Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul VENT berechnet den Leistungsbedarf von Ventilatoren: Aus Eintrittstemperatur, Eintrittsdruck und Eintrittsvolumenstrom des Gases, der geforderten Druckerhöhung und dem Ventilatorwirkungsgrad ermittelt es die erforderliche Antriebsleistung. Unterschieden wird dabei die Bauform – saugend (Ventilator hinter dem Apparat, Förderung aus dem Unterdruck) oder drückend (Ventilator vor dem Apparat) –, weil Dichte und Volumenstrom am Ventilatoreintritt vom Aufstellungsort in der Strecke abhängen.
Den Leistungsbedarf eines Ventilators berechnen muss man in nahezu jedem lufttechnischen System des Anlagenbaus: Verbrennungsluft- und Saugzuggebläse an Feuerungen, Kühlluftventilatoren an Luftkühlern und Rückkühlwerken, Prozessabluft, Trocknungsanlagen oder die Belüftung von Gebäuden und Einhausungen. Die Druckerhöhung folgt dabei aus der Druckverlustberechnung der angeschlossenen Strecke (Kanäle, Apparate, Schalldämpfer, Klappen), der Volumenstrom aus der Prozessbilanz.
Das Ergebnis – der Leistungsbedarf an der Ventilatorwelle – ist die Grundlage für die Motorauswahl, die Bewertung der Energiekosten und den Vergleich von Regelkonzepten. Da Ventilatoren oft im Dauerbetrieb laufen, entscheiden schon wenige Prozentpunkte Wirkungsgrad über erhebliche Betriebskosten.
So läuft die Berechnung ab
- Bauform und Ansaugzustand festlegen: Zunächst wird die Ventilatorbauform gewählt (saugend oder drückend). Daraus ergibt sich der thermodynamische Zustand am Ventilatoreintritt: Beim saugenden Ventilator liegen Eintrittsdruck und -dichte unter dem Umgebungswert, der angesaugte Volumenstrom ist entsprechend größer.
- Betriebspunkt definieren: Eintrittstemperatur, Eintrittsdruck und Eintrittsvolumenstrom werden eingegeben; sie bestimmen die Gasdichte am Eintritt und damit die Umrechnung zwischen Massen- und Volumenstrom.
- Druckerhöhung ansetzen: Die erforderliche Gesamtdruckerhöhung des Ventilators wird aus der Druckverlustrechnung der angeschlossenen Anlage übernommen – einschließlich aller Kanäle, Apparate, Klappen und Austrittsverluste am Auslegungsvolumenstrom.
- Leistungsbedarf berechnen: Aus Volumenstrom und Druckerhöhung ergibt sich die theoretische Luftleistung; die Division durch den Ventilatorwirkungsgrad liefert den Leistungsbedarf an der Welle. Für die Motorauswahl kommen Getriebe-/Riemen- und Motorverluste sowie ein Auslegungszuschlag hinzu.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Ventilatorbauform 1 = saugend / 2 = drückend | < > | - |
| Eintrittstemperatur | ϑE | °C |
| Eintrittsdruck | pE | Pa |
| Eintrittsvolumenstrom | VE | m³/s |
| Austrittstemperatur | ϑA | °C |
| Austrittsdruck | pA | Pa |
| Austrittsvolumenstrom | VA | m³/s |
| Druckerhöhung | dp | Pa |
| Ventilatorwirkungsgrad | n | - |
| Hersteller | Lüfterhersteller | - |
| Typ | Lüftertyp | - |
| Geräuschpegel Entfernung | in | m |
| Geräuschpegel Entfernung | in | dB(A) |
| Maximaler Geräuschpegel | m | dB(A) |
| Anzahl der Lüfter | Lüfter | - |
| Schaltung (D=Dreieck/S=Stern) | (D=Dreieck/S=Stern) | - |
| Polanzahl | Polanzahl | - |
| Daten je Motor | ( ) | - |
| Leistungsaufnahme (Nennwert) | (Nennwert) | W |
| Stromaufnahme (Nennwerte) | (Nennwerte) | A |
| Drehzahl (Betriebspunkt) | (Betriebspunkt) | 1/min |
| Leistungsaufnahme (Betriebspunkt) | (Betriebspunkt) | W |
| Stromaufnahme (Betriebspunkt) | (Betriebspunkt) | A |
| Betriebstemperatur | Betriebstemperatur | °C |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Leistungsbedarf | P | W |
Gelöstes Beispiel
Ein drückender Ventilator soll 20 000 m³/h Luft (angesaugt bei 20 °C, 1 bar) gegen eine Gesamtdruckerhöhung von 2 500 Pa fördern. Der Ventilatorwirkungsgrad beträgt 72 %. Gesucht ist der Leistungsbedarf an der Ventilatorwelle.
Gegebene Werte
| Eintrittsvolumenstrom V̇ | 20 000 m³/h = 5,556 m³/s |
| Druckerhöhung Δp | 2 500 Pa |
| Ventilatorwirkungsgrad η | 0,72 |
Lösungsweg
Theoretische Luftleistung
PLuft = V̇ · Δp = 5,556 · 2 500 ≈ 13 890 W ≈ 13,9 kW
Leistungsbedarf an der Welle
PWelle = PLuft / η = 13 890 / 0,72 ≈ 19 290 W ≈ 19,3 kW
Für die Motorauswahl sind zusätzlich Übertragungs- und Motorverluste sowie ein Auslegungszuschlag (üblich 10 bis 15 %) zu berücksichtigen – hier würde man typischerweise einen 22-kW-Normmotor wählen.
Ergebnis
| Luftleistung | ≈ 13,9 kW |
| Leistungsbedarf an der Welle | ≈ 19,3 kW |
| Motorvorschlag | 22-kW-Normmotor |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Warum muss zwischen saugender und drückender Bauform unterschieden werden?
Weil der Ventilator immer den Volumenstrom an seinem Eintritt fördert. Sitzt er saugseitig hinter einem Apparat mit hohem Druckverlust, ist der Eintrittsdruck niedriger und die Dichte kleiner – dasselbe Massenstrom-Förderziel bedeutet dann einen größeren Volumenstrom und damit mehr Leistungsbedarf. Auch die Temperatur am Eintritt (z. B. hinter einem heißen Prozess) wirkt über die Dichte in gleicher Weise.
Welcher Wirkungsgrad ist realistisch anzusetzen?
Das hängt von Bauart und Betriebspunkt ab: Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln erreichen im Bestpunkt etwa 75 bis 85 %, Axialventilatoren ähnliche Werte, einfache Trommelläufer deutlich weniger (50 bis 65 %). Entscheidend ist, dass der Auslegungspunkt nahe dem Wirkungsgradoptimum der Kennlinie liegt – ein überdimensionierter Ventilator, der gedrosselt betrieben wird, verschenkt dauerhaft Energie.
Ist die Druckerhöhung als statischer oder als Gesamtdruck einzusetzen?
Für den Leistungsbedarf ist die Gesamtdruckerhöhung maßgebend, also einschließlich der dynamischen Druckanteile. Herstellerkennlinien werden teils als statische, teils als Gesamtdruckerhöhung angegeben – beim Vergleich von Angeboten und beim Ansetzen der Anlagenkennlinie muss die Definition übereinstimmen, sonst wird der Ventilator falsch dimensioniert.
Muss die Kompressibilität der Luft berücksichtigt werden?
Bei den für Ventilatoren typischen Druckerhöhungen bis etwa 10 000 bis 30 000 Pa ist die Dichteänderung klein und die inkompressible Rechnung P = V̇·Δp/η ausreichend genau. Bei höheren Druckverhältnissen spricht man von Gebläsen bzw. Verdichtern; dann sind polytrope oder isentrope Verdichtungsrechnungen mit Temperaturerhöhung erforderlich.