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Druck bezeichnet in der Physik allgemein den Quotient einer Kraft, die senkrecht auf eine Fläche einwirkt. Daraus ergibt sich die allgemeine Druck Formel p = F / A.
Arten von Druck in der Lufttechnik
In Bezug auf lufttechnische Anlagen werden verschiedene Arten von Drücken unterschieden:
Die Drücke in lufttechnischen Anlagen können positiv auf der Druckseite oder negativ auf der Saugseite des Ventilators sein. Das Delta Δp der Drücke zweier Messpunkte wird allgemein als Differenzdruck oder Druckdifferenz bezeichnet.
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Die in der Lufttechnik gängige Einheit für Drücke ist Pascal (Pa). Sie beschreibt die Kraft in Newton N, die senkrecht auf eine Fläche m2 wirkt. Demnach ergibt sich der Druck von 1 Pa aus der Kraft von 1 Newton, die auf eine Fläche von 1 m2 wirkt: [p] = N/m2 = Pa.
Eine international verbreitete Darstellung der Druckerhöhung in Auslegungsprogrammen für lufttechnische Anlagen ist der statische Druck in "pounds per square foot” (engl. “Pfund pro Quadratfuß”, kurz: PSF).
In anderen Bereichen werden neben Pascal weitere Druck Einheiten verwendet, wie beispielsweise:
Will man den Druck berechnen, gibt es dazu verschiedene Varianten der Druck Formel (Beispiele):
Statischer Druck ps als Quotient einer senkrecht wirkenden Kraft F auf eine Fläche A:
ps = F / A
Der dynamische Druck pd errechnet sich aus der Gasdichte ρ (Rho) und der Geschwindigkeit c:
pd = ρ / 2c2
Die Summe aller statischen und dynamischen Drücke eines Systems bildet den Totaldruck pt (= Gesamtdruck, Systemdruck):
pt = ps + pd
Handelt es sich bei dem zu befördernden Medium um ein anderes Gas oder Gasgemisch als Luft, wird das Produkt der Stoffmenge n, der Gaskonstante R und der Temperatur T durch das Volumen V geteilt:
p = n * R * T / V
Alternativ kann der Druck aus Gasdichte ρ, Gaskonstante R und Temperatur T berechnet werden:
p = ρ / R * T
Die Druckabhängigkeit der Dichte bei auftretenden Druckdifferenzen ist in der Lufttechnik im Vergleich zum Atmosphärendruck sehr gering und kann vernachlässigt werden. Insofern wird Luft zur Auslegung lufttechnischer Anlagen als inkompressibles Medium (nicht komprimierbar) angenommen.
Die Temperaturabhängigkeit der Dichte muss dagegen berücksichtigt werden!
Wird eine lufttechnische Anlage weit über dem Meeresspiegel betrieben, muss in dieser Anwendung die Luftdichte berechnet und berücksichtigt werden. Zur Berechnung des Druckes pH wird die international anerkannte Höhenformel (bei einer Temperatur von 0°C) mit dem Luftdruck pa auf Meeresspiegelniveau sowie der geodätischen Höhe Ha angewendet (Darstellung mit der Eulerschen Zahl e als Konstante):
pH = pa * e-Ha/7990
Die Bernoulli Formel sagt aus, dass der Totaldruck einer idealen Strömung, also die Summe aller statischen und dynamischen Drücke innerhalb eines Systems, an jedem Punkt der Strömungslinie konstant ist.
Aus dieser Annahme ergibt sich die Bernoulli Formel:
ρ / 2c2 + ps = konstant
In einer praktischen Anwendung, wie beispielsweise der Luftführung durch einen Luftkanal, ergibt sich aus der Bernoulli Formel die Folge, dass bei zunehmender Fließgeschwindigkeit der statische Druck abnimmt. Dieser sogenannte Bernoulli Effekt ist besonders in der Planung und Auslegung einer lufttechnischen Anlage relevant.
Um den konkreten Zweck optimal erfüllen zu können, muss ein Ventilator, bzw. eine lufttechnische Anlage die Luft oder andere gasförmige Medien in Bewegung versetzen. Durch diese Beschleunigung bewirkt die Anlage somit eine Druckerhöhung. Um die für die Anwendung erforderliche Druckerhöhung zu erreichen, muss die Anlage mit allen Komponenten (z.B. Laufrad, Antrieb, Luftkanäle, Filter, etc.) als gesamtes System betrachtet und den Anforderungen entsprechend ausgelegt werden.
In realen Strömungen treten Druckverluste auf, die vom Ventilator überwunden werden müssen. Verursacht werden diese beispielsweise durch (Oberflächen-) Reibung, Formwiderstand (runder oder eckiger Luftkanal), Hindernisse im Luftkanal (z.B. Filter), Umlenkungen/Verzweigungen oder Querschnittsänderungen in der Luftführung, festgesetzte Verunreinigungen oder durch andere Faktoren. Je höher die Druckverluste einer Anlage in Summe sind, desto mehr Energie muss am Ventilator aufgewendet werden, um den erforderlichen Volumenstrom zu erzeugen.
Für einen möglichst effizienten Betrieb der Anlage müssen alle anfallenden Druckverluste bereits bei der Konfiguration, bzw. Auslegung der Anlage berücksichtigt und möglichst gering gehalten werden. Dabei sollte sich der Auslegungspunkt nah am tatsächlichen Betriebspunkt der Anlage befinden. Eine angemessene Auswahl der Laufrad-Antriebs-Kombination, bzw. Dimensionierung der Anlage wird so bereits in der Planungsphase sehr präzise ermöglicht.
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Bei der Auslegung von lufttechnischen Anlagen muss der Druck (Systemdruck) in Relation zum Volumenstrom auf die spezifischen Anforderungen der Anwendung abgestimmt werden. Eine präzise Abstimmung der Leistungsparameter unter Berücksichtigung der Einbaubedingungen (z.B. Länge und Querschnitt des Luftkanals, Einbaumaße etc.) ermöglicht die effizienteste Kombination aus Laufrad, Motorentechnologie und weiteren Systemkomponenten. Die Summe aller Druckverluste im System in Abhängigkeit vom Volumenstrom wird grafisch in der Anlagenkennlinie dargestellt.
Druck: Der Systemdruck einer lufttechnischen Anlage ist entscheidend für die Fähigkeit, die Luft durch das System zu fördern und dabei Hindernisse wie Filter, Luftkanäle, Drosselklappen und Luftauslässe zu überwinden. Komplexe Anlagen, wie z.B. Reinraumdecken oder Absauganlagen mit langen Kanalsystemen und mehreren Filtern, erfordern höhere Drücke als einfachere Systeme, wie z.B. freihängende Ventilatoren zur Stallbelüftung.
Bei der Anlagenauslegung gilt: Für Anwendungen, die hohe Drücke bei niedrigen Volumenströmen erfordern, sind Radialventilatoren besonders geeignet.
Volumenstrom: Basierend auf den spezifischen Anwendungsanforderungen (z.B. Raumgröße, notwendige Luftwechselrate oder spezielle Prozessanforderungen) muss eine Anlage eine bestimmte Menge an Luft oder anderen gasförmigen Medien fördern, um ihre Funktion optimal zu erfüllen.
Bei der Anlagenauslegung gilt: Für Anwendungen, die hohe Volumenströme bei vergleichsweise niedrigen Drücken erfordern, sind Axialventilatoren besonders geeignet.
Anlagenkennlinie
(Beispielhafte Darstellung)
Kennlinie Radialventilator
(Beispielhafte Darstellung)
Kennlinie Axialventilator
(Beispielhafte Darstellung)
Je höher der Druckverlust (z.B. durch Strömungshindernisse im Luftkanal, Reibung oder Formwiderstand) in einer Anlage ist, desto mehr Energie wird vom Ventilator benötigt, um die gewünschte Luftförderleistung zu gewährleisten. Aus Sicht des Anwenders ist es daher entscheidend, den Druckverlust für einen effizienten Betrieb möglichst gering zu halten.
Bauliche Optimierungen, wie der Einsatz von größeren Wärmetauschern, kürzeren Luftkanälen oder einem größeren Rohrquerschnitt, können den Druckverlust signifikant reduzieren. Zwar steigen dadurch der Platzbedarf und zum Teil auch die Baukosten der Anlage, jedoch lässt sich die Anlage mit einem deutlich geringeren Energieaufwand betreiben. Zusätzlich führt dies zu einem reduzierten Schallpegel. Eine optimierte Anlagenkonfiguration senkt somit die Betriebskosten über die gesamte Lebensdauer der Anlage und führt in der Regel zu einer höheren Gesamtersparnis beim Anwender.
Fazit: Um den effizientesten Betrieb, eine optimale Akustik und über die gesamte Nutzungsdauer hinweg die höchste Wirtschaftlichkeit einer Anlage zu erreichen, müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden. Dabei ist oft der beste Kompromiss zwischen den gegebenen Rahmenbedingungen und der idealen Anlagenauslegung aus Anwendersicht zu finden.
ZIEHL-ABEGG unterstützt Sie gerne bei der optimalen Auslegung Ihrer Anlage. Kontaktieren Sie uns!