Der Ventilator-Volumenstrom gibt das Luftvolumen an, das ein Ventilator pro Zeiteinheit fördert, und wird in Kubikmeter pro Stunde angegeben. Die Berechnung erfolgt mit zwei Angaben: dem Kanalquerschnitt und der Luftgeschwindigkeit in diesem Querschnitt.
Wird der Volumenstrom falsch berechnet, entstehen in beide Richtungen Probleme. Ein zu klein gewählter Ventilator lässt die Absaugung schwach, ein zu groß gewählter verschwendet Energie und belastet die Leitung unnötig.
Was ist der Ventilator-Volumenstrom?
Der Ventilator-Volumenstrom ist die Luftmenge, die der Ventilator in seinem Betriebspunkt fördert. Gemeint ist nicht der höchste Wert im Katalog, sondern der tatsächliche Wert, den er beim Widerstand der angeschlossenen Leitung liefert.
Diese Unterscheidung ist entscheidend. Gibt der Katalog für einen Ventilator 25.000 Kubikmeter pro Stunde an, gilt dieser Wert bei null Druck; sobald er an Kanal und Filter angeschlossen wird, steigt der Widerstand und der Volumenstrom sinkt. Der tatsächliche Volumenstrom des Ventilators wird im Schnittpunkt von Ventilatorkennlinie und Anlagenkennlinie abgelesen. Derselbe Ventilator kann in zwei verschiedenen Anlagen zwei verschiedene Volumenströme liefern, denn maßgeblich ist nicht der Ventilator selbst, sondern der Widerstand der Leitung, an die er angeschlossen ist.
Wie berechnet man den Ventilator-Volumenstrom?
Die Berechnung des Ventilator-Volumenstroms beginnt beim Bedarf der Anlage, nicht beim Ventilator. Zuerst wird ermittelt, wie viel Luft die Leitung absaugen muss, und anhand dieses Werts wird der passende Ventilator ausgewählt.
- Absaugstellen festlegen, Größe und Anzahl der Absaugöffnungen jeder Maschine auflisten
- Erfassungsgeschwindigkeit wählen, die erforderliche Luftgeschwindigkeit je nach Staubbeschaffenheit bestimmen
- Volumenströme der Absaugstellen berechnen, jede Stelle durch Multiplikation von Öffnungsquerschnitt und Geschwindigkeit ermitteln
- Gleichzeitigkeit anwenden, den Anteil der gleichzeitig betriebenen Stellen berücksichtigen
- Gesamtvolumenstrom ermitteln, die Werte der einzelnen Stellen addieren
- Druckverlust hinzurechnen, Widerstand von Kanal, Bögen und Filter berechnen
- Ventilator auswählen, das Modell bestimmen, das Volumenstrom und Druck gemeinsam abdeckt
Wird diese Reihenfolge umgekehrt, sind Fehler unvermeidlich. Unternehmen, die bereits einen Ventilator besitzen, versuchen meist, den Volumenstrom anhand des Ventilators zu berechnen, gehen also von dem Wert aus, den der vorhandene Ventilator liefern kann. Eine Berechnung ausgehend vom Ventilator ist nur für eine Kapazitätsprüfung sinnvoll; bei einer Neuanlage ist es richtig, bei der Leitung zu beginnen.
Formel zur Berechnung des Ventilator-Volumenstroms
Die Formel für den Volumenstrom beruht auf dem Produkt aus Querschnittsfläche und Luftgeschwindigkeit. Wird ein Stundenwert benötigt, wird das Ergebnis mit 3.600 multipliziert.
| Größe | Symbol | Einheit | Beispielwert |
|---|---|---|---|
| Volumenstrom | Q | m³/h | 21.600 |
| Querschnittsfläche | A | m² | 0,4 |
| Luftgeschwindigkeit | v | m/s | 15 |
| Luftdichte | ρ | kg/m³ | 1,2 |
| Statischer Druck | Δp | Pa | 2.500 |
Die Formel zur Volumenstromberechnung lautet Q = A × v × 3.600. Wurde in einem Kanal mit 0,4 m² Querschnitt eine Luftgeschwindigkeit von 15 m/s gemessen, lautet die Rechnung 0,4 × 15 × 3.600, und der Volumenstrom beträgt 21.600 m³/h. Bei runden Kanälen wird die Querschnittsfläche über den Durchmesser bestimmt; die Fläche eines Kanals mit 400 Millimetern Durchmesser beträgt 0,1256 m². Bei Anwendung der Formel muss die Geschwindigkeit als Mittelwert über den Querschnitt gemessen werden und nicht in der Kanalmitte, sonst fällt das Ergebnis zu hoch aus.
Zusammenhang zwischen Ventilatordruck und Volumenstrom
Bei der Berechnung von Druck und Volumenstrom darf nicht vergessen werden, dass sich beide gegenläufig verhalten. Je höher der Widerstand der Leitung, desto geringer der Volumenstrom, den derselbe Ventilator fördert.
Der Anlagenwiderstand wächst mit dem Quadrat des Volumenstroms: Soll der Volumenstrom verdoppelt werden, vervierfacht sich der Druckverlust. Bezogen auf die Ventilatordrehzahl wird der Zusammenhang durch die Ventilatorgesetze beschrieben. Wird die Drehzahl von 1.500 auf 1.800 erhöht, beträgt das Verhältnis 1,2; der Volumenstrom steigt um das 1,2-Fache, der Druck um das 1,44-Fache und der Leistungsbedarf um das 1,728-Fache. Deshalb wird die Berechnung von Druck und Volumenstrom bei Drehzahländerungen stets zusammen mit einer Leistungsprüfung durchgeführt.
Volumenstromberechnung nach Ventilatortyp
Die Formel ist bei jedem Ventilatortyp dieselbe; es ändert sich nur, welcher Druckwert zugrunde gelegt wird. Der Ventilatortyp wird nach dem Widerstand der Leitung ausgewählt.
Ein Teil der Unterschiede ergibt sich aus der Benennung. Der Radialventilator ist technisch gesehen ein Untertyp der Zentrifugalventilatoren mit geraden Schaufeln, am Markt werden beide jedoch wie getrennte Produkte gesucht. Für die Berechnung gibt es keinen Unterschied; dieser zeigt sich erst darin, welcher Wirkungsgrad und welcher Druckverlust verwendet werden.
Volumenstromberechnung für Radialventilatoren
Die Volumenstromberechnung für Radialventilatoren erfolgt auf Basis des Widerstands des verschmutzten Filters. Da das Laufrad mit geraden Schaufeln staubhaltige Luft fördert, steigt der Widerstand der Leitung mit der Zeit; wird mit dem Wert des sauberen Filters gerechnet, reicht der Ventilator nach sechs Monaten nicht mehr aus.
Bei staubführenden Leitungen werden der Druck des verschmutzten Filters, ein Zuschlag für Staubablagerungen und die Bogenverluste in die Berechnung einbezogen. Bei der Auswahl eines Radialventilators ergibt sich die Leistung, indem das Produkt aus Volumenstrom und Druck durch den Ventilatorwirkungsgrad geteilt wird. Nach Abschluss der Volumenstromberechnung wird der Betriebspunkt auf der Ventilatorkennlinie markiert.
Volumenstromberechnung für Axialventilatoren
Die Volumenstromberechnung für Axialventilatoren folgt dem Prinzip hoher Volumenstrom bei niedrigem Druck. Da die Luft parallel zur Laufradachse strömt, fördert diese Gruppe große Volumina mit wenig Energie.
Ist das Kanalnetz kurz und gibt es keinen Filterwiderstand, kann die Volumenstromberechnung für Axialventilatoren direkt über das Volumen erfolgen. In Systemen mit Filter reicht dieser Typ allein jedoch nicht aus, da sein Volumenstrom bei steigendem Widerstand rasch abfällt. Rauchabzug und Raumlüftung sind das eigentliche Einsatzgebiet dieser Gruppe; bei staubabsaugenden Leitungen wechselt man zu den Zentrifugalventilatoren.
Volumenstromberechnung für Zentrifugalventilatoren
Die Volumenstromberechnung für Zentrifugalventilatoren erfolgt je nach Schaufelform mit unterschiedlichen Wirkungsgraden. Rückwärts gekrümmte Schaufeln haben einen hohen Wirkungsgrad, mit vorwärts gekrümmten Schaufeln erzielt man aus demselben Gehäuse einen größeren Volumenstrom.
Der in der Berechnung verwendete Wirkungsgrad beeinflusst das Ergebnis unmittelbar. Wird bei der Berechnung für einen Zentrifugalventilator ein Wirkungsgrad von etwa 0,7 angesetzt, ergibt sich für 6 m³/s Volumenstrom und 2.500 Pa Druck ein Leistungsbedarf von 21,4 Kilowatt. In der Gruppe der Spiralgehäuseventilatoren ändert sich dieser Wert je nach Schaufeltyp.
Volumenstromberechnung für Lüftungsventilatoren
Die Volumenstromberechnung für Lüftungsventilatoren erfolgt über das Raumvolumen und die Luftwechselrate. Die Formel lautet Q = V × n, wobei V das Raumvolumen und n die Anzahl der Luftwechsel pro Stunde ist.
Wird in einer Werkstatt mit 2.000 Kubikmetern Volumen ein 6-facher Luftwechsel pro Stunde angestrebt, ergibt sich ein Volumenstrom von 12.000 m³/h. Die Luftwechselrate wird nach der Art des Raums gewählt; in Bereichen mit Schweiß- und Lackierarbeiten steigt dieser Wert. Zusätzlich zum ermittelten Wert wird bei der Lüftungsberechnung auch die Frischluftzufuhr gesondert geplant.
Wie berechnet man den Massenstrom eines Ventilators?
Der Massenstrom eines Ventilators ergibt sich durch Multiplikation des Volumenstroms mit der Luftdichte. Die Formel lautet ṁ = Q × ρ, das Ergebnis wird in Kilogramm pro Stunde angegeben.
Da sich die Dichte mit der Temperatur ändert, ist diese Berechnung bei Heißgasleitungen unerlässlich. Die Dichte, die bei 20 Grad Celsius 1,2 kg/m³ beträgt, sinkt bei 200 Grad auf 0,75 kg/m³. Derselbe Volumenstrom von 21.600 m³/h transportiert unter Normalbedingungen 25.920 kg/h, bei 200 Grad dagegen nur 16.100 kg/h – ein Massenverlust von 38 Prozent. Wird die Massenstromberechnung ausgelassen, füllt ein in eine Heißgasleitung eingebauter Ventilator zwar das Gehäuse, fördert aber nicht die erforderliche Masse.
Volumenstrom- und Druckwerte bei der Ventilatorauswahl
In der Angebotsphase werden zwei Werte zusammen angegeben: Volumenstrom und statischer Druck. Wird nur der Volumenstrom genannt, lässt sich kein passender Ventilator auswählen, denn Dutzende Ventilatoren mit gleichem Volumenstrom erzeugen sehr unterschiedliche Drücke.
Da Katalogwerte für Standardluftbedingungen gelten, wird bei heißen oder hoch gelegenen Anlagen eine Korrektur vorgenommen. Wichtig ist, dass der Betriebspunkt auf der Ventilatorkennlinie nahe am Wirkungsgradoptimum liegt; ein Ventilator, der in den Randbereichen arbeitet, ist laut und verbraucht mehr Energie. Wenn Sie unser Angebotsformular mit den Volumenstrom- und Druckdaten Ihrer Leitung ausfüllen, bestimmen wir gemeinsam den passenden Ventilatortyp.
Worauf bei der Berechnung des Ventilator-Volumenstroms zu achten ist
Fehler in der Berechnung entstehen meist durch vernachlässigte Positionen. Die folgenden Punkte werden in der Praxis am häufigsten übersehen.
- Widerstand des verschmutzten Filters, wer mit dem Wert des sauberen Filters rechnet, wählt einen zu schwachen Ventilator
- Gleichzeitigkeitsfaktor, wenn nicht alle Stellen gleichzeitig arbeiten, wird der Volumenstrom überschätzt
- Temperaturkorrektur, in heißem Gas sinkt die Dichte und damit auch der Druck
- Einfluss der Höhenlage, mit zunehmender Höhe sinken Luftdichte und Ventilatordruck
- Leckagezuschlag, für die Dichtheit von Kanälen und Flanschen wird ein Zuschlag vorgesehen
- Bögen und Verengungen, örtliche Verluste werden zum Gesamtdruck addiert
- Messverfahren, die Geschwindigkeit ist als Querschnittsmittelwert zu erfassen
- Zukünftige Kapazität, sollen der Linie Maschinen hinzugefügt werden, wird dies von Anfang an berücksichtigt
Fließen diese Positionen in die Berechnung ein, kommt das Ergebnis der Realität näher. Wird die Berechnung am Schreibtisch abgeschlossen und nicht vor Ort überprüft, zeigt sich immer eine Abweichung; deshalb sollte bei der Inbetriebnahme mit einem Anemometer gemessen und der Wert dokumentiert werden. Die erste Messung dient zugleich als Referenzwert, sodass in späteren Jahren bei sinkendem Volumenstrom ein Vergleichswert vorliegt.
