Ventilatoranlagen: Theorie. Berechnung. Anwendung. Mit Abschnitten über angewandte Strömungslehre, Gestaltung von Radialventilatoren hohen Wirkungsgrades, Ventilatorgeräusch 9783110828801, 9783110037739

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F . MODE

Ventilatoranlagen

Ventilatoranlagen Theorie • Berechnung • Anwendung

Mit Abschnitten über angewandte Strömungslehre Gestaltung von Radialventilatoren hohen Wirkungsgrades Ventilatorgeräusch

von Dipl.-Ing. F R I T Z

MODE

unter M i t w i r k u n g v o n

Dipl.-Ing.

LEONHARD

BOMMES

4. verbesserte und erweiterte Auflage mit 352 Abbildungen und 36 Tabellen im Text, Reibungstafel und Mollier h-x-Tafel

DE

1972 Walter de Gruyter • Berlin • New York

ISBN 3110037734

© Copyright 1972 by Walter de Gruyter & Co., Berlin 30, vormals G . J . Göschen'sche Verlagshandlung, J . Guttentag, Verlagsbuchhandlung, Georg Reimer, Karl J . Trübner, Veit & Comp. Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner F o r m — d u r c h Photokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren—reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Satz und Druck: Walter de Gruyter & Co., Berlin

Dem Gedächtnis meiner lieben Frau Irma Mode

Vorwort In der vorliegenden 4. Auflage sind einige Texte der 3. Auflage neu bearbeitet. Außerdem wird eine größere Zahl von völlig neuen Texten erscheinen. Da das technische Maß-System mit den Einheiten m, kp, s nur noch befristet zugelassen ist, die Umstellung von diesem Maß-System auf das internationale Einheitensystem (MKS-System) mit den Einheiten m, kg, s wegen der damit verbundenen Schwierigkeiten voraussichtlich noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird, sind in der vorliegenden 4. Auflage bei der Lösung der Aufgaben beide Maß-Systeme benutzt worden, um die auch in der Ventilator-Industrie später einmal notwendig werdende Umstellung zu erleichtern. Von Herrn Oberbaurat Dipl.-Ing. LEONHARD B O M M E S , Pesch wurden die Kapitel 1. Ventilatoren, 2. Auswahl der Ventilatoren, 3. Berechnung und Entwurf der Ventilatoren, 4. Luft- und Strömungstechnische Grundlagen, 17. Geräuschfragen, erarbeitet und dem Verfasser für die vorliegende Ausgabe zur Verfügung gestellt, wofür ihm gedankt sei. Es ist dem Verfasser und seinem Mitarbeiter eine angenehme Pflicht, dem Seniorchef der Firma Kessler und Luch, Gießen, Herrn E R N S T K E S S L E R für sein großes Interesse, das er am Zustandekommen dieser Neuauflage durch mancherlei Unterstützung gezeigt hat, zu danken. Ebenso gebührt dem technischen Direktor und Geschäftsführer Herrn K U R T K E S S L E R Dank für seine Mithilfe und die zur Verfügung gestellten wertvollen Forschungsergebnisse an Ventilatoren aus dem Strömungslaboratorium der Firma. Desgleichen sei Herrn Dr. C A R L G R A F SCHÖNBORN, geschäftsführender Gesellschafter der Firma Spelleken, Wuppertal, gedankt für die Überlassung von interessantem Versuchsmaterial an Ventilatoren seiner Firma. Darüber hinaus haben wiederum noch viele andere Firmen bereitwillig Unterlagen zur Verfügung gestellt und somit ebenfalls zum Gelingen dieser 4. Auflage beigetragen. Herr Ing. grad. K. H. B A C H , Beratender Ingenieur, Rheydt, beteiligte sich in dankenswerter Weise an der Umnumerierung der Kapitel und am Korrekturenlesen. Anerkennung gebührt dem Verlag für die sorgfältige Ausführung der neu hinzugekommenen, vielen Abbildungen und die verbesserte Ausstattung des Buches. Homburg v. d. H. Haus Irma, im Sommer 1971

FRITZ MODE

Vorwort zur 2. Auflage Sämtliche Abschnitte der neuen Auflage sind dem heutigen Stand der Technik angepaßt, ergänzt und 2um großen Teil erweitert. Dem Fortschritt in der Entwicklung der Ventilatoren selbst wurde Rechnung getragen. Für die Berechnung der Be- und Entfeuchtungs- sowie der Kühl- und Klimaanlagen ist eine Molliertafel zusätzlich beigefügt, so daß es dem Leser überlassen bleibt, ob er nach dieser Tafel oder mit den algebraischen Formeln unter Benutzung der belassenen Tabellenwerte arbeiten will. Durch Hinzufügung von zahlreichen neuen Anwendungsbeispielen in allen Abschnitten, besonders aber in dem heute so wichtigen Abschnitte der Entstaubung, ist das Buch noch umfassender geworden als bisher und umschließt ziemlich alle in der Praxis vorkommenden Anlagen, bei denen Ventilatoren benutzt werden. 130 neue Abbildungen sind in dieser Auflage neben den belassenen zum Abdruck gelangt und es sei an dieser Stelle den zahlreichen Firmen für die Bereitstellung von neuestem Material, Herrn Dipl.-Ing. Bruno Wiehr für die Hilfe bei der Durchsicht des Manuskriptes und dem Verlage für die Bereitstellung der zahlreichen neuen Klischees und die vorzügliche Ausstattung besonders gedankt. Frankfurt a.

M.,

im Winter 1956/57

FRITZ M O D E

Vorwort zur 3. Auflage In der vorliegenden 3. Auflage, die der 2. Auflage schon in kurzer Zeit folgen kann, sind alle Teile durchgesehen und die meisten ergänzt oder neu bearbeitet. Vor allem wurde der Weiterentwicklung auf den verschiedensten Gebieten der Technik einschließlich der Maßnahmen zur Begegnung atomarer Luftverseuchung weitestgehende Beachtung geschenkt. Aber auch die neuesten Vorschriften der Wärmebedarfsrechnung wurden berücksichtigt. Eine Reihe modernster Anwendungsgebiete ist ebenfalls aufgenommen und besprochen worden. Methoden über Messungen im Betriebe wurden behandelt. Durch diese und weitere Verbesserungen haben sich der Umfang und die Anzahl der Abbildungen nicht unwesentlich erweitert. Den Firmen, die auch für diese 3. Auflage wieder bereitwilligst Unterlagen zur Verfügung stellten, sei für dieses Entgegenkommen gedankt. Homburg v. d. H. Haus Irma, im Winter 1960/61

FRITZ M O D E

Inhaltsverzeichnis Vorwort

VII

1. Ventilatoren 1.1 Ventilator — Betriebsgrößen 1.1.1 Volumenstrom 1.1.2 Gesamtdruckerhöhung 1.1.2.1 Berechnung der Gesamtdruckerhöhung aus den Daten und Abmessungen der Anlage 1.1.2.2 Energieumsatz im Laufrad (Eulersche Hauptgleichung) 1.1.2.3 Berechnung der Gesamtdruckerhöhung aus den Meßwerten am Ventilator 1.1.3 Förderhöhe 1.1.4 Leistungen, Verluste und Wirkungsgrade 1.1.5 Lufterwärmung im Ventilator

1 3 3 3 4 5 11 15 17 20

2. Auswahl der Ventilatoren 2.1 Ventilator-Kenngrößen 2.2 Das Arbeiten mit Ventilator-Kenngrößen 2.3 Bemessungsbeispiele 2.4 Das Arbeiten mit Ventilator-Kennfeldern 2.5 Geräuschentwicklung bei Ventilatoren 2.6 Abschließende Bemerkungen zur Ventilatorauswahl

22 22 25 32 33 41 52

3. Berechnung und Entwurf der Ventilatoren 3.1 Berechnung des Radialrades 3.2 Entwurf der Laufschaufeln 3.3 Zahlenbeispiel für einen Schnelläufer 3.4 Zahlenbeispiel für einen Langsamläufer 3.5 Zahlenbeispiel für einen Normalläufer . 3.6 Berechnung und Entwurf von Spiralgehäusen 3.6.1 Zahlenbeispiel 3.7 Antriebsmaschinen und Regelmethoden 3.7.1 Elektromotoren 3.8 Sonderausführungen 3.9 Meßmethoden

54 54 60 64 67 70 72 74 75 75 78 85

4. Luft- und strömungstechnische Grundlagen 4.1 Begriffe 4.1.1 Stromlinien 4.1.2 Stromröhre 4.1.3 Stromfaden 4.2 Kontinuitätsgleichung 4.2.1 Beispiel für die praktische Anwendung der Kontinuitätsgleichung 4.3 Bernoullische Gleichung 4.3.1 Beispiel für die praktische Anwendung der Bernoullischen Gleichung 4.4 Impulssatz 4.4.1 Beispiel für die praktische Anwendung des Impulssatzes

86 86 86 86 86 87 87 87 88 90 91

X

Inhaltsverzeichnis 4.5 4.6 4.7

Drallsatz Flüssigkeitsreibung Ähnlichkeitsgesetz von Reynolds 4.7.1 Geometrische Ähnlichkeit 4.7.2 Ähnlichkeit der Strömungen 4.8 Oberflächenrauhigkeit 4.9 Strömungsformen 4.9.1 Laminare Strömung im geraden Rohr 4.9.2 Turbulente Strömung im geraden Rohr 4.10 Stationäre Rohrströmung mit Reibung 4.10.1 Widerstandsbeiwert bei turbulenter Strömung 4.11 Strömung in Kanälen mit nicht kreisförmigem Querschnitt 4.12 Besondere Widerstände in offenen und geschlossenen Leitungssystemen 4.12.1 Prötzliche Querschnittserweiterung 4.12.2 Allmähliche Querschnittserweiterung (Diffusor) 4.12.3 Plötzliche Querschnittsverengung 4.12.4 Richtungsänderungen (Krümmer, Knie) 4.12.5 Rohrverzweigungen

94 94 96 96 96 97 97 97 98 99 101 103 103 103 104 105 107 110

5. Lufterneuerungsanlagen 113 5.1 Allgemeine Wirkungsweise 113 5.2 Ausführungsformen .114 5.2.1 Drucklüftung 114 5.2.2 Sauglüftung 115 5.2.3 Ausgeglichene Lüftung 116 5.2.4 Methoden der Lufteinführung 116 5.3 Berechnungsart 116 5.3.1 Bestimmung der Luftmenge 117 5.3.2 Kanalabmessungen 120 5.3.3 Berechnungsbeispiel 122 5.3.4 Kanalabmessungen und Anordnung bei Hochdrucklüftung (Injektorlüftung) . . 125 5.4 Anwendungsgebiete 126 5.4.1 Schulen 126 5.4.2 Büroräume 128 5.4.3 Aborte und Bedürfnisanstalten 130 5.4.4 Kleine und mittlere Küchen 131 5.4.5 Kirchen 131 5.4.6 Kleine Gast- und Vergnügungsstätten 132 5.4.7 Elektrische Zentralen 134 5.4.8 Akkumulatorenräume 137 5.4.9 Transformatorenräume 138 140 5.4.10 Gießereien 5.4.11 Heizkeller und Kesselhäuser 142 5.4.12 Reaktorgebäude 143 5.4.13 Deutsches Atomgesetz und Strahlenschutzrecht 145 5.4.14 Pferde- und Viehställe 146 5.4.15 Bergwerke 147 5.4.16 Waschkaue im Bergwerksbetrieb 157 5.4.17 Tunnellüftung 158 5.4.18 Untergrundbahnlüftung 163 5.4.19 Schiffslüftung (allgemein) 164 5.4.20 Lüftung in Öltankern 166 5.4.21 Flugzeuge 167

Inhaltsverzeichnis

XI

6. Lufterwärmungs- und Luftheizungsanlagen 6.1 Allgemeine Wirkungsweise 6.1.1 Erwärmung durch elektrischen Strom 6.1.2 Erwärmung durch Dampf, Warm- oder Heißwasser 6.1.3 Erwärmung durch Gas 6.2 Ausführungsformen 6.2.1 Zentrale Anlagen 6.2.2 Einzelanlagen 6.2.3 Umluftanlagen 6.2.4 Nachtwärmeanlagen 6.3 Berechnungsart 6.3.1 Ermittlung von Luftmenge und Heizleistung bei Lufterwärmungsanlagen . . . . 6.3.2 Wahl und Bestimmung der Lufterhitzer, Wärmedurchgang 6.3.3 Energiebedarf der Lufterhitzer 6.3.4 Bestimmung von Heizleistung und Luftmenge bei Luftheizungsanlagen 6.3.5 Verwendung der Lufterhitzer als Kühlgeräte 6.4 Anwendungsgebiete 6.4.1 Theater, Großkinos und Konzertsäle 6.4.2 Tresore 6.4.3 Kirchen 6.4.4 Krankenhäuser 6.4.5 Bürohäuser und Verwaltungsgebäude 6.4.6 Werkstätten 6.4.7 Kleingaragen 6.4.8 Durchfahrtheizung 6.4.9 Grubenbetriebe 6.4.10 Laboratorien 6.4.11 Treibhäuser 6.4.12 Hallenbäder

168 168 168 170 170 171 171 172 172 172 173 173 174 176 178 179 179 179 183 185 185 187 188 190 190 192 193 196 196

7. Luftbefeuchtungsanlagen 7.1 Wirkungsweise 7.2 Ausführungsformen 7.2.1 Zentrale Anlagen 7.2.2 Lokale Befeuchtung 7.3 Berechnungsart 7.4 Anwendungsgebiete 7.4.1 Textilindustrie 7.4.2 Druckereien 7.4.3 Tabakindustrie 7.4.4 Andere Fabrikbetriebe 7.4.5 Museen

198 198 198 198 199 201 203 203 204 205 205 205

8. Luftkühl- und Klimaanlagen 8.1 Wirkungsweise der Luftkühlanlagen 8.2 Ausführungsformen 8.2.1 Kühlung durch Verdunstung 8.2.2 Oberflächenkühlung 8.2.3 Eiskühlung 8.2.4 Kältemaschinen 8.3 Wirkungsweise der Klimaanlagen 8.3.1 Kältemaschine als Wärmepumpe 8.3.2 Begriff der Behaglichkeit

206 206 206 206 207 207 208 209 211 212

XII

Inhaltsverzeichnis 8.4

8.5

8.6

Ausführungsformen 214 8.4.1 Regelung von Luftwäschern 217 8.4.2 Andere Regelarten 218 Berechnungsart 220 8.5.1 Begriffe 220 8.5.2 Luftmenge und Kühlleistung 223 8.5.3 Wahl und Bemessung des Oberflächenkühlers 226 8.5.4 Verdunstungskühlung 226 8.5.5 Kältemaschinen 227 Anwendungsgebiete 229 229 8.6.1 Theater und Kinos 8.6.2 Größere Gaststätten 231 8.6.3 Schiffe 232 8.6.4 Klimaanlagen f ü r Eisenbahnwagen 233 8.6.5 Treibhäuser 234 8.6.6 Kühlräume von Gaststätten, Kasinos, Fleischereien und anderen Lebensmittelbetrieben 235 8.6.7 Automatische Telefonzentralen 236 8.6.8 Kühlung elektrischer Maschinen durch Lüftung 238 8.6.9 Luftkondensation 238 8.6.10 Hochhäuser 241

9. Luftfilter 244 9.1 Einteilung 244 9.2 Ausführungsformen 244 9.2.1 Siebfilter 244 9.2.2.1 Prallfilter 247 9.2.2.2 Besondere Filter für kernphysikalische Institute und radioaktive Außenluft 248 9.2.3 Verbindung mehrerer Filterwirkungen 249 9.2.4 Filter für Farbnebelabscheidung 250 9.2.5 Selbstreinigende Prallfilter 251 9.2.6 Selbstreinigende Siebfilter 252 9.2.7 Säureabscheider 255 9.2.8 Keimfilter 256 9.2.9 Luftwäscher 256 9.2.10 Elektrofilter 257 9.3 Ventilator und Luftfilter 259

10. Entnebelungsanlagen 10.1 Wirkungsweise 10.2 Ausführungsformen 10.2.1 Zentrale Luftzuführung 10.2.2 Einzelheizgeräte 10.3 Berechnungsart 10.3.1 Luftmenge 10.3.2 Lufterwärmung 10.4 Anwendungsgebiete 10.4.1 Färbereien 10.4.2 Wäschereien 10.4.3 Textilindustrie 10.4.4 Papiermaschinen 10.4.5 Großküchen 10.4.6 Badeanstalten

262 262 263 264 264 264 265 266 267 267 268 269 269 270 272

Inhaltsverzeichnis

XIII

11. Trockenanlagen 11.1 Wirkungsweise 11.2 Ausführungsformen 11.2.1 Kammertrocknung 11.2.2 Kanaltrocknung 11.2.3 Trommeltrocknung 11.2.4 Stufentrocknung 11.2.5 Trocknung durch Adsorptionsmittel 11.2.6 Mahltrocknung 11.3 Berechnungsart 11.4 Anwendungsgebiete 11.4.1 Holztrocknung 11.4.2 Ledertrocknung 11.4.3 Fischtrocknung 11.4.4 Malztrocknung 11.4.5 Trocknung von pulverförmigem Trockengut 11.4.6 Trocknen von Preßluft 11.4.7 Heutrocknung 11.4.8 Getreidetrocknung

273 273 274 274 275 275 276 276 278 278 281 281 283 284 284 285 285 285 288

12. Künstliche Luftführung bei Feuerungsanlagen 12.1 Wirkungsweise 12.1.1 Künstlicher Zug im Vergleich zum Schornsteinzug 12.1.2 Unterwind bzw. Frischluft, Zweitluft und Saugluft 12.1.3 Ausgeglichenes System 12.2 Ausführungsformen 12.2.1 Unterwind und Saugzug 12.2.2 Indirekte Saugzuganlagen 12.3 Berechnungsart 12.4 Allgemeine Betrachtungen 12.4.1 Bewertung der Zuganzeiger am Kessel 12.4.2 Überlastung des Saugzuglüfters 12.5 Anwendungsgebiete 12.5.1 Landanlagen 12.5.2 Schiffsanlagen 12.5.3 Ölfeuerung

290 290 290 292 294 295 295 297 297 300 300 301 302 302 303 304

13. Entstaubungsanlagen 13.1 Wirkungsweise und Ausführungsformen 13.1.1 Erfassung des Staubes 13.1.2 Abscheidung des Staubes 13.1.3 Verlegungsart 13.1.4 Wärmeverluste 13.1.5 Einzelabsaugung 13.2 Berechnungsart 13.3 Anwendungsgebiete 13.3.1 Holzbearbeitung 13.3.2 Schuhindustrie 13.3.3 Gießereien 13.3.4 Konverter-Entstaubung 13.3.5 Schleifereien und Polierwerkstätten 13.3.6 Staub von Magnesiumlegierungen 13.3.7 Entstaubung von Steinbrüchen 13.3.8 Kohlenindustrie 13.3.9 Zementindustrie

306 306 307 311 322 323 324 324 327 327 330 331 333 333 333 334 335 336

XIV

Inhaltsverzeichnis 13.3.10 Textilindustrie 13.3.11 Entstaubung beim Ausblasen elektrischer Maschinen 13.3.12 Große Staubsauger

338 339 339

14. Absaugeanlagen von Dämpfen und Gasen 14.1 Wirkungsweise und Ausführungsformen 14.1.1 Erfassung 14.1.2 Abschneidung 14.2 Berechnungsart 14.3 Anwendungsgebiete 14.3.1 Beizereien 14.3.2 Rauchabsaugung in Lokomotivschuppen 14.3.3 Akkumulatorenräume 14.3.4 Laboratorien 14.3.5 Entqualmungsanlagen 14.3.6 Farbspritzanlagen 14.3.7 Großgaragen 14.3.8 Schmelzöfen 14.3.9 Kanalentgasung 14.3.10Rauchabsaugung von Schotter-Trockenanlagen

341 341 341 342 343 345 345 345 346 346 347 347 350 351 352 353

15. Pneumatische Förderanlagen 15.1 Wirkungsweise 15.2 Ausführungsformen 15.2.1 Direkte Förderung 15.2.2 Indirekte Förderung 15.2.3 Allgemeine Ausführung 15.3 Berechnungsart 15.3.1 Mischungsverhältnis 15.3.2 Förderleitung 15.3.3 Direkte Förderung 15.3.4 Indirekte Förderung 15.4 Anwendungsgebiete 15.4.1 Förderanlagen für Holzspäne und Sägemehl 15.4.2 Baumwolle und Kapok 15.4.3 Zuckerrohr 15.4.4 Lumpen und Altpapier 15.4.5 Futtermittel 15.4.6 Rohrpostanlagen

354 354 354 354 354 355 357 357 357 358 358 360 360 361 362 362 363 364

16. Rohrleitungen 16.1 Material 16.1.1 Schwarzblech 16.1.2 Verbleites Blech 16.1.3 Verzinktes Blech 16.1.4 Tonrohre 16.1.5 Andere Baustoffe 16.2 Ausführung der Rohre 16.2.1 Nähte 16.2.2 Stöße 16.2.3 Krümmer und Abzweige 16.2.4 Absperrorgane 16.3 Aufhängung 16.4 Öffnungen

369 369 369 369 371 371 371 372 372 372 373 374 374 375

Inhaltsverzeichnis

XV

17. Geräuschfragen 17.1 Bezeichnungen 17.2 Physikalische Größen 17.3 Schallanalyse

377 378 378 380

Literaturverzeichnis

383

Sachverzeichnis

387

1. Ventilatoren Unter Ventilatoranlagen sollen alle diejenigen lufttechnischen Anlagen verstanden werden, die als Hauptmaschine eines Ventilators bedürfen. Die Ventilatoren gliedern sich in zwei Hauptgruppen auf: Radialventilatoren und Axialventilatoren. Darüber hinaus gibt es noch Querstromventilatoren, die z. Z. aber noch eine relativ geringe Rolle spielen. Obwohl die allgemeine Wirkungsweise dieser Strömungsmaschinen und ihre Theorie1 als bekannt vorausgesetzt werden, sollen ihre besonderen Eigenschaften vor allem im Hinblick auf die Auswahl und Ermittlung der Hauptbemessungsgrößen beschrieben und durch Diagramme erläutert werden2. Alle Ventilatoren bezwecken die Förderung eines Gases. Das Volumen wird in der Ventilatortechnik in m 3 angegeben und in der Regel auf die Sekunde bzw. Stunde als Zeiteinheit bezogen. Der Gesamtdruck wird als Summe von statischer und dynamischer Druckdifferenz zwischen Ausblas- und Ansaugstutzen angegeben und in kp/m2 bzw. N/m2 ausgedrückt. (N = Newton; 1 kp = 9,81 N.) Ein Luftdurchsatz bzw. -umlauf in lufttechnischen Anlagen kann nur dann zustande kommen und aufrechterhalten werden, wenn dem Luftstrom so viel Energie zugeführt wird, wie zur Überwindung des Anlagenwiderstandes notwendig ist. Das Kennzeichen eines jeden Ventilators ist das umlaufende, mit Schaufeln besetzte Rad und das stetige Umströmen dieser Schaufeln von Luft oder einem anderen gasförmigen Medium als Energieträger. Das Laufrad wird in der Regel von einem Gehäuse umschlossen, die Strömung in Rohren oder Kanälen zu- und abgeführt. Die hierbei entstehende Druckerhöhung wirkt als Strömungsdruck auf die Schaufeln und erfordert eine bestimmte, von der Welle zu übertragende Antriebsleistung. Das Kreisen der Austrittsströmung, auch Drall genannt, wird durch eine Leitvorrichtung abgefangen. Schematische Übersicht über die einzelnen a)

Ventilatorbauarten: Radialventilator

Der Radialventilator, Abb. 1.1, besitzt ein Laufrad, das die axial zuströmende Luft in die radiale Richtung umlenkt. Die Leitvorrichtung ist als Spiralgehäuse ausgebildet,

Abb. 1.1. Radialventilator. 1

Lit. [1], [2] u. [3], 1

2

Lit. [4],

Mode, Ventilatoranlagen, 4. Aufl.

2

Ventilatoren

welches die Aufgabe hat, der Austrittsströmung den Drall wegzunehmen und die relativ hohe Geschwindigkeitsenergie zu einem großen Teil in Druckenergie umzuwandeln. Die Schaufeln der Laufräder können, in Drehrichtung gesehen, rückwärtsgekrümmt, radialendend oder vorwärtsgekrümmt sein (vgl. hierzu Abb. 1.7). b)

Axialventilator

Beim Axialventilator, Abb. 1.2, wird die Luft in axialer Richtung gefördert und der Austrittsdrall des Laufrades durch ein mit Schaufeln besetztes, feststehendes Leitrad aufgefangen. Eine weitere Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie erfolgt oftmals durch einen Diffusor am Leitradende.

Abb. 1.2. Axialventilator.

c)

Querstromventilator

Der Querstromventilator, Abb. 1.3, setzt sich aus einem Laufrad radialer Bauart mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln und einem diffusorartigen Gehäuse zusammen. Durch die richtige Anordnung der Gehäuseanschlußstellen gelingt es, den Volumenstrom durch das Laufrad quer zur Radachse zu führen. Trotz dieser interessanten Wirkungsweise und den damit verbundenen Gestaltungsmöglichkeiten konnten sich Querstromventilatoren bisher nur im Kleinventilatorenbau behaupten.

Abb. 1.3. Querstromventilator.

Maßgebend für die Auswahl bzw. den ersten Entwurf eines Ventilators sind die Daten: Volumenstrom, Gesamtdruckerhöhung, Drehzahl und Dichte des Fördermediums. Bei Anwendung des Ähnlichkeitsgrundsatzes können mit diesen Daten Bauart, Laufraddurchmesser, Antriebsleistung, Geräuschentwicklung und Bauaufwand bei optimalem Wirkungsgrad bestimmt werden, wie später noch ausführlich gezeigt wird.

3

Ventilator-Betriebsgrößen

1.1 Ventilator-Betriebsgrößen 1.1.1 Volumenstrom Der Volumenstrom wird stets auf den Ansaugzustand bezogen, d. h. auf den absoluten statischen Druck px und die Ansaugtemperatur t1 im Saugstutzen des Ventilators. Ist beispielsweise der geforderte Massenstrom m kg/s gegeben, so erhält man den Volumenstrom, z. B. in m3/s, wie folgt

mit g1 = ^ j . = R (273V t ) Dichte, Tx in °K als absoluter Temperatur und t1 in °C und R als Gaskonstante in kpm/kg °K. R-Werte für einige technisch wichtige Gase sind in Tab. 1.1 aufgeführt. Tabelle 1.1. Gaskonstanten R in kpm/kggrd einiger Gase Luft (trocken) Sauerstoff Stickstoff Wasserstoff Helium Methan Ammoniak Kohlenoxyd Kohlendioxyd Schweflige Säure Azetylen Äthylen Äthan Äthylchlorid Propan Freon 12 Generatorgas Gichtgas Koksofengas Wassergas

(Oa)

(N2) (H2) (He) (CH4) (NH3) (CO) (COa)

(so2)

(C2H2) (C2H4) (C2H6) (C2H5CL) (C3H8) (CF2CL2)

29,3 26,5 30,3 420,7 211,9 52,9 49,8 30,3 19,25 13,2 32,6 30,3 28,2 13,2 19,25 7,02 36,1 30,3 71,5 53,4

1.1.2 Gesamtdruckerhöhung Die Energie, die vom Ventilator zur Deckung der Kanalverluste an den Volumenstrom abzugeben ist, wird a) mit Hilfe des Energiesatzes unter Berücksichtigung der erweiterten Bernoullischen Gleichung aus den Daten und Abmessungen der Anlage berechnet, b) nach der Eulerschen Hauptgleichung für Turbomaschinen über Form, Abmessungen und Drehzahl des Laufrades bestimmt. c) Da diese Berechnungsverfahren naturgemäß noch mit mancherlei Unsicherheiten behaftet sind, ist die tatsächlich vorhandene Energieabgabe des Ventilators durch 1*

4

Ventilatoren

Messung auf dem Prüfstand zu ermitteln. Aus den dabei erhaltenen Meßwerten lassen sich dann für alle geometrisch ähnlichen Ventilatoren die Betriebsdaten einwandfrei berechnen. 1.1.2.1 Berechnung der Gesamtdruckerhöhung aus den Daten und Abmessungen der Anlage

Nach dem Energieprinzip muß die Gesamtdruckerhöhung eines Ventilators immer gleich dem Gesamtwiderstand sein, den das am Ventilator angeschlossene Leitungsnetz dem Volumenstrom entgegensetzt. Unter dem Gesamtwiderstand als Druckverlust darf man sich dabei keinesfalls den statischen Druckabfall im Leitungsnetz vorstellen, wie das vielfach noch irrtümlicherweise angenommen wird. Das ist nur dann der Fall, wenn das Rohrleitungsnetz von Anfang bis Ende einen konstanten Durchflußquerschnitt besitzt. Strömungsverluste gehen nämlich nur als Gesamtdrücke in die Rechnung ein. Nachstehend soll für ein beliebiges Anlagensystem, Abb. 1.4, das von Luft konstanter Dichte (q 1 = g) durchströmt wird, die Energiebilanz aufgestellt werden. Dabei ist noch folgendes zu beachten: Bei den im einzelnen aufgezählten Energien handelt es

m 1.—

Bezugsebene

Abb. 1.4. Symbolische Darstellung einer Ventilatoranlage. 0 - 1 Saugleitung V Ventilator 2 Druckstutzen 2-3 Druckleitung 1 Saugstutzen ' geodätischer Höhenunterschied zwischen Anfang 0 und Ende 3 der Anlage

sich um die spezifischen Energien, also um solche, die auf die Masseneinheit bezogen sind. Die Einheit der Druckenergie pjq erhält man z. B. mit p in N/m2 und p in kg/m3 sofort in Nm/kg. Anders verhält es sich bei der Geschwindigkeitsenergie c2/2, der Verlustenergie g • hv oder der Lageenergie g e, wo sich, das gleiche Maßsystem vorausgesetzt, zunächst einmal die Energieeinheit in m2/s2 ergibt, die erst nach Erweiterung mit kg/kg in die Einheit (kg/kg) • (m2/s2) = (kgm/s2) • (m/kg) = Nm/kg übergeht. Die Einheiten m2/s2 und Nm/kg sind also einander gleichwertig. Der vom Ventilator aus der Atmosphäre angesaugte Luftstrom, Abb. 1.4, besitzt an t>

c2

der Stelle 0 vor dem Eintritt in das Leitungsnetz die Energieanteile

+ ~ . Im Ven-

tilator wird dem Luftstrom von Stelle 1 nach Stelle 2 die Energie

zugeführt. Im

Anlagenaustritt, Stelle 3, hat die Luft noch die Energie — +

+ ge, die um die Ver-

Ventilator-Betriebsgrößen

5

luste ghv des Anlagensystems kleiner ist, als die dem System insgesamt zugeführte Energie. Somit lautet die Energiebilanz Po

,

cu

, Apt

p3

f§

,

„

«

zugeführte = abgeführte Energie Die Ansauggeschwindigkeit e0 ist meist schon in geringer Entfernung von der Saugöffnung gleich Null, so daß p0 dem Atmosphärendruck in der gewählten Bezugsebene (Abb. 1.4) entspricht. Der statische Druck p3 im austretenden Luftstrahl an der Stelle 3 ist gleich dem Atmosphärendruck in der Höhe e, der sich mit Hilfe des hydrostatischen Gesetzes aus dem Bezugsebenendruck p0 wie folgt berechnet 1 Pa

=

Po'

Q&e

Damit erhält man aus der Energiegleichung (1.2) die Beziehung

aus der hervorgeht, daß die vom Ventilator aufzubringende Gesamtenergie sich aus dem Rohmetzwiderstand ghv infolge Wandreibung, Querschnitts- und Richtungsänderung sowie aus der Geschwindigkeitsenergie c\j2 am Luftaustritt zusammensetzt. Der geodätische Höhenunterschied e zwischen Leitungsanfang und Leitungsende hat so lange keinen Einfluß, wie die Dichte des Volumenstromes so groß ist wie die Dichte der die Anlage umgebenden atmosphärischen Luft. Sind Dichteunterschiede zwischen Außenluft und Förderstrom vorhanden, so ergibt sich mit p3 = p0 — oa ge aus der Energiegleichung (1.2) die allgemeinere Beziehung l - f ) ,

d-4)

die besagt, daß der Ventilator durch den Höhenunterschied e zwischen Anlageneintritt und -austritt zusätzlich belastet wird, wenn die Dichte der Außenluft o a < Dichte des Förderstromes q ist. Umgekehrt wird bei Q < Qa der Ventilator zusätzlich entlastet. Letzteres ist z. B. bei Saugzugventilatoren der Fall, die über einen Schornstein die heißen Rauchgase abblasen. Aus den Beziehungen (1.3) und (1.4) geht hervor, daß für den Normalfall (q = oa) die zur Überwindung des Anlagenwiderstandes erforderliche Gesamtdruckerhöhung Apt=Qgbv+\ #2 ist. Demzufolge ist zur Erzielung eines bestimmten Energieumsatzes das erforderliche Laufrad um so kleiner, je mehr die Schaufeln nach vorwärtsgekrümmt sind, d. h. je größer der Schaufelaustrittswinkel ß2 ist. Dieser Vorteil ist aber für die Praxis nur bedingt von Nutzen, denn aus den Geschwindigkeitsdreiecken Abb. 1.7 ist zu ersehen, daß bei der vorwärtsgekrümmten Schaufel die absolute Austrittsgeschwindigkeit c2 am größten ist und damit ein hoher Teil der Energieübertragung Geschwindigkeitsenergie darstellt. Die Notwendigkeit, Geschwindigkeitsenergie wieder in statische Druckenergie umzuwandeln, bringt große Verluste mit sich. Außerdem ist die starke Strömungsumlenkung im Schaufelkanal ebenfalls verlustreich. Daher ist der Wirkungsgrad bei der vorwärtsgekrümmten bzw. radialendenden Schaufel meist wesentlich geringer als bei der rückwärtsgekrümmten, so daß man bei großen Energieumsätzen stets der rückwärtsgekrümmten Schaufel den Vorzug gibt. Wo jedoch relativ große Luftmengen

Ventilator-Betriebsgrößen

9

gegen kleine Drücke bis zu etwa 70 kp/m 2 zu fördern sind und nur wenig Platz zur Aufstellung des Ventilators zur Verfügung steht, bevorzugt man gern die vorwärtsgekrümmte Schaufel. Ohne konstruktive Maßnahmen, z. B. ohne Eintrittsleitrad, strömt die Luft vom Saugstutzen aus betrachtet überall in die radiale Richtung bis zum Schaufelanfang. Die Absolutgeschwindigkeit c1 steht damit senkrecht auf der Umfangsgeschwindigkeit u v Abb. 1.8, so daß clu = 0 ist.

Abb. 1.8. Geschwindigkeitsdreieck am Eintritt für drallfreie Zuströmung.

Für den radialen Lufteintritt vereinfacht sich somit die Eulersche Beziehung (1.10) zu Apth, °o p =

UC

i 2«

/1 1-n O- 1 1 )

Gl. (1.11) stellt für Ventilatoren den Normalfall dar, da Eintrittsräder verhältnismäßig teuer sind und praktisch nur dann eingesetzt werden, wenn bei konstanter Drehzahl eine Leistungsregelung mit verstellbaren Leitschaufeln vorgenommen werden soll. Nach der Eulerschen Pumpentheorie verläßt der Massenstrom den Schaufelkanal mit der Relativgeschwindigkeit wi in Richtung des Schaufelaustrittswinkels ß2. In Wirklichkeit ist dies jedoch nicht der Fall, da mit endlicher Schaufelzahl die Führung der Luft um so geringer wird, je kleiner die Schaufelzahl ist. Die Strömung wird entgegen der Drehrichtung des Laufrades abgelenkt, so daß der mittlere Austrittswinkel stets kleiner als der Schaufelwinkel ß2 ist. Nach der elementaren Pumpentheorie stellt man sich das so vor, daß die Umfangskomponente der absoluten Austrittsgeschwindigkeit von c2u auf einen kleineren Wert abfällt, den man cau nennt. Das Geschwindigkeitsdreieck im Laufradaustritt ändert sich dann gemäß Abb. 1.9. yc2

Abb. 1.9. Einfluß der endlichen Schaufelzahl auf das Geschwindigkeitsdreieck am Austritt des Laufrades.

Gleichzeitig vermindert sich dabei auch der theoretisch erzielbare Förderdruck von A p t h x = QU2c2u gemäß Gl. (1.11) auf Apai = Qf^au

(1.12)

10

Ventilatoren

Das Verhältnis ~

= J^f01

ist der sogenannte Minderleistungsfaktor /x, der sich für

Radialräder nach einer Näherungstheorie von C. /1 i i \

Apth

( U 3 )

=

-

1+

wie folgt berechnen läßt

PFLEIDERER 1

1 2?

'

worin D J D 2 das Durchmesserverhältnis des Laufrades, ^ die Schaufelzahl und tp' eine Erfahrungszahl bedeuten. PFLEIDERER empfiehlt für Radialräder mit rückwärts gekrümmten Schaufeln in Spiralgehäusen: (1.14)

i

= ( 0 , 6 5 bis 0,85) ( l + - §

wobei ß 2 in Grad einzusetzen ist. Es ist jedoch leicht einzusehen, daß wegen des im Ventilatorenbau vorhandenen großen Reichtums an Schaufelformen für ip' nicht immer eine so einfache Gesetzmäßigkeit wie nach Gl. (1.14) gegeben ist. In solchen Fällen ist man dann auf die betriebseigene Erfahrung angewiesen. Für Radialventilatoren hohen Wirkungsgrades, deren Entwicklung vor etwa zwei Jahrzehnten einsetzte (Lit. [30]), wurde die Brauchbarkeit der Gl. (1.14) durch sorgfältig durchgeführte Messungen an über 30 verschiedenen Typen im Bereiche nq = 20 bis 100 überprüft. Wie das in Abb. 1.9 a dargestellte Ergebnis zeigt, liegen die Meßergebnisse von mehr als 80% der untersuchten Ventilatoren innerhalb des von PFLEIDERER empfohlenen Bereiches von 0,65 bis 0,85.

20°

Abb. 1.9a. Erfahrungszahl

w'

ß?

30°

A0°

50°

60°

in Abhängigkeit v o m Schaufelaustrittswinkel ß

2

für Radialven-

1+ A

^ 60 tilatoren hohen Wirkungsgrades (aus Lit. [32]). A Kessler + Luch-Ventilatoren

O Spelleken-Ventilatoren

Bei den bisherigen Überlegungen wurden alle Reibungseinflüsse vollständig vernachlässigt. Da in Wirklichkeit jedoch immer reibungsbehaftete Strömung vorliegt, ist die 1

Näheres Lit. [1], Kap. 21 u. 22.

Ventilator-Betriebsgrößen

11

tatsächlich er2ielbare Gesamtdruckerhöhung Ap t um die Reibungsverluste kleiner als der theoretische Förderdruck Apm gemäß Gl. (1.12). Somit ist die wirkliche Gesamtdruckerhöhung eines Ventilators bei drallfreiem Eintritt (clu = 0): Apt = Apth-rjh = Qu^/urjh

(1.15)

Der hydraulische Wirkungsgrad r/h in Gl. (1.15) berücksichtigt die Reibungsverluste des Ventilators. Er ist vor allem stark von der Laufradform abhängig und kann bei rückwärtsgekrümmten und strömungstechnisch günstig gestalteten Schaufeln Werte von 0,85 und mehr annehmen (vgl. hierzu Ausführungen in Abschn. 1.1.4). 1.1.2.3 Berechnung der Gesamtdruckerhöhung aus den Meßwerten am Ventilator

Die Gesamtenergie, die ein Ventilator an den Förderstrom abgibt, kann wie folgt ermittelt werden 1 : Zunächst wird die lufttechnische Anlage, Abb. 1.4, durch eine geeignete Prüfstrecke ersetzt, die eine exakte Messung des Volumenstromes sowie der statischen Drücke unmittelbar vor und hinter dem Ventilator an den Stellen 1 und 2, Abb. 1.10, gestattet. Das ganze Meßverfahren ist in der VDI-Richtlinie: Abnahme- und Leistungsversuche an Ventilatoren, VDI-2044, genormt.

1 , Abb. 1.10. Schematische Darstellung eines saug- und druckseitig angeschlossenen Ventilators.

Für den an seine Prüfstrecke angeschlossenen Ventilator, Abb. 1.10, lautet nun die Energiebilanz 2 :

t1-16) zugeführte = abgeführte Energie In den allermeisten Fällen kann der geodätische Energieanteil g y vernachlässigt werden, so daß sich bei Auflösung von Gl. (1.16) nach der Gesamtdruckerhöhung die folgende Beziehung ergibt: Api = p2 — A + 1 2

( f l — 4)

(1.17)

Lit. [2] u. [5], f j und c2 in Gl. (1.16) bedeuten die mittlere Geschwindigkeit im Meßquerschnitt und unmittelbar vor bzw. hinter dem Ventilator. Wird an irgendeiner Stelle der Prüfstrecke der Volumenstrom V gemessen, so erhält man sie nach der Kontinuitätsbeziehung c = VIA. ct bzw. c2 darf nicht mit der absoluten Geschwindigkeit c1 bzw. c2 am Schaufeleintritt und -austritt verwechselt werden.

12

Ventilatoren

In der Praxis ist es üblich, statt mit absoluten statischen Drücken px und p2, mit den statischen Druckdifferenzen pa — p1 = A psl und p2 — pa = A psi zu arbeiten, da man sie unmittelbar gegen den Atmosphärendruck pa messen kann (Abb. 1.11).

t S .

Pd 2

Atmosphärendruck

¿Ps?

pg f

dpt

¿Ps, i

n

n

u

E

T

i

; w,

h Abs. Null f

Abb. 1.11. Saug- und druckseitig angeschlossener Ventilator mit graphischer Darstellung der Einzeldrücke und des Gesamtdruckes.

Bezeichnet man der Einfachheit halber noch den dynamischen Druck kann man die Beziehung für den Gesamtdruck wie folgt umformen:

¿2 mit pd, so

Apt = A — A + y Ol — = Pa + ¿Pn

(1.18)

Apt

= Aps2

+ Apsl

~

(Pa — + pd2

+ T

4 ~

'l

—pdl

Abb. 1.11 verdeutlicht die Druckverhältnisse am saug- und druckseitig angeschlossenen Ventilator. Wie man aus Gl. (1.18) und Abb. 1.11 unmittelbar erkennen kann, setzt sich der Gesamtdruck Ap t zusammen aus der statischen Druckerhöhung A psl 2 = p2 —px = A ps2 + A psl und der dynamischen Druckdifferenz Apd = pai — Pdi = y if'i —

•

Die statische Druckerhöhung Ap s1 2 kann nun kleiner, gleich oder größer sein als die Gesamtdruckerhöhung Ap t . Das hängt ganz von der Größe des Ansaugquerschnittes A1 und des Ausblasquerschnittes A2 ab.

13

Ventilator-Betriebsgrößen

Drei Fälle sind zu unterscheiden: a) A 2 < A i ; hieraus folgt: c2 > b) A2 =

Apd > 0; Apslj2

Ai; hieraus folgt: c2
2 > Apt

Je nach Konstruktion des Ventilatorgehäuses kann also der Fall eintreten, daß die •statische Druckerhöhung kleiner, gleich oder größer als die Gesamtdruckerhöhung ist. Bei der Auswertung von Meßergebnissen bzw. Angabe von statischen Druckdifferenzen müssen daher immer Ansaugquerschnitt A1 und Ausblasquerschnitt A2 des Ventilators berücksichtigt werden, andernfalls man Gefahr läuft, daß sich große Fehler einschleichen, die eine noch so exakt durchgeführte Widerstandsberechnung verfälschen. Außer diesen konstruktiven Einflüssen spielt auch die Einbauanordnung eine große Rolle. Neben dem bereits behandelten saug- und druckseitigen Betrieb sind noch folgende Fälle von Bedeutung: a) nur saugseitiger Betrieb, b) nur druckseitiger Betrieb. Z u a) nur saugseitiger Betrieb: Der Ventilator ist nur an seiner Saugseite angeschlossen und bläst frei gegen die Atmosphäre aus. Abb. 1.12 gibt den Druckverlauf für diese Anordnung wieder. Der Druck im frei austretenden Luftstrahl ist immer gleich dem Atmosphärendruck, solange die Ausblasgeschwindigkeit kleiner als die Schallgeschwindigkeit ist, was bei

Atmosphärendruck

pa

f

P2=P» P; Abs. Null

f

A b b . 1.12. Nur saugseitig angeschlossener Ventilator mit graphischer Darstellung der Einzeldrücke und des Gesamtdruckes.

14

Ventilatoren

Ventilatoren stets zutrifft. Daraus folgt, daß Aps2 = 0 ist, so daß gemäß Gl. (1.18) der Gesamtdruck für den nur saugseitigen Betrieb in (1.19)

Apt = Apsl

+ pdt

—pd!

übergeht. Bei Flächengleichheit (A, = A2) ist pdl = pd2 und damit (1.20)

Apt'=Apn

Gesamtdruckerhöhung und statische Druckerhöhung sind im letzteren Falle also gleich groß. Beim frei ausblasenden Ventilator pflegt man häufig am Austritt einen Diffusor anzubringen. Hierdurch wird A2 > A1 und damit Apd negativ. Trotz des Diffusorverlustes kann mit einer spürbaren Verringerung des Gesamtdruckes und damit des Anlagenwiderstandes gerechnet werden, weil der Luftstrom dann mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeitsenergie in die Atmosphäre gepumpt wird. Zu b) nur druckseitiger Betrieb: Der Ventilator ist an seiner Druckseite angeschlossen und saugt frei aus der Atmosphäre an. Die Ansaugluft kann dem Ventilator praktisch verlustlos zugeführt werden, wenn an seinem Saugstutzen eine gut gerundete Einlaufdüse angebracht wird. Ohne eine solche Saugdüse sollte man jedoch einen frei saugenden Ventilator niemals in Betrieb setzen, da sonst nicht nur unnötige Saugverluste, sondern auch noch unangenehme Störgeräusche als Folge des verwirbelten Saugstromes auftreten. Abb. 1.13 gibt den Druckverlauf für die druckseitige Anordnung wieder.

1

4ps.

4pt

P2 Atmosphärendruck

K

T

pa f

yps>

t **>

Abs. Null f Abb. 1.13. Nur druckseitig angeschlossener Ventilator mit graphischer Darstellung der Einzeldrücke und des Gesamtdruckes.

15

Ventilator-Betriebsgrößen

Die Ableitung der Gesamtdruckerhöhung bringt für den nur druckseitigen Betrieb des Ventilators mit Einlaufdüse folgendes Ergebnis: Wegen der praktisch verlustlosen Einlaufdüse gilt für die Saugseite die Bernoullische Gleichung Pa = Pl +

= A + P a = P a — Apsl + p d

1;

woraus folgt, daß A pn = pdl ist. Die Beziehung gemäß Gl. (1.18) geht somit für diesen Sonderfall über in (1.21)

Apt = Aps2+pd2 1.1.3 Förderhöhe

Nach der unter Ziffer 1.1.2 gemachten Voraussetzung (Q = konst.) existiert zwischen Förderhöhe Ht und Gesamtdruckerhöhung A pt folgender Zusammenhang: H,=

Apt ß-g

(1.22)

Obwohl diese Beziehung streng genommen nur für inkompressible Medien gilt, kann sie doch für ein kompressibles Fördergut, bei dem sich Q mit der Druckzunahme vergrößert, im Bereich eines relativen Druckzuwachses A psl