betriebsmittel für explosionsge-fährdete Bereiche; Anforderungen fürBetriebsmittel der Zone 10
DIN VDE 0848-5, Jan.01: Sicherheit inelektrischen, magnetischen und elek-tromagnetischen Feldern; Teil 5: Ex-plosionsschutz
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 42
Es empfiehlt sich, über das EU –Amtsblatt und BundesanzeigerDeutschland die harmonisierten Nor-men und deren Übernahme zu verfol-gen.
http://europa.eu.int/comm/enterprise/nando-is/cpd
und
http://bundesanzeiger.de
8.2 Produktnorm Ventilatoren
Die europäische Produktnorm für Ex-Schutzventilatoren liegt im Entwurfmit DIN(E) EN 14986, Jun.2004, vor.
Titel : Konstruktion von Ventilatorenfür den Einsatz in explosionsgefähr-deten Bereichen.
Gegenüber dem nationalen WerkVDMA-Einheitsblatt 24169, Teile 1und 2, ergeben sich eine Reihe vonVeränderungen.
Auf dem Typenschild ist anzugeben:
Gerätegruppe: I oder II ; unterschie-den werden Geräte im Bergbau oderob sie in anderen Anwendungsfel-dern zum Einsatz kommen.
Gerätekategorie: Die Kategorien 1bis 3 stufen das erforderliche Maß an
Sicherheit eines Gerätes ein, wel-ches der Hersteller durch entspre-chende Konstruktionen einzuhaltenhat.
Fördermedium: G = Gas,D = Dust/Staub oderGD = Gas-Staub-Gemische
Zündschutzart: Definiert die kon-struktive Sicherheit eines Gerätes/Anlage mit Anforderungen an die Ma-terialpaarungen, Spaltmaße, Keilrie-men, Wälzlager uam.
Explosionsgruppe: Definiert die Artder explosionsfähigen Gasatmots-phäre in der das Gerät zum Einsatzkommt.
Temperaturklasse: Legt die maxi-mal zulässige Oberflächentempera-tur am Gerät fest.
8.3 Kennzeichnungsbeispiel :
43 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
8.4 Konstruktionshinweise
Auszugsweise werden nachstehendKonstruktionshinweise aus der Pro-duktnorm vorgestellt.
Kategorie 1 : Gas
• Alle Anforderungen der Kategorie 2müssen erfüllt sein
• Taperlock-Naben und Keilriemenan-triebe sind nicht erlaubt
• Dichtigkeitstest betreffs Gasdichtheitist durchzuführen
• Am Saug-und Druckstutzen sindFlammstopper zu setzen
• Für Kategorie 1-Außen- sind die An-forderungen nach prEN 13463-3 zuerfüllen
Kategorie 2 : Gas und Staub• Alle Anforderungen der Kategorie 3
müssen erfüllt sein• Über 5,5 kW Antriebsleistung sind Ta-
perlock-Naben nicht erlaubt• Das Ventilatorgehäuse ist durchge-
hend zu schweißen• Die Wälzlagerlebensdauer ist mit
40.000 Stunden zu bemessen
Kategorie 3 : Gas und Staub• Schutz gegen Eindringen von Fremd-
körpern
• Ablagerungen innerhalb des Ventila-tors sind zu vermeiden
• Ventilatorantrieb und Kupplung ent-sprechend DIN EN 13463-5
• Wellendichtung, Wälzlager, Bremsenund Bremssysteme sind nach DIN EN13463-5 auszuführen
• Über 15 kW Ventilatorantriebsleistungsind Taperlock-Naben nicht zulässig
Betreffs der Werkstoffpaarungen vonLaufrädern und Ventilatorgehäusenwird empfohlen, die Schlußabstimmungzur Produktnorm prEN 14986 abzuwar-ten.
8.5 Explosionsgeschützte Ventila-torenbauart am Beispiel einesRadialventilators, direkt ange-trieben
Die explosionsgeschützte Ventilato-renbauart bedingt nachfolgendeMaßnahmen:
1. Vergrößerter Spalt zwischenLaufrad und Ansaugdüse. Geeig-nete Werkstoffpaarung Laufradund Ansaugdüse.
2. Berührungsfreie Wellenabdich-tung durch Labyrinthe damit Wär-mebildung vermieden wird. ZurVermeidung von Leckluft zusätz-liche Umführungsleitung zum An-saug. Laufrad mit Rücklaufschau-feln zur Druckentlastung.
3. Wälzlager mit langer Lebensdau-er. Besondere Sicherung von Na-be und Welle gegen Verschie-bungen. Lagergehäuse durchPaßstifte gesichert.
4. Biegesteife Antriebswellen. HoheReserve der kritischen Drehzahlzur Betriebsdrehzahl.
5. Ableitung elektrostatischer Aufla-dungen. – Siehe nebenstehendeErdungsskizze –
1. 2 Kohlebürsten haben durch Fe-derkraft Kontakt zur Ventilatoren-Antriebswelle. Statische Aufla-dungen werden somit über dieKohlenbürsten, die Messing-Hal-terung und über ein bauseitigesErdungskabel abgeführt.
6. Bauseitig sind Vorkehrungen zutreffen, daß keine Fremdkörper indie Ventilatoren gelangen, dieVentilatorenteile deformierenoder Funken erzeugen.
7. Bei einer explosionsgeschütztenVentilatorenbauart ist immer derDirektantrieb über Kupplung zubevorzugen.
Laufrad mit Rückenschaufeln
2
2
Antriebs-welle
Kupfer
Erdung
Fundament
1
3 4
5
7
6
3
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 44
9.1 Frei ansaugende Ventilatorenohne Anströmdüse
Ventilatorenkennlinien werden aufdem Prüfstand stets mit Einströmdü-se gemessen. Entfällt diese, wie hiergezeigt, so verlaufen die Stromlinien,bedingt durch den scharfkantigenFlansch, wie skizziert. Die Strömungschnürt sich ein, die Folge ist eineungünstige Beaufschlagung derSchaufeln. Hierdurch ergeben sichMinderleistungen, d. h. die Ventilator-kennlinie der Prüfstandmessung, dieim Kennlinienblatt angegeben ist,wird nicht erreicht.
9.2 Frei ausblasender Axial-Venti-lator
Betrachtet wird hier das Beispiel aus5.6, Abschnitt d. Dort wurde errech-net, daß sich bei einem Nabenver-hältnis von 0,56 die Austrittsge-schwindigkeit cR = 1,46 c1 und der dy-namische Druck pdR = 2,12 pd1 ergibt.
Bei dieser Einbauart geht derDruckrückgewinn verloren. Er beträgtnach 5.6: 2,12 pd1 – 1,12 pd1 = 1,0 pd1,da der Nabenstoßverlust 1,12 pd1 be-trägt (prüfen, ob dieser aufgrund derMeßanordnung in der Ventilatorkenn-linie enthalten ist!).
Dieser Verlust des Druckrückgewinnsvon 1 x pd (bezogen auf den vollenRohrquerschnitt), ist bei der Wider-standsberechnung den anderen An-lagenwiderständen hinzuzuzählen!
Zu beachten ist ferner bei der Wider-standsberechnung, daß unmittelbarhinter dem Ventilator angeordneteElemente, z. B. Lufterhitzer, auf derRingfläche mit höheren Anströmge-schwindigkeiten beaufschlagt wer-den, was zu höheren Widerstands-werten führt.
IX. Einbau- undAuslegungshinweise
Bei der Auslegung eines Ventilators,dessen Auswahl anhand der gemes-senen Kennlinien erfolgt, sollte manstets die vorgesehene Einbausitua-tion mit der Meßanordnung bei derKennlinienermittlung vergleichen.Nicht selten werden Ventilatoren in
Anlagen strömungstechnisch ungün-stig eingebaut, so daß die Bedingun-gen ganz anders sind und deshalbder Betriebspunkt auf der Kennliniegar nicht erreicht werden kann. Hier-zu einige Hinweise.
45 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
Eine Verbesserung der Verhältnisseist durch saugseitige Anordnung derElemente oder mit einem Diffusor zuerreichen.
In diesem Falle soll bei sonst gleichenVerhältnissen wie zuvor der äußereDiffusordurchmesser das 1,25 fachedes Axialventilatordurchmessers be-tragen.
Damit wird der Ringquerschnitt:
Hieraus ergibt sich cR3 = 0,8 c1 undpdR3 = 0,64 pd1. Damit läßt sich derAustritts-Stoßverlust erheblich redu-zieren.
Diffusoren sind strömungstechnischsehr empfindlich, da die Abströmungaus Ventilatoren nie ganz gleich-mäßig ist, was eventuell zu einemNichtanliegen der Strömung an derDiffusorwand führt. Abgelöste Strö-mung erhöht aber den Widerstands-beiwert z.
Der Diffusor muß als Bauelement mitseinen Verlusten der Anlage zuge-rechnet werden, wobei die Abschät-zung der Verhältnisse unsicher ist.Vorzuziehen ist deshalb die Messungvon Ventilator und Diffusor als Ein-heit, wie es auch in 5.6 bei den Meß-anordnungen dargestellt ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Vermin-derung des Austritts-Verlustes undder Verbesserung der Beaufschla-gung nachfolgender Elemente, bietetder Einbau eines Prallplatten- oderRadialdiffusors.
Durch Versuche wurden optimaleWerte für
ermittelt.
AR3 = –(1,25D)2p4
(0,56D)2p4
< 0,15 und ^ 1,5bD
D’D
2
Grundlagen der Ventilatorentechnik 46
9.3 Ventilatoren im Rohrsystem
Bei dem Einbau eines Ventilators insRohrsystem ist darauf zu achten, daßdie Anströmung und Abströmung un-gestört und möglichst gleichmäßigist. Saugseitig sind Einbausituationenunmittelbar hinter Querschnittssprün-gen, Krümmern usw. zu vermeiden.Insbesondere ist darauf zu achten,daß die Anströmung und Abströmungnicht schräg oder drallbehaftet er-folgt, da sonst Abrißerscheinungenan den Laufrädern und gravierendeMinderleistungen möglich sind.
47 Grundlagen der Ventilatorentechnik
2
9.4 Parallelbetrieb, Hintereinander-schaltung
Bei Parallelschaltung von Ventilato-ren können sich Schwierigkeiten er-geben, wenn ihre Kennlinien einenScheitel- bzw. Wendepunkt haben(bei Axialventilatoren ausgeprägt derFall!). Die resultierende Kennliniezeigt dann folgendes Bild:
Die bei der resultierenden Kennlinieauftretende Schleife in der Nähe desScheitels führt dazu, daß es drei Be-triebspunkte, 1, 2 oder 3, geben kann,zwischen denen der Ventilator hin-und herpendelt (instabiler Betrieb).Bei der Auslegung ist also ein Be-triebspunkt genügend weit rechtsvom Scheitel (bei Axialventilator Ab-rißpunkt) zu wählen.
Werden Radialventilatoren hinterein-andergeschaltet zum Zwecke derDruckerhöhung, so bedingt die kon-struktive Gegebenheit des Radial-ventilators meist eine längere Kanal-strecke zur Verbindung vom Auslaß-stutzen des 1. Ventilators mit demAnsaugstutzen des zweiten. In dieserStrecke lassen sich in der Regel Vor-kehrungen treffen, die eine vernünfti-ge Anströmung der zweiten Stufe ge-währleisten. Damit kann man beimRadialventilator nahezu von einer Ad-dition der c-Werte bei Hintereinan-derschaltung ausgehen.
Beim Axialventilator werden meistbeide Stufen unmittelbar hintereinan-der angeordnet. Die gestörte Abströ-mung der ersten Stufe beeinflußt alsounmittelbar die Anströmung der zwei-ten. Aus diesem Grunde ist nur mit ei-ner Erhöhung der Druckziffer von ca.1,6 zu rechnen.
B1: Betriebspunkt, wenn 1 Ventilatorläuft
B2: Betriebspunkt, wenn beide laufen
A1: Anlagenparabel zu hoch, instabi-ler Bereich
A2: Auslegung in Ordnung
10. Zusammenstellung der neuen und alten Maßeinheiten
Umrechnungen/Beziehungen
a) Kraft: 1 kp = 9,81 N = 9,81 ;1 N = 0,102 kp
b) Druck: 1 mm WS = 1 kp/m2 =9,81 Pa = 0,0981 mbar
1 Pa = 0,102 mm WS =0,102 kp/m2 = 0,01 mbar
1mbar = 100 Pa = 10,2 mm WS= 10,2 kp/m2
1 Torr = 1 mm Hg = 1,33322 mbar= 133,32 Pa
* Zwischen dem SchwungmomentGD2 und dem Massenträgheitsmo-ment J besteht die Beziehung:
GD2 = 4 g · J mit g = 9,81 J in kgm2
G in ND in m
kgms2
ms2
SI-Einheiten altes techn. Maßsystem
Länge
Zeit
Masse
Kraft
Moment
Arbeit
Spez. Gewicht
Dichte
Geschwindigkeit
Beschleunigung
Druck
Frequenz
Schwungmoment*
Trägheitsmoment*
Leistung
m m
s s
kgkps2
mkgm s2N = kp
Nm kpm
Nm = J kpmN
m3( ) kp m3
kg m3
kps2
m4
m s
m s
m s2
m s2
N m2 = Pa kp
m2
s-1 = Hz s-1 = Hz
Nm2 kpm2
kgm2
Nm s
= W kpm s
, PS