EinVentilator (vonlateinischventilare‚Wind erzeugen‘, ‚Kühlung zufächeln‘) ist eine fremd angetriebeneStrömungsmaschine, also eineArbeitsmaschine, die ein gasförmigesMedium fördert. Dazu hat er ein axial oder radial durchströmtesLaufrad, das meist in einem Gehäuse rotiert. Zwischen Ansaug- und Druckseite wird einDruckverhältnis zwischen 1 und 1,3 erzielt (Kleinventilatoren bis 1,03). Strömungsmaschinen, die ein Druckverhältnis größer 1,3 erreichen, heißenVerdichter.
Ventilatoren setzen maximal 25 kJ/(kg × K) um, was bei einer angenommenen Dichte von 1,2 kg/m³ (Luft) 30.000 Pa entspricht, daher der Faktor 1,3 laut DIN 5801 und 13349.
Axialventilatoren sind die gebräuchlichste Bauform. Die Drehachse des Axiallaufrads verläuft parallel (axial) zum Luftstrom. Die Luft wird durch das Axiallaufrad ähnlich wie bei einem Flugzeug- oder Schiffspropeller bewegt. Axialventilatoren erreichen bei geringen Abmessungen einen hohen Durchsatz. Das erreichbare Druckverhältnis ist kleiner als bei Radialventilatoren.
Die Ausführung ohne Gehäuse ist bei Tisch- undDeckenventilatoren (Lüftern) üblich. Axialventilatoren mit Gehäuse und innen liegendem Antriebsmotor haben den Nachteil des Nabentotwassers hinter der Laufradnabe, den man jedoch durch einen geeignetenDiffusor (Innendiffusor) weitgehend vermeiden kann. Da die Luft durch die Rotation hinter dem Axiallaufrad drallbehaftet austritt, wird durch feststehende Einbauten (Nachleitrad) der statische Druck erhöht, indem der im Drall (Drehimpuls) enthaltene, dynamische Energieanteil in potentielle Energie (statischer Druck) umgesetzt wird. Um die Druckaustrittsverluste aus dem Axialventilator zu minimieren, haben größere Ventilatoren Außendiffusoren.
Eine weitere Ausführung der Strömungsmaschinen ist der so genannteDiagonalventilator, bei dem das Gehäuse und die Lüfterschaufeln konisch geformt sind (derRadius wird zur Druckseite hin größer) damit die Luft nicht axial, sondern diagonal austritt. Diagonalventilatoren haben bei gleicher Leistung und Größe einen größeren Luftdurchsatz und bauen einen höheren Druck auf, deshalb können sie zum Beispiel bei gleichem Effekt bei geringerer Drehzahl betrieben werden und sind somit leiser.
Beide Ausführungen haben ein so genanntes Nabentotwasser (auch: „Dead Spot“), das sich hinter dem in der Mitte des Geräts angeordneten Motor befindet: Dort findet kaum eine Luftbewegung statt. Deshalb wurden auch schon Axialventilatoren entwickelt, die den Motor in einem umgebenden Gehäuse enthalten und bei denen sich nur noch das Lager in der Mitte befindet. Diese Ausführung ist jedoch aufgrund der ungewöhnlichen Bauform des Motors eher selten und auch teurer als vergleichbare Axialventilatoren. Aufwändig ist auch dasAuswuchten wegen der großen, außen liegenden umlaufenden Masse des Antriebs. Besonders kompakte Ventilatoren werden üblicherweise von einemAußenläufermotor direkt angetrieben.
Radialventilatoren werden überall dort verwendet, wo es im Vergleich zu Axialventilatoren auf größere Druckerhöhung bei gleicher Luftmenge ankommt. Die Luft wird axial (parallel zur Antriebsachse) des Radialventilators angesaugt und durch die Rotation des Radiallaufrads um 90° umgelenkt und radial ausgeblasen. Man unterscheidet Laufräder mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln (bei hohen Drücken und Wirkungsgraden), geraden Schaufeln (für Sonderzwecke wie etwa partikelbehaftete Strömungen um Anhaftungen zu reduzieren) und vorwärtsgekrümmten Schaufeln (bei geringen Drücken und Wirkungsgraden, siehe auch AbschnittQuerstromventilatoren). Es gibt einseitig und beidseitig ansaugende Radialventilatoren mit und ohne Gehäuse. Bei der Ausführung mit schneckenförmigem Gehäuse ist dieses so orientiert, dass die verbleibende Tangentialkomponente der Strömung in Richtung Auslass gerichtet ist. Die Luft wird meist an einem Flansch oder einen Rohrstutzen ausgeblasen. Um die Druckverluste durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit aus dem Radialventilator zu minimieren, muss auf geeignete Gestaltung des weiterführenden Kanals geachtet werden (gegebenenfalls mit einem Diffusor). Bei der Ausführung ohne spiralförmiges Gehäuse wird die Luft radial aus dem Radiallaufrad ausgeblasen und durch eine geeignete Gehäuseausführung wie bei Dachventilatoren ins Freie geblasen. Solche Ventilatoren oder auch diejenigen, die weitere Verdichterstufen enthalten (zum Beispiel Staubsaugergebläse), haben am Austrittsumfang oft Leitschaufeln, um die tangentiale Strömungskomponente zu nutzen.
Diese sehen auf den ersten Blick aus wie breite oder auch längliche Radialventilatoren, das Funktionsprinzip ist jedoch grundlegend anders. Sie haben nach vorn, also in Laufrichtung weisende Schaufeln. Bei den Tangentialventilatoren wird die Luft zweimal durch das Lüfterrad geführt: sie wird großflächig etwa über die halbe Oberfläche des Lüfterrads tangential angesaugt, durch das Innere des Rads geführt und ebenfalls tangential wieder abgegeben. Einen geringen Luftanteil befördert das Rad außen mit. Die Luft tritt dann meist über einen schmalen Spalt in der Breite des Lüfterrads auf der gegenüber liegenden Seite aus. Der Antriebsmotor sitzt meist im oder am Ende des Laufrades; entsprechend kleine Motoren sind auch im Inneren des Lüfterrads unterzubringen, was auch deren Kühlung verbessert.
Tangentialventilatoren können große Luftmengen gleichmäßig über eine breite Austrittsfläche abgeben und werden inKlimageräten,Nachtspeicheröfen undHeizlüftern verwendet. Da sie schon bei geringen Drehzahlen einen ausreichenden Luftdurchsatz haben, sind die meist vonSpaltpolmotoren angetriebenen Tangentialventilatoren im Betrieb sehr leise und daher gut zur Kühlung von zum BeispielTageslichtprojektoren geeignet. Außerdem sind sie bevorzugt in Säulen- oder Turmventilatoren zu finden. Diese Ventilatorenbauform ist nicht zum Aufbau höherer Drücke geeignet.
In Abhängigkeit vom geförderten Volumenstrom verändert sich die erreichte Druckerhöhung. Um Ventilatoren untereinander vergleichen zu können, können Kennzahlen verwendet werden. Diese Kennzahlen sind
Die Tabelle enthält Werte der Ventilatoren mit der besten zur Zeit der Verabschiedung dieser Verordnung auf dem Markt verfügbaren Technik. Diese Referenzwerte können möglicherweise nicht immer in allen Anwendungen oder für das gesamte von dieser Verordnung erfasste Leistungsspektrum erreicht werden:[1]
Ventilatortyp
Messkategorie (A–D)
Effizienzkategorie (statischer oder totaler Wirkungsgrad)
Effizienzgrad (N)
Axialventilator
A, C B, D
statisch total
65 75
Radialventilator mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln und Radialventilator mit Radialschaufeln
A, C B, D
statisch total
62 65
Radialventilator mit rückwärtsgekrümmten Schaufelnohne Gehäuse
A, C
statisch
70
Radialventilator mit rückwärtsgekrümmten Schaufelnmit Gehäuse
A, C B, D
statisch total
72 75
Diagonalventilator
A, C B, D
statisch total
61 65
Querstromventilator
B, D
total
32
Begriffsbestimmung:
„Messkategorie“ bezeichnet eine Prüfung, Messung oder Betriebsanordnung, die die Einlass- und Auslassbedingungen des geprüften Ventilators festlegt (Einbausituationen gemäß ISO 5801)[2]
„Messkategorie A“ bezeichnet eine Anordnung, bei der Messungen am Ventilator mit freien Einlass- und Auslassbedingungen vorgenommen werden
„Messkategorie B“ bezeichnet eine Anordnung, bei der Messungen am Ventilator mit freiem Einlass und mit einer am Auslass montierten Rohrleitung vorgenommen werden
„Messkategorie C“ bezeichnet eine Anordnung, bei der Messungen am Ventilator mit einer am Einlass montierten Rohrleitung und mit freien Auslassbedingungen vorgenommen werden
„Messkategorie D“ bezeichnet eine Anordnung, bei der Messungen am Ventilator mit einer am Einlass und einer am Auslass montierten Rohrleitung vorgenommen werden
„Effizienzkategorie“ bezeichnet die zur Ermittlung der Energieeffizienz – d. h. des statischen Wirkungsgrads oder des totalen Wirkungsgrads – des Ventilators herangezogene Ausgangsenergieform des Ventilatorgases, wobei
a) der „statische Ventilatordruck“ (psf) zur Ermittlung der Ventilatorgasleistung in der Effizienzgleichung für den statischen Wirkungsgrad des Ventilators herangezogen wurde und
b) der „totale Druck des Ventilators“ (pf) zur Ermittlung der Ventilatorgasleistung in der Effizienzgleichung für den totalen Wirkungsgrad des Ventilators herangezogen wurde
„Effizienzgrad“ bezeichnet einen Parameter in der Berechnung der Zielenergieeffizienz eines Ventilators mit einer bestimmten elektrischen Eingangsleistung am Energieeffizienzoptimum (in der Berechnung der Energieeffizienz des Ventilators als Parameter „N“ dargestellt)
„Zielenergieeffizienz“ηZiel ist die Mindestenergieeffizienz, die ein Ventilator erreichen muss, um den Anforderungen zu entsprechen; sie beruht auf seiner elektrischen Eingangsleistung am Energieeffizienzoptimum, wobei ηZiel der Ausgangswert aus der entsprechenden Gleichung in Anhang II Abschnitt 3 ist, unter Verwendung der betreffenden ganzen Zahl N des Effizienzgrads (Anhang I Abschnitt 2, Tabellen 1 und 2) und der in kW ausgedrückten elektrischen Eingangsleistung Pe(d)des Ventilators an seinem Energieeffizienzoptimum in der betreffenden Energieeffizienzformel
„Gesamteffizienz“ bezeichnet je nach zutreffendem Fall entweder den „statischen Wirkungsgrad“ oder den „totalen Wirkungsgrad“
Das Entscheidungskriterium für die Energieeffizienz von Ventilatoren ist der Systemwirkungsgrad, der sich aus den Wirkungsgraden des Ventilators, des Motors und der Steuerungselektronik zusammensetzt.[3]
Die Anforderungen wurden per 1. Januar 2015 in einer zweiten Stufe nochmals angehoben (siehe Tabelle).
Ventilatorkategorie
Messkategorie (A–D)
Ventilator- druck
Leistungsbereich > 0,125 kW Wirkungsgrade
Leistungsbereich > 10 kW Wirkungsgrade
Leistungsbereich > 500 kW Wirkungsgrade
Axialventilator
A, C B, D
statisch total
28 46
40 58
43 61
Radialventilator mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln und Radialventilator mit Radialschaufeln
A, C B, D
statisch total
32 37
44 49
47 52
Radialventilator mit rückwärtsgekrümmten Schaufelnohne Gehäuse
A, C
statisch
42
62
66
Radialventilator mit rückwärtsgekrümmten Schaufelnmit Gehäuse
A, C B, D
statisch total
41 44
61 64
65 68
Diagonalventilator
A, C B, D
statisch total
30 42
50 62
54 66
Querstromventilator
B, D
total
16
21
21
Der Systemwirkungsgrad DerSystemwirkungsgrad der Ventilatoreinheit setzt sich aus denWirkungsgraden desVentilators (), desMotors (), desAntriebs () und derRegelung () wie folgt zusammen:[4]
Je nach Bauart des Ventilators und der eingesetzten Technik unterscheidet sich der Systemwirkungsgrad sehr stark. Beispielsweise liegt der Wirkungsgrad bei Axialventilatoren bis 10 kW Aufnahmeleistung im Mittel zwischen 25 und 45 % und bei Freiläufern mit rückwärts gekrümmten Schaufeln bis 10 kW Aufnahmeleistung zwischen 35 und 60 %. Mit steigendem Volumenstrom und Aufnahmeleistung des Motors verbessert sich der Systemwirkungsgrad, da sich der Motorwirkungsgrad (75 bis 95 %) und die Antriebswirkungsgrade (90 bis 95 % bei Keilriemen bis 97 % bei Flachriemen) wesentlich verbessern. Der Ventilatorwirkungsgrad erhöht sich nur moderat. Da die meisten RLT-Anlagen variabel betrieben werden, wird entweder ein Frequenzumrichter mit einem Wirkungsgrad von 95 bis 97 % oder eine in den Motor integrierte Steuerung zur Regelung eingesetzt.
b) auf frei zugänglichenInternetseiten der Ventilatorenhersteller
Nr. 2. Dabei ist anzugeben:
Gesamteffizienz (η), gerundet auf eine Dezimalstelle
zur Ermittlung derEnergieeffizienz verwendete Messkategorie (A–D)
Effizienzkategorie (statischer Wirkungsgrad oder totaler Wirkungsgrad)
Wirkungsgrad am Energieeffizienzoptimum
ob die Berechnung der Ventilatoreffizienz auf der Annahme beruht, dass eine Drehzahlregelung zum Einsatz kommt; falls ja, ob diese in den Ventilator integriert ist oder ob sie mit diesem installiert werden muss
Beschreibung weiterer bei der Ermittlung der Energieeffizienz von Ventilatoren genutzter Gegenstände wieRohrleitungen, die nicht in derMesskategorie beschrieben und nicht mit dem Ventilator geliefert werden.
DieInformationen in den technischen Unterlagen sind in der Reihenfolge gemäß Nr. 2 Punkte 1 bis 14 bereitzustellen. Dabei müssen nicht genau die in der Aufstellung gebrauchten Formulierungen wiederholt werden. Die Angaben können statt inTextform auch in Form vonGrafiken,Schaubildern undSymbolen erfolgen.
Die in Nr. 2 Punkte 1, 2, 3, 4 und 5 genannten Informationen sind dauerhaft auf oder nahe demLeistungsschild anzugeben; in Bezug auf Nummer 2 Punkt 5 ist diejenige der folgenden Formulierungen zu verwenden, die zutrifft:
„Mit diesem Ventilator muss eine Drehzahlregelung installiert werden.“
„In diesen Ventilator ist eine Drehzahlregelung integriert.“
Die Hersteller machen in derBedienungsanleitung Angaben zu besonderen Sicherheitsvorkehrungen, die beimZusammenbau, beim Einbau oder bei derInstandhaltung von Ventilatoren zu treffen sind. Falls gemäß Nr. 2 Punkt 5 der Anforderungen an dieProduktinformationen mit dem Ventilator eineDrehzahlregelung installiert werden muss, geben dieHersteller zurGewährleistung eines optimalen Betriebs nach der Montage Einzelheiten zu den Eigenschaften der Drehzahlregelung an.
Die meisten Ventilatoren fördern Luft und gehören in das Fachgebiet derLufttechnik bzw.Lüftung. Bei Beschränkung auf dieses Medium:Luft ergeben sich folgende Einsatzbereiche:
Kühlung: Die Abwärme von einem Bauteil oder einer Baueinheit wird durch die vorbeiströmende Luft aufgenommen und abtransportiert.
Trocknen: Die Feuchtigkeit von Stoffen wird durch das Vorbeiströmen trockener Luft entfernt.
Be- und Entlüftung: Schlechte Luft oder eventuell belastete, giftigeGase sollen aus einemRaum entfernt, abgesaugt werden. In einigen Fällen muss Atemluft garantiert sein (zum BeispielBergbau-Tunnellüftung). Absaugungen finden auch in der Prozesslufttechnik Anwendung.[6]
Explosionsschutz: Das Wegblasen von brennbaren Gasen (zum Beispiel Propan, das schwerer als Luft ist) verhindert gefährliche Konzentrationen.
In raumlufttechnischen Anlagen sind Ventilatoren von entscheidender Bedeutung. Ventilatoren ermöglichen den benötigten Luftvolumenstrom durch das angeschlossene Leitungssystem zu transportieren. Dabei setzten die Lüftungsleitungen, welche nach der Definition in derLüftungsanlagenrichtlinie ausLüftungskanälen, Formstücken und Einbauteilen bestehen,[7] der Luftströmung einen Widerstand entgegen. Dieser muss von dem Ventilator mittels seiner Druckerhöhung, welche auch als Pressung bezeichnet wird, bewältigt werden. Die Pressung setzt sich aus zwei Anteilen zusammen:
Die interne Pressung wird durch die internen Gerätedruckverluste durch Bauteile wie Filter, Luftheizer, Luftkühler, Schalldämpfer, Wärmerückgewinner und ähnliche hervorgerufen.
Die externe Pressung bedingt das an das raumlufttechnische Gerät angeschlossenen Luftleitungssystem.
Beide Pressungsanteile ergeben zusammen die Gesamtpressung, auch als totale Pressung bezeichnet.[8]
DieEnergy-related Products-Richtlinie 2009/125/EG, welche mit dem Energieverbrauchsrelevante-Produkte-Gesetz in deutsches Recht übernommen wurde, die EU-Verordnung 2011/327 für Ventilatoren, die im Jahr 2011 in Kraft getreten ist und die EU-Verordnung 014/1253 für RLT-Anlagen, dessen 2. Stufe ab 1. Januar 2018 zu beachten ist, bedingen, dass für die meisten Anwendungsfälle von RLT-Anlagen bzw. an die in diesen verbauten, elektrisch betriebenen Ventilatoren hohe Anforderungen hinsichtlich der Energieeffizienz gestellt werden. Dies betrifft vor allem Ventilatoren, in denen Motoren mit einer elektrischen Eingangsleistung zwischen 125 W und 500 kW verbaut sind.[9][10]
In der Raumlufttechnik sollte die Ventilatorauswahl immer über ein Ventilatordiagramm oder spezielle Herstellersoftware mit der entsprechenden Ventilatorkennlinie des zu nutzenden Geräts erfolgen. Auf derVentilatorkennlinie sind die möglichen Betriebspunkte des Ventilators bei einer festgelegten Drehzahl aufgetragen. Über die Geräte- bzw. Anlagenkennlinie werden demgegenüber, die für die geplante raumlufttechnische Anlage jeweiligen Volumenströme mit den dazugehörigen Anlagendruckverlusten definiert. Diese Kennlinie wird im Rahmen der Planung durch eine Druckverlustberechnung erarbeitet. Über den Schnittpunkt der beiden Kennlinien lässt sich der tatsächliche Betriebspunkt, auch Arbeitspunkt genannt, des Ventilators ermitteln. Dieser Arbeitspunkt sollte möglichst so gewählt werden, dass es nah am Bereich des höchsten Wirkungsgrads des Ventilators liegt und zudem im Bereich einer geringen Schallemission verortet ist. Durch einen optimal gewählten Arbeitspunkt können die Kosten für den einzusetzenden Schalldämpfer zur Reduzierung der Ventilatorgeräusche optimiert werden.[11]
Die Abwärme des Computer-Netzteils wird außer bei lüfterlosen Geräten per Ventilator nach außen befördert und bewirkt dadurch gleichzeitig einen permanenten Luftstrom im PC-Gehäuse, da er von dort ansaugt. Das führt zu Geräuschen und verursacht Staubablagerungen im Gerät.
Mit steigender Prozessorleistung wurde dessen „aktive Kühlung“ (zunächst nur für dieCPU; abi486) erforderlich, das heißt, der Hauptprozessor trägt einen Kühlkörper mit eigenem Ventilator. Später wurde diese Maßnahme auch auf dieGrafikprozessoren von Grafikkarten ausgeweitet. Insbesondere bei engen und flachen Gehäusen, z. B. bei Servern („Pizzakarton“ oder auch „Pizzarack“), wurden mehrere Lüfter erforderlich, um weitere Bauteile zu kühlen.
Zum Betrieb benötigen diese Lüfter typischerweise 12 V. Bei niedrigerer Spannung sinken Drehzahl und Kühlleistung. Beim Unterschreiten eines bestimmten Spannungswertes bleibt der Rotor stehen. Weitere Leitungen liefern gegebenenfalls ein sogenanntesTachosignal zur Rückmeldung der Drehzahl und damit der Funktionsfähigkeit oder es kann damit beispielsweise durchPulsweitenmodulation die Drehzahl gesteuert werden.
1851 gründete der IngenieurChristian Schiele, ein Sohn desJohann Georg Schiele, der 1828 in der Mainzer Landstraße die erste Frankfurter Gasanstalt gebaut hatte, in der Neuen Mainzer Straße 12 in Frankfurt am Main die erste Ventilatorenfabrik Deutschlands.
Die Industrie für Kleinventilatoren in Deutschland konzentriert sich inHohenlohe und bildet einen so genanntenCluster. Dieser Cluster entstand aus einer einzigen Firma (Ziehl-Abegg), ist aber inzwischen so ausgeprägt (unter anderen entstand 1963 der Herstellerebm-papst, Mitbegründer war Heinz Ziehl), dass er in der ersten Themenausgabe „Cluster“ des Magazins der UnternehmensberatungsfirmaMcKinsey (McK Wissen) ausführlich als Musterbeispiel für das Cluster-Phänomen dargestellt wird.
Ein weiteres Ventilatorenzentrum entstand inBad Hersfeld. Hier gründeteBenno Schilde 1874 die spätereBenno Schilde GmbH. 1884 baute Benno Schilde den ersten aus Stahlblech geschweißten Radialventilator. Das gesamte Ventilatorenprogramm wird heute von derTLT-Turbo GmbH inZweibrücken weitergeführt.
Bereits 1879 wurden in derKarl-August-Hütte inEuskirchen Radialventilatoren gebaut, anfangs noch aus Gusseisen. Später spezialisierte sich die Karl-August-Hütte auf Sonderwerkstoffe. Hitze- und verschleißfeste Werkstoffe und Ventilatoren aus Edelstahl kamen ins Programm. In jüngerer Zeit fertigt dieBVA Kockelmann GmbH in Euskirchen diese Spezialprodukte und entwickelt sie weiter.
1923 wurde die Elektro-Motoren-Handelsgesellschaft von Karl W. Müller inEsslingen am Neckar gegründet. Daraus entstand die Elektror airsystems GmbH, die heute Industrieventilatoren undSeitenkanalverdichter herstellt. Die dazugehörigen Motoren werden im eigenen Werk hergestellt.
InSüdkorea ist derVentilatortod ein weit verbreiteterAberglaube, dem zufolge man aufgrund von Ventilatoren, die längere Zeit laufen, erstickt, vergiftet wird oderverklammt.[12]
↑Nicolas Fritzsche:Taschenbuch für Lüftungsmonteure und -meister. 8., überarbeitete und erweiterte Auflage. VDE Verlag, 2020,ISBN 978-3-8007-5072-6,S.117.
↑Nicolas Fritzsche:Taschenbuch für Lüftungsmonteure und -meister. 8., überarbeitete und erweiterte Auflage. VDE Verlag, 2020,ISBN 978-3-8007-5072-6,S.135.
↑Beware of Summer Hazards! Korea Consumer Protection Board (KCPB), 18. Juli 2006, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 8. Januar 2009; abgerufen am 1. September 2007.
