Ventilatoren – Konstruktion, Auswahl und Einsatz in der Praxis

Häufig von Teilnehmenden gestellte Fragen

Welche grundlegenden Konstruktionsprinzipien und Bauteile sind für die Funktionsweise von Ventilatoren entscheidend, und welche Unterschiede gibt es zwischen verschiedenen Ventilatortypen?

Ventilatoren sind klassische Turbomaschinen. Die Bauart wird nach der Durchströmrichtung des Laufrades unterschieden. Es gibt u.a. Axial-, Diagonal- und Radialventilatoren. Axialventilatoren werden ohne Leitrad oder mit Nachleitrad, gelegentlich auch mit Vorleitrad gebaut. Bei Radialventilatoren sind diffusorartige Gehäuse oder Spiralgehäuse oft von Vorteil. Diese Bauteile ermöglichen oft einen Effizienzgewinn. Mehrstufige oder mehrflutige Maschinen erlauben die Abdeckung besonderer Betriebspunkte. Sonderkonstruktionen ermöglichen einen reversierbaren Betrieb.

Welche Faktoren müssen bei der Auswahl eines Ventilators für spezifische Anwendungen und Industriezweige berücksichtigt werden, um optimale Leistung und Effizienz zu gewährleisten?

Die Auswahl des Ventilators für eine bestimmte Aufgabe erfolgt nach Gesichtspunkten wie den Leistungsanforderungen, der Charakteristik des vorgesehenen Antriebsmotors, Einsatzbedingungen (Temperatur, Art des Fördermediums), Raumbedarf und Schallemission - und letztlich Kosten. In erster Linie ist bei spezifizierter Menge des Fördermediums durch eine Anlage der Druckverlust (oder mit anderen Worten der Energiebedarf) der Anlage maßgebend. Der Ventilator sollte für diesen Auslegepunkt im aerodynamischen Bestpunkt oder zumindest in dessen Nähe arbeiten. Dies ist auch eine Voraussetzung für einen geräuscharmen Betrieb. Daher ist es für den Anlagenplaner äußerst wichtig, den Energiebedarf der Anlage so gut wie möglich abzuschätzen oder vorab zu messen.

Inwiefern spielt die Bauart (radial, axial, diagonal) bei der Auswahl eines Ventilators für bestimmte Anwendungen eine Rolle, und welche Vorteile bieten die verschiedenen Bauarten?

Axialventilatoren liefern typischerweise hohe Förderströme bei vergleichsweise geringer Druckerhöhung, Radialventilatoren dagegen erzeugen mehr Druck bei niedrigeren Förderströmen. Die Diagonalventilatoren decken den Bereich zwischen diesen beiden Bauarten ab. Daher ist je nach Fördermenge und Druckverlust in der Anlage die Bauart zu wählen. Bei manchen Anwendungen ist für die Auswahl der Bauart auch die Strömungsrichtung (axial-axial oder axial-radial) eine Rolle.

Welche Rolle spielen Materialauswahl und Oberflächenbeschichtungen für die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit von Ventilatoren, insbesondere in aggressiven Umgebungen?

Die Materialauswahl und Oberflächenbeschichtung spielen eine große Rolle z.B. bei Einsatz von Ventilatoren in der chemischen Industrie mit aggressiven Medien oder der Förderung von Stäuben, Spänen und anderen Gas-Feststoffgemischen.

In welchen Anwendungsbereichen finden Ventilatoren häufig Anwendung, und welche spezifischen Anforderungen stellen diese Einsatzgebiete?

Ventilatoren finden u.a. Anwendung in der Klima- und Lüftungstechnik, der Fahrzeugtechnik, der Prozesstechnik und der Materialförderung. Lüftungs- und Klimaanlagen in raumlufttechnischen Systemen müssen effizient und leise die notwendigen Luftwechsel mit definierter Luftqualität sicherstellen. Rauchgasventilatoren stellen eine besondere Klasse dar, da sie auch hohen Temperaturen standhalten müssen. Zur Belüftung von Straßentunneln werden häufig sog. Strahlventilatoren eingesetzt, die der Luft einen möglichst großen "Schub" versehen sollen. In der Fahrzeug- und Landmaschinentechnik sorgen Ventilatoren für die Kühlung des Verbrennungsmotors, der Batterie (bei Elektrofahrzeugen), die Wärmeabfuhr der Klimaanlage und den Luftwechsel im Fahrzeuginnenraum. Hier sind die Anforderungen an niedrige Geräuschemission besonders streng. In der Chemietechnik müssen Ventilatoren auch aggressiven Medien standhalten, was z.B. den Einsatz von Kunststoff erfordert. Die Förderung feststoffhaltiger Medien erfordert besondere Schaufelformen, um Anbacken zu vermeiden, sowie spezielle Materialien und Beschichtungen, um einem schleißenden Stoffstrom so lange wie möglich standzuhalten. Bei allen Konstruktionen muss auf niedrige Fertigungskosten geachtet werden, was unter Umständen die zulässigen Fertigungsverfahren einschränkt und damit die aerodynamische Güte reduziert.

Welche Bedeutung hat die Optimierung der Ventilatorkonstruktion und -auslegung für die Reduzierung von Energieverbrauch und Schallemissionen in industriellen Prozessen?

Die numerische Strömungssimulation wird oft zur Prognose des aerodynamischen Betriebsverhaltens eines neuen Ventilators - unter Umständen auch in seiner spezifischen Einbausituation - eingesetzt, bevor überhaupt ein Modell oder ein Prototyp gebaut wird. Dank der beträchtlichen Leistung moderner Computer ist dafür der zeitliche Aufwand vergleichsweise gering, so dass man eine Vielzahl von Konstruktionsvarianten automatisiert simulieren kann. Damit ist der Weg frei für eine echte aerodynamische Optimierung von Ventilatorkonstruktionen mit vergleichsweise geringem Kosten- und Zeitaufwand. Wenn dabei komplexere Formen z. B. der Beschaufelung entstehen als mit den klassischen Entwurfsverfahren, dann ist das künftig eventuell weniger abschreckend: Moderne Verbundwerkstoffe und additive Fertigungsverfahren erlauben ganz neuartige Konstruktionen.

Wie beeinflussen neue technologische Entwicklungen, wie die Digitalisierung und der Einsatz von Elektronik, die Konstruktion und den Einsatz von Ventilatoren?

Digitalisierung im Sinne von Simulation und Optimierung erscheint zunehmend zielführend bei der Planung und dem Betrieb komplexer Anlagen, z.B. raumlufttechnische Anlagen mit mehreren Ventilatoren. Zielfunktionen sind z.B. minimaler Energieverbrauch, minimale Kosten, maximale Verfügbarkeit usw. Dank günstiger Leistungselektronik sind die Antriebe modernder Ventilatoren meist drehzahlregelbar, was gegenüber drehzahlkonstanten Antrieben einen enormen Vorteil bei Wirkungsgrad und Anpassungsfähigkeit der Ventilatoren an den Bedarf bedeutet. Die Integration von Sensoren erlauben die Überwachung des Betriebs und das frühzeitige Erkennen von Schäden an der Maschine, letztlich eine vorausschauende Wartung (predictive maintenance). Methoden der künstlichen Intelligenz werden hier zunehmend zum Einsatz kommen.

Welche Rolle spielen Simulationstechniken, wie die Strömungssimulation (CFD), bei der Entwicklung und Optimierung von Ventilatoren, und wie können diese die Entwicklungszeiten verkürzen?

Vor Beginn des 20. Jahrhunderts stand alleine Erfahrungswissen zur Konstruktion und zum Einsatz von Ventilatoren zur Verfügung. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts setzten sich dann zunehmend mathematisch-physikalische Theorien durch, die bis heute in immer verfeinerten Varianten zum strömungstechnischen Entwurf von Strömungsmaschinen genutzt werden. Die Entwicklung des modernen Computers ab den 1950iger Jahren erlaubte es letztlich, die Grundgleichungen der Strömungsmechanik numerisch zu lösen, d. h. komplexe Strömungen auf dem Rechner zu simulieren. „Computational Fluid Dynamics“ (CFD) ist heute neben den etablierten experimentellen und analytischen Methoden das dritte Standbein in der Strömungstechnik und Stand der Technik in vielen Industriebetrieben. Während die aerodynamischen Entwurfsverfahren für Ventilatoren und Anlagenkomponenten als bewährt und ausgereift gelten können, ist die genaue Geräuschvorhersage weitaus schwieriger. Auf dem Gebiet der Aeroakustik von Turbomaschinen sind derzeit noch viele Forschungsaktivitäten zu beobachten. Man kann aber davon ausgehen, dass die nächsten Jahren ähnliche Fortschritte wie im Bereich der Aerodynamik bringen werden.

Abschließend: Wie schätzen Sie die Zukunft der Ventilatoren im Maschinenbau ein? Welche Entwicklungen und Trends sind zu erwarten, und wie könnten diese die Leistungsfähigkeit und Anwendungsbereiche von Ventilatoren weiter verbessern?

Ventilatoren sind aus unserem täglichen Leben nicht wegzudenken. Sie stellen Luft zum Heizen und Kühlen bereit, bewegen Gase in Chemieanlagen und bei der Lebensmittelverarbeitung, tragen zur Stromerzeugung bei und vieles mehr. Gleichzeitig verbrauchen Ventilatoren mit den zugehörigen Motoren einen beträchtlichen Teil des weltweit erzeugten Stroms; sie sind also derzeit noch eine indirekte Ursache für CO2-Emissionen. Darüber hinaus ist die Wirkung von Ventilatorenlärm ein weiteres relevantes Thema. Die Energieeffizienzrichtlinien der Gesetzgeber werden Zukunft weitere Fortschritte in Richtung energieeffizienter Ventilatorenkonstruktionen, und - wahrscheinlich noch wichtiger - der Auswahl und des energieeffizienten Betriebs von Ventilatoren für eine bestimmte Anwendung erfordern. Neben der bloßen Reduktion des Strömungslärms rückt auch die Lästigkeit unvermeidbarer Ventilatorgeräusche oder die sog. Produktgeräuschqualität in den Vordergrund. Hier finden zunehmend Methoden der Psychoakustik Anwendung.