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Ventilatoren

Allgemeine Beschreibung

Zur Bewegung von Luft-Gas-Gemischen werden in der Industrie verschiedene Gasgebläsemaschinen eingesetzt, die sich nach dem Druckerhöhungsgrad des bewegten Mediums quasi in zwei Gruppen einteilen lassen. Zur ersten Gruppe gehören Maschinen, die den Druck nur ganz gering erhöhen können: Ventilatoren und Gasgebläse. Zur zweiten Gruppe gehören Maschinen, die hohe Druckwerte des bewegten Mediums erzeugen können – die Verdichter.

Betrachten wir eingehend jene Maschinen, die zum Bewegen von Luft-Gas-Gemischen eingesetzt werden – am Beispiel von Ventilatoren.

Als Ventilatoren werden Maschinen genannt, die für das Bewegen verschiedener Luft-Gas-Gemische mit Erhöhung deren Druckgrades bis zum Maximalwert von 12-15 kPa bestimmt sind. Kennzeichnend für die Ventilatoren ist eine einfache einstufige Bauart sowie der Betrieb mit niedrigen Umlaufgeschwindigkeit der Wellenrotierung. Die Ventilatoren bestehen aus dem Gehäuse, dem Laufrad mit Schaufeln, das auf der Welle innerhalb der Gehäuses installiert ist, und einem Antrieb. Als Antrieb für die Ventilatoren dienen Elektromotoren.

Die Ventilatoren finden heute breite Anwendung sowohl im Haushalt als auch in der Industrie. An die Industrieventilatoren werden wegen härterer Einsatzbedingungen besondere Anforderungen gestellt. Neben der Übereinstimmung mit den Parametern des jeweiligen technologischen Verfahrens müssen die Industrieventilatoren den hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Konstruktion und an die Sicherheit gerecht werden.

Die Ventilatoren dienen für den Transport von verschiedenen Luft-Gas-Gemischen, die sich hinsichtlich kritischer Temperaturen, abrasive Eigenschaften, des Staub- und Feuchtigkeitsgehalts unterscheiden können. Deswegen gehört zu den wichtigen Kriterien bei der Herstellung von Ventilatoren die richtige Auswahl der Materialausführung.

Funktionsprinzip eines Ventilators

In groben Zügen lässt sich das Funktionsprinzip von Ventilatoren wie folgt beschreiben:

Die Funktion des Ventilators besteht darin, dass das transportierte Arbeitsmedium mit einer bestimmten anfänglichen Druckgröße und Strömungsgeschwindigkeit die Eintrittsöffnung passiert und auf das Laufrad gerät, das innerhalb des Gehäuses installiert ist. Das Laufrad des Ventilators ist mittels einer Nabe auf der Welle fixiert und wird durch den Antrieb in Bewegung gesetzt. Beim Rotieren des Laufrades wird vor ihm Unterdruck erzeugt und dadurch das Luft-Gas-Gemisch angesaugt. Weiter bewegt sich das transportierte Medium über dem Laufrad, das ihm die vom Antrieb erhaltene Energie übergibt, und wird durch die Austrittsöffnung geleitet. Am Austritt aus dem Ventilator hat das Arbeitsmedium bereits einen höheren Druck und eine höhere Strömungsgeschwindigkeit dank der Energie, die ihm von Laufrad übertragen wurde.

Technische Parameter. Förderleistung, Förderdruck und Leistung

Jene Maschinen, die für Industriezwecke zum Transport von verschiedenen Flüssigkeiten und Luft-Gas-Gemischen eingesetzt werden, sind ähnlich in ihrer Bauart. Deshalb sind auch deren wichtigste technische Betriebsparameter identisch.

Es wird eine breite Palette von Ventilatoren für verschiedenste Anwendungsgebiete und Einsatzbedingungen produziert, wobei als Auswahlkriterien folgende wichtigste technische Parameter dienen:

1. Förderleistung (Kapazität) Q ist die Menge des Luft-Gas-Gemisches, die pro Zeiteinheit gefördert wird. Die Kapazität von Ventilatoren schwankt zwischen 1 und 1 000 000 m3/s und wird wie folgt  berechnet:

Q = V/t  [m3/s]

wo:
V – das Volumen des geförderten Arbeitsmedium-Stroms [m3];
t – die Zeit.

2. Förderdruck ist die Energiemenge, die beim Passieren des Ventilators dem geförderten Luft-Gas-Medium übertragen wird. Der Förderdruck des Ventilators wird traditionell in Druckeinheiten gemessen. Der vom Ventilator erzeugte totale Förderdruck ergibt sich aus zwei Komponenten: der statischen und der dynamischen:

Рt = Рst + Рdyn

wo:
Рt – totaler Druck [Pa];
Рst – statischer Druck [Pa];
Рdyn – dynamischer Druck (Рdyn = ρω2/2) [Pa];
ω – durchschnittliche Geschwindigkeit des Arbeitsmediums [m/s];
ρ – Dichte des Arbeitsmediums [kg/m3].

3. Leistung ist die Energiemenge, die für den Transport des Arbeitsmediums gebraucht wird. Sie wird in Anschlussleistung und Nutzleistung eingeteilt. Die Anschlussleistung ist jene Energie, die vom Antrieb zum Ventilator übertragen wird. Die Nutzleistung gibt den realen Energieverbrauch für den Transport des Arbeitsmediums an. Der Anschlussleistungswert liegt höher als die Nutzleistung, was durch verschiedene Verluste bei der Energieübertragung bedingt ist.

Die Leistung des Ventilators wird nach folgender Formel ermittelt:

N = (Q·P)/(1000·ŋ) [kW]

wo:
Q – Leistung des Ventilators [m3/s];
Р – vom Ventilator erzeugter Druck [Pa];
ŋ – Wirkungsgrad des Ventilators.

4. Neben den aufgezählten technologischen Hauptparametern von Ventilatoren spielen  folgende zweitrangige Parameter ebenfalls eine wichtige Rolle: klimaorientierte Ausführung, zulässige Lärmentwicklung, Abmessungen, Korrosionsbeständigkeit etc. Diese Parameter fallen bei der Auswahl von Ventilatoren auch in die Waagschale.

Typen und Einteilung von Industrieventilatoren

Die allgemeine Einteilung von Ventilatoren erfolgt nach der Strömungsrichtung des geförderten Arbeitsmediums. Dementsprechend unterscheidet man zwei Haupttypen von Ventilatoren, die für Industriezwecke eingesetzt werden:

  • Axialventilatоren;
  • Radialventilatoren (Kreiselventilatoren).

In den Axialventilatoren strömt das Arbeitsmedium entlang der Achsenlinie oder der Welle  des Ventilators.

In der Radialventilatoren bewegt sich das Arbeitsmedium auf den Schaufeln von der Mitte an den Rand des Laufrades zu durch die Zentrifugalkraft, die beim Rotieren entsteht, und tritt dann entlang des Spiralgehäuses durch den Einpressstutzen heraus.

Radialventilatoren






Die Radialventilatoren sind robust, können relative hohe Druckwerte mit hoher Effizienz erzeugen und eignen sich für den Betrieb unter harten Bedingungen.

Radialventilator ist ein Aggregat, das aus dem Spiralgehäuse, der Welle, dem Laufrad mit Schaufeln und dem Antrieb besteht. Die Ventilatoren werden an einem Tragrahmen (Gestell) aufgestellt.






Das Spiralgehäuse des Ventilators wird meistens aus Stahlblechen hergestellt, die zusammengeschweißt oder zusammengenietet werden. Beim Einsatz in einem Hochdruckgebiet wird das Ventilatorgehäuse aus Vollguss hergestellt. Zur Versteifung wird das Stahlblech-Spiralgehäuse des Ventilators zusätzlich durch Querstreifen oder Berippung verstärkt. Zur Reduzierung der Lärmentwicklung beim Betrieb des Ventilators wird das Gehäuse mit speziellen lärmabsorbierenden Paneels abgedeckt oder in einem Kasten eingeschlossen.






Hauptarbeitsorgan von Radialventilatoren ist das Laufrad, durch dessen Rotierung das Arbeitsmedium eben transportiert wird. Das Rad besteht gewöhnlich aus der Hinter- und Vorderscheibe, der Nabe und den Schaufeln. Je nach Einsatzbedingungen gibt es mehrere Laufrad-Modifikationen:

  • scheibenlose Laufräder für den Transport von Medien mit festen Einschlüssen;
  • Einscheiben-Laufräder vorwiegend für den Transport von Arbeitsmedien mit festen Verunreinigungen;
  • Zweischeiben-Laufräder (Trommel- und Ringlaufräder, Laufräder mit konischer Vorderscheibe) für den Transport von reinen Arbeitsmedien in einem breiten Bereich erzeugter Druckwerte;
  • Dreischeiben-Laufräder für den Einsatz in den Ventilatoren mit zweiseitigem Ansaugen.

Die Naben werden für die Befestigung des Laufrads auf der Welle gebraucht. Sie werden aus Rohlingen gegossen und ausgedreht.

Fester Bestandteil des Laufrads sind die Schaufeln. Sie werden an der Scheibe und an der Nabe befestigt. Die Methoden der Schaufelbefestigung hängen unmittelbar von der nötigen Festigkeit und Steifigkeit der Konstruktion sowie von der ökonomischen Zweckmäßigkeit  ab. Die sicherste Befestigungsmethode ist das Schweißen, deren Anwendung lohnt sich bei der gleichen Lebensdauer aller Komponenten des Laufrads. Falls wegen der Einsatzbedingungen Schaufeln schneller als die Scheiben verschleißen, wir die Nieten- oder Dübelverbindung angewendet. Von der Schaufelform hängt die Effizienz und die Betriebsparameter des Ventilators ab.

Schaufeltypen, die auf dem Laufrad installiert werden:

  • nach vorne gekrümmte Schaufeln;
  • Radialschaufeln;
  • nach vorne gebogene Radialschaufeln;
  • nach hinten geneigte Flachschaufeln;
  • nach hinten gekrümmte Schaufeln;
  • nach hinten gekrümmte Schaufeln mit aerodynamischem Profil.





Ein wichtiger Faktor, der den Arbeitswirkungsgrad des Ventilators beeinflusst, ist der Spalt zwischen dem Laufrad und dem Eintrittsstutzen. Er darf 1% des Laufrad-Durchmessers nicht überschreiten.

Der Ventilator-Antrieb kann wie folgt realisiert werden:

  • Direktverbindung des Laufrads mit dem Elektromotor;
  • Verbindung über eine flexible Kupplung;
  • Verbindung durch ein Keil-Riemen-Getriebe.

Für die Radialventilatoren verwendet man mehrere Anordnungsvarianten der Befestigung des Laufrads und der Verbindung mit dem Antrieb.

Bei den Ventilatoren voluminösen Laufrädern wird die Verbindung mit Hilfe von Kupplungen oder des Keil-Riemen-Getriebes empfohlen. Die größte Verbreitung hat die Konsolverbindung der Laufradwelle mit dem Antrieb, d.h. die Verbindung der Laufradwelle, die in eine Stützlagerungseinheit installiert ist, welche außerhalb des Ventilatorgehäuses untergebracht ist. Zu den positiven Seiten dieser Lösung zählt das Fehlen mechanischer Verluste bei der Übertragung sowie die Installierbarkeit auf kleiner Fläche. Negativ ist die Einschränkung der Laufradgröße. Der Einbau der Laufradwelle zwischen zwei Stützlagern gilt als zuverlässiger und kann einen stabilen Betrieb des Ventilators gewährleisten. Zu den Nachteilen dieser Lösung gehört die erschwerte Montage des Ventilators auf der Luftleitung wegen komplizierter gewordener Konstruktion. Bei den Ventilatoren mit dem zweiseitigen Ansaugen wird die Konsolverbindung mit dem Antrieb nicht angewandt.

Einteilung von Radialventilatoren

Die Einteilung von Radialventilatoren erfolgt weitgehend nach folgenden Betriebs- und Konstruktionsmerkmalen:

Nach dem erzeugten Druck:

  • Niederdruck-Radialventilatoren (bis 1000 Pa);
  • Mitteldruck-Radialventilatoren (von 1000 bis 3000 Pa);
  • Hochdruck-Radialventilatoren (über 3000 Pa).

Nach der Anzahl der Ansaugseiten:

  • einseitige und
  • zweiseitige Radialventilatoren.

Nach der Laufrad-Drehrichtung (seitens des Antriebs):

  • mit Rechtsdrehung: das Laufrad bewegt sich im Uhrzeigersinn;
  • mit Linksdrehung:  das Laufrad bewegt sich gegen den Uhrzeigersinn;

Nach der Lage des Austrittsstutzens:

Der Austrittstutzen des Universalventilators kann in sieben Positionen aufgestellt werden - jeweils mit Verschiebung um 45 Grad. Ventilatoren, welche die Positionierung des Austrittsstutzens unter den Winkel von 225 Grad vorsehen, werden nicht produziert, weil in diesem Fall der Anschluss an die Rohrleitung schwer realisierbar ist.

Die räumliche Ausrichtung des Austrittsstutzens von Spezialventilatoren lässt die Positionen mit jeweils 15 Grad Abstand im Bereich von 0 bis 345 Grad zu (für die Mühlenventilatoren) bzw. von 0 bis 255 Grad (für die Gebläseventilatoren).

Je nach den Parametern des transportierten Mediums werden die Radialventilatoren nach ihrem Bestimmungszweck in folgende Kategorien eingeteilt:

  • universell verwendbare;
  • für Spezialzwecke.

Die Universalventilatoren dienen für den Transport von nichtaggressiven Luft-Gas-Gemischen ohne feste Einschlüsse und Staubgehalt mit Temperaturen bis maximal 200о С. Dazu gehören Ventilatoren, die für Be- und Entlüftung angewendet werden (Dachventilatoren).

Für die Industriezwecke wird außerdem eine Vielzahl von Spezialventilatoren hergestellt. Sie dienen für den Transport verschiedener Luft-Gas-Medien, die sich durch hohe Betriebstemperaturen, abrasive und korrosive Eigenschaften, den Gehalt an festen Verunreinigungen, hohe Explosionsgefährlichkeit etc. auszeichnen. In diese Kategorie kann man folgende Ventilatoren einordnen:

  • korrosionsbeständige Ventilatoren;
  • Staub-Ventilatoren;
  • explosionsgeschützte Ventilatoren;
  • Gebläse-Ventilatoren;
  • Gruben-Ventilatoren;
  • Mühlen-Ventilatoren.

Für jeden Ventilatortyp wird eine Materialausführung gewählt, die den Einsatzbedingungen entspricht sowie einen zuverlässigen, havarie- und störungsfreien Betrieb gewährleisten kann.

Für den durchflossenen Teil von Ventilatoren in korrosionsbeständiger Ausführung werden rostfreier Stahl, Titan und Titanlegierungen verwendet, auch verschiedene Polymerstoffe finden breite Anwendung.

Wegen des hohen Anteils von festen Einschlüssen im geförderten Medium müssen die Bauteile und Baugruppen von Staubventilatoren besonders zuverlässig sein. Deshalb werden sie aus Werkstoffen hergestellt, die schleiffest sind.

Die explosionsgeschützten Ventilatoren werden aus weichen Werkstoffen (Aluminium und Alu-Legierungen) hergestellt, um Funkenbildung beim Zusammenstoß oder Reibung beweglicher Teile zu vermeiden.

Die Besonderheit von Gebläseventilatoren besteht im Transport von Hochtemperatur-Gemischen. Deshalb werden sie aus verschiedenen hitzegeständigen Stahlsorten hergestellt.

Axialventilatoren

Die Bauart von Axialventilatoren ist durch Einfachheit und kleine Abmessungen gekennzeichnet. Sie werden oft dort eingesetzt, wo die Verwendung von Radialventilatoren wegen der beschränkten Einbaufläche nicht möglich ist. Die Axialventilatoren bestehen aus dem zylinderförmigen Gehäuse, dem Laufrad mit Schaufeln und dem Antrieb.

Das Gehäuse des Axialventilators ist in Zylinderform ausgeführt. Das Innendurchmesser des Gehäuses wird so gewählt, dass das Laufrad sich frei drehen kann. Der Maximalabstand zwischen dem Gehäuse und den Laufradschaufeln darf dabei 1,5 % der Schaufellänge nicht überschreiten. Zur Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften und Reduzierung der hydraulischen Verluste wird die Bauart des Ventilators geändert, wobei folgende Zusatzelemente hinzukommen: ein Kollektor am Eintrittsstutzen, Eintritts- und Austrittshaube auf der Laufradnabe sowie ein Diffusor am Austritt.






Das Laufrad des Axialventilators besteht aus Schaufeln und einer Nabe. Die Befestigung der Schaufeln an der Nabe ist identisch mit der Befestigung, die im Laufrad des Radialventilators verwendet wird. Die Anzahl der Schaufeln variiert zwischen 2 und 16. Bei der Laufradherstellung für den Axialventilator werden Schweißen, Guss und Stanzen verwendet.






Die Laufradschaufeln werden unter verschiedenen Winkeln gegenüber der Drehungsebene installiert, damit wird wirksame Regulierung der Zufuhr von Luft-Gas-Gemischen ermöglicht. In den Axialventilatoren kann die Arbeitsmedium-Strömungsrichtung durch Änderung der Laufrad-Drehungsrichtung verändert werden. Das lässt sich mit Hilfe von reversierbaren Laufrädern mit veränderbarem Neigungswinkel der Schaufeln realisieren. Oder auch mittels nicht reversierbarer Räder, indem man sie einfach umkippt. Die Bauart von Axialventilatoren gestattet eine schnelle Installation.






Die Axialventilatoren werden mittels Direktverbindung mit der Motorwelle bzw. mit Hilfe von Kupplung oder Riemengetriebe angetrieben. Als Antrieb werden überwiegend Elektromotoren genutzt. Die Methode der Verbindung mit dem Antrieb wird mit Rücksicht auf die Einsatzbedingungen und die Eigenschaften des Fördermediums gewählt. Für die nicht verunreinigten und nicht aggressiven Medien ist typisch der Einbau des Elektromotors im Arbeitsmedium-Strom. Bei hohem Feuchtigkeitsgehalt oder festen Einschlüssen wird der Antrieb üblicherweise außerhalb des Arbeitsmediums untergebracht.

Einteilung von Axialventilatoren

Man unterscheidet drei Haupttypen von Axialventilatoren:

  • Schaufeltyp;
  • Schaufeltyp im zylinderförmigen Gehäuse;
  • der Typ mit Führungsschaufeln.

Der Schaufeltyp ist die einfachste Abart des Axialventilators und stellt ein Laufrad ohne Gehäuse dar, welches auf der Elektromotorwelle installiert ist. Dieser Ventilatortyp arbeitet gewöhnlich mit niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten und moderaten Temperaturen. Er zeichnet sich durch hohe Förderleistung einen niedrigen erzeugten Druck aus. Die Schaufelventilatoren werden häufig als Absauger in den Räumen genutzt. Für die Outdoor-Anwendung werden sie in die Luftkühlungs- und Kühlturmsysteme integriert. Der Wirkungsgrad der Ventilatoren dieses Typs beträgt ca. 50% oder noch weniger.

Der zweite Ventilatortyp hat ein Schaufel-Laufrad, das in einem zylinderförmigen Gehäuse untergebracht ist. Die Drehfrequenz des Laufrads liegt höher als beim Schaufeltyp, so dass höhere Druckwerte von 250 - 400 Pa erzeugt werden können. Der Wirkungsgrad erreicht bis 65%.

Die Axialventilatoren mit Führungsschaufeln haben ähnliche Bauart mit dem vorherigen Typ mit Ausnahme der zusätzlichen Installation von Führungsschaufeln an der Eintrittsöffnung. Bei dieser Lösung erhöht sich die Effizienz durch die Ausrichtung und Begradigung des Arbeitsmediums. Als Ergebnis können sie einen ziemlich hohen Enddruck bis zu 500 Pa erzeugen. Dieser Typ entspricht den hohen Anforderungen der Energieeffizienz.

Anwendungsgebiet

Die Ventilatoren gehören zu den meistverbreiteten Maschinentypen, die in zahlreichen Industriebranchen sowie in Haushalten Anwendung finden. Deren Bestimmungszweck ist der Transport von Luft-Gas-Gemischen, was hauptsächlich für die Realisierung von Be- und Entlüftung genutzt wird. Es gibt jedoch neben der Lüftung auch zahlreiche andere Gebiete und Prozesse, wo sie eingesetzt werden können. Dazu gehören beispielsweise:

  • chemische Industrie (Trocknung, Zufuhr von technologischen Gasen);
  • Hüttenindustrie;
  • Kühlungssysteme;
  • Maschinen- und Schiffsbau (Erprobung an aerodynamischen Prüfständen);
  • Landwirtschaft;
  • Energiewirtschaft;
  • Bauwesen;
  • Entstaubungsanlagen;
  • pneumatische Förderung.

Vergleich von Radial- und Axialventilatoren

Die Arbeit von Axial- und Radialventilatoren beruht auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien. Bei einem Axialventilator strömt das Arbeitsmedium vom Eintritts- zum Austrittsstutzen entlang der Wellenachse, während bei einem Radialventilator der Strom sich vom Eintrittsstutzen entlang der Wellenachse bewegt, dann die Richtung ändert und senkrecht zu der Achse zum Austrittsstutzen strömt.

Die Radialventilatoren lassen sich besonders breit in den Industrieprozessen anwenden bedingt durch die Vielzahl von Modifikationen und Anwendungsgebieten. Sie sind geeignet für den Betrieb in einem breiten Spektrum von Förderleistungen und erzeugten Druckwerten. Die Konstruktion des Radialventilators ist jedoch sperriger und braucht eine größere Montagefläche.

Die Axialventilatoren haben eine einfache Bauart und kleine Abmessungen, sind kostensparend und können große Arbeitsmedium-Volumina über kleine Entfernungen transportieren. Der Antrieb von Axialventilatoren ist jedoch öfters direkt im Gehäuse untergebracht. Daraus ergeben sich Einschränkungen bezüglich Staubgehalt im Arbeitsmedium und die zulässige Temperatur. Die Drehzahl des Laufrads ist bei den Axialventilatoren höher als bei den Radialventilatoren. Dadurch erzeugen sie mehr Lärm.

Lösungsbeispiele für die Aufgaben zur Berechnung und Auswahl von  Ventilatoren

Aufgabe Nr.1. Berechnung des Ventilators

Bedingungen:

Es ist ein Ventilator vorhanden, der einen Druck Pmax von maximal 70 Pa erzeugt und für die Lüftung eines Raumes genutzt wird. Die Luftentnahme aus dem Raum erfolgt über eine Rohrleitung mit konstantem Durchmesser, bei der man annehmen kann, dass deren Widerstand sich jedes Meter um 7 Pa erhöht. Der Ventilator wurde an die Ansaug- und die Einpressrohrleitung unbekannter Länge angeschlossen. Die anschließenden Messungen haben gezeigt, dass am Ventilatoreintritt ein Unterdruck Pвв von -32 Pa entsteht. Am Ventilatoraustritt entsteht überschüssiger Druck Pнв, von 24 Pa. Die gemessene Luftgeschwindigkeit ω in der Rohrleitung betrug dabei 3 m/s. Bei den Berechnungen ist die Luftdichte ρ gleich 1,2 kg/m3 anzusetzen.






Aufgabe:

Man muss berechnen, um welche Maximallänge die Einpressleitung verlängert werden kann.

Lösung:

Analysieren wir die Formel für die Berechnung des Ventilatordrucks:

P = (Pнв+(ωн2∙ρ)/2) – (Pвв+(ωв2∙ρ)/2)

wo ωв und ωн – Luftgeschwindigkeiten in der Ansaug- und der Einpressleitung. Da das Rohrleitungsdurchmesser unverändert bleibt, ist ωв = ωн, so dass man die Formel wie folgt umwandeln kann:

P = Pнв - Pвв = 24 - (-32) = 56 Pa

Daraus folgt, dass der vorhandene Ventilator bei den gegebenen Einsatzbedingungen folgende Druckreserve hat: 70-56 = 14 Pa.

Die Verlängerung der Einpressrohrleitung führt zur Erhöhung des Widerstands darin und somit zur Erhöhung des Förderdrucks des Ventilators. Folglich kann man berechnen, bis zu welchem Wert der Widerstand der Einpressleitung erhöht werden kann, bis der Ventilator an seiner Förderdruck-Obergrenze gelangt:

14/7 = 2 m

Das Ergebnis: die Einpressleitung kann maximal um 2 Meter verlängert werden.

Aufgabe Nr.2 Berechnung von Förderleistung und Förderdruck des Ventilators






Bedingungen:

Aus einem Raum mit dem Luftdruck P1 = 0,1 mPa wird über eine Rohrleitung mit konstantem Durchmesser d = 500 mm Luft abgesaugt und P2 = 0,1 mPa in die Atmosphäre freigesetzt. Der Ventilator arbeitet mit einer Durchflussmenge Q = 2000 m3/h und verbraucht dabei N = 1,1 kW, während die Umdrehungsgeschwindigkeit der Ventilatorwelle n = 1000 U/min. Die Messungen haben ergeben, dass der Druckabfall in der Ansaugleitung  Pпв = 60 Pa und in der Einpressleitung Pпн = 80 Pa. Bei den Berechnungen ist die Luftdichte ρ gleich 1,2 kg/m3 anzusetzen.

Aufgabe:

Man muss den vom Ventilator erzeugten Druck berechnen und wie sich die Förderleistung  des Ventilators ändern würde, wenn man die Drehfrequenz der Welle bis nн = 1200 U/min erhöht. Wie verändert sich dabei die Leistung?

Lösung:

Die Querschnittsfläche des Rohres ist gleich:

F = (π∙d2) / 4 = (3,14∙0,52) / 4 = 0,2 m2

Um den Ventilatordruck zu berechnen, muss man vorher die Luftgeschwindigkeit in der Rohrleitung ermitteln. Wegen des gleichen Durchmessers wird sie sowohl für den Einpress- als auch für den Ansaugteil die gleiche sein. Die Luftgeschwindigkeit kann man aus der Durchflussmengengleichung ableiten:

Q = F∙ω

Daraus folgt:

ω = Q / F = 2000 / (3600∙0,2) = 2,8 m/s

Nachdem die Geschwindigkeit ermittelt ist, kann man den Ventilatordruck ausrechnen:

P = (P2-P1) + (Pпв+Pпн) + (ω2∙ρ)/2 = (105-105) + (60+80) + (2,82∙1,2)/2 = 145 Pa

Die Durchflussmenge bei höherer Drehzahl lässt sich aufgrund der folgenden Relation errechnen:

Qн/Q = nн/n

Daraus folgt:

Qн = Q∙nн/n = 2000∙1200/1000 = 2400 m3/h

Um die Leistung (die Kapazität) bei der neuen Drehzahl herauszufinden, wird eine andere Relation genutzt:

Nн/N = (nн/n)³

Daraus folgt:

Nн = N∙(nн/n)³ = 1,1∙(1200/1000)³ = 1,9 kW

Das Ergebnis: der Ventilatordruck beträgt 145 Pa, bei der Drehzahlerhöhung bis 1200 Umdrehungen pro Minute steigt er bis 2400 m3/h und die Leistung bis 1,9 kW.

Aufgabe Nr.3. Berechnung des Wirkungsgrades des Ventilators






Bedingungen:

Aus einem Raum wird über die Ansaugrohrleitung mit dem Durchmesser dв = 200 mm mit Hilfe des Ventilators Luft abgesaugt und über eine Einpressrohrleitung mit einem Durchmesser dн = 240 mm in die Atmosphäre freigesetzt. Es liegen nur die abgelesenen Werte von den Gebern vor, die unmittelbar am Ventilator installiert sind. Der Vakuummesser am Ventilatoreintritt zeigt den Unterdruck Pвв = 200 Pa und das Manometer am Ventilatoraustritt  den überschüssigen Druck Pнв = 320 Pa. Der Durchflussmengenmesser der abgesaugten Luft zeigt den Wert Q = 500 m3/h. Die vom  Ventilator verbrauchte Leistung N beträgt 0,08 kW und die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle n = 1000 U/min. Bei den Berechnungen ist die Luftdichte ρ gleich 1,2 kg/m3 anzusetzen.

Aufgabe:

Man muss den Wirkungsgrad des Ventilators sowie den von ihm erzeugten Druck berechnen.

Lösung:

Zuerst ermitteln wir die Luftgeschwindigkeit in der Ansaug- und der Einpressleitung. Die Größe der Geschwindigkeit ω drücken wir aus und leiten ab aus der Durchflussmengengleichung:

Q = f∙ω

wo f = (π∙d2)/4 – Querschnittsfläche der Rohrleitung. Daraus erhalten wir:

ω = Q/f = (Q∙4)/(π∙d2)

ωв = Q/f = (Q∙4)/(π∙dв2) = (500∙4)/(3600∙3,14∙0,22) = 4,4 m/s

ωн = Q/f = (Q∙4)/(π∙dн2) = (500∙4)/(3600∙3,14∙0,242) = 3,1 m/s

Jetzt, wo wir die Luftgeschwindigkeit in der Ansaug- und der Einpressleitung sowie die Druckwerte am Ein- und Austritt des Ventilators kennen, können wir den Ventilatordruck P nach folgender Formel errechnen:

P = (Pнв+(ωн2∙ρ)/2) – (Pвв+(ωв2∙ρ)/2) = (320+(3,12∙1,2)/2) – (-200+(4,42∙1,2)/2) = 514 Pa

Leiten wird aus der Formel die Leistungen und finden den Wirkungsgrad des Ventilators η heraus:

N = (Q∙P)/(1000∙η)

η = (Q∙P)/(1000∙N) = (500∙514)/(3600∙1000∙0.08) = 0,9

Das Ergebnis: der Ventilator hat einen Wirkungsgrad 0,9 und den Förderdruck 514 Pa.

Aufgabe Nr.4. Berechnung des Ventilatordrucks






Bedingungen:

Es gibt einen Stickstoff-Lagerbehälter beim überschüssigen Druck P1 = 540 Pa. Das Gas wird beim überschüssigen Druck P2 = 1000 Pa ins Gerät zugeführt – mit Hilfe des Ventilators, der mit dem Lagerbehälter mittels Ansaugleitung und mit dem Gerät mittels Einpressleitung verbunden ist, wobei die Druckverluste in den beiden Leitungen Pпв = 120 Pa und Pпн = 270 Pa ausmachen. In der Einpressleitung erreicht der Gasstrom eine Geschwindigkeit ω = 10 m/s. Bei den Berechnungen ist die Stickstoffdichte ρ gleich 1,17 kg/m3 anzusetzen.

Aufgabe:

Man muss den vom Ventilator erzeugten Druck berechnen. 

Lösung:

Das Druckgefälle an der Ansaug- und der Einpressstelle ΔP beträgt:

∆P = P2-P1 = 1000-540 = 460 Pa

Die Gesamtverluste Pпоб in der Ansaug- und Einpressleitung betragen:

Pпоб = Pпв+Pпн = 120+270 = 390 Pa

Der Geschwindigkeitsdruck Pc lässt sich nach folgender Formel errechnen:

Pс = (ω2∙ρ)/2 = (102∙1,17)/2 = 59 Pa

Wenn man die oben herausgefundenen Größen kennt, kann man den vom Ventilator erzeugten Druck P nach folgender Formel ermitteln:

P = ∆P + Pпоб + Pc = 460 + 390 + 59 = 909 Pa

Das Ergebnis: der Ventilatordruck beträgt 909 Pa.