Zentrifugalventilatoren im Überblick

Bevor wir uns mit konkreten Anwendungsbereichen befassen, ist es hilfreich zu wissen, dass „Radialventilator“ ein Oberbegriff ist, der vier unterschiedliche Laufradkonstruktionen mit jeweils unterschiedlichen Einsatzbereichen umfasst. Hier ein Überblick zur schnellen Orientierung:

Industrielle Belüftung, Staubabsaugung und Anwendungen in der Schwerindustrie

Wenn die meisten Ingenieure an den Einsatz von Radialventilatoren denken, kommen ihnen folgende Szenen in den Sinn: Fabrikhallen, staubverstopfte Filteranlagen, Zementöfen, die bei 400 °C glühen. In jedem Fall ist die Aufgabe des Ventilators im Grunde genommen dieselbe: den Systemwiderstand zu überwinden und gleichzeitig alles zu bewältigen, was der Luftstrom ihm entgegenwirft. Die Unterschiede liegen darin, was „Systemwiderstand“ und „alles, was der Luftstrom ihm entgegenwirft“ tatsächlich bedeuten.

Klimaanlagen und Gebäudelüftung

Die universellste Anwendung von Radialventilatoren ist zugleich die, mit der Menschen täglich in Berührung kommen, ohne es zu bemerken. Jede gewerbliche Lüftungsanlage (AHU) nutzt Radialventilatoren, um klimatisierte Luft durch ausgedehnte Kanalsysteme, über Kühlregister und durch Filter zu leiten. Eine typische Lüftungsanlage in einem Bürogebäude muss auf der Zuluftseite einen statischen Druckbedarf von 2 bis 4 in.wg und auf der Rückluftseite weitere 2 bis 3 in.wg bewältigen – weit mehr, als ein Axialventilator effizient bewältigen kann.

Vorwärtsgekrümmte Ventilatoren sind seit langem der Standard in gewerblichen HLK-Anlagen, da sie kompakt und bei moderaten Drehzahlen von 800 bis 1.200 U/min leise laufen. In größeren Anlagen – Krankenhäusern, Universitätsgeländen, Flughafenterminals – wurden sie nach und nach durch Zentrifugalventilatoren mit Tragflügelprofil ersetzt. Ein Ventilator mit Tragflügelprofil, der in einer großen Lüftungszentrale zum Einsatz kommt, kann den Energieverbrauch im Vergleich zu einem gleichwertigen Ventilator mit vorwärtsgekrümmten Flügeln um 15 bis 20 Prozent senken. Bei einem 24/7-Betriebszyklus summiert sich dieser Unterschied schnell.

Staubabscheidung, Rauchabsaugung und Luftfilterung

Wechselt man von gefilterter Zuluft zu kontaminierter Abluft, wandelt sich die Rolle des Radialventilators vom Komfortspender zum Sicherheitssystem. Ein Schlauchfilter in einer Holzverarbeitungsanlage muss Luft durch Dutzende von Gewebefiltertaschen saugen, von denen jede ihren eigenen Widerstand beiträgt. Der gesamte statische Druck im System einer typischen industriellen Schlauchfilteranlage liegt zwischen 8 und 15 in.wg, wobei sich die Belastung durch die Filter (jeweils 3 bis 6 in.wg), Rohrbögen und Ansaughauben addiert.

Hier kommen Radialflügel zum Einsatz. Die geraden, hochbelastbaren Flügel schütteln Partikel ab, anstatt sie anzusammeln, und vertragen Staubkonzentrationen am Einlass von bis zu 20 Grains pro Kubikfuß, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt. Bei chemisch aggressiven Dämpfen – wie Säurenebel in Galvanikanlagen oder Lösungsmitteldämpfe in Lackierkabinen – bestehen das Ventilatorgehäuse und das Laufrad häufig aus Edelstahl der Güteklassen 304 oder 316 mit korrosionsbeständigen Beschichtungen.

In Umgebungen, in denen der Luftstrom brennbaren Staub oder entzündliche Gase mitführt, ist eine Zertifizierung unabdingbar. ATEX-konforme Radialventilatoren in funkenfreier Bauweise sind in der gesamten Europäischen Union vorgeschrieben und werden zunehmend auch in weltweiten Projekten gefordert. Ein einziger Funke, der beim Kontakt zwischen Laufrad und Gehäuse entsteht, kann ein gesamtes Staubabsaugsystem entzünden. Kein Betriebsleiter geht dieses Risiko ein.

Schwerindustrie und Prozessindustrie

Am äußersten Ende des Anwendungsspektrums stehen die Radialventilatoren, die unter Bedingungen arbeiten, denen die meisten mechanischen Anlagen nicht standhalten können. Der Saugzugventilator eines Zementwerks saugt Abgase mit Temperaturen von 250 bis 400 °C aus dem Brennofen durch den Vorwärmerturm und den Elektrofilter, oft gegen einen statischen Systemdruck von über 30 in.wg. Das Material des Laufrads ist kein Baustahl. Typischerweise handelt es sich um Cortenstahl oder 310S-Edelstahl, der aufgrund seiner Kriechfestigkeit bei anhaltend hohen Temperaturen ausgewählt wurde. Die Lager sind wassergekühlt. Die gesamte Baugruppe kann mehrere Tonnen wiegen.

In der Stromerzeugung ergibt sich ein ähnliches Bild, allerdings in noch größerem Maßstab. Ein einzelner Zwangsbelüftungsventilator (FD), der einen Kohlekessel mit Verbrennungsluft versorgt, kann über eine Million Kubikfuß pro Minute fördern. Dabei handelt es sich nicht um Standardprodukte. Jeder Ventilator wird speziell auf die jeweilige Kesselkonstruktion, die Brennstoffart und die Abgasreinigungsanlagen zugeschnitten.

Im Untertagebau dienen Zentrifugalventilatoren als Primärbelüftung: Sie saugen Frischluft in den Schacht und leiten verunreinigte Luft ab, die mit Staub, Dieselpartikeln und gelegentlich Methan belastet ist. Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit sind absolut. Ein Ventilatorausfall in einem Bergwerk löst eine Evakuierung aus.

Insgesamt machen diese industriellen Anwendungen sowohl hinsichtlich des Stückwerts als auch des physischen Umfangs den Großteil der Einsätze von Radialventilatoren aus. Doch das ist noch nicht alles. Verkleinert man den Maßstab – manchmal sogar drastisch –, tauchen Radialventilatoren an Orten auf, die in den SERP-Leitfäden kaum erwähnt werden.

Gerätekühlung, Elektronik und kompakte Anwendungen

Radialventilatoren sind nicht nur in Fabrikhallen und Kraftwerken zu finden. In den Anlagen, die die moderne Infrastruktur versorgen, existiert ein Paralleluniversum kompakter, oft gleichstrombetriebener Radialgebläse. Sie laufen leise, zuverlässig und in einer Größenordnung, die eher in Millimetern als in Metern gemessen wird.

Kühlung von Gehäusen, Schränken und Rechenzentren

Öffnen Sie einen beliebigen industriellen Schaltschrank, einen Telekommunikationsschrank im Außenbereich oder ein Server-Rack, und Sie werden dort höchstwahrscheinlich ein Gleichstrom-Radialgebläse vorfinden, das für das Wärmemanagement zuständig ist. Die physikalischen Prinzipien sind dieselben wie in der Schwerindustrie, nur in kleinerem Maßstab: Dicht gepackte Leiterplatten und Leistungsmodule erzeugen einen hohen Luftströmungswiderstand, und der Lüfter muss die Luft durch enge Kanäle und über eng beieinanderliegende Kühlkörper leiten.

Ein typisches 120-mm-Gleichstrom-Radialgebläse erzeugt einen statischen Druck von 2 bis 4 in.wg. Das ist etwa das Vier- bis Achtfache dessen, was ein Axialventilator gleicher Größe leisten kann. Dank dieser Druckhöhe kann ein einziges kompaktes Gebläse einen gesamten Frequenzumrichter oder ein Rack mit Netzwerkgeräten kühlen, anstatt dass mehrere Axialventilatoren in Reihe geschaltet werden müssen.

Bei Installationen im Außenbereich – Telekommunikationsbasisstationen, Straßenverteilerkästen, Gehäuse für Solarwechselrichter – ist der Umweltschutz ebenso wichtig wie die Luftzirkulation. Die Schutzart IP54 ist das praktische Minimum für den Regenschutz. An Standorten in Küstennähe oder mit hoher Luftfeuchtigkeit werden häufig die Schutzklassen IP65 bis IP68 vorgeschrieben, was einen vollständig abgedichteten Motor und vergossene Elektronik erfordert. Die PWM-Drehzahlregelung ist mittlerweile Standard in diesem Segment: Der Lüfter wird entsprechend einem Thermistorsignal hoch- oder heruntergeregelt, anstatt kontinuierlich mit voller Drehzahl zu laufen, was sowohl die Lebensdauer des Lüfters als auch die Energieeffizienz erhöht.

Automobilindustrie, Laden von Elektrofahrzeugen und neue Energiesysteme

Die Elektrifizierung des Verkehrs und der Energiespeicherung hat eine völlig neue Anforderungskategorie für Radialventilatoren geschaffen, die durch die extrem hohe Wärmedichte auf engstem Raum bedingt ist.

Nehmen wir als Beispiel eine Gleichstrom-Schnellladestation. Jedes Lademodul im Schrank wandelt Wechselstrom aus dem Netz in Hochspannungs-Gleichstrom um, wobei die Leistung pro Modul zwischen 30 und 50 kW liegt. Der Wärmeabfuhrbedarf ist vergleichbar mit dem eines kleinen industriellen Prozesses, doch der verfügbare Platz wird in Rack-Einheiten gemessen, nicht in Fabrikhallen. 48-V-Gleichstrom-Radialventilatoren sind die Standardlösung und für den Dauerbetrieb bei Schrankinnentemperaturen ausgelegt, die 60 °C überschreiten können.

Energiespeichersysteme (ESS) – die Batteriecontainer, die zunehmend neben Solarparks und Windkraftanlagen zum Einsatz kommen – stellen eine noch größere Herausforderung dar. Diese Systeme sind das ganze Jahr über im Freien in Betrieb, von Wüstensommern bis hin zu arktischen Wintern, bei Umgebungstemperaturen von -30 bis 60 °C. Die Lüfter, die die Batterieracks kühlen, müssen der Schutzart IP65 oder höher entsprechen, UV-beständig sein und eine L10-Lagerlebensdauer von 50.000 bis 70.000 Stunden erreichen. Das entspricht etwa acht Jahren Dauerbetrieb. Ein Lüfterausfall in einem ESS kann eine thermische Leistungsminderung des gesamten Speichersystems zur Folge haben – und nicht nur einen Wartungsauftrag.

Photovoltaik-Wechselrichter, Umrichterschränke für Windkraftanlagen und Stromversorgungen für Wasserstoff-Elektrolyseure weisen jeweils eigene thermische Profile auf. Der gemeinsame Nenner: eine hochdruckbeständige und äußerst zuverlässige Luftzirkulation in einer Umgebung mit beengten Platzverhältnissen, die oft unbeaufsichtigt ist.

Kompakte und eingebettete Anwendungen – Medizin, 3D-Druck und darüber hinaus

Am unteren Ende des Spektrums der Radialventilatoren befinden sich Geräte, die die meisten Menschen gar nicht als Ventilatoren erkennen würden. Ein CPAP- oder BiPAP-Gerät, das einem schlafenden Patienten einen präzise dosierten Luftstrom zuführt, basiert auf einem Miniatur-Radialgebläse mit einem Durchmesser von typischerweise 50 bis 80 mm, das von einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit präziser PWM-Drehzahlregelung und FG-Rückkopplung (Frequenzgenerator) für die Regelung im geschlossenen Regelkreis angetrieben wird. Die Geräuschobergrenze für diese Geräte liegt bei etwa 35 dBA – ungefähr so leise wie ein Flüstern –, da der Patient direkt daneben schlafen möchte. Die erwartete Lebensdauer beträgt 40.000 Stunden oder mehr.

In einem 3D-Drucker leitet ein winziges 5015-Zentrifugalgebläse (50 × 50 × 15 mm) Kühlluft auf das frisch extrudierte Filament. Es steuert, wie schnell jede Schicht aushärtet, was wiederum direkt die Druckqualität und die Leistung bei Überhängen bestimmt. In einem Hämatologie-Analysegerät in einem Krankenhauslabor sorgt ein Gebläse ähnlicher Größe für eine präzise Temperaturregelung der Reagenzschalen und optischen Sensoren. Schon eine Temperaturabweichung von nur 1 °C kann die Blutuntersuchungsergebnisse eines Patienten ungültig machen.

Diese Anwendungen haben eines gemeinsam: Die Aufgabe des Radialventilators besteht nicht mehr darin, „viel Luft zu bewegen“, sondern „genau die richtige Luftmenge bei genau dem richtigen Druck leise und über Jahre hinweg zuverlässig zu fördern“. Dies ist eine grundlegend andere technische Herausforderung als beim ID-Ventilator eines Zementofens, die jedoch durch denselben Grundmechanismus gelöst wird, der um zwei Größenordnungen verkleinert wurde.

So wählen Sie den richtigen Radialventilator für Ihre Anwendung aus

Nachdem wir Anwendungsbereiche von 400 °C heißen Ofenabgasen bis hin zu flüsterleisen CPAP-Gebläsen untersucht haben, stellt sich natürlich die Frage: Wo passt Ihr Projekt hinein, und wie lässt sich das in eine Ventilatorspezifikation umsetzen?

Zu definierende Leistungskennzahlen

Bevor Sie die verschiedenen Lüftertypen miteinander vergleichen, müssen Sie fünf Fragen zu Ihrem System beantworten. Jede Antwort grenzt die Auswahl ein:

1. Luftdurchsatz (CFM). Wie viel Luft muss umgewälzt werden? Als grobe Richtwert: Ein kleines Elektronikgehäuse benötigt möglicherweise 20 bis 200 CFM; eine mittelgroße gewerbliche Lüftungsanlage 2.000 bis 20.000 CFM; eine große industrielle Staubabsauganlage 10.000 bis 100.000 CFM oder mehr.

2. Statischer Druck (in.wg). Wie hoch ist der Druckwiderstand des Systems? Freiluftkühlung: weniger als 0,5 in.wg. Kurze Kanalstrecken mit Filtern: 1 bis 5 in.wg. Filtertaschen- oder Gaswäschersysteme: 5 bis 15 in.wg. Schwerindustrielle Prozesse: 15 bis 30 in.wg. Dieser einzelne Parameter ist der häufigste Grund dafür, dass ein ansonsten korrekt dimensionierter Ventilator hinter den Erwartungen zurückbleibt. Der Systemwiderstand ist fast immer höher als ursprünglich angenommen.

3. Luftqualität. Was befindet sich im Luftstrom? Saubere, gefilterte Luft bietet Ihnen die größte Auswahl an Ventilatortypen. Staub, Dämpfe oder Partikel schränken die Auswahl auf Radialventilatoren oder speziell beschichtete, rückwärts gekrümmte Ausführungen ein. Korrosive Gase erfordern den Einsatz von Edelstahl oder chemikalienbeständigen Werkstoffen. Brennbarer Staub oder Dämpfe erfordern eine ATEX-zertifizierte, funkenfreie Bauweise.

4. Temperaturbereich. Die Umgebungstemperatur und etwaige prozessbedingte Wärme beeinflussen die Lebensdauer der Motorisolierung sowie die Wahl des Laufradmaterials. Eine nützliche Faustregel: Mit jedem Anstieg der Betriebstemperatur um 10 °C über die Nennklasse des Motors hinaus halbiert sich die Lebensdauer der Isolierung in etwa. Wenn bei Ihrer Anwendung dauerhaft Temperaturen über 80 °C am Ventilatoreinlass auftreten, reicht die Auswahl aus dem Katalog nicht aus. In diesem Fall ist eine thermotechnische Überprüfung erforderlich.

5. Geräuschentwicklung und Effizienz. In genutzten Räumen können Lärmgrenzwerte Vorrang vor anderen Faktoren haben. Profilflügel- und rückwärtsgekrümmte Ventilatoren sind von Natur aus leiser als Radialflügelkonstruktionen. Bei energieintensiven Anwendungen – also bei allen, die rund um die Uhr laufen – bieten EC-Motoren (elektronisch kommutierte Motoren) mit variabler Drehzahlregelung erhebliche Einsparungen bei den Lebenszykluskosten gegenüber Wechselstrom-Induktionsmotoren mit fester Drehzahl, insbesondere im Teillastbetrieb.

Auswahl des richtigen Lüftertyps für Ihre Anwendungsanforderungen

Sobald Sie diese fünf Parameter ermittelt haben, finden Sie in der folgenden Tabelle eine Zuordnung typischer Anwendungsprofile zu den am besten geeigneten Zentrifugalventilatortypen:

Bei Projekten mit ungewöhnlichen Kombinationen – hohe Temperaturen plus korrosive Gase oder sehr geringe Geräuschentwicklung plus Partikel – bietet die obige Tabelle zwar einen Ausgangspunkt, doch möglicherweise gibt es für Ihr genaues Profil keinen Standard-Katalogventilator. In solchen Fällen spart die Zusammenarbeit mit einem Hersteller, der hauseigene technische Unterstützung und die Entwicklung maßgeschneiderter Ventilatoren anbietet, Monate an Versuch und Irrtum. Ein Hersteller mit einem umfassenden Produktangebot an Radialventilatoren – AC-Radial-, DC-Radial- und Kompaktgebläse-Konfigurationen –, der von einem Anwendungsentwicklungsteam unterstützt wird, das die parameterbasierte Auswahl und OEM/ODM-Anpassungen übernimmt, kann oft schneller eine maßgeschneiderte Lösung liefern, als Sie mehrere Standardoptionen prüfen und verwerfen können.

Literaturverzeichnis

• Air Movement and Control Association (AMCA) International. „Ventilatoren und Systeme.“ AMCA-Publikation 201.
• Cory, William. Lüfter und Belüftung: Ein praktischer Leitfaden. Elsevier, 2005.
• ACDCFAN. „Produktpalette für Radialventilatoren.“ acdcecfan.com/zentrifugalventilator/
• ACDCFAN. „Ansprechpartner für Unterstützung bei der technischen Auswahl.“ acdcecfan.com/contact/
• ACDCFAN. „Offizielle Website.“ acdcecfan.com