Drei Arten von Axialventilatoren – Propeller-, Rohr- und Lamellen-Axialventilatoren

Nicht alle Axialventilatoren sind gleich. In der Branche werden drei verschiedene Typen unterschieden, und nur wer die Unterschiede zwischen ihnen versteht, kann entscheiden, welcher Typ für eine bestimmte Anwendung geeignet ist. Das zugrunde liegende Prinzip ist einfach: Mit jedem Schritt auf der Skala lässt sich besser steuern, wohin die Luft strömt und wie effizient sie ihr Ziel erreicht.

Propellerlüfter – Die einfachste Form

Ein Propellerlüfter ist die einfachste Bauweise eines Axialventilators – im Wesentlichen handelt es sich um eine Reihe von Flügeln, die in einem Ring, einer Platte oder einem einfachen Käfig montiert sind, ohne dass sie von einem Luftkanal umgeben sind. Dies ist der Typ, dem man im Alltag am häufigsten begegnet: Tischventilatoren, Standventilatoren, Deckenventilatoren und einfache Wand-Abluftventilatoren sind allesamt Propellerlüfter.

Da kein Luftkanal den Luftstrom einschränkt, strömt ein erheblicher Teil der Luft um die Flügelspitzen herum zurück – ein Phänomen, das als „Tip Recirculation“ bezeichnet wird. Dies schränkt den Wirkungsgrad des Propellerlüfters ein: Ein typisches Gerät arbeitet ohne Luftkanal mit einem Wirkungsgrad von etwa 50% oder weniger. Der Vorteil liegt in der Einfachheit und den geringen Kosten. Propellerlüfter liefern hohe Luftmengen bei sehr niedrigem Druck und eignen sich daher für die Belüftung offener Räume, in denen die Luft lediglich mit minimalem Widerstand von einer Seite einer Wand oder Platte zur anderen befördert werden muss.

Zu den gängigen Anwendungsbereichen zählen die Wandabsaugung in Lagerhallen, die Luftzirkulation in Gewächshäusern, die Belüftung von Viehställen und die Luftbewegung in Kühltürmen. Die Flügeldurchmesser reichen von etwa 12 Zoll bei kleineren Wandventilatoren bis zu 48 Zoll oder mehr bei großen landwirtschaftlichen Anlagen, wobei die Luftförderleistungen von einigen hundert bis zu Zehntausenden CFM (Kubikfuß pro Minute) reichen.

Rohr-Axialventilator – mit Luftkanal für eine bessere Luftführung

Nimmt man einen Propellerventilator, umschließt ihn mit einem zylindrischen Kanal oder Rohr, erhält man einen Rohr-Axialventilator. Der Kanal verhindert physikalisch, dass Luft an den Flügelspitzen entweicht, und zwingt sie so, geradlinig durch das Laufrad zu strömen. Das Ergebnis ist ein deutlicher Effizienzgewinn – Rohr-Axialventilatoren erreichen typischerweise Werte von 60% bis 70%, was etwa 10 bis 20 Prozentpunkten mehr entspricht als bei ihren Gegenstücken mit offenem Propeller.

Durch den Kanal ist der Ventilator zudem mit angeschlossenen Kanalsystemen kompatibel. Anstatt Luft in einen offenen Raum zu blasen, kann ein Axialventilator Luft durch einen Lüftungskanal leiten, Abgase aus einem Arbeitsplatz mit Abzugshaube absaugen oder in längeren Kanalsystemen als Inline-Verstärker dienen. Der Luftstrom bleibt im Vergleich zu einem Propellerventilator konzentrierter und gerichteter.

Diese Ventilatoren bewältigen statische Drücke von bis zu etwa 500 Pa (etwa 2 Zoll Wassersäule), was den meisten allgemeinen Anforderungen an die industrielle Belüftung gerecht wird. Rohr-Axialventilatoren kommen in Absauganlagen von Lackierkabinen, in Tunnelbelüftungssystemen, in Luftzufuhrkanälen von Fabriken und überall dort zum Einsatz, wo ein mäßiger Kanalwiderstand überwunden werden muss, ohne auf einen deutlich teureren Ventilatortyp zurückgreifen zu müssen. Der Abstand zwischen den Flügelspitzen und der Kanalwand ist ein entscheidendes Maß – kleinere Abstände führen zu einem höheren Wirkungsgrad, erfordern jedoch engere Fertigungstoleranzen.

Axialventilator mit Schaufeln – die effizienteste Bauweise

Ein Axialventilator mit Leitschaufeln führt das Konzept des Rohraxialventilators noch einen Schritt weiter, indem er entweder stromaufwärts oder stromabwärts des Laufrads feststehende Leitschaufeln – sogenannte Statorschaufeln – hinzufügt. Diese Schaufeln erfüllen eine ganz bestimmte Aufgabe: Sie richten den wirbelnden, spiralförmigen Luftstrom, der aus dem Laufrad austritt, aus und wandeln dessen Rotationsenergie in nutzbaren statischen Druck um.

Dies ist ein Musterbeispiel für die Energierückgewinnung in der Strömungslehre. Ohne Leitschaufeln geht die Rotationskomponente des Luftstroms verloren – sie stellt Energie dar, die der Motor aufgewendet hat, ohne dass sie zur Vorwärtsbewegung der Luft beigetragen hat. Die Leitschaufeln fangen diese Energie auf und leiten sie axial um, wodurch der Wirkungsgrad des Ventilators in den Bereich von 80% bis 85% gesteigert wird. Auf diesem Niveau erreicht ein gut konstruierter Axialventilator mit Leitschaufeln nahezu den Wirkungsgrad eines hochwertigen Radialventilators – jedoch in einer kompakteren, inline-Bauweise.

Axialventilatoren mit Leitschaufeln können statische Drücke von bis zu etwa 2.500 Pa (etwa 10 Zoll Wassersäule) erzeugen und eignen sich damit auch für Anwendungen, für die traditionell Radialventilatoren zum Einsatz kommen. Sie sind die erste Wahl für die Kühlung von Rechenzentren, zentrale HLK-Lüftungsanlagen, die Kühlung industrieller Prozesse sowie für alle Szenarien, in denen bei mäßigem Systemwiderstand ein hoher Luftdurchsatz bei möglichst geringem Energieverbrauch erzielt werden muss. Die Leitschaufeln können vor dem Laufrad (Einlassleitschaufeln, IGV) oder hinter diesem (Auslassleitschaufeln, OGV) angeordnet sein, wobei jede Konfiguration unterschiedliche Kompromisse hinsichtlich Druckleistung und Geräuschverhalten mit sich bringt.

Axialventilator vs. Radialventilator – Welchen brauchen Sie?

Wenn man nach Informationen über Axialventilatoren sucht, taucht am häufigsten folgende Frage auf: „Worin unterscheidet sich dieser von einem Radialventilator – und welchen sollte ich verwenden?“ Das ist eine berechtigte Frage, denn die beiden Typen sehen völlig unterschiedlich aus, funktionieren nach unterschiedlichen Prinzipien und eignen sich für unterschiedliche Aufgaben.

Hier ist die Ein-Satz-Version: Ein Axialventilator befördert eine große Luftmenge bei niedrigem Druck geradlinig durch den Ventilator; ein Radialventilator saugt die Luft in der Mitte an und schleudert sie in einem Winkel von 90 Grad nach außen, wodurch ein deutlich höherer Druck erzeugt wird, allerdings auf Kosten eines geringeren Luftdurchsatzes.

Stellen Sie es sich einmal so vor: Ein Axialventilator verhält sich wie ein elektrischer Ventilator im Haushalt – er drückt einen breiten, sanften Luftstrom nach vorne. Ein Radialventilator verhält sich eher wie ein Föhn – der Luftstrom ist konzentriert, kraftvoll und in der Lage, erhebliche Widerstände zu überwinden. Die richtige Wahl hängt davon ab, was sich zwischen dem Ventilator und dem Zielort der Luft befindet.

Hier sehen Sie einen Vergleich der beiden Lüftertypen hinsichtlich der Aspekte, die in der Praxis am wichtigsten sind:

Um zu entscheiden, welcher Typ für Ihre Anwendung geeignet ist, gehen Sie diese drei Fragen durch:

• Wie lang ist die Rohrleitung? Wenn die Luft eine Strecke von mehr als etwa 15 bis 20 Metern durch das Rohrleitungssystem zurücklegen muss – oder mehrere Biegungen, Filter oder Klappen durchströmen muss –, wird der kumulierte Systemwiderstand wahrscheinlich den Wert überschreiten, den ein Axialventilator effizient bewältigen kann. Ziehen Sie in diesem Fall Radialventilatoren in Betracht.
• Wie viel Platz steht zur Verfügung? Axialventilatoren werden in Reihe eingebaut und passen in enge Räume, in denen das Spiralgehäuse eines Radialventilators niemals Platz finden würde. Wenn der Einbauraum eine strenge Vorgabe darstellt, sind Axialventilatoren automatisch die bessere Wahl.
• Wie hoch ist der Gesamtsystemwiderstand? Dies ist die technisch korrekteste Vorgehensweise bei der Entscheidung. Schätzen Sie den gesamten statischen Druckverlust in Ihrem System (Reibungsverluste im Kanal + Formstücke + Filter + Jalousien + sonstige Hindernisse). Liegt der Gesamtwert unter etwa 500 Pa, ist ein Axialventilator ein guter Kandidat. Zwischen 500 und 2.500 Pa sollten Sie einen Flügelrad-Axialventilator oder einen leichten Radialventilator in Betracht ziehen. Oberhalb von 2.500 Pa ist ein Radialventilator mit ziemlicher Sicherheit die sinnvollere Wahl.

Es gibt außerdem eine Zwischenlösung, die man kennen sollte: den Mischstromventilator, der ein Axialrad mit einem zentrifugalartigen Gehäuse kombiniert, um bei angemessenem Volumenstrom einen moderaten Druck zu erzeugen. Er nimmt eine Nische zwischen den beiden Hauptkategorien ein und kann eine Überlegung wert sein, wenn Ihre Anwendung genau an der Grenze liegt.

Wo werden Axialventilatoren eingesetzt? – Wichtige Anwendungsbereiche in verschiedenen Branchen

Axialventilatoren sind allgegenwärtig. Vom winzigen 40-mm-Lüfter, der den Prozessor eines Laptops kühlt, bis hin zum auto-großen Laufrad, das sich oben auf einem Kühlturm dreht – überall gelten dieselben physikalischen Gesetze: Luft, die sich in einer geraden Linie bewegt, angetrieben durch rotierende, flügelprofilierte Schaufeln. Was sich unterscheidet, sind der Maßstab, die Umgebung und die Leistungsanforderungen.

Die meisten Anwendungsbereiche von Axialventilatoren lassen sich einer von drei Funktionskategorien zuordnen: Kühlung von Elektronik, Belüftung von Räumen oder Unterstützung industrieller Prozesse. Diese Einteilung ist sinnvoller als eine einfache Auflistung, da man so Muster erkennen kann, anstatt sich Anwendungsfälle auswendig merken zu müssen.

Der rote Faden, der sich durch all diese Anwendungsfälle zieht, ist ganz einfach: Axialventilatoren kommen zum Einsatz, wenn große Luftmengen durch einen relativ offenen Kanal gegen einen leichten bis mäßigen Widerstand gefördert werden müssen. Wenn der Anwendungsfall lange Kanäle, dichte Filter oder einen hohen Gegendruck beinhaltet, haben Sie den falschen Ventilatortyp gewählt – und das bringt uns zu der Frage, wie man die richtige Wahl trifft.

So wählen Sie einen Axialventilator aus – wichtige technische Daten, auf die es ankommt

Zu wissen, was ein Axialventilator ist und wo er zum Einsatz kommt, ist eine nützliche Grundinformation. Wenn Sie jedoch selbst einen solchen Ventilator auswählen, kaufen oder austauschen müssen, sollten Sie wissen, welche Kennzahlen wichtig sind und wie man sie interpretiert.

Bevor wir uns mit den einzelnen technischen Daten befassen, sollte man ein Konzept verstehen: Ein Lüfter arbeitet nicht an einem einzigen festen Leistungspunkt. Jeder Lüfter verfügt über eine Leistungskurve – die P-Q-Kurve –, die beschreibt, wie viel Luftdurchsatz er bei einem bestimmten statischen Druck liefern kann. Ihr System verfügt über eine Widerstandskurve – die Systemkurve –, die beschreibt, wie viel Druck erforderlich ist, um Luft bei einer bestimmten Durchflussrate durch das System zu drücken. Der tatsächliche Betriebspunkt liegt dort, wo sich diese beiden Kurven schneiden. Wählen Sie einen Lüfter, dessen Kurve bei dem von Ihnen benötigten Luftdurchsatz mit der Kurve Ihres Systems übereinstimmt, und er wird einwandfrei funktionieren. Wählen Sie einen Lüfter allein auf der Grundlage des Luftdurchsatzes (CFM) in freier Luft aus und ignorieren Sie dabei den Widerstand Ihres Systems, werden Sie möglicherweise zutiefst enttäuscht sein.

Vor diesem Hintergrund sind hier die drei Parameter, denen Sie besondere Aufmerksamkeit widmen sollten.

Luftdurchsatz (CFM) – Wie viel Luft muss gefördert werden?

CFM – Kubikfuß pro Minute – ist die anschaulichste Angabe zu Ventilatoren und in der Regel die erste, die man überprüft. In Märkten, in denen das metrische System verwendet wird, lautet die entsprechende Einheit Kubikmeter pro Stunde (m³/h), wobei 1 CFM ≈ 1,7 m³/h gilt. Diese Zahl gibt Auskunft über das Luftvolumen, das der Ventilator bewegen kann, doch das entscheidende Detail ist unter welchen Bedingungen.

Hersteller geben in der Regel den Luftdurchsatz in CFM unter Freiluftbedingungen an: den maximalen Luftdurchsatz, den der Ventilator ohne Widerstand vor oder hinter sich liefern kann. In einer realen Installation gibt es immer einen gewissen Widerstand – ein Gitter, einen Filter, einen Kanalabschnitt oder auch nur die Geometrie des Gehäuses, in dem der Ventilator montiert ist. Dieser Widerstand verringert den tatsächlichen Luftdurchsatz unter den Wert bei freier Luft, manchmal sogar drastisch. Ein Ventilator mit einer Nennleistung von 1.000 CFM bei freier Luft liefert möglicherweise nur noch 600 CFM, wenn er hinter einer Lamellenblende mit Staubfilter installiert ist.

Für Kühlanwendungen – der häufigste Grund, warum ein Axialventilator ausgewählt wird – ist die Wärmeabgabegleichung ein praktischer Ausgangspunkt:

Wenn ein Schaltschrank beispielsweise Geräte enthält, die 500 Watt Wärme abgeben, und Sie die Innentemperatur auf maximal 10 °C über der Umgebungstemperatur halten möchten, benötigen Sie etwa (1,76 × 500) ÷ 10 = 88 CFM. In der Praxis sollten Sie eine Sicherheitsmarge von 1,5× bis 2× einkalkulieren, um Filterverschmutzung, geringfügige Hindernisse und Schwankungen in der Praxis zu berücksichtigen – wodurch sich der Zielwert auf etwa 130–175 CFM erhöht.

Die Bandbreite der Luftdurchsatzleistungen von Axialventilatoren ist enorm. Ein 40-mm-Gleichstromlüfter in einem Elektronikgerät kann 5 bis 20 CFM fördern. Ein 120-mm-Lüfter in einem Computergehäuse fördert typischerweise 50 bis 100 CFM. Im industriellen Maßstab können große Axialventilatoren mit Schaufeln in Lüftungsanlagen 50.000 CFM oder mehr fördern, und die größten Propellerlüfter in Kühltürmen können 500.000 CFM überschreiten.

Statischer Druck – Warum „stärker“ nicht immer besser ist

Während CFM die Luftmenge angibt, ist der statische Druck die treibende Kraft dahinter – gemessen in Zoll Wassersäule (in. H₂O) oder Pascal (Pa), wobei 1 in. H₂O ≈ 249 Pa gilt. Diese Angabe bereitet den meisten Erstkäufern Schwierigkeiten, da sie weniger intuitiv ist als der Luftdurchsatz und weitreichendere Auswirkungen hat, als es auf den ersten Blick scheint.

Ein Axialventilator ist naturgemäß ein Gerät für niedrigen bis mittleren Druck. Ein Propellerlüfter in einer offenen Wandverkleidung arbeitet möglicherweise bei einem Druck von weniger als 0,1 in. H₂O (25 Pa). Ein Rohraxialventilator, der Luft durch einen kurzen Kanal drückt, bewältigt bis zu etwa 2 in. H₂O (500 Pa). Ein Axialventilator mit Leitschaufeln kann im oberen Leistungsbereich 10 in. H₂O (2.500 Pa) erreichen. Jenseits dieser Obergrenze bewegt man sich bereits im Bereich der Radialventilatoren.

Warum ist das wichtig? Weil jede Komponente in Ihrem Luftkanal einen Widerstand erzeugt, und dieser Widerstand summiert sich schnell. Ein gerader Kanalabschnitt kann beispielsweise 0,05 bis 0,1 in. H₂O pro 10 Fuß beitragen. Jedes 90-Grad-Bogenstück erhöht den Druck um etwa 0,02 bis 0,06 in. H₂O, je nach Kanaldurchmesser und Luftgeschwindigkeit. Ein Standard-Plattenfilter kann im sauberen Zustand 0,2 bis 0,5 in. H₂O verbrauchen – und deutlich mehr, wenn er sich mit Staub zusetzt. Ein Ansauggitter, eine Brandschutzklappe, ein Schalldämpfer – jedes dieser Elemente zehrt an Ihrem verfügbaren Druckbudget.

Die P-Q-Kurve fasst all dies zusammen. Bei einem bestimmten Ventilator nimmt der Luftdurchsatz mit steigendem statischen Druck entlang einer vorhersehbaren Kurve ab. Diese Kurve ist im Datenblatt des Ventilators angegeben. Ihre Aufgabe besteht darin, den Gesamtsystemwiderstand bei Ihrem gewünschten Luftdurchsatz abzuschätzen, diesen als Punkt in das Diagramm einzutragen und sicherzustellen, dass der Punkt sicher innerhalb des Betriebsbereichs des Ventilators liegt – idealerweise nahe dem Bereich mit dem höchsten Wirkungsgrad der Kurve und nicht an den Rändern.

Wenn Ihr berechneter Systemdruck etwa 500 Pa (2 in. H₂O) übersteigt, sollten Sie überlegen, ob ein Axialventilator diesen hohen Druck erreichen kann oder ob ein Radialventilator besser geeignet wäre. Wird ein Axialventilator zu weit in Richtung des oberen Endes seiner Druckkurve betrieben, führt dies zu einem lauten, ineffizienten Betrieb – und manchmal zu einem aerodynamischen Strömungsabriss, bei dem der Luftstrom instabil wird und der Ventilator ins Schwingen gerät.

Motortypen und Einsatzbedingungen – Wechselstrom, Gleichstrom, EC und mehr

Sobald Sie die Anforderungen an Luftdurchsatz und Druck festgelegt haben, müssen Sie nur noch entscheiden, womit der Ventilator angetrieben wird und welche Betriebsbedingungen er erfüllen muss.

Axialventilatoren sind mit drei Hauptmotortypen erhältlich, und die Unterschiede zwischen diesen sind umso deutlicher geworden, je mehr die Energieeffizienz bei der Konstruktion der Geräte an Bedeutung gewonnen hat:

Die Wahl des Motors ist zunehmend eine Entscheidung, bei der die Lebenszykluskosten im Vordergrund stehen, und nicht mehr nur ein einfacher Vergleich der Anschaffungskosten. Ein Axialventilator mit Gleichstrommotor kostet zwar zwei- bis dreimal so viel wie ein vergleichbares Modell mit Wechselstrommotor, doch bei einem Ventilator, der in einem Rechenzentrum rund um die Uhr läuft, können sich die Energieeinsparungen bereits in weniger als 18 Monaten auszahlen.

Abgesehen vom Motor bestimmt die Betriebsumgebung die Wahl der Werkstoffe und Schutzmaßnahmen:

• Temperaturen: Herkömmliche Axialventilatoren sind für einen Temperaturbereich von etwa -30 °C bis +60 °C ausgelegt. Für Hochtemperaturanwendungen – beispielsweise zur Abluftführung aus Öfen, Schmelzöfen oder Motorräumen – ist eine Vollmetallkonstruktion mit Hochtemperaturlagern und einer Isolierung der Klasse F oder H erforderlich; einige Spezialausführungen sind sogar für den Dauerbetrieb bei Temperaturen von bis zu 150 °C ausgelegt.
• Feuchtigkeit und Staub: Die IP-Schutzart (Ingress Protection) gibt an, welchen Belastungen der Ventilator standhalten kann. IP44 bietet grundlegenden Spritzwasserschutz. IP55 oder IP56 sind gängige Schutzarten für Außeninstallationen, die Regen und Staub ausgesetzt sind. IP68 – vollständig staubdicht und für den dauerhaften Unterwasserbetrieb geeignet – wird von spezialisierten Herstellern für Umgebungen mit Hochdruckreinigung, Schiffsanwendungen und extreme Außenbedingungen angeboten.
• Korrosion: Standardausführungen aus Aluminium oder lackiertem Stahl sind für normale Raumluft geeignet. In Umgebungen mit Salznebel (Küsten- und Meeresgebiete) sind beschichtetes Aluminium, Edelstahl oder spezielle korrosionsbeständige Beschichtungen erforderlich. In chemischen Umgebungen – wie Laboren oder chemischen Verarbeitungsanlagen – können FRP (faserverstärkter Kunststoff) oder andere nichtmetallische Werkstoffe erforderlich sein.
• Materialien im Überblick: Kunststoff (PBT, UL 94V-0-zertifiziert) für die kostensensible Kühlung von Elektronik; Aluminiumdruckguss für allgemeine industrielle Anwendungen – leicht, korrosionsbeständig und wärmeleitfähig; Stahl für hochbelastbare Konstruktionsanwendungen; sowie GFK oder beschichtete Speziallegierungen für Umgebungen mit aggressiven Chemikalien oder Salznebel.

Als praktische Checkliste vor der endgültigen Festlegung einer Spezifikation sollten Sie sich vergewissern, dass der von Ihnen in Betracht gezogene Lüfter über die für Ihren Markt erforderlichen Zertifizierungen verfügt: CE für die Europäische Union, UL für Nordamerika, TÜV für Deutschland und eine breitere internationale Anerkennung sowie RoHS-Konformität für alle Geräte, die in regulierten Märkten verkauft werden. Im Hinblick auf das Qualitätsmanagement ist die ISO 9001-Zertifizierung des Herstellerwerks ein grundlegender Indikator für einheitliche Produktionsstandards.

Für Ingenieure und Einkaufsfachleute, die Axialventilatoren für anspruchsvolle Einsatzbedingungen auswählen – einschließlich Wasserdichtigkeit nach Schutzklasse IP68, Hochtemperaturbeständigkeit bis 150 °C und CE-/UL-/TÜV-zertifizierte Produktreihen – bietet ACDCFAN ein umfassendes Produktpalette für Axialventilatoren gestützt auf über 20 Jahre Erfahrung in der Fertigung und unsere Fähigkeiten zur OEM-/ODM-Anpassung. Erfahren Sie mehr unter www.acdcecfan.com.

Literaturverzeichnis

• AMCA International. „AMCA-Publikation 201 – Ventilatoren und Systeme.“ Verfügbar unter: https://www.amca.org/resources/publications/
• Jorgensen, R. (Hrsg.). Ventilatortechnik: Ein Handbuch für Ingenieure über Ventilatoren und ihre Anwendungen, 9. Auflage. Howden Buffalo.
• Wikipedia. „Axialventilator“. Abrufbar unter: https://en.wikipedia.org/wiki/Axial_fan
• ACDCFAN. „Guangzhou Guanxie Fan Manufacturing Co., Ltd. – Offizielle Website.“ Abrufbar unter: https://www.acdcecfan.com/
• ACDCFAN. „Produkte – Axialventilatoren und Kühllösungen.“ Verfügbar unter: https://www.acdcecfan.com/products/