Ventilatoren für kanalisierte Lüftungssysteme
Dieses Modul befasst sich mit Radial- und Axialventilatoren, die für kanalisierte Lüftungssysteme verwendet werden, und berücksichtigt ausgewählte Aspekte, einschließlich ihrer Eigenschaften und Betriebseigenschaften.
Die beiden in der Gebäudetechnik gebräuchlichen Ventilatortypen für Kanalsysteme werden allgemein als Radial- und Axialventilatoren bezeichnet – der Name leitet sich von der bestimmenden Richtung der Luftströmung durch den Ventilator ab.Diese beiden Typen sind selbst in eine Reihe von Untertypen unterteilt, die entwickelt wurden, um bestimmte Volumenstrom- / Druckeigenschaften sowie andere Betriebsattribute (einschließlich Größe, Geräusch, Vibration, Reinigungsfähigkeit, Wartungsfreundlichkeit und Robustheit) bereitzustellen.
Tabelle 1: In den USA und Europa veröffentlichte Spitzenleistungsdaten für Ventilatoren mit einem Durchmesser von >600 mm
Einige der häufiger anzutreffenden Lüftertypen, die in HLK-Anlagen verwendet werden, sind in Tabelle 1 aufgeführt, zusammen mit indikativen Spitzenwirkungsgraden, die aus Daten gesammelt wurden, die von einer Reihe von US-amerikanischen und europäischen Herstellern veröffentlicht wurden.Darüber hinaus erfreut sich der „Plug“-Lüfter (der eigentlich eine Variante des Zentrifugallüfters ist) in den letzten Jahren wachsender Beliebtheit.
Abbildung 1: Generische Lüfterkurven.Echte Ventilatoren können von diesen vereinfachten Kurven stark abweichen
Charakteristische Lüfterkurven sind in Abbildung 1 dargestellt. Dies sind übertriebene, idealisierte Kurven, und reale Lüfter können durchaus davon abweichen;sie weisen jedoch wahrscheinlich ähnliche Eigenschaften auf.Dies schließt die Bereiche der Instabilität ein, die auf Pendeln zurückzuführen sind, wo der Lüfter zwischen zwei möglichen Durchflussraten bei gleichem Druck oder als Folge des Abwürgens des Lüfters wechseln kann (siehe Abwürgen des Luftstromkastens).Hersteller sollten außerdem bevorzugte „sichere“ Arbeitsbereiche in ihrer Literatur angeben.
Radialventilatoren
Bei Radialventilatoren tritt die Luft entlang ihrer Achse in das Laufrad ein und wird dann mit der Zentrifugalbewegung radial aus dem Laufrad ausgestoßen.Diese Ventilatoren können sowohl hohe Drücke als auch hohe Volumenströme erzeugen.Die meisten herkömmlichen Zentrifugalventilatoren sind in einem Spiralgehäuse (wie in Abbildung 2) eingeschlossen, das dazu dient, die sich bewegende Luft zu lenken und die kinetische Energie effizient in statischen Druck umzuwandeln.Um mehr Luft zu bewegen, kann der Lüfter mit einem Laufrad mit doppelter Breite und doppeltem Einlass ausgestattet werden, wodurch Luft auf beiden Seiten des Gehäuses eintreten kann.
Bild 2: Radialventilator im Spiralgehäuse, mit rückwärts geneigtem Laufrad
Es gibt eine Reihe von Flügelformen, aus denen das Laufrad bestehen kann, wobei die Haupttypen vorwärts und rückwärts gekrümmt sind – die Form des Flügels bestimmt seine Leistung, potenzielle Effizienz und die Form der charakteristischen Lüfterkurve.Die anderen Faktoren, die den Wirkungsgrad des Ventilators beeinflussen, sind die Breite des Flügelrads, der Abstand zwischen dem Einlasskegel und dem rotierenden Flügelrad und der Bereich, der zum Ablassen der Luft aus dem Ventilator verwendet wird (der sogenannte „Blastbereich“). .
Diese Art von Lüfter wurde traditionell von einem Motor mit einer Riemen- und Riemenscheibenanordnung angetrieben.Mit der Verbesserung der elektronischen Geschwindigkeitssteuerung und der zunehmenden Verfügbarkeit von elektronisch kommutierten Motoren ('EC' oder bürstenlos) werden jedoch immer häufiger Direktantriebe verwendet.Dies beseitigt nicht nur die einem Riemenantrieb innewohnenden 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 Reinigungsanforderungen) und erleichtert die Montage kompakter.
Rückwärtsgekrümmte Radialventilatoren
Rückwärtsgekrümmte (oder „geneigte“) Lüfter zeichnen sich durch Schaufeln aus, die von der Drehrichtung weg geneigt sind.Sie können Wirkungsgrade von etwa 90 % erreichen, wenn Tragflügelschaufeln verwendet werden, wie in Abbildung 3 gezeigt, oder mit glatten Schaufeln, die dreidimensional geformt sind, und etwas weniger, wenn einfache gekrümmte Schaufeln verwendet werden, und noch weniger, wenn einfache, rückwärts geneigte Schaufeln mit flacher Platte verwendet werden.Die Luft verlässt die Spitzen des Laufrads mit relativ geringer Geschwindigkeit, so dass die Reibungsverluste innerhalb des Gehäuses gering sind und die Luftgeräusche ebenfalls gering sind.Sie können an den Extremen der Betriebskurve stehen bleiben.Relativ breitere Laufräder liefern die größten Wirkungsgrade und können ohne weiteres die kräftigeren, stromlinienförmig profilierten Schaufeln verwenden.Schlanke Laufräder werden wenig Nutzen aus der Verwendung von Strömungsprofilen ziehen, daher tendieren Sie dazu, flache Plattenschaufeln zu verwenden.Rückwärtsgekrümmte Ventilatoren zeichnen sich besonders durch ihre Fähigkeit aus, hohe Drücke bei geringem Geräusch zu erzeugen, und haben eine nicht überlastende Leistungscharakteristik – das bedeutet, dass die vom Elektromotor aufgenommene Leistung abnimmt, wenn der Widerstand in einem System abnimmt und die Durchflussrate zunimmt .Die Konstruktion von rückwärtsgekrümmten Ventilatoren dürfte robuster und eher schwerer sein als die weniger effizienten vorwärtsgekrümmten Ventilatoren.Die relativ langsame Luftgeschwindigkeit der Luft über die Blätter kann die Ansammlung von Verunreinigungen (wie Staub und Fett) ermöglichen.
Abbildung 3: Darstellung von Laufrädern für Radialventilatoren
Vorwärtsgekrümmte Radialventilatoren
Vorwärtsgekrümmte Ventilatoren zeichnen sich durch eine große Anzahl vorwärtsgekrümmter Schaufeln aus.Da sie in der Regel niedrigere Drücke erzeugen, sind sie kleiner, leichter und billiger als die entsprechenden rückwärts gekrümmten Ventilatoren mit Antrieb.Wie in Abbildung 3 und Abbildung 4 gezeigt, umfasst diese Art von Lüfterrad mehr als 20 Schaufeln, die so einfach sein können, dass sie aus einem einzigen Metallblech geformt werden.Verbesserte Wirkungsgrade werden in größeren Größen mit individuell geformten Schaufeln erzielt.Die Luft verlässt die Schaufelspitzen mit hoher Tangentialgeschwindigkeit, und diese kinetische Energie muss im Gehäuse in statischen Druck umgewandelt werden – das schmälert den Wirkungsgrad.Sie werden typischerweise für niedrige bis mittlere Luftmengen bei niedrigem Druck (normalerweise <1,5 kPa) verwendet und haben einen relativ niedrigen Wirkungsgrad von unter 70 %.Das Spiralgehäuse ist besonders wichtig, um den besten Wirkungsgrad zu erzielen, da die Luft die Spitze der Schaufeln mit hoher Geschwindigkeit verlässt und verwendet wird, um die kinetische Energie effektiv in statischen Druck umzuwandeln.Sie laufen mit niedrigen Drehzahlen und daher sind die mechanisch erzeugten Geräuschpegel tendenziell geringer als bei rückwärts gekrümmten Lüftern mit höherer Drehzahl.Der Lüfter hat eine überlastende Leistungskennlinie, wenn er gegen niedrige Systemwiderstände arbeitet.
Abbildung 4: Vorwärtsgekrümmter Radialventilator mit integriertem Motor
Diese Ventilatoren sind nicht geeignet, wenn die Luft beispielsweise stark mit Staub verunreinigt ist oder Fetttröpfchen mitgerissen werden.
Abbildung 5: Beispiel eines direkt angetriebenen Plug-Fans mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln
Zentrifugalventilatoren mit Radialschaufeln
Der Zentrifugalventilator mit radialen Schaufeln hat den Vorteil, dass er kontaminierte Luftpartikel und hohe Drücke (in der Größenordnung von 10 kPa) bewegen kann, aber bei hohen Drehzahlen ist er sehr laut und ineffizient (<60 %) und sollte es auch nicht sein verwendet für allgemeine Zwecke HVAC.Es leidet auch unter einer überlastenden Leistungscharakteristik – wenn der Systemwiderstand reduziert wird (etwa durch Öffnen der Lautstärkeregler), steigt die Motorleistung und kann je nach Motorgröße möglicherweise „überlastet“ werden.
Plug-Fans
Anstatt in einem Schneckengehäuse montiert zu werden, können diese speziell konstruierten Zentrifugallaufräder direkt im Gehäuse der Luftbehandlungseinheit (oder tatsächlich in jedem Kanal oder Plenum) verwendet werden, und ihre Anschaffungskosten sind wahrscheinlich niedriger als eingehauste Radialventilatoren.Bekannt als „Plenum“-, „Plug“- oder einfach „ungehauste“ Zentrifugalventilatoren, können diese einige Platzvorteile bieten, jedoch auf Kosten einer verlorenen Betriebseffizienz (wobei die besten Wirkungsgrade denen von vorwärtsgekrümmten Zentrifugalventilatoren mit Gehäuse ähneln).Die Ventilatoren saugen Luft durch den Einlasskegel an (wie ein Gehäuseventilator), geben die Luft dann aber radial um den gesamten 360°-Außenumfang des Laufrads ab.Sie können eine große Flexibilität der Auslassanschlüsse (vom Plenum) bieten, was bedeutet, dass möglicherweise weniger benachbarte Biegungen oder scharfe Übergänge im Kanalsystem erforderlich sind, die selbst zum Druckabfall des Systems (und damit zu zusätzlicher Lüfterleistung) beitragen würden.Die Gesamtsystemeffizienz kann verbessert werden, indem Trichtereingänge zu den Kanälen verwendet werden, die das Plenum verlassen.Einer der Vorteile des Plug-Fans ist seine verbesserte akustische Leistung, die größtenteils aus der Schallabsorption innerhalb des Plenums und dem Fehlen von „direkten Sicht“-Wegen vom Laufrad in die Mündung des Kanalsystems resultiert.Die Effizienz hängt stark von der Position des Lüfters innerhalb des Plenums und der Beziehung des Lüfters zu seinem Auslass ab – das Plenum wird verwendet, um die kinetische Energie in der Luft umzuwandeln und so den statischen Druck zu erhöhen.Erheblich unterschiedliche Leistungen und unterschiedliche Betriebsstabilitäten hängen vom Laufradtyp ab – halbaxiale Laufräder (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 Aggregaten wird deren kompakte Bauweise oft durch den Einsatz gut regelbarer EC-Motoren ergänzt.
Axiallüfter
Bei Axialventilatoren durchströmt die Luft den Ventilator entlang der Rotationsachse (wie im einfachen Rohraxialventilator von Abbildung 6 gezeigt) – die Druckbeaufschlagung 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 Druckabfälle geringer sind als in Versorgungssystemen – die Versorgung umfasst normalerweise den Druckabfall der gesamten Klimaanlage Komponenten im Lüftungsgerät.Wenn die Luft einen einfachen Axiallüfter verlässt, wird sie aufgrund der Rotation, die der Luft beim Durchgang durch das Laufrad verliehen wird, verwirbelt – die Leistung des Lüfters kann durch nachgeschaltete Leitschaufeln erheblich verbessert werden, um den Wirbel wie im Flügel zurückzugewinnen Axialgebläse, wie in Abbildung 7 dargestellt. Die Effizienz eines Axialgebläses wird durch die Form der Schaufel, den Abstand zwischen der Spitze der Schaufel und dem umgebenden Gehäuse und die Drallrückgewinnung beeinflusst.Die Blattsteigung kann geändert werden, um die Lüfterleistung effizient zu variieren.Durch die Drehrichtungsumkehr von Axiallüftern kann auch der Luftstrom umgekehrt werden – obwohl der Lüfter so ausgelegt ist, dass er in der Hauptrichtung arbeitet.
Abbildung 6: Ein Röhren-Axiallüfter
Die Kennlinie von Axialventilatoren hat einen Stall-Bereich, der sie für Systeme mit stark variierenden Betriebsbedingungen ungeeignet machen kann, obwohl sie den Vorteil einer nicht überlastenden Leistungscharakteristik haben.
Abbildung 7: Ein Schaufel-Axiallüfter
Schaufel-Axialventilatoren können genauso effizient sein wie rückwärts gekrümmte Zentrifugalventilatoren und sind in der Lage, bei vernünftigen Drücken (typischerweise um 2 kPa) hohe Strömungen zu erzeugen, obwohl sie wahrscheinlich mehr Lärm erzeugen.
Der Mischstromlüfter ist eine Weiterentwicklung des Axiallüfters und hat, wie in Abbildung 8 gezeigt, ein konisch geformtes Laufrad, bei dem Luft radial durch die sich erweiternden Kanäle gezogen und dann axial durch die Richtleitschaufeln geleitet wird.Die kombinierte Aktion kann einen viel höheren Druck erzeugen, als dies mit anderen Axialventilatoren möglich ist.Wirkungsgrade und Geräuschpegel können denen eines Zentrifugalventilators mit Rückwärtskurve ähneln.
Abbildung 8: Mixed-Flow-Inline-Lüfter
Die Installation des Lüfters
Die Bemühungen zur Bereitstellung einer effektiven Lüfterlösung können durch die Beziehung zwischen dem Lüfter und den lokalen Kanälen für die Luft ernsthaft untergraben werden.
Postzeit: 07.01.2022