Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul QVEN berechnet den Leistungsbedarf von Ventilatoren nach der Energietechnischen Arbeitsmappe (14. Auflage). Aus Volumenstrom, Druckerhöhung und Ventilatorwirkungsgrad ergibt sich die an der Welle aufzubringende Antriebsleistung — die Grundlage für die Motorauswahl und die Bewertung der Betriebskosten.
Den Leistungsbedarf eines Ventilators berechnen zu können, gehört zum Alltag in der Energie- und Verfahrenstechnik: bei Frischlüftern und Saugzuggebläsen von Feuerungsanlagen, bei Kühlturm- und Luftkühler-Ventilatoren, in Trocknungs- und Abluftanlagen. Temperatur und Eintrittsdruck gehen in die Betrachtung ein, weil sie die Gasdichte und damit den Zusammenhang zwischen Volumenstrom, Massenstrom und Druckerhöhung bestimmen.
Da Ventilatoren nur geringe Druckverhältnisse erzeugen, darf das Fördermedium als inkompressibel behandelt werden — die Leistung folgt dann unmittelbar aus dem Produkt von Volumenstrom und Totaldruckerhöhung, dividiert durch den Wirkungsgrad. Bei größeren Druckverhältnissen ist stattdessen eine Verdichterrechnung mit Verdichtungsarbeit erforderlich.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Energietechnische Arbeitsmappe 14. Auflage: 1995
So läuft die Berechnung ab
- Betriebsdaten erfassen: Eingegeben werden der Volumenstrom, die Temperatur und der Eintrittsdruck des Gases sowie die geforderte Druckerhöhung. Volumenstrom und Druckerhöhung müssen sich auf denselben Zustand — üblicherweise den Ansaugzustand — beziehen.
- Druckerhöhung als Totaldruck ansetzen: Maßgebend ist die Totaldruckerhöhung des Ventilators, also die Summe aus statischer Druckerhöhung und Änderung des dynamischen Drucks zwischen Saug- und Druckstutzen. Sie ergibt sich aus der Druckverlustberechnung des angeschlossenen Kanal- oder Rauchgasweges.
- Ideale Förderleistung bilden: Die verlustfreie Leistung ergibt sich als Produkt aus Volumenstrom und Totaldruckerhöhung. Wegen des kleinen Druckverhältnisses von Ventilatoren ist keine Kompressibilitätskorrektur erforderlich.
- Wirkungsgrad berücksichtigen: Division durch den Ventilatorwirkungsgrad liefert den Leistungsbedarf an der Ventilatorwelle. Für die Motorauslegung kommen zusätzlich Getriebe-, Riemen- und Motorwirkungsgrad sowie ein Auslegungszuschlag hinzu.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Volumenstrom | V∙ | m³/s |
| Temperatur | ϑ | °C |
| Eintrittsdruck | p1 | Pa |
| Druckerhöhung | dP | Pa |
| Ventilatorwirkungsgrad | n | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Leistungsbedarf | P | W |
Gelöstes Beispiel
Ein Saugzugventilator fördert V̇ = 8 m³/s Rauchgas und muss eine Totaldruckerhöhung von Δp = 2 500 Pa aufbringen. Der Ventilatorwirkungsgrad beträgt η = 0,78. Gesucht ist der Leistungsbedarf an der Welle.
Gegebene Werte
| Volumenstrom V̇ | 8 m³/s (= 28 800 m³/h) |
| Druckerhöhung Δp | 2 500 Pa |
| Ventilatorwirkungsgrad η | 0,78 |
Lösungsweg
Verlustfreie Förderleistung
Pideal = V̇ · Δp = 8 · 2 500 W = 20 000 W = 20,0 kW
Leistungsbedarf an der Welle
P = V̇ · Δp / η = 20 000 / 0,78 W
P ≈ 25 641 W ≈ 25,6 kW
Für die Motorauswahl kommen Motorwirkungsgrad und ein Auslegungszuschlag hinzu; gewählt würde hier typischerweise ein 30-kW-Normmotor.
Ergebnis
| Leistungsbedarf P | 25,6 kW |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Bis zu welcher Druckerhöhung darf ich einen Ventilator inkompressibel rechnen?
Als Faustregel gilt die einfache Beziehung P = V·Δp/η bis zu Druckerhöhungen von etwa 3 000 Pa mit vernachlässigbarem Fehler; bis rund 10 000 Pa (Druckverhältnis ca. 1,1) bleibt der Fehler meist unter einem Prozent. Darüber hinaus sollte mit der Verdichtungsarbeit gerechnet werden, wie es Verdichtermodule tun — die Dichteänderung während der Druckerhöhung ist dann nicht mehr vernachlässigbar.
Welcher Wirkungsgrad ist gemeint — und welche typischen Werte sind realistisch?
Gemeint ist der Gesamtwirkungsgrad des Ventilators (innere Verluste plus mechanische Verluste), bezogen auf die Wellenleistung. Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln erreichen etwa 0,75 bis 0,85, einfache Trommelläufer deutlich weniger, große Axialventilatoren bis über 0,85. Der Motorwirkungsgrad ist darin nicht enthalten und muss für die elektrische Aufnahmeleistung zusätzlich berücksichtigt werden.
Warum spielt die Gastemperatur eine Rolle, obwohl sie in P = V·Δp/η nicht direkt vorkommt?
Temperatur und Eintrittsdruck bestimmen die Gasdichte. Die Druckerhöhung, die ein Ventilator bei fester Drehzahl erzeugt, ist proportional zur Dichte — ein für heißes Rauchgas ausgelegter Saugzug erzeugt beim Kaltstart mit dichter Luft eine deutlich höhere Druckerhöhung und nimmt entsprechend mehr Leistung auf. Die Motorauslegung muss diesen Kaltstartfall abdecken.