„Dieser Ventilator liefert 5000 m³/h" ist eine unvollständige Aussage. Ein Ventilator arbeitet dort, wo seine eigene Kennlinie die Widerstandskennlinie der Anlage schneidet. Ist der Anlagenwiderstand höher als erwartet, liefert derselbe Ventilator weit weniger — und das ist kein Fehler des Ventilators.
Zwei Kennlinien, ein Schnittpunkt
Die Ventilatorkennlinie stammt vom Hersteller und wird auf einem genormten Prüfstand gemessen: ANSI/AMCA 210 (zeitgleich veröffentlicht als ANSI/ASHRAE 51) definiert die Laborbedingungen, unter denen Volumenstrom, Druck, Leistung und Wirkungsgrad eines Ventilators bestimmt werden [1].
Die Anlagenkennlinie dagegen ist Ihr Entwurf, und im turbulenten Bereich steigt der Druckverlust mit dem Quadrat des Volumenstroms. Genau dafür ist die CFD hier da: den Druckverlust bei einigen Volumenströmen rechnen, die Anlagenkennlinie aufbauen und sie dann mit der Ventilatorkennlinie schneiden.
Der Katalogzustand ist nicht die reale Einbausituation
Auf einem genormten Prüfstand sind Zu- und Abströmung zum Ventilator sauber. In einer realen Einbausituation sind sie es meist nicht, und der Unterschied heißt Systemeffekt:
- Ein Krümmer nahe am Ventilatoreintritt liefert ein verzerrtes Profil und verschiebt die Kennlinie nach unten.
- Ohne genügend gerade Strecke am Austritt kann der Ventilator seinen eigenen Diffusor nicht nutzen, und der statische Druckrückgewinn geht verloren.
- Bei in einen Schrank eingebauten Ventilatoren kann allein die Geometrie des Einlaufkastens mehrere Prozentpunkte Wirkungsgrad kosten.
Keiner dieser Verluste steht im Katalog. Den Ventilator zusammen mit seiner realen Einbaugeometrie zu modellieren, macht den Systemeffekt sichtbar.
Modellierungsentscheidung: wie der Ventilator abgebildet wird
Drucksprung / Kennlinien-Randbedingung. Die Schaufelgeometrie wird nicht aufgelöst; einer Fläche wird ein volumenstromabhängiger Druckanstieg aufgeprägt. Untersuchen Sie den Anlagenwiderstand, ist das die richtige und billige Wahl.
Die Schaufeln auflösen (Frozen Rotor oder gleitendes Netz). Nötig, wenn der Wirkungsgrad des Ventilators selbst, das Geräusch oder die Schaufelbelastung die Frage ist. Siehe die Notiz zu Strömungsmaschinen.
Ein häufiger Fehler ist, am Eintritt einen festen Volumenstrom vorzugeben, während man den Anlagenwiderstand untersucht. Das kommt der Annahme gleich, die Ventilatorkennlinie sei unendlich steil: Der Strom fällt nicht, wenn die Verblockung steigt, und der Systemeffekt tritt nie zutage. Siehe die Notiz zu Randbedingungen.
Der Unterschied bei Entrauchungs- und Strahlventilatoren
Bei brandschutzgeprüften Ventilatoren verschiebt sich der Betriebspunkt, weil sich die Dichte des Mediums mit der Temperatur ändert: Rauch bei 400 °C ist etwa halb so dicht wie Luft bei 20 °C. Derselbe Ventilator fördert bei derselben Drehzahl weit weniger Massenstrom. Die Ventilatorauswahl muss für den heißen Zustand erfolgen.
Referenzen
- ANSI/AMCA Standard 210 / ANSI/ASHRAE Standard 51 — Laboratory Methods of Testing Fans for Certified Aerodynamic Performance Rating. Air Movement and Control Association International / ASHRAE.
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6