Ventilatoren für Kanallüftungssysteme

Dieses Modul befasst sich mit Radial- und Axialventilatoren, die für Kanallüftungssysteme verwendet werden, und berücksichtigt ausgewählte Aspekte, einschließlich ihrer Eigenschaften und Betriebsattribute.

Die beiden in der Gebäudetechnik gebräuchlichen Ventilatortypen für Kanalsysteme werden allgemein als Radial- und Axialventilatoren bezeichnet – der Name leitet sich von der bestimmenden Richtung des Luftstroms durch den Ventilator ab. Diese beiden Typen sind selbst in eine Reihe von Untertypen unterteilt, die entwickelt wurden, um bestimmte Volumenstrom-/Druckeigenschaften sowie andere Betriebsmerkmale (einschließlich Größe, Geräusch, Vibration, Reinigungsfähigkeit, Wartbarkeit und Robustheit) bereitzustellen.

Tabelle 1: In den USA und Europa veröffentlichte Daten zur Spitzenleistung von Lüftern für Lüfter mit einem Durchmesser von mehr als 600 mm

In Tabelle 1 sind einige der am häufigsten in HLK-Anlagen eingesetzten Ventilatortypen aufgeführt, zusammen mit den Richtwerten der Spitzenwirkungsgrade, die aus von einer Reihe US-amerikanischer und europäischer Hersteller veröffentlichten Daten ermittelt wurden1. Darüber hinaus erfreut sich der Plug-Lüfter (eigentlich eine Variante des Radialventilators) in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit.

Abbildung 1: Allgemeine Lüfterkurven. Echte Fans können von diesen vereinfachten Kurven stark abweichen

Charakteristische Lüfterkurven sind in Abbildung 1 dargestellt. Dabei handelt es sich um übertriebene, idealisierte Kurven, von denen reale Lüfter durchaus abweichen können; Sie weisen jedoch wahrscheinlich ähnliche Eigenschaften auf. Dazu gehören die Instabilitätsbereiche, die auf Schwankungen zurückzuführen sind, bei denen der Lüfter bei gleichem Druck zwischen zwei möglichen Durchflussraten umschalten kann, oder als Folge des Abwürgens des Lüfters (siehe Abwürgen des Luftstromkastens). Hersteller sollten in ihrer Literatur auch bevorzugte „sichere“ Arbeitsbereiche angeben.

Radialventilatoren

Bei Radialventilatoren tritt die Luft entlang ihrer Achse in das Laufrad ein und wird dann durch die Zentrifugalbewegung radial aus dem Laufrad ausgestoßen. Diese Ventilatoren sind in der Lage, sowohl hohe Drücke als auch große Volumenströme zu erzeugen. Die meisten herkömmlichen Radialventilatoren sind in einem Spiralgehäuse untergebracht (wie in Abbildung 2), das die bewegte Luft lenkt und die kinetische Energie effizient in statischen Druck umwandelt. Um mehr Luft zu bewegen, kann der Lüfter mit einem Laufrad mit doppelter Breite und doppeltem Einlass ausgestattet werden, das den Lufteintritt auf beiden Seiten des Gehäuses ermöglicht.

Abbildung 2: Radialventilator im Spiralgehäuse mit rückwärts geneigtem Laufrad

Es gibt eine Reihe von Schaufelformen, aus denen das Laufrad bestehen kann, wobei die Haupttypen vorwärts- und rückwärtsgekrümmt sind – die Form der Schaufel bestimmt ihre Leistung, den potenziellen Wirkungsgrad und die Form der charakteristischen Lüfterkurve. Die anderen Faktoren, die die Effizienz des Ventilators beeinflussen, sind die Breite des Laufrads, der Freiraum zwischen dem Einlasskegel und dem rotierenden Laufrad sowie der Bereich, der zum Austritt der Luft aus dem Ventilator genutzt wird (der sogenannte „Blastbereich“). .

Dieser Lüftertyp wird traditionell von einem Motor mit Riemen- und Riemenscheibenanordnung angetrieben. Mit der Verbesserung der elektronischen Drehzahlregelung und der zunehmenden Verfügbarkeit elektronisch kommutierter Motoren („EC“ oder bürstenloser Motoren) werden Direktantriebe jedoch immer häufiger eingesetzt. Dies beseitigt nicht nur die mit einem Riemenantrieb verbundenen Ineffizienzen (die je nach Wartung zwischen 2 % und mehr als 10 % betragen können2), sondern verringert wahrscheinlich auch die Vibrationen, reduziert den Wartungsaufwand (weniger Lager und Reinigungsaufwand) und vereinfacht die Baugruppe kompakter.

Rückwärtsgekrümmte Radialventilatoren

Rückwärts gekrümmte (oder „geneigte“) Ventilatoren zeichnen sich durch Flügel aus, die von der Drehrichtung weg geneigt sind. Sie können Wirkungsgrade von bis zu 90 % erreichen, wenn Tragflügelblätter verwendet werden, wie in Abbildung 3 dargestellt, oder wenn dreidimensional geformte glatte Blätter verwendet werden, und etwas weniger, wenn einfach gekrümmte Blätter verwendet werden, und wiederum weniger, wenn einfache, nach hinten geneigte flache Plattenblätter verwendet werden. Die Luft verlässt die Laufradspitzen mit relativ geringer Geschwindigkeit, sodass die Reibungsverluste im Gehäuse gering sind und auch die Luftgeräusche gering sind. Sie können an den Enden der Betriebskurve zum Stillstand kommen. Relativ breitere Laufräder bieten den höchsten Wirkungsgrad und können problemlos die stärker profilierten Schaufeln mit Tragflächenprofil verwenden. Bei schlanken Laufrädern ist die Verwendung von Tragflügeln kaum von Nutzen, daher tendieren Sie dazu, Schaufelblätter mit flacher Platte zu verwenden. Rückwärtsgekrümmte Ventilatoren zeichnen sich besonders durch ihre Fähigkeit aus, hohe Drücke bei geringem Geräuschpegel zu erzeugen, und verfügen über eine nicht überlastende Leistungscharakteristik – das bedeutet, dass sich die vom Elektromotor aufgenommene Leistung verringert, wenn der Widerstand in einem System abnimmt und die Durchflussrate zunimmt . Die Konstruktion von rückwärtsgekrümmten Lüftern dürfte robuster und etwas schwerer sein als die des weniger effizienten vorwärtsgekrümmten Lüfters. Die relativ langsame Luftgeschwindigkeit an den Schaufeln kann zur Ansammlung von Verunreinigungen (wie Staub und Fett) führen.

Abbildung 3: Darstellung der Laufräder von Radialventilatoren

Vorwärtsgekrümmte Radialventilatoren

Vorwärtsgekrümmte Ventilatoren zeichnen sich durch eine große Anzahl nach vorne gekrümmter Flügel aus. Da sie typischerweise niedrigere Drücke erzeugen, sind sie kleiner, leichter und billiger als die entsprechenden rückwärtsgekrümmten Ventilatoren. Wie in Abbildung 3 und Abbildung 4 dargestellt, verfügt dieser Lüfterradtyp über mehr als 20 Flügel, die so einfach wie aus einem einzigen Metallblech geformt sein können. Höhere Wirkungsgrade werden bei größeren Größen mit individuell geformten Schaufeln erzielt. Die Luft verlässt die Schaufelspitzen mit einer hohen Tangentialgeschwindigkeit und diese kinetische Energie muss im Gehäuse in statischen Druck umgewandelt werden – das beeinträchtigt den Wirkungsgrad. Sie werden typischerweise für geringe bis mittlere Luftmengen bei niedrigem Druck (normalerweise <1,5 kPa) verwendet und haben einen relativ geringen Wirkungsgrad von unter 70 %. Das Spiralgehäuse ist besonders wichtig, um den besten Wirkungsgrad zu erreichen, da die Luft mit hoher Geschwindigkeit die Spitze der Schaufeln verlässt und zur effektiven Umwandlung der kinetischen Energie in statischen Druck genutzt wird. Sie laufen mit niedrigen Drehzahlen und daher ist der mechanisch erzeugte Geräuschpegel tendenziell geringer als bei Lüftern mit höherer Drehzahl und rückwärtsgekrümmten Lüftern. Beim Betrieb gegen niedrige Netzwiderstände weist der Lüfter eine Überlastcharakteristik auf.

Abbildung 4: Vorwärtsgekrümmter Radialventilator mit integriertem Motor

Diese Ventilatoren sind beispielsweise nicht geeignet, wenn die Luft stark mit Staub verunreinigt ist oder Fetttröpfchen mit sich führt.

Abbildung 5: Beispiel eines direkt angetriebenen Plug-Lüfters mit rückwärts gekrümmten Flügeln

Radialventilatoren mit Radialflügeln

Der Radialventilator mit Radialschaufeln hat den Vorteil, dass er kontaminierte Luftpartikel bei hohen Drücken (in der Größenordnung von 10 kPa) bewegen kann. Da er jedoch mit hohen Drehzahlen läuft, ist er sehr laut und ineffizient (<60 %) und sollte daher nicht sein Wird für allgemeine HLK-Anwendungen verwendet. Es leidet auch unter einer Überlastungscharakteristik – wenn der Systemwiderstand verringert wird (vielleicht durch das Öffnen der Lautstärkereglerklappen), steigt die Motorleistung und je nach Motorgröße kann es möglicherweise zu einer „Überlastung“ kommen.

Plug-Fans

Anstatt in einem Spiralgehäuse montiert zu werden, können diese speziell entwickelten Radiallaufräder direkt im Gehäuse des Lüftungsgeräts (oder tatsächlich in einem beliebigen Kanal oder Plenum) verwendet werden, und ihre Anschaffungskosten dürften niedriger sein als untergebrachte Radialventilatoren. Bekannt als „Plenum“-, „Plug“- oder einfach „ungehäuste“ Radialventilatoren, können diese einige Platzvorteile bieten, gehen jedoch mit einem Verlust an Betriebseffizienz einher (wobei die besten Wirkungsgrade denen für gehäuste vorwärtsgekrümmte Radialventilatoren ähneln). Die Lüfter saugen Luft durch den Einlasskegel an (wie bei einem Gehäuselüfter), geben die Luft dann aber radial um den gesamten 360°-Außenumfang des Laufrads ab. Sie können eine große Flexibilität bei den Auslassanschlüssen (vom Plenum) bieten, was bedeutet, dass möglicherweise weniger benachbarte Biegungen oder scharfe Übergänge im Kanalsystem erforderlich sind, die ihrerseits den Systemdruckabfall (und damit die zusätzliche Lüfterleistung) erhöhen würden. Die Gesamteffizienz des Systems kann durch die Verwendung von glockenförmigen Einlässen an den Kanälen, die das Plenum verlassen, verbessert werden. Einer der Vorteile des Plug-Ventilators ist seine verbesserte akustische Leistung, die größtenteils auf die Schallabsorption im Plenum und das Fehlen direkter Sichtwege vom Laufrad in die Mündung des Kanalsystems zurückzuführen ist. Die Effizienz hängt stark von der Position des Ventilators innerhalb des Plenums und der Beziehung des Ventilators zu seinem Auslass ab – das Plenum wird verwendet, um die kinetische Energie in der Luft umzuwandeln und so den statischen Druck zu erhöhen. Wesentlich unterschiedliche Leistung und unterschiedliche Betriebsstabilitäten hängen vom Laufradtyp ab – Laufräder mit gemischter Strömung (die eine Kombination aus radialer und axialer Strömung bieten) wurden verwendet, um Strömungsprobleme zu überwinden, die sich aus dem starken radialen Luftströmungsmuster ergeben, das mit einfachen Zentrifugallaufrädern erzeugt wird3.

Bei kleineren Einheiten wird die kompakte Bauweise oft durch den Einsatz gut regelbarer EC-Motoren ergänzt.

Axialventilatoren

Bei Axialventilatoren strömt die Luft entlang der Rotationsachse durch den Ventilator (wie im einfachen Rohraxialventilator in Abbildung 6 dargestellt) – der Druckaufbau wird durch aerodynamischen Auftrieb erzeugt (ähnlich wie bei einem Flugzeugflügel). Diese können vergleichsweise kompakt, kostengünstig und leicht sein und eignen sich besonders zum Bewegen von Luft gegen relativ niedrige Drücke. Sie werden daher häufig in Abluftsystemen verwendet, in denen die Druckverluste geringer sind als in Versorgungssystemen – wobei die Versorgung normalerweise den Druckverlust der gesamten Klimaanlage einschließt Komponenten im Lüftungsgerät. Wenn die Luft einen einfachen Axialventilator verlässt, wird sie aufgrund der Rotation, die der Luft beim Durchgang durch das Laufrad verliehen wird, verwirbelt – die Leistung des Ventilators kann durch nachgeschaltete Leitschaufeln zur Wiederherstellung der Verwirbelung, wie beim Flügelrad, erheblich verbessert werden Der Wirkungsgrad eines Axialventilators ist in Abbildung 7 dargestellt. Die Effizienz eines Axialventilators wird durch die Form des Flügels, den Abstand zwischen der Spitze des Flügels und dem umgebenden Gehäuse sowie die Wirbelrückgewinnung beeinflusst. Die Neigung des Flügels kann verändert werden, um die Leistung des Ventilators effizient zu variieren. Durch die Drehrichtungsumkehr von Axialventilatoren kann auch der Luftstrom umgekehrt werden – allerdings ist der Ventilator so ausgelegt, dass er in der Hauptrichtung arbeitet.

Abbildung 6: Ein Rohraxialventilator

Die Kennlinie von Axialventilatoren weist einen Blockierbereich auf, der sie für Systeme mit sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen ungeeignet machen kann, obwohl sie den Vorteil einer nicht überlastenden Leistungscharakteristik haben.

Abbildung 7: Ein Axialflügelventilator

Flügel-Axialventilatoren können ebenso effizient sein wie rückwärtsgekrümmte Radialventilatoren und sind in der Lage, hohe Strömungen bei angemessenen Drücken (typischerweise etwa 2 kPa) zu erzeugen, obwohl sie wahrscheinlich mehr Lärm erzeugen.

Der Mischstromventilator ist eine Weiterentwicklung des Axialventilators und verfügt, wie in Abbildung 8 dargestellt, über ein konisch geformtes Laufrad, bei dem Luft radial durch die expandierenden Kanäle angesaugt und dann axial durch die geraderichtenden Leitschaufeln geleitet wird. Durch die kombinierte Wirkung kann ein weitaus höherer Druck erzeugt werden, als dies mit anderen Axialventilatoren möglich ist. Wirkungsgrade und Geräuschpegel können denen eines Radialventilators mit Rückwärtskurve ähneln.

Abbildung 8: Inline-Ventilator mit gemischtem Durchfluss

Die Installation des Lüfters

Die Bemühungen, eine effektive Ventilatorlösung bereitzustellen, können durch die Beziehung zwischen dem Ventilator und den lokalen Luftkanälen erheblich beeinträchtigt werden.

Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.01.2022