194 Ventilatoren Fibel Grundlagen Der Ventilatortechnik

1 Grundlagen der Ventilatorentechnik2 Prof. Dr.-Ing. Reinhard Grundmann, Aachen Friedrich Schönholtz †, Bad Hersfeld Überarbeitet und ergänzt von Dipl.-Ing. (FH) Herbert Eidam, Bad Hersfeld und Dipl.-Ing. Bernd Rahn, Berlin Grundlagen der Ventilatorentechnik Diese Ventilatorenfibel ist gedacht für den Anlagenbauer und -betreiber. Fast alle verfahrenstechnischen Anlagen sind ohne Ventilatoren und 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, sowohl für den Anlagenbauer als auch für den Betreiber. Diese tech- nischen Grundkenntnisse über Strömungstechnik, Funktion, Bau- arten und Verhalten der Ventilato- ren in der Anlage will diese Venti- latorenfibel vermitteln. Weiterhin wird in ihr auf Grenzbereiche verschiedener Bauarten hingewiesen. Ventilatorenhersteller respektive Ventilatorenkonstrukteure werden mit dieser Ventilatorenfibel nur bedingt zufriedengestellt. Die dort auftretenden Probleme und Fragen kann und will diese Ventilatorenfi- bel nicht lösen. Hierzu wird auf die einschlägige fachwissenschaftli- che Literatur hingewiesen. Über diese Ventilatorenfibel hinaus stehen im Hause TLT-Turbo GmbH Fachingenieure zur Verfü- gung, die gerne Probleme lösen, die diese Ventilatorenfibel nicht beantworten kann. Inhaltsverzeichnis I. Einleitung 1.1 Was ist ein Ventilator? . . . . . . . . . . . . 2.2 1.2 Bauarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 II. Strömungstechnische Grundlagen 2.1 Das strömende Medium . . . . . . . . . . . 2.4 2.2 Höhenformel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 2.3 Zustandsgrößen der Strömung/ BERNOULLIsche Gleichung. . . . . . . . 2.4 2.4 Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . 2.5 2.5 Druckverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 2.5.1 Druckverlust durch Reibungswiderstand . . . . . . . . . . . . . . 2.5 2.5.2 Druckverlust durch Formwiderstand . . 2.7 2.5.2.1 Stoßverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 2.5.2.2 Diffusorverlust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 2.6 Anlagenkennlinie. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 2.7 BERNOULLIsche Gleichung für reale Strömung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 2.8 Geschwindigkeitsverteilung im Rohr bzw. Kanal . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 2.9 Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 III. Der Axialventilator 3.1 Aufbau und Funktion. . . . . . . . . . . . . 2.11 3.2 Geschwindigkeitsdreiecke. . . . . . . . . 2.11 3.3 Bauformen der Axialventilatoren. . . . 2.13 3.3.1 Axialventilatoren für die Lüftungstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.13 3.3.1.1 Leitradanordnung . . . . . . . . . . . . . . . 2.13 3.3.1.2 Laufschaufelanordnung. . . . . . . . . . . 2.13 3.3.2 Axialventilatoren für industrielle Anwendungen bzw. Groß-Axialventilatoren . . . . . . . . . . . 2.14 3.3.2.1 Axialventilator mit verstellbaren Laufschaufeln und festem Nachleitwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.14 3.3.2.2 Axialventilator mit verstellbaren Vorleitwerk und feststehenden Laufradschaufeln. . . . . . . . . . . . . . . . 2.15 3.3.2.3 Axialventilatoren mit Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . 2.16 3.3.3 Luftrichtung im Ventilator . . . . . . . . . 2.17 3.3.4 Nabenverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17 3.3.5 Art des Antriebs. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.17 IV. Der Radialventilator 4.1 Aufbau und Funktion. . . . . . . . . . . . . 2.19 4.2 Geschwindigkeitsdreiecke. . . . . . . . . 2.19 4.2.1 Rückwärts gekrümmte Schaufeln . . . 2.19 4.2.2 Rückwärts geneigte gerade Schaufeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.19 4.2.3 Radial endende Schaufeln . . . . . . . . 2.19 4.2.4 Vorwärts gekrümmte Schaufeln . . . . 2.19 4.3 Konfiguration der Radialventilatoren. 2.20 4.3.1 Typenbezeichnungen . . . . . . . . . . . . 2.20 4.3.2 Art des Ansauges . . . . . . . . . . . . . . . 2.21 4.4 Bauformen und Antriebsanordnungen . . . . . . . . . . . . 2.22 4.4.1 Gehäusestellungen und Drehrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.22 4.5 Wichtige Sonder- und Spezial- bauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.23 4.5.1 Freilaufende Radialventilatoren . . . . 2.23 4.5.2 Dach-Radialventilatoren . . . . . . . . . . 2.24 4.6 Staub- und Verschleißbetrieb . . . . . . 2.26 4.6.1 Förderung von Staub und faserigem Gut . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.26 4.6.2 Verschleiß an Ventilatoren . . . . . . . . 2.27 V. Der Ventilator in der Anlage 5.1 Anlagen- und Ventilatorkennlinie, Proportionalitätsgesetze . . . . . . . . . . 2.28 5.2 Dimensionslose Kenngrößen . . . . . . 2.31 5.3 Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . 2.32 5.4 Parallelschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . 2.34 5.5 Hintereinanderschaltung Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.34 5.6 Druckmessung am Ventilator . . . . . . 2.35 Iverzeichnis VI. Regelung von Ventilatoren 6.1 Drosselregelung . . . . . . . . . . . . . . . . 2.38 6.2 Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . 2.39 6.3 Schaufelverstellung. . . . . . . . . . . . . . 2.39 6.4 Drallregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.39 VII. Auslegung des Antriebs 7.1 Motoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.40 7.2 Keilriemenantrieb . . . . . . . . . . . . . . . 2.40 7.3 Kupplungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.40 VIII. Explosionsschutz an Ventilatoren 8.1 Normative Situation . . . . . . . . . . . . . 2.41 8.2 Produktnorm Ventilatoren. . . . . . . . . 2.42 8.3 Kennzeichnungsbeispiel. . . . . . . . . . 2.42 8.4 Konstruktionshinweise . . . . . . . . . . . 2.43 8.5 Explosionsgeschützte Ventilatoren- bauart am Beispiel eines Radial- ventilators, direkt angetrieben . . . . . 2.43 IX. Einbau- und Auslegungshinweise 9.1 Freiansaugender Ventilator. . . . . . . . 2.44 9.2 Freiausblasender Ventilator . . . . . . . 2.44 9.3 Ventilator im Rohrsystem . . . . . . . . . 2.46 9.4 Parallelbetrieb, Hintereinander- schaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.47 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 I. Einleitung 1.1 Was ist ein Ventilator? Ein Ventilator ist eine Strömungsma- schine, die Arbeit in ein gasförmiges Medium transformiert. Die Aufgabe eines Ventilators ist ein Volumen- strom eines gasförmigen Mediums, meistens Luft durch ein System (An- lage) zu transportieren. Das System setzt der Bewegung des Volumen- stroms einen Widerstand entgegen, den der Ventilator mittels Druckauf- bau (Totaldruckdifferenz) überwinden muß. Er stellt gewissermaßen das Herz einer jeden Anlage dar. Folgende Größen sind für die Spezifikation des Ventilators wichtig: Kurz- zeichen Formel Dim. Bezeichnung V c m * A m 3 /s Volumenstrom c m V/A m/s mittlere Geschwindigkeit A ␲/4 (Da 2 - Di 2 ) m 2 Querschnittsfläche Da m Außendurchmesser Di m Innendurchmesser v Di/Da – Nabenverhältnis P t1 Pa Ansaugdruck ⌬p t p t2 – p t1 o. ⌬H · Pa Totaldruckdifferenz kg/m 3 Dichte ␬ c p /c v – Exponent *.) f – Kompressionsfaktor *.) H m Förderhöhe Gassäule P fluid W Leistung des Mediums P P fluid /␩ W Wellenleistung ␩ P fluid /P – Wirkungsgrad n min -1 Drehzahl u ␲ · D · n/60 m/s Umfangsgeschwindigkeit ␸ c m /u a – Lieferzahl ␺ – Druckzahl 1,2,a,i,m Indices ͓Kreisringfläche beim Axialventilator!͔ ␦ *.) Wird in der Lüftungs- und Klimatechnik (⌬p t < 2500 Pa) vernachlässigt! ␬ ␬ – 1 p 1 ⌬pt p 1 +⌬p t p 1 ( ) ͓ ͔ –1 · · V · ⌬p t · f p 2 · ⌬p t · f U a 2 · ␦ · · ␦ ␬ – 1 ␬ 3 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 1.2 Bauarten Ein wichtiges Ziel des Ventilatoren- herstellers ist, für die anstehende Aufgabe einen Ventilator auszulegen, der einen möglichst hohen Wirkungs- grad hat um die Energiekosten des Antriebes klein zu halten. Im Wesent- lichen gibt es vier grundverschiedene Bauarten von Ventilatoren, deren Be- zeichnung sich nach dem Verlauf der Flußlinie durch das Laufrad richtet: a) die axiale Bauart: die Flußlinie verläuft in axialer Richtung gerade durch das Laufrad c) die halbaxiale Bauart sie 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) gerade durch das Laufrad d) die radiale Bauart ohne Spiralgehäuse: die Flußlinie verläuft nahezu wie bei der radialen Bauart mit Spiral- gehäuse 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 4 II. Strömungstechnische Grundlagen 2.1 Das strömende Medium Das strömende Medium ist gasför- mig. In der Luft- und Klimatechnik ist das Fördermedium Luft. Die Eigen- schaften werden durch die Zustands- größen und Stoffeigenschaften beschrieben. Die wichtigsten Zustands- größen sind: Temperatur T gemessen in K (grad Kelvin) Druck p gemessen in Pa Die wichtigsten Stoffeigenschaften sind: Gaskonstante R gemessen in Nm/kg K Zähigkeit v gemessen in m 2 /s Dichte gemessen in kg/m 3 Der Zusammenhang zwischen Zu- standsgrößen und Stoffeigenschaf- ten wird durch die Gasgleichung gegeben: Für Luft ist die Gaskonstante R = 287 Nm/kg · K Die absolute Temperatur T beginnt bei -273°C = 0 K +20°C sind also 293 K Damit ergibt sich für die Dichte der Luft bei 0°C und p = 101325 Pa (= 760 Torr): Die Druckabhängigkeit der Dichte ist bei den in der Lüftungstechnik auftretenden Druckdifferenzen so gering, daß man sie vernachlässigt, d.h. Luft wird als „nicht zusammendrückbar“ (= inkompressibles Medium) angenommen). Die Temperaturabhängigkeit der Luft- dichte ist zu berücksichtigen. Nach der Gasgleichung gilt für zwei verschiedene Temperaturen bei gleichem Druck Mit den angegebenen Bezugswerten T o = 273 K (= 0°C) und o = 1,29 kg/m 3 ergibt sich die Berechnungs- formel für die Luftdichte bei x°C: Beispiel: Wie groß ist die Luftdichte bei 20°C? Bemerkung: Diese Werte gelten für trockene Luft. Die Dichte von feuchter Luft ist stets etwas kleiner. Dieser Einfluß ist im allgemeinen zu vernachlässigen. 2.2 Höhenformel Wenn der Ventilator nicht in der Nähe der Meereshöhe eingebaut wird sondern in den Bergen in einer Höhe H betrieben werden soll, muß die Dich- te in dieser Höhe berechnet werden. Hierfür gibt es eine internationale Vereinbarung. Man berechnet den Druck pa in der Höhe H zu: p ao ist der Druck auf Nullniveau H die Höhe in Metern über Null. Die Dichte errechnet sich dann mit der angegebenen Temperatur nach der Gasgleichung. 2.3 Zustandsgrößen der idealen Strömung / BERNOULLIsche Gleichung Eine Strömung wird beschrieben durch die Angabe von Geschwindig- keit, statischem Druck und geodäti- scher Höhe. Das sind die Zustands- größen, die miteinander verbunden sind durch die BERNOULLIsche Glei- chung. Sie besagt, daß für jeden Punkt der Strömung (bei stationärer Strö- mung *) ) die Summe aus Geschwin- digkeits-, Druck- und Höhenenergie gleich ist: mit = Dichte in kg/m 3 c = mittlere Strömungsgeschwindig- keit in m/s p s = statischer Druck in Pa g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s 2 h = geodätische Höhe in m Bei Luftströmungen wird das Höhen- glied der Gleichung · g · h, d.h. das Gewicht der Luftsäule wegen Gering- fügigkeit vernachlässigt. Dann wird daraus nennt man Geschwindigkeitsdruck oder dynamischen Druck p d und die Summe aus dynamischem und statischem Druck Gesamtdruck p t *) stationäre Strömung liegt vor, wenn die Zu- standsgrößen an einer bestimmten Stelle zeit- lich konstant sind. = ======= ␦p R·T 0 ␦ 101325 287·273 ␦ = kg/m 3 = 1,29 kg/m 3 ␦ ␦ ␦ 0 ␦ 0 ␦ 1 ␦ 1 T 0 T 1 = bzw. = T 0 T 1 x ␦ = 1,29 kg/m 3 273 273 + x ␦ = 1,29 kg/m 3 = 1,2 kg/m 3 273 273 + 20 20 p a = p ao · 287 – 0,0065 · H 287 ͓ ͔ 5,255 c 2 + p s + · g · h = konstant ␦ ␦ 2 c 2 + p s = konstant ␦ 2 p t = c 2 + p s = p d + p s ␦ 2 ␦ c 2 ␦ 2 5 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 Die BERNOULLIsche Gleichung sagt in dieser Form aus, daß der Gesamt- druck an jeder Stelle der Strömung gleich groß ist. Ein einfaches Beispiel soll dies verdeutlichen, die Strömung durch einen Kanal veränderlichen Querschnitts: 2.4 Kontinuitätsgleichung Die zweite zentrale Grundgleichung ist die Kontinuitätsgleichung. Sie besagt, daß an jeder Stelle im unverzweigten System der Volumenstrom (bei kon- stanter Dichte) gleich groß ist. mit ˙ V = Volumenstrom in m 3 /s c = Strömungsgeschwindigkeit in m/s A = durchströmte Fläche in m 2 2.5 Druckverlust Im Gegensatz zur idealen Strömung treten in realen Strömungen Druck- verluste auf, die zusätzlich vom Ven- tilator in einer Anlage zu überwinden sind. Man unterscheidet zwei verschiedene Widerstandsarten a) Reibungswiderstand und b) Formwiderstand (auch Druck- widerstand genannt) 2.5.1 Druckverlust durch Reibungs- widerstand Dieser Druckverlust wird, wie schon der Name sagt, durch Reibung der strömenden Luft verursacht und wird wie folgt berechnet für Kreisrohre ⌬p bedeutet Druckdifferenz, hier zwischen 2 Stellen des Rohres, die den Abstand 1 voneinander haben. für Kanäle beliebigen Querschnitts mit ␭ = Reibungsbeiwert (dimensionslos) l = Rohrlänge in m d = Rohrdurchmesser in m d h = hydraulischer Druchmesser in m A = Querschnittsfläche in m 2 U = benetzter Umfang in m Beispiel: a) rechteckiger Kanal mit den Seiten a und b ˙ V = A 1 · c 1 = A 2 · c 2 und c 2 = c 1 A 1 A 2 ˙ V = c · A = konstant l d l d h mit d h = 4 A U d h = = 4ab 2(a + b) 2ab a + b l(a+b) 2ab ⌬p v = ␭ p d ⌬p v = ␭ · · p d ⌬p v = ␭ · · p d 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 6 b) Kreisringrohr mit d 1 und d 2 ␭-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, in denen die obigen Abhängigkeiten bereits ausgewertet und jeweils auf ein Rohr von 1 m Länge bezogen sind. Dargestellt sind runde Rohre. Hat man z. B. rechteckige Kanäle, so benutzt man die gleichen Diagramme, nur mit dem entsprechenden hydrau- lischen Druchmesser d h anstelle des Rohrdurchmessers d: * ␥ ist die kinematische Zähigkeit des Fluids, für Luft von 20°C ist ␥ = 15 · 10 -6 d 1 d 2 m 2 s Reibungswiderstände im geraden Kanal (hydraulisch glatt) d h = = d 2 – d 1 4 (d 2 2 – d 1 2 ) ␲ (d 1 + d 2 ) ␲ 4 ⌬p v = ␭ p d l d 2 – d 1 c · d ␥ Die Darstellung der Druckverluste pro m gerades Rohr gilt für hydraulisch glatte Kanäle. Bei rauhen Kanälen ist der aus dem Diagramm ermittelte Wert ⌬p vo zu korrigieren, indem man aus der untenstehenden Tabelle die Rauhigkeit k abliest und mit Hilfe des Diagrammes den Korrekturfaktor C k feststellt. ⌬p v = C k · ⌬p vo in Pa pro m Kanal Rauhigkeit k ͓mm͔ 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 2 2.5.2 Druckverlust durch Form- widerstand Druckverlust durch Formwiderstand kann verschiedene Ursachen haben, z. B. Umlenkungen, Verzweigungen, Querschnittsänderungen, Drossel- organe, Bauelemente wie Lufterhit- zer, Kühler, Filter usw. Seine Berechnung erfolgt nach der Beziehung ␨ wird Widerstandsbeiwert genannt. Die entsprechenden ␨-Werte sind überwiegend nur experimentell zu bestimmen und werden von Herstel- lern der Bauelemente angegeben. Eine Zusammenstellung der wichtigsten ␨-Werte ist nachfolgend angegeben.* ⌬p v = ␨ · c 2 = ␨ · p d 2 ␦ * Quelle: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik: Recknagel-Sprenger 58. Ausgabe 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 8 2.5.2.1 Stoßverlust Ein wichtiger Formwiderstand, den man auch genügend genau berech- nen kann, ist die sprunghafte Quer- schnittserweiterung. Der Verlust, der durch die Verzöge- rung der Strömung von c 1 auf c 2 ent- steht, nennt man Stoßverlust. Er läßt sich mit folgender Gleichung berech- nen: Die ␨-Werte für diesen Stoßverlust sind im Diagramm 1 dargestellt. Für einseitige Querschnittserweiterung ist der Widerstandsbeiwert dem Dia- gramm 2 zu entnehmen. 2.5.2.2 Diffusorverlust Wenn die Querschnittsveränderung nicht plötzlich, sondern allmählich erfolgt, spricht man von einem Diffusor. Ein Diffusor hat die Aufgabe, die Strö- mung zu verzögern und damit dynamischen Druck in statischen umzu- wandeln: „Druckrückgewinn“. Der Wirkungsgrad dieser Umwandlung ist stark vom Öffnungswinkel ␣ abhän- gig. Ist dieser größer als 10°Ͽ, liegt die Strömung nicht mehr an der Wand an, sie löst sich ab und dies verursacht große Verluste. Das nachstehende Diagramm zeigt ␨-Werte für einen Diffusor mit verschiedenen Öffnungswinkeln a 2.6 Anlagenkennlinie (Widerstands- parabel) Die Summe sämtlicher Druckverluste einer Anlage, saug- und druckseitig vom Ventilator, ergibt die für die Aus- legung und Auswahl wichtige Total- druckdifferenz ⌬p t bei einem bestimmten vorgegebenen Volumen- strom V. Dieses Wertepaar ⌬p t und V ist gleichzeitig ein Punkt der Anlagen- kennlinie, die auch Widerstandspara- bel genannt wird. Da die Verluste (bei turbulenter Strömung*) proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit bzw. des Volumenstromes sind, ergibt sich eine quadratische Parabel, wenn man ⌬p t über V darstellt. Stellt man diese Parabel auf doppel-loga- rithmischem Papier dar, erhält man anstelle der Parabel eine Gerade mit der Steigung 2, dann ⌬p t =kV 2 loga- rithmiert, ergibt log ⌬p t = 2 log V + log k, wobei k eine anlagenspezifische Konstante ist. *Es gibt auch Elemente mit nichtturbulenter, sog. turbulenzarmer Verdrängungsströmung, z. B. Filter. Diese sind in den Berechnungen gesondert zu betrachten. Diagramm 1 Diagramm 2 Lineare Darstellung der Anlagenkennlinie Logarithmische Darstellung der Anlagenkennli- nie ⌬p v = ␨ · (c 2 –c 2 ) 2 = ␨ · c 1 2 (1– ) 2 2 ␦ A 2 A 1 2 ␦ 9 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 Die lineare Darstellung hat den Vor- teil der leichteren, gewohnten Ables- barkeit; Zwischenwerte sind einfach zu interpolieren. Veränderungen der Anlagenparabel hingegen sind im doppel-logarithmischen Papier leichter zu konstruieren, da alle Anlagen- kennlinien parallele Geraden (mit der Steigung 2) sind. Die Anlagenparabel muß übrigens nicht immer durch den Nullpunkt im ⌬p t -V-Diagramm laufen, sondern kann auch den im folgenden Bild ge- zeigten Verlauf haben, der sich z. B. dann ergibt, wenn ein Ventilator in einem Überdruckraum oder Druckkes- sel fördert. Seine Druckdifferenz ge- genüber der Atmosphäre ist ⌬p 1 . Die Anlagenkennlinie schneidet dann die ⌬p t -Ordinate im Punkt ⌬p 1 2.7 BERNOULLIsche Gleichung für reale Strömungen Die BERNOULLIsche Gleichung läßt sich durch Einfügung der Verlustglie- der für Reibungs- und Formverluste für die Anwendung auf reale Strö- mungen erweitern. Für zwei Punkte einer Strömung, (1) und (2), gilt dann (bei Vernachlässigung des Höhen- gliedes): wobei c 1 2 + p 1 = c 2 2 + p 2 + ␨ i · p d i + ␭ · · p di 2 ␦ 2 ␦ ⌺ n i = 1 ⌺ n i = 1 ⌺ m i = 1 l i d i l i d i 2.8 Geschwindigkeitsverteilungen im Rohr bzw. Kanal Durch den Einfluß der Reibung und der Wandhaftung ergibt sich bei Strö- mungsvorgängen eine über den Querschnitt gesehen nicht konstante Geschwindigkeitsverteilung. Es bildet sich ein sogenanntes Geschwindig- keitsprofil aus. Nur unmittelbar hinter einer Einströmdüse ist eine fast gleichmäßige Verteilung vorhanden. Nach einer gewissen Strecke hat sich das Profil ausgebildet: Diese Profilausbildung ist besonders bei Messungen zu beachten, bei denen es z. B. auf die Ermittlung des Volumenstromes ankommt. Verzerrte Geschwindigkeitsprofile und auch ungleichmäßige Druckver- teilungen über den Querschnitt treten nach Einbauten und Umlenkungen auf. Als praktisch wichtiges Beispiel hierzu sei der Krümmer bzw. das Knie genannt. Hinter der Umlenkung ergibt sich durch Ablösung der Strömung an der Innenseite ein sehr ungleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil. Außerdem ist der statische Druck an der Außensei- te größer als innen, wo sogar Unter- druck auftreten kann. Durch Einbau von Leitblechen läßt sich dieser Ef- fekt erheblich reduzieren und der Wi- derstandsbeiwert wird ebenfalls her- abgesetzt (siehe 2.5.2) ␨ i · p di = die Summe aller (n) Formwiderstände zwischen den Punk- ten (1) und (2) ist, und ⌺ m i = 1 ␭ · · p di = die Summe aller (m) Reibungswiderstände zwischen den Punkten (1) und (2) ist. ⌬ p t ø d 10d nach ca. 6d h ist das Geschwindigkeitsprofil wieder ausgeglichen. d h = hydraulischer Durchmesser des durch- strömten Querschnitts. 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 10 2.9 Druckmessung Die folgenden Skizzen veranschauli- chen die grundsätzlichen Möglichkei- ten zur Messung der drei Drücke p s , p d und p t p s das ist der statische Druck, also der Druck, der auf eine zur Strö- mungsrichtung parallele Wand ausgeübt wird. p d das ist der dynamische Druck oder Geschwindigkeitsdruck. p t das ist der Totaldruck, also die Summe aus statischem und dynamischem Druck. Messung auf der Druckseite Messung auf der Saugseite ᕡDer statische Druck p s wird z. B. über eine sauber entgratete Wandbohrung mit einem Mano- meter gemessen. Zweckmäßig ist es, über den Umfang verteilt mehrere Bohrungen anzubringen und diese Meßstellen über eine Ringleitung miteinander zu verbin- den. ᕢDer Totaldruck pt läßt sich mit einer um 90° abgewinkelten Sonde, die der Strömung mit der Öffnung entgegengehalten wird, messen. Diese Sonde heißt PITOT-Rohr. ᕣDer dynamische Druck wird als Differenz zwischen p t und p s gemessen. Da p t = p s + p d gilt, ist p d = p t – p s Ein Gerät zur Messung des dynamischen Druckes ist das PRANDTLsche Staurohr, das eine Kombination aus PITOT-Rohr und statischer Drucksonde darstellt. Bei Druckmessungen an Anlagen ist nach Möglichkeit eine Stelle zu wählen, wo ein gleichmäßiges Ge- schwindigkeitsprofil herrscht. Zu vermeiden sind Meßorte unmittelbar hinter Krümmern (siehe 2.8), Abzwei- gen, Erweiterungen etc., da hier der statische Druck über den Querschnitt gesehen nicht konstant ist und die Messungen zwangsläufig fehlerhaft sind. Die üblichen Druckmeßgeräte zeigen die Drücke in Pa an. Ältere Druck- meßgeräte zeigen noch in mm WS = 1 kp/m 2 an. Die Umrechnung in das gültige Maß- system (SI-System) lautet: 1 mm WS = 1 kp/m 2 = 9,81 Pa ഠ10 Pa ᕡ ᕢ ᕣ ᕡ ᕢ ᕣ 11 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 III. Der Axialventilator 3.1 Aufbau und Funktion Der Axialventilator besteht aus der Einlaufdüse mit dem Gehäuse, dem Laufrad und dem Antriebsmotor mit Nachleitwerk bzw. Halterung (bei leit- werkslosen Axialventilatoren). Große Axialventilatoren werden druckseitig mit einem Diffusor ausge- stattet zur verlustarmen Umwandlung des hohen dynamischen Druckes in statischen Druck. Die Ausführung des Diffusors ist unterschiedlich, ab- hängig ob mit oder ohne Nachleit- werk. Die Einströmdüse hat die Aufgabe, eine gleichmäßige Geschwindigkeits- verteilung vor dem Laufrad zu erzeugen, damit dieses voll über die ge- samte Schaufellänge beaufschlagt wird (siehe 2.8). In den Schaufel- kanälen des Laufrades findet die Energieumsetzung statt. Hier wird statischer und dynamischer Druck erzeugt. Hinter dem Laufrad stellt sich eine stark drallbehaftete, spiralenför- mige Strömung ein, d. h. die vom Laufrad abströmende Luft hat eine Geschwindigkeitskomponente in tan- gentialer (Umfangs-) Richtung. Um diese nutzlose Komponente dynamischer Druckenergie in statische Druckenergie zu verwandeln, werden Leitwerke eingesetzt. Das sind fest im Schacht in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Laufrad angeordnete Leitschaufelkränze. Entsprechend nennt 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 Ventilator lassen sich anschaulich durch die Geschwindigkeitsdreiecke darstellen. Hierbei bedeuten Index 0 Eintritt Vorleitwerk Index 1 R Eintritt Laufrad bzw. Austritt Vorleitwerk (Ring- querschnitt) Index 2 Austritt Laufrad bzw. Ein- tritt Nachleitwerk Index 3 Austritt Nachleitwerk c absolute Geschwindigkeit w relative Geschwindigkeit u Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades Die absolute Strömungsgeschwindig- keit c ist stets die vektorielle Summe aus Umfangsgeschwindigkeit u und der relativen Strömungsgeschwindig- keit w: c 1R ist die drallfreie absolute Eintritts- geschwindigkeit in das Laufrad (ǞRingquerschnitt beachten) c = u + w Ǟ Ǟ Ǟ Drehrichtung – Laufrad – Laufrad W 1 c 1 R Schaufel- profil 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 12 u ist die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades, die sich aus der Laufraddrehzahl ergibt: mit ␻ = Winkelgeschwindigkeit des Laufrades in s –1 u = Umfangsgeschwindigkeit in m/s d = Druchmesser des Schaufel- schnittes in m n = Laufraddrehzahl in min –1 w 1 ist die relative Anströmgeschwin- digkeit der Schaufel. Sie ergibt sich aus der vektoriellen Addition der Eintrittsgeschwindigkeit c 1 und der Umfangsgeschwindigkeit u. Die Länge der Pfeile ist dabei gleich dem Geschwindigkeitsbe- trag. Die Änderung von w 1 zu w 2 erfolgt durch die Krümmung und Form der Schaufelkanäle. c 2 ist die absolute Geschwindigkeit beim Austritt aus dem Schaufelgitter und damit ggfs. die Eintrittskompo- nente für das Nachleitwerk. a) Axialventilator ohne Leitwerk b) Axialventilator mit Nachleitwerk c) Axialventilator mit Vorleitwerk Vorleitwerk Düse Laufrad d) Axialventilator als Gegenläufer Zur Erzielung höherer Drücke können manche Axialventilatoren als Gegen- läufer eingesetzt werden. Hierzu sind zwei komplette Ventilatoren, jeweils mit Motor, erforderlich, die, gegenläufig drehend, so installiert werden, daß die 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 zweistufigen Gleichläufer. u 2 = u u 1 = u D r e h r i c h t u n g – L a u f r a d – w 2 c 2 w 1 c 1R u 1 = u w 1 c 1R c o u 1 = u w 1 c 1 R c 3 = c 1R D r e h r i c h t u n g – L a u f r a d – D r e h r i c h t u n g – L a u f r a d – Nachleitwerk (feststehend) Vorleitwerk (feststehend) u 2 = u w 2 c 2 c 2 u u 2 = u w 2 c 2 Schnitt AB: A B ø d Motor Motorhalterung Laufrad Düse Motor Motor Gehäuse Gehäuse Laufrad Düse Motor- halterung Nachleit- werk u = · ␻ = d 2 d · ␲ · n 60 Motorhalterung Gehäuse 13 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 3.3 Bauformen der Axialventilatoren Axialventilatoren können nach den unterschiedlichsten Gesichtspunkten je nach Anwendung und Betriebsbe- dingungen eingeteilt werden. 3.3.1 Axialventilatoren für die Lüf- tungstechnik 3.3.1.1 Leitwerkanordnung a Axialventilator ohne Leitwerk a Axialventilator mit Vorleitwerk a Axialventilator mit Nachleitwerk 3.3.1.2 Laufschaufelanordnung Axialventilatoren mit starrer, nicht verstellbarer Laufschaufel haben nur eine unveränderliche Kennlinie für jede Drehzahl. Axialventilatoren mit verstellbaren Laufradschaufeln haben mehrere Kennlinien, die in Abhängigkeit vom Schaufelanstellwinkel dargestellt werden. Sie haben den Vorteil beson- derer Anpassungsmöglichkeiten an unterschiedliche Betriebsbedingun- gen. Standard ist die Anordnung mit im Stillstand verstellbaren Laufschaufeln und Nachleitwerk. Für einfache Lüf- tungsaufgaben – niedrige Drücke – werden auch im Stillstand verstellbare Laufschaufeln ohne Nachleitwerk eingesetzt. Beispiel: Axialventilator (im Stillstand verstellbare Schaufelwinkel) Fabrikat: TLT-Turbo GmbH Typ 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 industrielle Anwendungen bzw. Groß-Axialventilatoren Bei diesen Axialventilatoren wird in der Praxis im Wesentlichen unter- schieden zwischen folgenden drei Ausführungen: 3.3.2.1 Axialventilator mit verstellbaren Laufschaufeln und festem Nachleitwerk Diese Axialventilatoren sind verfüg- bar: a mit einzeln im Stillstand verstellbaren Laufradschaufeln a mit zentral im Stillstand verstellbaren Laufradschaufeln a mit gemeinsam während des Be- triebes regelbaren Laufradschau- feln. Diese Ausführung bietet Vor- teile bei der Regelung des Volu- menstromes und ergibt einen sehr umfangreichen Arbeitsbereich mit gutem Teillastverhalten. Die hydraulische Laufschaufelver- stellung während des Betriebes ist heute 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 zur Laufschaufelverstellung Ölversorgungsanlage Schwingungsaufnehmer Lager-Temperaturanzeige Axialgebläse mit hydraulischer Flügelverstellung während des Betriebes F ö r d e r h ö h e ͓ m ͔ G a s s ä u l e Volumenstrom V ͓m 3 /s͔ 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 ␩ = % ␩ 8 8 8 6 8 3 8 0 7 5 7 0 6 0 5 0 4 0 15 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 3.3.2.2 Axialventilatoren mit verstellbarem Vorleitwerk und feststehenden Laufrad- schaufeln Das Teillastverhalten dieses Axial- ventilators ist in den meisten Fällen schlechter als das der laufschaufel- geregelten Axialventilatoren. Bedingt durch seine robuste Bau- weise wird dieser Typ bevorzugt eingesetzt für extreme Betriebsbedin- gungen wie z. B. hoher Temperatur und Staubbeladung. Typische Anwendungen: Kraftwerke und Bergbau Beispiel: Axialventilator mit verstellbarem Vor- leitwerk Fabrikat: TLT-Turbo GmbH Typ AN Axialventilator mit Vorleitwerk F ö r d e r h ö h e ͓ m ͔ G a s s ä u l e Volumenstrom V ͓m 3 /s͔ 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 ␩ 87,5 87 8 5 8 2 7 9 7 4 6 3 5 3 4 2 3 1 2 0 10 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 16 3.3.2.3 Axialventilatoren mit Dreh- zahlregelung Durch den heutigen Stand der Dreh- zahlregelung von Elektromotoren mittels Frequenzumrichter ist die Kombi- nation mit einem Ventilator ideal. Besonders beim Axialventilator mit einzeln im Stillstand verstellbaren Laufschaufeln mit Elektromotor, drehzahlgeregelt über moderne Fre- quenzumrichtertechnik, ergeben sich bemerkenswerte Vorteile: a Günstige Plazierung des Betriebs- punktes auf der Kennlinie des Axialventilators. a Sehr gutes Teillastverhalten bei quadratisch verlaufender Anlagen- kennlinie a Günstige Akustik im Teillastbereich a Der einfache mechanische Aufbau ist der Garant für einen störungs- freien Betrieb. Beispiel: Axialventilator drehzahlgeregelt (im Stillstand verstellbare Schaufeln) Fabrikat: TLT-Turbo GmbH Typ AXN 12/56/1400/D/R2 Bauform R2 DREHZAHLREGELUNG Am 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 ist in der Regel vom Laufrad und Leit- werk über den Motor bzw. die Lage- rung. Alle Kennlinien basieren auf dieser Anordnung. Es kann jedoch Anlagen bzw. verfah- renstechnische Gründe geben, die eine Anordnung des Motors auf der Saugseite erfordern. Für diese Fälle bietet TLT GmbH die Ausführung über Motor saugend an. („S“) Vorzuziehen ist die Luftrichtung „D“, denn bei der Luftrichtung „S“ muß die Kennlinie abgewertet werden und der Wirkungsgrad wird schlechter. 3.3.4 Nabenverhältnis Unter Nabenverhältnis versteht man das Verhältnis Laufradnabendurch- messer zu Laufradaußendurchmes- ser. Bei Axialventilatoren liegen die Verhältnisse etwa zwischen 0,25 und 0,63. Axialverdichter zum Vergleich können noch größere Nabenverhält- nisse haben. Je kleiner das Nabenverhältnis, desto geringer der Druck des Axialventila- tors. 3.3.5 Art des Antriebes Standardausführung Typ AXN-Bauform M-D (über Motor drückend) Sonderausführung Typ 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 angetrieben Axialventilator – mit Antrieb über Keilriemen (Motor auf Ventilatorgehäuse aufgebaut) in leichter Ausführung für die Lüftungstechnik Bauform R1 = Laufrad über Keilriemen angetrieben 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 18 Groß-Axialventilator – doppelstufig mit gemeinsamer Doppellagerung direkt über Kupplung und Zwischen- welle angetrieben. Anordnung des Elektromotors außerhalb des Gas- stromes. Horizontale Aufstellung! Groß-Axialventilator – einstufig mit Doppellagerung direkt über Kupplung und Zwischenwelle angetrieben. An- ordnung des Elektromotors vertikal außerhalb des Gasstromes. Vertikale Aufstellung! z. B. im Kamin Groß-Axialventilator – einstufig, Lauf- rad auf Motorwelle. Elektromotor im Luftstrom. Vertikale Aufstellung! Diffusor Elektro- 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 dem Spiralgehäuse mit Einströmdüse und Austrittstutzen, dem Laufrad und der Zunge. Die zu fördernde Luft tritt durch 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 über die Welle vom Antriebsmotor zuge- führte mechanische Energie wird in Druck- und Geschwindigkeitsenergie umgesetzt. Das Spiralgehäuse hat zwei Aufgaben zu erfüllen. Es sam- melt die aus dem Laufrad ausströ- mende Luft, führt sie zu einem ge- meinsamen Austritt und es wandelt einen Teil der Geschwindigkeitsener- gie (dynamischer Druck) in Druck- energie (statischer Druck) durch die stetige Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung um (Diffusoref- fekt). Die engste Stelle zwischen Spiral- gehäusewand und Laufrad wird von der Zunge gebildet. Radialventilatoren erreichen höhere Drücke als Axialventilatoren, da die radialen Schaufelkanäle durch die unterschiedlichen Umfangsge- schwindigkeiten am Ein- und Austritt des Laufrades zur statischen Druckerzeugung beitragen. Einströmdüse Antrieb Zunge Laufrad 4.2 Geschwindigkeitsdreiecke Bei Radialventilatoren unterscheidet man im wesentlichen zwischen vier verschiedenen Laufradtypen je nach Form der Schaufel: 4.2.1 Rückwärts gekrümmte Schaufeln Radialventilatoren mit rückwärts ge- krümmten Schaufeln nennt man wegen ihres sehr guten Wirkungsgrades auch „Hochleistungsventilatoren“. Besonders geeignet sind diese Laufräder auch für freilaufende Ra- dialventilatoren. Schaufelaustrittswinkel w 2 Ϲ 30° ѯ 4.2.2 Rückwärts geneigte gerade Schaufeln Geeignet für Gas mit groben trockenen Materialteilchen. Wegen des noch sehr guten Wirkungsgrades genannt „Hochleistungs-Staubschaufel- Ventilator“. Schaufelaustrittswinkel w 2 = 40 bis 60° ѯ 4.2.3 Radial endende Schaufeln Diese Räder finden in der Lüftungs- und Klimatechnik wenig Anwendung. Sie dienen hauptsächlich wegen ihrer Verkrustungssicherheit zur Förde- rung staub- und stoffbeladener Gase (pneumatischer Transport). Je nach Staubart werden dazu allerdings auch rückwärts gekrümmte Schau- feln benutzt. Schaufelaustrittswinkel w 2 = 75 bis 90° ѯ 4.2.4 Vorwärts gekrümmte Schau- feln Radialventilatoren mit vielen kurzen, vorwärtsgekrümmten Schaufeln heißen auch Trommelläufer. Der An- teil der Geschwindigkeitsenergie ist sehr hoch. Wegen des niedrigen Wir- kungsgrades wird dieser Typ nur noch bei kleinen Radialventilatoren in der Lüftungstechnik eingesetzt. u 2 c 2 c 1 w 1 u 1 w 2 u 2 u 1 c 2 c 1 w 2 w 1 c 2 w 2 w 1 u 1 c 1 u 2 c 1 u 1 u 2 w 2 c 2 w 1 Spiralgehäuse 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 20 4.3 Konfigurationen der Radialven- tilatoren Radialventilatoren werden üblicher- weise nach folgenden Gesichtspunk- ten eingeteilt: a Schaufelform a) Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln = „Hochlei- stungsventilatoren“. b) Radialventilatoren mit rückwärts geneigten 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). a Laufradverhältnisse Ein wesentliches Charakteristikum ist das 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 und 7,1. In der Lüftungs- und Klimatech- nik sind Baureihen 11 und 14 üblich. Je größer die Baureihe ist, um so höher ist die Druckerzeugung des Ventilators. Das TLT-Turbo GmbH-Programm (ehemals Babcock BSH) ist in sieben Baureihen gegliedert, denen jeweils nachstehende Drücke zugeordnet sind: 4.3.1 Typenbezeichnungen Die Typenbezeichnung eines Radial- ventilators hat neben seinem Druck- vermögen Auskunft zu geben über seine speziellen Anwendungseigen- schaften. Hierzu bietet sich neben der Baureihe der Schaufelaustrittswinkel w 2 an. Jede Baureihe weist deshalb verschiedene Laufradbeschaufelun- gen auf, gekennzeichnet durch den Schaufelaustrittswinkel w 2 . Damit sind die Möglichkeiten geschaffen, sich an anwendungsspezifische An- forderungskriterien anzupassen. a Kennlinienverlauf steil oder flach a Anforderungen an den Regelbe- reich a Staubbetrieb a Verschleiß oder Anbackungen a Jeder Betriebspunkt durch direkten Motorantrieb Typenbezeichnung des TLT- Turbo GmbH-Standard- Programmes der Industrie- Radialventilatoren Z. B. das Standard-Programm bei der TLT-Turbo GmbH ist in sieben Venti- latorbaureihen gegliedert (Abb.), denen jeweils verschiedene Schaufel- formen mit unterschiedlichen Schau- felaustrittswinkeln zugeordnet sind. Darüber hinaus kann jeder Typ aus verschiedenartigen Werkstoffen für chemische Angriffe und höhere Tem- peraturen gebaut werden. Baureihe Druckbereiche bei = 1,20 kg/m 3 (Richtwerte) ␦ 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 w 2 21 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 Nebenstehende Abbildung zeigt alle Typen des Standard-Programmes mit Kennzeichnung der wichtigsten Eigenschaften. Bei dieser Leistungs- dichte kann jeder Bedarfsfall optimal gelöst werden. Ȟ= Steil verlaufende Kennlinien maximale Wirkungsgrade für In- dustrieatmosphäre besonders günstige Regelcharakteristik a= Für Staubbetrieb staubabweisend für grobe und trockene Materialteilchen a= Für extremen Staubbetrieb selbstreinigende Laufradbe- schaufelungen Ausnahme bilden Materialien, die sich durch chemische Reak- tionen oder elektrostatische Aufladungen ansetzen. Typen die bevorzugt in der Lüftungs- und Klima- technik eingesetzt werden einseitig saugendes Radiallaufrad doppelseitig saugendes Radiallaufrad 11/20 Ȟ 11/25 Ȟ 11/30 Ȟ 11.1/30 Ȟ 11/40 a 11/45 a 11/60 a 14/20 Ȟ 14/30 Ȟ 14/45 a 14/60 a 14/80 a 18/30 Ȟ 18/50 a 18/80 a 22/40 Ȟ 22/55 a 22/80 a 28/40 Ȟ 28/60 a 28/75 a 35/45 Ȟ 35/75 a 45/50 Ȟ 45/78 a 4.3.2 Art des Ansaugs Radialventilatoren können mit einsei- tigem oder doppelseitigem Ansaug (ein- oder doppelflutig) ausgeführt werden. Der doppelseitige saugende Radialventilator fördert bei gleicher Ventilatornenngröße und gleichem Gesamtdruck etwa das Doppelte des Volumenstromes. Diese Anordnung entspricht einer Parallelschaltung (siehe 5.4). Grundlagen der Ventilatorentechnik 22 4.4 Bauformen* und Antriebsan- ordnungen *Bauformen nach VDMA 24164 4.4.1 Gehäusestellungen und Drehrichtungen Die Angabe der Gehäusestellung und Drehrichtung erfolgt immer von der Antriebsseite her gesehen. Entsprechende Bezeichnungen sind der obigen Tabelle zu entnehmen. Bauformen-Beispiele (mit Zubehör-Optionen) Bauform RUM: Einseitig saugend, Laufrad auf Motorwellen stumpf Bauform RUR: Einseitig saugend, Laufrad angetrieben über Riemen Bauform ZER: Zweiseitig saugend, Laufrad angetrieben über Keilriemen Bauform RUK IV: Einseitig saugend, für direkten Motorantrieb über elastische Kupplung Bauform RUK V: Einseitig saugend, für direkten 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 einseitig saugender Ausführung eingesetzt, wo große Luftmengen gegen Gesamtdrücke Ϲ 2500 Pa zu fördern sind. Zum Beispiel in: Trocknern aller Art, Lackieranlagen, Rückkühlwerken, Reinraumanlagen, Zentralgeräten der Lüftungs- und Klimatechnik Freilaufender Radialventilator für Trocknereinbau Antrieb durch Normmotor Temperatur max. 250°C Motorkühlung mit Raumluft Kühlluft gelangt in Aufstellungsraum Freilaufender Radialventilator für horizontalen Einbau in ein Klima- zentralgerät Antrieb durch Normmotor im Förder- luftstrom. Freilaufender Radialventilator für vertikalen 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 seines Druckvermögens als zentraler Abluft- ventilator eingesetzt werden kann. Es stehen viele Bauformen zur Verfü- gung, z. B. Dach-Radialventilator Bauform DRH mit horizontalem Luftaustritt Antrieb über Spezialmotor (Außenläufer) Dach-Radialventilator Bauform DRV mit vertikalem Luftaustritt Antrieb über Spezialmotor (Außenläufer) Dach-Radialventilator Bauform DRVF mit vertikalem Luftaustritt angetrieben von einem Normmotor 25 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 Dach-Radialventilator Bauform BVD mit senkrechtem Ausblas als Brandgas-Ventilator zur Absau- gung von Rauch- bzw. Brandgasen für 400°C/620°C – 120 Min. Dach-Radialventilator Bauform DR-SDH mit horizontalem Ausblas Ansaugseitig und ausblasseitig schallgedämpft Dach-Radialventilator Bauform DR-SDV mit schallgedämpftem vertikalem Ausblas 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 26 4.6 Staub- und Verschleißbetrieb In Abluft- und gewissen Prozeßventi- latoren sind die Themen Staub und Verschleiß bei der Auslegung besonders zu berücksichtigen. Hierbei sind Staubbeladung, deren Konsistenz und Feuchtigkeit wichtige Faktoren. 4.6.1 Förderung von Staub und faserigem Gut Rückwärts gekrümmte Beschaufelung Staub haftet! R > T Für trockenen Staub bedingt geeignet! ␣ FN FZ R T ␣ Radial endende Beschaufelung Staub wird abgeschleudert! R < T Für schmutzige Industrie- anwendungen! ␣ Laufrad ohne Deckscheibe Faseriges Gut gleitet! R < T Speziell für pneumatischen Transport von faserigem Gut! F N F N F Z F Z R T R T ␣ (Deckscheibe feststehend am Gehäuse) Begriffserklärung F N = Kraft in Normalrichtung F Z = Zentrifugalkraft T = Kraft in Tagentialrichtung R = Reibkraft = F N ·µ µ = Reibungszahl Weitere Hinweise zur Auswahl der geeigneten Radialventilatoren be- finden sich im Kapitel 4.2 und 4.3. Achtung: Bei starker Staubbelastung des geförderten Gasstromes ist der zusätzliche Leistungsbedarf und Druckabfall zu berücksichtigen. Jedes Staubteil, das nicht haftet, verursacht möglicherweise Ver- schleiß. Während sich fehlende Er- kenntnisse über den Ver- schleißvorgang in erster Linie auf die Ersatzteilfrage ausgewählter Ventilatorentypen auswirken, ent- scheiden Unsicherheiten zum Haft- verhalten oft generell über den Ein- satz der Ventilatoren. Die Neigung zum Anhaften auf der Schaufelsaugseite bei Radialrä- dern mit rückwärts gekrümmter Be- schaufelung und auf der Schaufel- druckseite bei vorwärts gekrümm- tem Schaufelverlauf, ist präzise nur über Kenntnis der jeweiligen Rutschwinkel der Staub-Korn- größenverteilung vermeidbar. [1] [1] Ventilatoren im Einsatz Schlender, Klingenberg VDI-Verlag 1996 ISBN 3-1840 1293-x 27 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 4.6.2 Verschleiß an Ventilatoren In Ventilatoren, deren Förderstrom mit Materialteilchen belastet ist, tritt Verschleiß auf. Er läßt sich in solchen Ventilatoren nicht verhindern, wohl aber durch geeignete Maßnahmen reduzieren. Verschleiß an Ventilatoren bedingt durch Abrasion verändert die beauf- schlagten Oberflächen. Es bilden sich 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 im Gasstrom enthaltenen Materialteil- chen, die über die betreffenden Flächen gleiten oder mit unterschiedlichen 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) und harter Grundkörper (z. B. Laufrad- schaufel gepanzert mit Hartmetallen). 1 Ist die Härte der angreifenden Ma- terialteilchen geringer als der Grundkörper, tritt wenig Verschleiß auf. Der Verschleißvorgang liegt in der Tieflage. 2 Ist jedoch Härte der angreifenden Materialteilchen höher als der Grundkörper, tritt erheblicher Ver- schleiß auf. Der Verschleißvorgang liegt in der Hochlage. 3 Sind Härte der angreifenden Mate- rialteilchen etwa gleich dem Grund- körper, verursachen geringe Ver- schiebungen bereits beachtliche Veränderungen im Verschleißver- halten. Der Verschleißvorgang liegt im Steilanstieg. Wichtig Zur Minimierung von Verschleiß muß die Härtepaarung so gewählt werden, daß die Härte des Grundkörpers auf der Verschleißseite über der des angreifenden Materials liegt. ቢweicher Grundkörper ባharter 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 Wirkungsgrades sind zu beachten! Maßnahmen Beschreibung 1. Schaufelmaterial s Ste 70 2. Schaufelstärke „s“ um 2 – 3 mm erhöht 3. Schweißraupen quer zur Förder- richtung durch Panzerelektroden, Schweißraupenabstand „a“ verrin- gert sich zum Außendurchmesser. 1. Grund-Schaufelmaterial s 2. Oberflächenpanzerung durch hochfeste Schleißschutzbeschich- tung s 1 = ca. 0,8 – 1,0 mm durch harte Wolfram-Chromkarbide im Flammaufspritzverfahren 1. Grund-Schaufelmaterial s 2. Oberflächenpanzerung durch hochfeste Schleißschutzbeschich- tung s 1 = ca. 5 mm durch harte, Chromkarbid enthaltende Auf- tragsschweißung in einer in sich geschlossenen Schweißschicht s s s 1 b a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 b = Seitenschutz Schaufelform eben (nicht gekrümmt) s s 1 Schaufelform eben (nicht gekrümmt) b b Der allgemeine Grundsatz, dass eine Radialventilatorschaufel, die an jedem Punkt der radialen Er- streckung eine Tangente zur Staubstrombahn ist, stets den ge- ringsten Verschleiß - Gleitver- schleiß - aufweist, kann als gesichert betrachtet werden. Ist die an- gepasste Auswahl entsprechender Beschaufelungen nicht möglich, bleibt nur der Weg über entsprechende Werkstoffe und Material- dicken, den Verschleißvorgang wirtschaftlich zu gestalten. Härte der angreifenden Materialien Hochlage Tieflage S t e i l a n s t i e g A b t r a g ቢ ባ 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 28 V. Der Ventilator in der Anlage 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 aufgezeigt und zwar in linearer und in doppello- garithmischer Darstellung. Vergleicht man zwei Betriebspunkte, dann gilt: Das Druckverhältnis ist gleich dem Volumenverhältnis zum Quadrat, d. h. Im Beispiel ist der Betriebspunkt B 1 bei ˙ V 1 = 10 m 3 /s und ⌬p t1 = 1750 Pa. Wie groß ist ⌬p t2 bei · V 2 = 5 m 3 /s ⌬p t2 = 1750 Pa · = 438 Pa. ( ) 2 5 10 ⌬p t1 ⌬p t2 = bzw. ⌬p t2 = ⌬p t1 · ( ) 2 V 1 V 2 ( ) 2 V 2 V 1 Anlagenkennlinien mit unterschiedlichen Betriebspunkten Die Totaldruckerhöhung eines Venti- lators setzt sich zusammen aus der statischen und dynamischen Druck- erhöhung. Der dynamische Anteil wird bezogen auf den Ventilatorsaug- stutzen. Er wird nach der bekannten Beziehung berechnet. Hierbei ist c die mittlere Geschwindigkeit im Ventilatorsaug- stutzen, also In unserem Beispiel ist für ˙ V = 10 m 3 /s und für den gewählten Radialventilator NG 800: Dynamischer Druck im Ventilator- saugstutzen (c = Linie des dynamischen Druckes) p d = c 2 p d = · c 2 = · 19,9 2 = 238 Pa c = mit A = Fläche des Ventilatorsaugstutzens ˙ V A A = = = 0,502 m 2 d 2 ␲ 4 0,8 2 m 2 ␲ 4 c = = = 19,9 m/s 10 m 3 0,502 m 2 · s ˙ V A 1,2 2 kg m 2 m 3 s 2 2 ␦ 2 ␦ · · · · lineare Darstellung doppelt logarithmische Darstellung 29 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 Die Charakteristik eines Ventilators wird durch eine Kennlinie beschrieben. Diese wird unter bestimmten Be- dingungen, die in der DIN 24163 festgelegt sind, auf dem Prüfstand ermittelt. Hierbei werden verschiedene Be- triebspunkte durch Drosselung des Volumenstromes simuliert und die jeweiligen gemessenen Wertepaare ⌬p t Ϭ ˙ V in einem Diagramm aufge- tragen und zur Kennlinie miteinander verbunden. Gleichzeitig wird hierbei der Leistungsbedarf an der Ventila- torwelle zur Ermittlung des Wirkungs- grades gemessen. Er ergibt sich aus Antriebsdrehmoment M W und der Winkelgeschwindigkeit ␻. Der Wir- kungsgrad ␩ ist der Quotient aus ab- gegebener und zugeführter Leistung. Die abgegebene Leistung P nennt man Nutz- oder Förderleistung, die zugeführte ist die zum Antrieb erforderliche Wellenleistung P w . P = ⌬p t · ˙ V P w = M W · ␻ ␩ = = P P W ⌬p t · ˙ V M W · ␻ ⌬p t · ˙ V ␩ ͖ bzw. P w = = wenn ␩ bekannt ist. P ␩ P = Leistung in W (bzw. kW, wenn p t in kPa) ⌬p t = Totaldruckerhöhung in Pa (bzw. kPa) ˙ V = Volumenstrom in m 3 /s M w = Antriebsdrehmoment in Nm ␻ = Winkelgeschwindigkeit in 1/s ␻ = · s –1 für n in min –1 ␲ · n 30 Ventilator- und Anlagenkennlinie Der Betriebspunkt des Ventilators in der Anlage ergibt sich stets als Schnittpunkt zwischen Anlagen- und Ventilatorkennlinie! Der Schnittpunkt der Ventilatoren- kennlinie mit der Linie des dynamischen Druckes stellt das maximale Schluckvermögen eines Ventilators dar, das ist die Luftmenge, die er gegen den „Anlagenwiderstand Null“ fördern würde. ⌬ 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 30 Proportionalitätsgesetze (Beispiel) 1) Drehzahländerung (von n 1 auf n 2 , hier von 1400 auf 1600 min –1 ) In unserem Beispiel wurden die Dreh- zahlen des Ventilators von 1400 auf 1600 min –1 verändert. Durch die bekannte, quadratische Charakteristik der Anlagenkennlinie treten folgende Veränderungen auf: a) der Volumenstrom · V ändert sich proportional mit der Drehzahl, also b) die Totaldruckerhöhung ⌬p t ändert sich mit dem Quadrat der Dreh- zahl, also c) der Leistungsbedarf an der Welle P w ändert sich mit der dritten Po- tenz der Drehzahl, also = bzw. · V 2 = · V 1 · = bzw. ⌬p t2 = ⌬p t1 · · V 1 · V 2 ⌬p t1 ⌬p t2 n 1 n 2 n 1 n 2 n 2 n 1 n 2 n 1 ( ) 2 ( ) 2 = bzw. P w2 = P w1 · P w1 P w2 n 1 n 2 n 2 n 1 ( ) 3 ( ) 3 Drehzahländerung (von n 1 auf n 2 , hier von 1400 auf 1600 min –1 ) Proportionalitätsgesetze für geo- metrisch und kinematisch ähnli- che Ventilatorbaureihen. Index 2 = Bezugsbaugröße Formelzeichen: · V = Volumenstrom [m 3 /h bzw. m 3 /s] n = Drehzahl [min -1 ] ⌬pt = Totaldruckdifferenz [Pa] P w = Leistungsbedarf a. d. Welle [kW] T = Temperatur [°C] = Dichte [kg/m 3 ] d = Rad außen Ø [m] ␦ A n const., = const. B n = const., const. bzw. T const. · V 1 = · V 2 = const. ␦ ␦ C n = const., d 2 const. D n const., d const., const. ␦ lineare Darstellung doppelt logarithmische Darstellung = · V 1 · V 2 n 1 n 2 ⌬p t1 ⌬p t2 ( ) 2 n 1 n 2 = = · V 1 · V 2 ( ) 2 P w1 P w2 ( ) 3 n 1 n 2 = = · V 1 · V 2 ( ) 3 ⌬p t1 ⌬p t2 = = 1 2 ␦ ␦ T 1 T 2 P w1 P w2 = = 1 2 ␦ ␦ T 1 T 2 = · V 1 · V 2 d 1 d 2 ( ) 3 ⌬p t1 ⌬p t2 = d 1 d 2 ( ) 2 P w1 P w2 = d 1 d 2 ( ) 5 = · V 1 · V 2 n 1 n 2 d 1 d 2 ( ) 3 ⌬p t1 ⌬p t2 = n 1 n 2 ( ) 2 1 2 ␦ ␦ d 1 d 2 ( ) 2 = n 1 n 2 ( ) 3 1 2 ␦ ␦ d 1 d 2 ( ) 5 P w1 P w2 31 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 5.2 Dimensionslose Kenngrößen Um Ventilatoren untereinander hin- sichtlich ihrer Eignung für bestimmte Einsatzfälle besser beurteilen und vergleichen zu können, sind für die wichtigsten Eigenschaften dimensionslose Kenngrößen festgelegt worden: a) Wirkungsgrad (siehe 5.1) mit ⌬p t in Pa, ˙ V in m 3 /s und P w in W. ␩ ist das Verhältnis der erbrachten Förderleistung des Ventilators zur er- forderlichen Antriebsleistung an der Welle und damit ein Maß für die Güte der Energieumsetzung im Ventilator. b) Druckziffer mit ⌬p t in Pa, in kg/m 3 und u 2 in m/s. ␺ ist ein Maß für die Totaldruckdiffe- renz, die ein Ventilator, bezogen auf die Umfangsgeschwindigkeit seines Radaußendurchmessers, erzeugt. c) Lieferzahl mit · V in m 3 /s, u 2 in m/s und d 2 in m. ␸ ist ein Maß für den Volumen- strom, den ein Ventilator, bezogen auf seinen Radaußendurchmesser und seine Umfangsgeschwindig- keit, fördert. d) Leistungsziffer ␭ ist ein Maß für die erforderliche Wellenleistung e) Durchmesser- kennzahl besagt, wievielmal der Radaußen- durchmesser größer ist als der eines Vergleichsventilators mit ␺ = 1 und ␸ = 1. f) Schnelllaufzahl ␴ besagt, wievielmal schneller oder langsamer sich das Laufrad gegen- über dem Vergleichsventilator mit ␸ = ␺ = 1 dreht. g) Drosselzahl ␶ ist der Parameter für die Anlagen- parabel im dimensionslosen Kenn- linienfeld. ␦ ␩ = ⌬p t · ˙ V P w ␺ = ⌬p t · u 2 2 2 ␦ ␸ = ˙ V u 2 · ␲ · d 2 2 4 ␭ = ␸ · ␺ ␩ ␦ = ␺ ␸ 1 4 1 2 ␴ = ␸ ␺ 1 2 3 4 ␶ = ␸ 2 ␺ 2) Dichte- bzw. Temperaturänderung Die Ventilatorkennlinien in der Lüf- tungs- und Klimatechnik sind dargestellt für eine Temperatur von +20°C = 293 k. Die Dichte beträgt hierbei 1,2 kg/m 3 . Liegen andere Temperatu- ren vor, z. B. bei einem Außenluft- ventilator, der auf –15°C = 258 K ausgelegt werden soll, dann können diese Ventilatorenkennlinien für die andere Temperatur umgerechnet werden: a) der Volumenstrom bleibt immer konstant, d. h. ein Ventilator för- dert immer den gleichen Volu- menstrom, gleichgültig ob die Luft „leicht“, z. B. +40°C, oder ob sie „schwer“, z. B. –15°C, ist. Das liegt daran, daß die Dichte im Volumenstrom nicht enthalten ist (im Gegensatz zum Massenstrom, der sich sehr wohl ändert!) b) Es ändern sich die von der Dichte 0 und damit von der Temperatur abhängigen Werte (siehe 2.1), also: Die Totaldruckerhöhung ⌬p t , der dynamische Druck ⌬p d , der Anla- genwiderstand ⌬p t , der Leistungs- bedarf P w und zwar alle proportional der Änderung der Dichte ! Damit gilt also zusammengefaßt: Diese Beziehung gilt für die Total- druckerhöhung des Ventilators und den Widerstand der Anlage. wobei T jeweils als absolute Tempe- ratur in K einzusetzen ist. ␦ ␦ ␦ Änderung der Dichte (von 1 auf 2 , hier von +20°C auf -15°C) ␦␦ 2 1 · V 1 = · V 2 ⌬p t2 = ⌬p t1 · = ⌬p t1 · ␦ ␦ T 1 T 2 2 1 ⌬p d2 = ⌬p d1 · = ⌬p d1 · ␦ ␦ T 1 T 2 2 1 P w2 = P w1 · = P w1 · ␦ ␦ T 1 T 2 lineare Darstellung doppelt logarithmische Darstellung 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 32 Der Vergleich zwischen RV/RA und AXN zeigt folgendes Bild: Lieferzahl: Der RV hat mit Abstand die höch- ste Lieferzahl (max. 1,2) gegen- über AXN (0,38) und RA TR (0,55). Druckziffer: Der RV hat mit Abstand die höch- ste Druckziffer (max. 2,6) gegen- über RA TR (1,37) und AXN (0,45). Kennlinie: Der RA hat eine steile Kennlinie. Das wird deutlich, wenn man Kennlinienabweichungen der Linie A, die die Ventilatorkennlinie in B schneidet, betrachtet. Liegt die An- lagenkennlinie A im Betrieb niedri- ger als berechnet (A 1 , Schnittpunkt B 1 ) bzw. höher (A 2 , B 2 ), so sind die Abweichungen in der Lieferzahl und damit im Volumenstrom klein. Ähnlich verhält es sich beim AXN, jedoch ist hier zu beachten, daß ab einer bestimmten Lieferzahl (hier 0,23) die Strömung abreißt, das bedeutet, 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 ͓siehe 4.2.1͔. (Hochleistungsläufer – kurz „RA“) II. Rückwärts geneigte gerade Be- schaufelung ͓siehe 4.2.2͔. (Hochleistungsstaubläufer – kurz „RA St “) III. Radialendende Beschaufelung ͓siehe 4.2.3͔. (AuchTransport- läufer – kurz „RA TR “) IV.Vorwärts gekrümmte Beschau- felung ͓siehe 4.2.4͔. (Auch Trommelläufer genannt – kurz „RV“) Alle Radialventilatoren mit Spiral- gehäuse! Freilaufende Radialven- tilatoren werden bei diesen Aus- wahlkriterien nicht berücksichtigt. V. Axialventilator mit Nachleitwerk ͓siehe 3.2 und 3.3͔. (kurz „AXN“) Lieferzahl ␸ D r u c k z i f f e r ␺ ¡ L e i s t u n g s z i f f e r ␭ ¡ 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 ␩ = 0,62 0,67 0,73 B 2 A 2 A 1 B 1 A B 0,72 0,68 0,84 ␺ 0,79 0,82 ␭ 0,10 0,2 ¡ Radialventilator mit rückwärts gekrümmter Beschaufelung „RA“ L e i s t u n g s z i f f e r ␭ ¡ Lieferzahl ␸ 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 0,75 0,79 0,80 0,79 0,78 0,72 0,64 ␩ = ␺ A 2 A A 1 B 2 B B 1 ␭ ¡ Radialventilator mit rückwärts geneigter gerader Beschaufelung „RA St “ D r u c k z i f f e r ␺ ¡ 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 A 2 A A 1 B 2 B B 1 0,42 0,58 0,67 0,75 0,76 0,77 0,76 0,74 0,72 0,71 0,69 0,68 ␩ = ␺ ␭ Lieferzahl ␸ ¡ 1,6 Radialventilator mit radial endender Beschaufelung „RA TR “ D r u c k z i f f e r ␺ ¡ L e i s t u n g s z i f f e r ␭ ¡ 33 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 Radialventilator mit vorwärts gekrümmter Beschaufelung „RV“ Auslegung hat stets mit Sicher- heitsabstand zum kritischen Punkt zu erfolgen. RV haben eine flache Kennlinie, d. h. geringe Druckabweichungen bedingen große Volumenstrom- änderungen. Wirkungsgrad: Den besten Wirkungsgrad hat der RA (0,84), gefolgt vom AXN (0,82). Wegen der sicheren Auslegung sollten hiervon beim AXN maximal 0,78 genutzt werden. Der RV hat demgegenüber nur bescheidene Wirkungsgrade (max. 0,69). Leistungsziffer: Der RA hat seinen maximalen Leistungsbedarf etwa beim besten Wirkungsgrad, wo auch die Ausle- gung erfolgen sollte. Er ist damit überlastungssicher, da der Lei- stungsbedarf sowohl beim Dros- seln als auch bei Volumenstrom- zunahme abfällt. Der AX hat einen ziemlich konstanten Leistungsbe- darf im Auslegungsbereich. Beim RV dagegen steigt dieser bei Volu- menstromzunahme rapide an, es besteht 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 ␩ max. ) zeigt den Hauptvor- teil dieses Typs, die platzsparende Bauweise. Es folgen RV mit 1,8 und RA mit 2,0. Schnelllaufzahl: Die höchste ␸ und ␺-Werte bei kleinster Umfangsgeschwindigkeit erbringt der RV (␴ = 0,36) gegen- über RA 0,6 und AXN 0,95. Axialventilator mit Nachleitwerk „AXN“ (nur ein Schaufelwinkel dargestellt) Lieferzahl ␸ 0 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 ␩ = 0,55 0,67 0,69 B 2 A 2 A 1 B 1 A B 0,5 0,35 ␺ 0,62 0,68 ¡ D r u c k z i f f e r ␺ ¡ L e i s t u n g s z i f f e r ␭ ¡ Lieferzahl ␸ 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 ␩ = 0,81 0,82 B 2 A 2 A 1 B 1 A B 0,73 0,56 ␺ 0,81 ␭ 0,16 0,15 0,14 0,13 0,5 0,4 0,3 0,2 Abriß! ¡ D r u c k z i f f e r ␺ ¡ L e i s t u n g s z i f f e r ␭ ¡ 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 34 5.4 Parallelschaltung Wenn der geforderte Volumenstrom sehr groß ist, besteht die Möglichkeit des Parallelbetriebes zweier oder mehrerer Ventilatoren. Ein Beispiel für den Parallelbetrieb zweier fest miteinander verbundenen Ventilatoren ist der doppelseitig saugende Radial- ventilator. Natürlich werden auch Ventilatoren parallel geschaltet, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Das kann man dann regeltechnisch ausnutzen, indem man durch Zu- oder Abschalten eines Ventilators den Volumenstrom ver- größert oder verkleinert. Um die Kennlinie von parallel ge- schalteten Ventilatoren zu ermitteln, addiert man die Volumenströme bei gleichen ⌬p t -Werten. (Beispiel wie Radialventilator RA 11.1, NG 800) V 1 = Kennlinie eines Ventilators V 2 = gemeinsame Kennlinie beider Ventilatoren B 1 mit ˙ V 1 und ⌬p t1 = Betriebspunkt, wenn ein Ventilator läuft B 2 mit ˙ V 2 und ⌬p t2 = Betriebspunkt, wenn beide Ventilato- ren laufen 5.5 Hintereinanderschaltung (Reihenschaltung) Sind außergewöhnlich hohe Wider- stände zu überwinden, so kann man zwei oder mehrere Ventilatoren hintereinander schalten. Dabei addieren sich theoretisch die Totaldrücke ⌬p t , während ˙ V konstant bleibt. In der Pra- xis ist dies aber nicht zu verwirk- lichen, da hierbei Verluste auftreten, die im wesentlichen durch eine nicht optimale Anströmung der zweiten Stufe verursacht werden. V 1 = Kennlinie eines Ventilators V 2 = gemeinsame Kennlinie beider Ventilatoren B 1 mit ˙ V 1 und ⌬p t1 = Betriebspunkt, wenn ein Ventilator läuft B 2 mit ˙ V 2 und ⌬p t2 = 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 p o (= Barometerstand) gemessenen Drücke als Absolutwerte zu behandeln, was möglich ist, wenn man den Umgebungsluftdruck als Bezugsnullpunkt annimmt. Dann gibt es allerdings auch negative statische Drücke, wie z. B. auf der Saugseite des Ventilators. Die Totaldruckdifferenz eines Ventila- tors ist die Differenz der Gesamt- drücke zwischen Austritt und Eintritt: ⌬p t = p t2 - p t1 = p s2 + p d2 - (p s1 + p d1 ) = p s2 - p s1 + p d2 - p d1 = ⌬ps + ⌬p d Die Totaldruckdifferenz ist also gleich der Summe aus statischer Druckdif- ferenz ⌬p s und dynamischer Druck- differenz ⌬p d zwischen Austritt und Eintritt des Ventilators (jeweils als Mittelwerte über den Eintritt- bzw. Austrittquerschnitt des Ventilators gemessen). Beispiele verschiedener Meßanordnungen an Radialventilatoren a) Widerstände druckseitig, frei ansaugend ⌬p t = p s2 + p d2 = p t2 = p s2 + c 2 2 , da p t1 = 0! ␦ 2 b) Widerstände saugseitig, frei ausblasend ⌬p t = p s1 - p d1 + p d2 Für den Sonderfall, daß A 1 = A 2 ist ⌬p d1 = p d2 Dann ist p t = p s1 1. ohne Diffusor 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 36 ⌬p t = p s1 + p d3 - p d1 2. mit Diffusor c) Widerstand druck- und saugseitig ⌬p t = p s2 + p s1 + p d2 - p d1 Für den Sonderfall, daß A 1 = A 2 ist p d1 = p d2 Dann ist ⌬p t = p s2 + p s1. 37 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 d) Meßanordnung eines Axial- ventilators Während der mittlere dynamische Druck sich aus dem gemessenen Vo- lumenstrom ergibt, bereitet die Mes- sung des statischen Druckes, insbesondere auf der Druckseite des Ven- tilators, Schwierigkeiten, da es verschiedene Möglichkeiten gibt. Des- halb gehört zu jeder Kennlinienanga- be die Angabe der Meßanordnung. So ist es beispielsweise bei einem Axialventilator wichtig zu wissen, ob der statische Druck saugseitig oder wenn druckseitig, an welcher Stelle hinter dem Ventilator gemessen wurde: direkt hinter dem Leitwerk oder in einigem Abstand davon. Hier im Beispiel wird der statische Druck saugseitig gemessen, da der Anlagenwiderstand saugseitig durch eine Siebdrossel simuliert wird. In der Kennlinie wurde dann der dynamische Druck, bezogen auf den vollen Kreisausschnitt, rechnerisch dem gemessenen statischen Druck zuge- schlagen. Die Messung mit und ohne druckseitigen Kanal zeigte keine Un- terschiede. Mißt man druckseitig direkt hinter dem Leitwerk den statischen Druck, so erhält man hier einen anderen Wert als bei einer Messung weiter 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 Rohrquerschnitt ausgleicht. Dabei wird ein Teil des dynamischen Druckes in statischen Druck umgewandelt (Druckrückge- winn), der Rest geht als sog. Naben- stoßverlust verloren. Beispiel: Bei einem Axialventilator mit einem Nabenverhältnis von 0,56 ist der mittlere dynamische Druck in der Ring- strömung: Geschwindigkeitsprofile: ቢvor dem Axialventilator ባunmittelbar hinter dem Leitwerk ቤim Abstand 2...4D hinter dem Ventilator ˙ V = c 1 · A 1 = c R · A R c R = 1,457 · c 1 bzw. p dR = 1,457 2 · p d1 = 2,12 · p d1 c 1 · = c R · d 1 2 - (0,56 d 1 ) 2 = C R · d 1 2 · (1- 0,56) 2 = C R · d 1 2 · 0,6864 d 1 2 · ␲ 4 ␲ 4 ␲ 4 ␲ 4 ͓ ͔ · · · ⌬p Düse ⌬p s1 verstellbare Siebdrossel Ventilator mit Nachleitwerk ohne Nachleitwerk ohne Nachleitwerk mit Diffusor 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 38 Das bedeutet, daß der dynamische Druck in der Ringströmung mehr als doppelt so groß ist wie der auf den vollen Rohrquerschnitt bezogene Druck! Der Nabenstoßverlust ist nach 2.4.2.1 ⌬p = (c R - c 3 ) 2 = 0,21 p d3 = 0,21 p d1 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 Laufrad gemessen wird. Wird der Ventilator saugseitig und freiblasend gemessen und geht der dynamische Druck der Ringströmung in die Totaldruckdifferenz ein, dann ist der Nabenstoßverlust nicht in der Kennlinie enthalten. Dies müßte dann bei der Auslegung berücksichtigt werden. e) Allgemein Zur Messung des statischen Druckes mittels Wandbohrung empfehlen sich mehrere, gleichmäßig am Umfange verteilte Bohrungen, die über eine Ringleitung miteinander verbunden sind. So werden Ungleichmäßigkei- ten am besten ausgeglichen und man erhält einen Mittelwert. Der statische Druck kann nur dann als nahezu konstant über den Querschnitt gesehen angenommen werden, wenn die Stromlinien an der Meßstelle gerade verlaufen. Das ist hinter Krümmern (s. 2.7), Formstücken und Einbauten nicht der Fall. Sind die Voraussetzun- gen zur Messung über Wandbohrun- gen nicht gegeben, muß der Strö- mungsquerschnitt mit einer Drucksonde abgetastet und aus den Netzpunktwerten der Mittelwert be- stimmt werden. Für Abnahme- und Leistungsmes- sungen gilt die VDI-Richtlinie 2044, der alle Einzelheiten der Versuchsan- ordnung und -durchführung zu entnehmen sind. ␦ 2 VI. Regelung von Ventilatoren Unter der Regelung von Ventilato- ren soll im folgenden Regelung des Volumenstromes verstanden werden. 6.1 Drosselregelung Die einfachste, aber auch unwirt- schaftlichste Regelung ist die Dros- selregelung. Hierbei wird eine verstellbare Blende in das System eingebaut, mit deren Hilfe die Anlagen- kennlinie verändert wird, was zu neuen Schnittpunkten mit der Ventilator- kennlinie führt, die weiter links, also bei kleinerem ˙ V liegen. Beispiel: (Radialventilator TLT-Turbo GmbH, RA 11.1, NG 800) Wirkungsgrade in den Schnittpunkten B : 83 % B 1 : 84 % B 2 : 82 % B 3 : 77 % B 4 : 70 % B 5 : 63 % Das Beispiel zeigt, daß bei der Dros- selregelung die Kennlinie des Venti- lators weiter links, also bei höherem Druck, geschnitten wird, der dann noch zusätzlich weggedrosselt werden muß. Außerdem sinkt bei stärke- rer Drosselung auch noch der Wir- kungsgrad des Ventilators. Bei einer Drosselung des Volumen- stromes von ˙ V-Schnittpunkt B – um ca. 25 %, was etwa dem Schnittpunkt B 2 entspricht, ändert sich der Lei- stungsbedarf von P w = 21,1 kW auf P w ’ = 20,2 kW. Die Veränderung be- trägt also – 4%. ˙ V in m 3 /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 Art der Regelung hat den Vorteil, daß der Ventilator immer im günstigen Wir- kungsgradbereich betrieben werden kann. Die Anlagenkennlinie bleibt hierbei erhalten, während die Ventila- torenkennlinie sich analog den Pro- portionalitätsgesetzen verändert. Die Nachteile dieser Regelungsart sind die höheren Anschaffungskosten für den elektrischen Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung, sowie die schlechten elektrischen Wirkungs- grade im Teillastbereich. Beispiel: Wirkungsgrad in allen Schnittpunkten 83 %! Bei einer Verminderung des Volu- menstromes ˙ V – Schnittpunkt B – um ca. 25 %, was etwa dem Schnittpunkt B 3 entspricht, ändert sich der Lei- stungsbedarf (ohne Berücksichtigung der elektrischen Verluste) von P w = 21,1 kW auf P w ’ = 8,8 kW. Diese Veränderung beträgt also – 58 %. Der Gewinn gegenüber der Drosselregelung ist offensichtlich! 6.3 Schaufelverstellung Bei Axialventilatoren mit verstellbaren Schaufeln läßt sich durch Verstel- lung des Schaufelwinkels eine Rege- lung des Volumenstromes erreichen. Beispiel: Wirkungsgrade in den Schnittpunkten: B : 77 % B o : 78 % B 1 : 70 % B 2 : 59 % B 3 : 50 % B 4 : 40 % B 5 : 30 % Bei einer Verminderung des Volu- menstromes ˙ V – Schnittpunkt B – um ca. 25 %, was etwa dem Schnittpunkt B 2 entspricht, ändert sich der Lei- stungsbedarf von P w = 10,4 kW auf P w ’ = 5,7 kW. Die Veränderung be- trägt also –45 %. Bei Axialventilatoren mit verstellbaren Laufschaufeln werden bei der Re- gelung des Volumenstromes nicht ganz die Wirkungsgrade wie bei der Drehzahlregelung erreicht, jedoch entfallen die elektrischen Verluste. Bei Axialventilatoren mit „im Lauf verstellbaren Schaufeln“ ist der Investi- tionsaufwand beträchtlich höher als bei „im Stillstand verstellbaren Schaufeln“. Dieser Aufwand lohnt sich nur, wenn aus betriebstechni- schen Gründen ein oft veränderlicher Volumenstrom eingestellt werden muß. 6.4 Drallregler Vorwiegend bei Radial-, aber auch bei Axialventilatoren können Drallreg- ler eingesetzt werden. Sie werden saugseitig angebracht und ändern als verstellbare Vorleitwerke die Rich- tung der Eintrittsgeschwindigkeit c 1 in das Laufrad. Sie erzeugen eine Drall- strömung am Laufradeintritt und bewirken damit eine entsprechende Vo- lumenstromänderung. Beispiel: (Radialventilator, TLT-Turbo GmbH, RA 11.1, NG 800 mit Drall- regler) Wirkungsgrade in den Schnittpunkten: B : 83 % B 1 : 80 % B 2 : 60 % B 3 : 40 % B 4 : 30 % Bei einer Verminderung des Volu- menstromes ˙ V – Schnittpunkt B – um ca. 25 %, was etwa dem Schnittpunkt B 2 entspricht, ändert sich der Leistungsbedarf von Pw = 21,1 kW auf Pw’ = 12,5 kW. Die Veränderung beträgt also – 41 %. Bei großen Volumenstromänderun- gen ist infolge der rapiden Wirkungs- verschlechterung die Drallregelung nur sinnvoll in Verbindung mit polum- schaltbarem Motor. Z. B. bietet der dreifach polumschaltbare Motor bei 100, 75 und 50 % der Nenndrehzahl bei optimalem Wirkungsgrad einen weiten Regelbereich. Die Vorteile der Drallregelung sind geringer Investitionsaufwand und die Einsatzmöglichkeit von Kurzschluß- motoren. 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 40 VII. Auslegung des Antriebes 7.1 Motoren Der Leistungsbedarf P w an der Welle des Ventilators kann berechnet werden (siehe 5.1). Im allgemeinen schlägt man dem Leistungsbedarf P w noch eine gewisse Leistungsreserve zu. Diese beträgt bei direkt angetriebenen Ventilatoren etwa 5 bis 10 %, bei über Keilriemen angetriebenen Ventilatoren je nach Größe 10 bis 20 %. Ein wichtiges Kriterium bei der Motor- auswahl ist die Größe seines Be- schleunigungsmomentes. Diese muß in einem bestimmten Verhältnis zum Massenträgheitsmoment des Ventila- tors stehen, damit ein einwandfreier Anlauf gewährleistet ist. Das Massenträgheitsmoment J be- zieht sich auf die drehenden Teile des Ventilators, also Laufrad, Nabe, Wel- le. Es ist das Produkt aus der Masse der drehenden Teile, multipliziert mit dem Quadrat des „Trägheitsradius“. Es wird im allgemeinen experimentell ermittelt und vom Ventilatorenherstel- ler angegeben. Die Motorhersteller lassen im allgemeinen eine Anlauf- zeit von 10 s zu. Damit kann der Mo- tor überprüft werden nach der Bezie- hung t A = Anlaufzeit in s J = Massenträgheitsmoment des Ventilatorrades und des Motors in kgm 2 n M = Motordrehzahl in min –1 M b = mittleres Beschleunigungsmo- ment in Nm als Differenz zwischen dem Motormoment M M und dem Ventilatormoment M w Diese Beziehung gilt für direkten An- trieb. Bei Keilriemenantrieb ist mit dem sog. reduzierten Massenträg- heitsmoment zu rechnen: J red. = J M + J V J V = Massenträgheitsmoment Ventilator-Laufrad J M = Massenträgheitsmoment Motor J red. = Summe der Massenträgheits- momente berechnet aus J V + J M Das Moment M w kann aufgrund der Wellenleistung P w und der Ventilator- drehzahl nv errechnet werden, das Beschleunigungsmoment M b ist vom Motorenhersteller zu erfragen. 7.2 Keilriemenantrieb In der Lüftungs- und Klimatechnik ist der Keilriemenantrieb sehr verbreitet. Keilriemen besitzen eine sehr gute Haftung durch die Keilwirkung zwischen Riemen und Scheibe. Der Keil- riemen sollte so ausgelegt sein, daß die Riemengeschwindigkeit nicht größer als 20 m/s wird. Die Bestim- mung erfolgt unter Berücksichtigung der DIN 2218 nach Herstellerkatalo- gen, wo nach Wahl des Riemenprofils in Abhängigkeit von Scheibendurch- messern und Drehzahlen die über- tragbaren Leistungen ermittelt werden. 7.3. Kupplungen Kupplungen dienen zur Verbindung drehender Maschinenteile, hier also von Motor und Ventilatorrad. Sie haben die Aufgabe, bei einer bestimmten Drehzahl n ein Drehmoment M zu übertragen. Grundlage der Dimensionierung ist deshalb die Ventilatorendrehzahl n v und das Drehmoment an der Ventila- torwelle M w bzw. die Wellenleistung P w M w = Drehmoment des Ventilators in Nm P w = Wellenleistung in kW n v = Ventilatorendrehzahl in min –1 In der Lüftungs- und Klimatechnik werden vorwiegend elastische, direkt wirkende Kupplungen eingesetzt. In besonderen Fällen (wenn der Motor in der maximalen Anlaufzeit nicht seine Nenndrehzahl erreicht) werden auch Fliehkraftkupplungen eingesetzt, bei denen erst der Motor auf seine Nenndrehzahl hochläuft und dann der Ventilator von der Kupplung durch Reibungskräfte beschleunigt wird, bis er seine Betriebsdrehzahl erreicht hat. t A = J · ␻ M b ␲ · n 30 J ·n M 9,55 · M b J red ·n M 9,55 · M b n v n M ( ) 2 ␲·n 30 P w ␻ t A = M w = bzw. mit ␻ = mit: ␻ = ; t A = wobei M w = 9549 · P w n v 41 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 VIII. Explosionsschutz an Ventilatoren (Aktueller Stand Januar 2005) 8.1 Normative Situation Die Richtlinie 94/9/EG(ATEX) regelt die Angleichung der Rechtsvorschrif- ten für die EU Mitgliedsstaaten betreffs Geräte 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 Gesundheitsschutzes und der Sicherheit der Arbeitnehmer die 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 bestehender Anlagen. Vorgenannte Richtlinien gelten in Deutschland seit 01.07.2003. Grundsätzliche Anforderungen an die Konstruktion, Bau, Prüfung und Kenn- zeichnung von nicht-elektrischen Gerä- ten werden in der europäischen Nor- mungsreihe pr EN 13463, Teile 1- 8 festgeschrieben. Ventilatoren im allgemeinen Sinne sind dabei als nicht-elektrische Geräte betrachtet worden. Im Einzelnen beinhaltet diese Nor- mungsreihe: DIN EN 13463-1, Apr.2002: Nicht- elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen: Grundlagen und Anforderungen Mit Berichtigung v. Juli 2003. pr EN 13463-2: Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosions- gefährdeten Bereichen: Schutz durch schwadenhemmende Kapselung pr EN 13463-3: Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosions- gefährdeten Bereichen: Druckfeste Kapselung pr EN 13463-4: Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosions- gefährdeten Bereichen: Eigensicher- heit DIN EN 13463-5, März 2004: Nicht- elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen: Konstruktive Sicherheit pr EN 13463-6: Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosions- gefährdeten Bereichen: Zündquellen- überwachung pr EN 13463-7: Nicht-elektrische Geräte für den Einsatz in explosions- gefährdeten Bereichen: Überdruckkap- selung DIN EN 13463-8, Jan.2004: Nicht- elektrische Geräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen: Flüssigkeitskapselung EN 50303, Gruppe I: Kategorie M1- Geräte für den Einsatz in Atmos- phären, die durch Grubengas und/oder brennbare Stäube gefährdet sind. DIN EN 1127-1,Okt.97: Explosions- fähige Atmosphäre-Explosionsschutz Teil 1: Grundlagen und Methodik DIN EN 1127-2,Jul.02: Weitere natio- nale Normen: Explosionsfähige Atmos- phäre-Explosionsschutz Teil 2: Grundlagen und Methodik in Bergwerken DIN 14424, Sept.88: Feuerwehrwe- sen, Explosionsgeschützte tragbare Umfüll-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 explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel für den Bergbau; Einführung für Kabel und Leitungen, Teil 1: Sicherheitstechni- sche Anforderungen und Prüfungen DIN 22419-2,Nov.95: Schlagwetterge- schützte und explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel für den Bergbau; Einführung für Kabel und Leitungen, Teil 2: Zwischenstücke für Einführungen, Sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfungen DIN 22419-3,Nov.95: Schlagwetterge- schützte und explosionsgeschützte elektrische Betriebsmittel für den Bergbau; Einführung für Kabel und Leitungen, Teil 3: Anbauflansche für Einführungen; Sicherheitstechnische Anforderungen und Prüfungen DIN EN 50016 (VDE 0170/0171 Teil 3), Mai 96: Elektrische Betriebsmittel für explosiongefährdete Bereiche; Über- druckkapselung „p“; Deutsche Fas- sung EN 50016; 1995 DIN EN 50039,Apr. 82: Elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährdete Bereiche; Eigensichere elektrische Sy- steme „i“ (VDE-Bestimmung für schlagwettergeschützte und explosi- onsgeschützte elektrische Betriebsmit- tel) DIN EN 50050, Jun.02: Elektrische Betriebsmittel für explosionsgefährdete Bereiche; Elektrostatische Hand- sprüheinrichtungen Deutsche Fassung EN 50050; 2001 DIN EN 60079-10 (VDE 0165 Teil 101), Sep.96: Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete 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 für gasexplosionsgefährdete Bereiche; Teil 14: Elektrische Anlagen in explosions-gefährdeten Bereichen (ausge- nommen Grubenbaue);(IEC 60079- 14:1996) Deutsche Fassung EN 60079-14; 1997 DIN EN ISO 10807, Jan.97: Rohrlei- tungen; Flexible gewellte metallische Schlauchleitungen für den Schutz elek- trischer Leitungen in explosionsgefähr- deter Atmosphäre (ISO 10807:1994) Deutsche Fassung EN ISO 10807; 1996 DIN VDE 0170/0171-9,Jul.88: Elektri- sche Betriebsmittel für explosionsge- fährdete Bereiche; Vergusskapse- lung“m“; Deutsche Fassung EN 50028; 1987 DIN VDE 0170/0171-13,Nov.86: Elek- trische Betriebsmittel für explosionsge- fährdete Bereiche; Anforderungen für Betriebsmittel der Zone 10 DIN VDE 0848-5, Jan.01: Sicherheit in elektrischen, magnetischen und elek- tromagnetischen Feldern; Teil 5: Ex- plosionsschutz 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 42 Es empfiehlt sich, über das EU – Amtsblatt und Bundesanzeiger Deutschland 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 Entwurf mit DIN(E) EN 14986, Jun.2004, vor. Titel : Konstruktion von Ventilatoren für den Einsatz in explosionsgefähr- deten Bereichen. Gegenüber dem nationalen Werk VDMA-Einheitsblatt 24169, Teile 1 und 2, ergeben sich eine Reihe von Veränderungen. Auf dem Typenschild ist anzugeben: Gerätegruppe: I oder II ; unterschie- den werden Geräte im Bergbau oder ob sie in anderen Anwendungsfel- dern zum Einsatz kommen. Gerätekategorie: Die Kategorien 1 bis 3 stufen das erforderliche Maß an Sicherheit eines Gerätes ein, wel- ches der Hersteller durch entsprechende Konstruktionen einzuhalten hat. Fördermedium: G = Gas, D = Dust/Staub oder GD = Gas-Staub-Gemische Zündschutzart: Definiert die konstruktive Sicherheit eines Gerätes/ Anlage mit Anforderungen an die Ma- terialpaarungen, Spaltmaße, Keilrie- men, Wälzlager uam. Explosionsgruppe: Definiert die Art der explosionsfähigen Gasatmots- phäre in der das Gerät zum Einsatz kommt. Temperaturklasse: Legt die maximal zulässige Oberflächentempera- tur am Gerät fest. 8.3 Kennzeichnungsbeispiel : 43 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 8.4 Konstruktionshinweise Auszugsweise werden nachstehend Konstruktionshinweise aus der Pro- duktnorm vorgestellt. Kategorie 1 : Gas • Alle Anforderungen der Kategorie 2 müssen erfüllt sein • Taperlock-Naben und Keilriemenan- triebe sind nicht erlaubt • Dichtigkeitstest betreffs Gasdichtheit ist durchzuführen • Am Saug-und Druckstutzen sind Flammstopper zu setzen • Für Kategorie 1-Außen- sind die An- forderungen nach prEN 13463-3 zu erfüllen 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 entsprechend DIN EN 13463-5 • Wellendichtung, Wälzlager, Bremsen und Bremssysteme sind nach DIN EN 13463-5 auszuführen • Über 15 kW Ventilatorantriebsleistung sind Taperlock-Naben nicht zulässig Betreffs der Werkstoffpaarungen von Laufrädern und Ventilatorgehäusen wird empfohlen, die Schlußabstimmung zur Produktnorm prEN 14986 abzuwar- ten. 8.5 Explosionsgeschützte Ventila- torenbauart am Beispiel eines Radialventilators, direkt angetrieben Die explosionsgeschützte Ventilato- renbauart bedingt nachfolgende Maßnahmen: ᕡ Vergrößerter Spalt zwischen Laufrad und Ansaugdüse. Geeig- nete Werkstoffpaarung Laufrad und Ansaugdüse. ᕢ Berührungsfreie Wellenabdich- tung durch Labyrinthe damit Wär- mebildung vermieden wird. Zur Vermeidung von Leckluft zusätz- liche Umführungsleitung zum An- saug. Laufrad mit Rücklaufschau- feln zur Druckentlastung. ᕣ Wälzlager mit langer Lebensdau- er. Besondere Sicherung von Na- be und Welle gegen Verschie- bungen. Lagergehäuse durch Paßstifte gesichert. ᕤ Biegesteife Antriebswellen. Hohe Reserve der kritischen Drehzahl zur Betriebsdrehzahl. ᕥ Ableitung elektrostatischer Aufla- dungen. – Siehe nebenstehende Erdungsskizze – ᕡ 2 Kohlebürsten haben durch Fe- derkraft Kontakt zur Ventilatoren- Antriebswelle. Statische Aufla- dungen werden somit über die Kohlenbürsten, die Messing-Hal- terung und über ein bauseitiges Erdungskabel abgeführt. ᕦ Bauseitig sind Vorkehrungen zu treffen, daß keine Fremdkörper in die Ventilatoren gelangen, die Ventilatorenteile deformieren oder Funken erzeugen. ᕧ Bei einer explosionsgeschützten Ventilatorenbauart ist immer der Direktantrieb über Kupplung zu bevorzugen. Laufrad mit Rückenschaufeln ᕢ ᕢ Antriebs- welle Kupfer Erdung Fundament ᕡ ᕣ ᕤ ᕥ ᕧ ᕦ ᕣ 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 44 9.1 Frei ansaugende Ventilatoren ohne Anströmdüse Ventilatorenkennlinien werden auf dem Prüfstand stets mit Einströmdü- se gemessen. Entfällt diese, wie hier gezeigt, so verlaufen die Stromlinien, bedingt durch den scharfkantigen Flansch, wie skizziert. Die Strömung schnürt sich ein, die Folge ist eine ungünstige Beaufschlagung der Schaufeln. Hierdurch ergeben sich Minderleistungen, d. h. die Ventilator- kennlinie der Prüfstandmessung, die im Kennlinienblatt angegeben ist, wird nicht erreicht. 9.2 Frei ausblasender Axial-Venti- lator Betrachtet wird hier das Beispiel aus 5.6, Abschnitt d. Dort wurde errechnet, daß sich bei einem Nabenver- hältnis von 0,56 die Austrittsge- schwindigkeit c R = 1,46 c 1 und der dynamische Druck p dR = 2,12 p d1 ergibt. Bei dieser Einbauart geht der Druckrückgewinn verloren. Er beträgt nach 5.6: 2,12 p d1 – 1,12 p d1 = 1,0 p d1 , da der Nabenstoßverlust 1,12 p d1 be- trägt (prüfen, ob dieser aufgrund der Meßanordnung in der Ventilatorkenn- linie enthalten ist!). Dieser Verlust des Druckrückgewinns von 1 x p d (bezogen auf den vollen Rohrquerschnitt), ist bei der Wider- standsberechnung den anderen An- lagenwiderständen hinzuzuzählen! Zu beachten ist ferner bei der Wider- standsberechnung, daß unmittelbar hinter dem Ventilator angeordnete Elemente, z. B. Lufterhitzer, auf der Ringfläche mit höheren Anströmge- schwindigkeiten beaufschlagt werden, was zu höheren Widerstands- werten führt. IX. Einbau- und Auslegungshinweise Bei der Auslegung eines Ventilators, dessen Auswahl anhand der gemessenen Kennlinien erfolgt, sollte man stets die vorgesehene Einbausitua- tion mit der Meßanordnung bei der Kennlinienermittlung vergleichen. Nicht selten werden Ventilatoren in Anlagen strömungstechnisch ungün- stig eingebaut, so daß die Bedingun- gen ganz anders sind und deshalb der Betriebspunkt auf der Kennlinie gar nicht erreicht werden kann. Hier- zu einige Hinweise. 45 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 Eine Verbesserung der Verhältnisse ist durch saugseitige Anordnung der Elemente oder mit einem Diffusor zu erreichen. In diesem Falle soll bei sonst gleichen Verhältnissen wie zuvor der äußere Diffusordurchmesser das 1,25 fache des Axialventilatordurchmessers be- tragen. Damit wird der Ringquerschnitt: Hieraus ergibt sich c R3 = 0,8 c 1 und p dR3 = 0,64 p d1 . Damit läßt sich der Austritts-Stoßverlust erheblich reduzieren. Diffusoren sind strömungstechnisch sehr empfindlich, da die Abströmung aus Ventilatoren nie ganz gleich- mäßig ist, was eventuell zu einem Nichtanliegen der Strömung an der Diffusorwand führt. Abgelöste Strö- mung erhöht aber den Widerstands- beiwert ␨. Der Diffusor muß als Bauelement mit seinen Verlusten der Anlage zuge- rechnet werden, wobei die Abschät- zung der Verhältnisse unsicher ist. Vorzuziehen ist deshalb die Messung von 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 und der Verbesserung der Beaufschla- gung nachfolgender Elemente, bietet der Einbau eines Prallplatten- oder Radialdiffusors. Durch Versuche wurden optimale Werte für ermittelt. A R3 = – (1,25D) 2 ␲ 4 (0,56D) 2 ␲ 4 Ϸ 0,15 und м 1,5 b D D’ D 2 Grundlagen der Ventilatorentechnik 46 9.3 Ventilatoren im Rohrsystem Bei dem Einbau eines Ventilators ins Rohrsystem ist darauf zu achten, daß die Anströmung und Abströmung un- gestört und möglichst gleichmäßig ist. Saugseitig sind Einbausituationen unmittelbar hinter Querschnittssprün- gen, Krümmern usw. zu vermeiden. Insbesondere ist darauf zu achten, daß die Anströmung und Abströmung nicht schräg oder drallbehaftet erfolgt, da sonst Abrißerscheinungen an den Laufrädern und gravierende Minderleistungen möglich sind. 47 Grundlagen der Ventilatorentechnik 2 9.4 Parallelbetrieb, Hintereinander- schaltung Bei Parallelschaltung von Ventilato- ren können sich Schwierigkeiten ergeben, wenn ihre Kennlinien einen Scheitel- bzw. Wendepunkt haben (bei Axialventilatoren ausgeprägt der Fall!). Die resultierende Kennlinie zeigt dann folgendes Bild: Die bei der resultierenden Kennlinie auftretende Schleife in der Nähe des Scheitels 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 rechts vom Scheitel (bei Axialventilator Ab- rißpunkt) zu wählen. Werden Radialventilatoren hinterein- andergeschaltet zum Zwecke der Druckerhöhung, so bedingt die konstruktive Gegebenheit des Radial- ventilators meist eine längere Kanal- strecke zur Verbindung vom Auslaß- stutzen des 1. Ventilators mit dem Ansaugstutzen des zweiten. In dieser Strecke lassen sich in der Regel Vor- kehrungen treffen, die eine vernünfti- ge Anströmung der zweiten Stufe ge- währleisten. Damit kann man beim Radialventilator nahezu von einer Ad- dition der ␺-Werte bei Hintereinan- derschaltung ausgehen. Beim Axialventilator werden meist beide Stufen unmittelbar hintereinander angeordnet. Die gestörte Abströ- mung der ersten Stufe beeinflußt also unmittelbar die Anströmung der zweiten. Aus diesem Grunde ist nur mit einer Erhöhung der Druckziffer von ca. 1,6 zu rechnen. B 1 : Betriebspunkt, wenn 1 Ventilator läuft B 2 : Betriebspunkt, wenn beide laufen A 1 : Anlagenparabel zu hoch, instabiler Bereich A 2 : 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/m 2 ־ 9,81 Pa ־ 0,0981 mbar 1 Pa ־ 0,102 mm WS ־ 0,102 kp/m 2 ־ 0,01 mbar 1mbar ־ 100 Pa ־ 10,2 mm WS ־ 10,2 kp/m 2 1 Torr = 1 mm Hg = 1,33322 mbar = 133,32 Pa * Zwischen dem Schwungmoment GD 2 und dem Massenträgheitsmo- ment J besteht die Beziehung: GD 2 = 4 g · J mit g = 9,81 J in kgm 2 G in N D in m kgm s 2 m s 2 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 kg kps 2 m kgm s 2 N = kp Nm kpm Nm = J kpm N m 3 ( ) kp m 3 kg m 3 kps 2 m 4 m s m s m s 2 m s 2 N m 2 = Pa kp m 2 s -1 = Hz s -1 = Hz Nm 2 kpm 2 kgm 2 Nm s = W kpm s , PS

194 Ventilatoren Fibel Grundlagen Der Ventilatortechnik

Comments

Description