Die Ventilatoren: Berechnung, Entwurf und Anwendung

319 Pages·1930·16.599 MB·German

by  Dr. sc. techn. E. Wiesmann (auth.)

Die Ventilatoren
Berechnung, Entwurf und
Anwendung
Von
Dr. sc. techno E. Wiesmann
Ingenienr
Zweite, verbesserte und erweiterte Auflage
. Mit 227 Abbildungen, 23 Zahlentafeln
und zahlreichen Berechnungsbeispielen
Berlin
Verlag von Julius Springer
1930
ISBN-13:978-3-642-90579-7 e-ISBN-13: 978-3-642-92436-1
DOI: 10.1007/978-3-642-92436-1
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1930 by JUlillS Springer, Berlin.
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1930
V orwort znr ersten Anflage.
Das Anwendungsgebiet des Schleudergeblases, kurz Ventilator
genannt, ist fortwahrend im Wachsen begriffen, weil sich derselbe
leichter als vielleicht andere Geblase den verschiedenen Anforderungen
des Lufttransportes anpassen laBt. Reute wird die Luft nicht allein
als Lebensspenderin zu Liiftungszwecken auf kiinstlichem Wege nach
dem Orte des Verbrauches hinbefordert, sondern es dient oft die durch
Leitungen hindurchbewegte Lu£t als Tragerin von Energien sagar von
leichten £esten Stoffen als Fordergut.
Der Ventilator soIl nicht bloB fiir die verschiedenen Zwecke, denen
er zu dienen hat, richtig gebaut sein, sondern muB sich auch mit
del' Lu£t£orderleitung in Ubereinstimmung be£inden, darum ist eine
Ventilatoranlage, d. h. Ventilator und Leitungssystem, stets als ein
Ganzes au£zu£assen. Fiir beide gelten die bekannten drei Proportio
nalitatsgesetze, auf die an verschiedenen Stellen des Buches hin
gewiesen wird ..
Dem Verfasser war daran gelegen, die beim Entwurf eines Venti-
1ators in Frage kommenden Grundgesetze zu entwickeln unter Beriick
sichtigung del' vielerlei Widerstande, die beim Gebrauch des Venti
lators den theoretischen Druck- und Geschwindigkeitsverlau£ anders
gestalten. Del' Konstrukteur muB die einfachen Prinzipien, auf die es
ankommt, klar VOl' Augen haben, dann wird er auch die richtige Form
finden. Dabei miissen sich jedoch Theorie und Praxis, Berechnung
und Versuch fortwahrend unterstiitzen und erganzen; denn bei den
schwer zu erfassenden storenden Einfliissen kommt dem Versuch eine
groBe Bedeutung zu.
Bei del' Berechnung des Ventilators sollen zur Erleichterung und
zum besseren Verstandnis die zeichnerischen Rilfsmittel herangezogen
werden, nicht zu vergessen die graphische Entropietafel der Luft, die
fUr die Behandlungvon Zustandsanderungen del' Luft wertvolle Dienste
leistet, die Berechnung iibersichtlich gestaltet und bedeutend ver
einfacht.
Wir haben Wert darauf gelegt, den Inhalt des Buches'durch einige
praktische Beispiele von ausgefiihrten Ventilatoranlagen zu erganzen.
Die gegenwartigen Zeitlaufte waren einem solchen Unternehmen nicht
IV V orwortzur zweitl'm Auflage.
besonders giinstig, urn so mehr Grund zum Dank haben wir gcgen
diejenigen Firmen, die durch tJberlassung von wertvollem Material
unserem Vorhaben Unterstiitzung gewahrten.
Ziirich, im August 1924.
V orwort zur zweiten Auflage.
Die zweite Auflage hat im AnschluB an die Praxis eine Erweitcrung
mit teilweiser Neubearbeitung erfahren: im ersten Teil in Hinsicht auf
die verschiedenen MeBverfahren in tJbereinstimmung mit den "Regeln
fiir Leistungsversuche an Ventilatoren und Kompressoren". 1m zweiten
Teil beziehen sich die Erweiterungen auf neuzeitliche Entwicklung der
Ventilatoren in bezug auf Schaufelform und Gehause, Entwurf von
Ventilatoren, Arbeiten auf dem Priifstand, Regulierung, Vermehrung
der Beispiele aus Theorie und Praxis. Sie enthalt auch niitzliche
Angaben fUr Techniker und Installateure von Ventilatoranlagen. Der
Abschnitt iiber physikalische Eigenschaften der Luft wurde mit einigen
Erganzungen beibehalten, damit gewisse einfache Aufgaben ohne Zu
hilfenahme anderer Werke gel6st werden k6nnen.
In der ersten Auflage wurde besonderes Gewicht gelegt auf die
tJbereinstimmung des Ventilators mit der angeschlossenen Leitung.
Dieser Grundsatz ist weiter verfolgt worden. Der Gebrauch der gleich
wertigen Offnung oder Diise als MaB fiir die zu iiberwindenden Leitungs
widerstande hat sich allgemein eingebiirgert, ebenso die Anwendung
der Kennziffern zur Bewertung der Eigenschaften einer Ventilator
serie. Die Kennziffern und ihre Beziehung zum Druck-Volumen-Dia
gramm eines Ventilators sind ausfUhrlich behandelt worden.
Wir waren bestrebt, soweit uns das Material zuganglich war, bei
der Neubearbeitung des Textes die Fortschritte in Theorie und Praxis
zu beriicksichtigen. In den einzelnen Ausfiihrungen und Beispielen
tritt naturgemaB eine gewisse Individualitat zutage, der wir eine wohl
wollende Aufnahme wiinschen.
Zu besonderem Dank fiir fachmannische Beratung sind wir Herrn
Dipl.-Ing. R. Merz verpflichtet, und auch Herrn Dipl.-Ing. Adolf
Ostertag, Professor am kantonalen Technikum in Winterthur, der
den Abschnitt iiber Festigkeitsberechnungen des Laufrades iiber
nommen hat, mcht zu verges sen die Firmen, die durch tJberlassung
von wertvollem Material unsere Arbeit erleichterten und unterstiitzten,
sowie dem Verleger fiir gediegene und saubere Ausstattung des Buches.
Ziirich, im November 1929.
E. Wiesmann.
Inhaltsverzeichnis.
seite
Einleitung .....
El'stcl' Tcil.
A. Physikalische Eigenschaften der Luft.
I. Beziehungen zwischen Spannung, Volumen, Tempel'atur
und de,m spezifischen Gewicht del' Luft . . . . . . . 3
II. Die Gaskonstante R . .... . 6
III. Bestimmung del' Gaskonstante Reines Gasgemisches 9
IV. Feuchte Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
V. Wal'me und Al'beit und die spezifische Warme del' Gase . 12
VI. Entl'opie del' Gase. . . . . . . . . . . . . . . 15
VII. Zllstandsanderungen. . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1. Zllstandsanderung bei unveranderlichem Volumen 18
2. Zustandsanderung bei gleichbleibendem Druck (Isobare) . 18
3. Zustandsanderung bei gleichbleibendel' Tempel'atul' (Isotherme). 18
'1;. Adiabatische Zustandsanderung (unvel'andel'liche Entl'opie). 18
5. Polytl'opische Zustandsanderung. . . . . . . . . . . . . .. 19
Bespl'echung del' FaIle 3 und 4:
Zustandsanderung bei gleichbleibender Temperatul' (Isotherme). 19
Zustandsanderung bei unvel'anderlicher Entropie (adiabatische
Zustandsanderung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
VIII. Die Abhangigkeit des spez. Gewichtes del' Luft von mete
orologischen und verwandten Einflussen. 23
1. Reduktion des Barometerstandes auf 0° C . . . . . . . . . . . 27
2. Feuchtigkeitsgehalt und Temperatur del' Luft . . . . . . . . . 27
3. Bestimmung von Gewicht, Dichtigkeit, Dampfgehalt und anderen
Eigenschaften del' Luft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
B. Bewegungsvorgange der Luft.
I. 1A: usstl'omeIl.der Luft in den fl'eien Raum. 32
'Die hydraulische AusfluBformel 32
2. Die genaue AusfluBformeI. . . . . . . . . . 33
3. Die kl'itische Geschwindigkeit. . . . . . . . 35
II. Bewegung del' Luft in geschlossenen Kanalen und R6hl'en. 36
III. Del' Reibungskoeffizient J. • • • • • • • • • • • • • • 40
IlIa. Einzel widerstande. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
IV. Bespl'echung del' verschiedenen Rohl'reibungsformeln 43
VI Inhaltsvcrzcichnis.
seite
V. Der Begriff des aquivalenten Querschnittes 44
VI. Die aquivalente Weitevon Leitungssystemen mit beliebigen
1'echteckigen Querschnitten. . . . . . . . . . . . . . . . . 47
VII. Das Be1'echnungsprinzip ve1'zweigter Leitungen . . . . . . 50
VIII. Die Grubenwetterfiihrung. Ih1'e Be1'echnung auf Grund der
aquivalenten Weiten . . . . . . . . . . . . . . . . 53
VlIIa.Entwurfsgrundlagen einer Grubenventilatoranlage fiir ein
englisches Kohlenbergwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
IX. TIber angemessene Geschwindigkeiten del' Luft in Rohr
leitungen und Kanalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
X. Liiftung im Tunnel- und Stollenbau . . . . . . . . . . . . 61
1. Berechnung del' Widerstande und Leistungenbeim Transport del' Luft 61
2. Umkehrbare Stollenliiftung . . . . . . . . . . 63
3. Primare und sekundare Ventilation . . . . . . . . . . . . . . 64
4. Nachteilige Wirkung langer, enger Rohrleitungen . . . . . . ... 65
XI. Druck- und Geschwindigkeitsmessungen del' Luft. Bestim-
mung der Fiirdermenge. Registrierapparate . 73
A. Messungen bei Priifungs- und Leistungsversuchen. 73
1. Druckmessungen . . . . . . . . . . . . 73
a) Druck eines in Ruhe befindlichen Gases . . 73
b) Druck einer striimenden Fliissigkeit . . . . 74
c) Unmfttelbare Messungen des absoluten Druckes 76
2. Men,gen- und Geschwindigkeitsmessungen . . . . 77
a) Unmittelbare Messungen del' Luftmenge . . . 77
b) Messungen durch Querschl1ittsveranderungen und mecha-
nische Vorrichtungen ..... 77
B. Betriebsmessungen. . . . . , . . . . . . . . . . 87
1. Druclqnesser mit Registrierapparat. . . . . . . 87
2. Geschwindigkeits- und Mengenmesser mit Registrierapparat. 88
a) Gesphwindigkeitsmesser von FueB 88
b) Venturimesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
Zweiter Teil.
C. Ventilatoren.
I. Entwicklung der Ventilatoren 92
II. Theorie der Ventilatoren . 96
Einleitung. . . . . . . . . 96
1. Der Spaltiiberdruck . . 97
2. Theoretische Druckhiihe. 100
Diskussion der Winkel 102
3. Wirkliche Druckhiihe. . 103
4. StoBfreier Eintritt . . : '.-" 105
5. Richtung del' inneren Schau,felkante 107
6. Erforderlicher Druck einer Ventilationsanlage. 108
a) Ventilator ohne Saug-'und Druckrohr . 109
b) Saugventil,ator. . . . . . . . . . . . 109
c) Driickender Ventilator . . . . . . . . no
d) Ventilator mit Widerstanden im Saug- und Druckrohr 111
Inhaltsverzeicbnis. VII
seite
7. Entwurf des Ventilators . . . . . . 112
A. Einteilung der Bauformen . . . . 112
B. Strenge Anwendung der Formeln . 113
a) Gegeben die Hauptabmessungen 113
b) Gegeben die Liefermenge und der zu erzeugende Druck. 121
c) Konstruktive Eigenttimlichkeiten der Niederdruckventilatoren 124
C. Drei praktische Beispiele tiber die Berechnung der lichten Ab
messungen der Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8. Einiges tiber Konstruktionseinzelheiten. . . . . " . . . . . . . 132
9. Abstimmwig des Ventilators mit'der Leitung. Gesetz der Mfinitat 134
10. Die Charakteristik und die Proportionalitatsgesetze 135
n. Dimensionslose Kennziffern . . . . . . . . : . 139
a) Theorie der Kennziffern . . . . . . . . . . 139
b) Berechnung und Anwendung der Kennziffern 143
c) Anwendungsbeispiele .......... ", 148
d) Konstruktion einer Charakteristik mit Hille von Kennziffern 153
12. Benutzung der Charakteristiken eines Ventilators zur Berechnung
von Ventilatoren anderer GroBen derselben Bauart 154
13. Kupplung der Ventilatoren . • . . . • . 155
a) Parallelgeschaltete Ventilatoren. . . . . . . 155
b) Hintereinandergeschaltete Ventilator en . . '. . 156
14. Berechnung ein- und mehratufiger Ventilatoren . 157
a) Entropiediagramm der Hochdruckventilatoren 158
b) Berechnung des Ventilators ohne Entropie. 161
c) Mehrstufige GebliLse : . . . . : . : . . . . 163
d) Ausfiihrung mehrstufiger Geblase . . . . . . 168
15. Berechnung der Ventilatoren fUr verschiedene Gase . 172
16. Radscheibenreibung. . . . . . . . . . . . . . . 177
17. Antriebsmaschinen und Regulierung der Drehzahl . 179
18. Prtifung des Ventilators. . . . . . . . . . . . . 182
a) Prtifung des Ventilators auf dem Priifstand . . 183
b) Aufnahme charakteristischer Kurven eines Ventilators 188
c) Priifung der Ventilatoranlage. . . . . . . . . . . . 194
19. Labile Zustande von Hochdruckventilatoren . . . . . . 199
20. Einiges tiber die Entwicklung der Ventilator.en in den letzten zwanzig
Jahren. . . . . . 200
III. Schraubenventilatoren 204
1. Plattfltigelventilatoren 204
2. TragfliLchenfltigel. . . 212
a.
Schlottergeblase . . . 213
4. Schraubenventilator!\n nach dem Prinzip der Propellerturbinen . 214
5. Aufzahlung einiger marktgangiger Schraubenventilatoren. •. 215
,IV. Ausgeftihrte Ventilatoranlagen. . . . . . . • . . . . .• 216
1. Provisorische Betriebsventilation des Hauenstein-Basistunnels. 216
2. Ventilatorenanlage des Grenchenbergtllnnels. . 219
3. Ventilatoranlage des Simplontunnels • . . . . 220
4. Die Saceardo-Geblaseanlage am Dossentunnel. 224
5. Beltiftung von StraBentunnels. . .'. . . . . 233
6. Verschiedene nElUere Grubenventilationen. . . 235
7. Luftheizung unter Verwertung der Abwarme von elektrischen Gene- ,
ratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
VIII InhaltBverzeichnis.
seite
8. Das Trocknen mit uberhitztem Dampf. . . . . . . . . . . . . 246
a) Gewohnliche Trocknung mit HeiJUuft (HeiBluftverfahren) . . . 248
b) Trocknung mit HeiJUuft und teilweiser Ruckfuhrung der Ab-
luft (Umluftverfahren). . . . . . . . . . . . . . . .. 249
c) Trocknung mit uberhitztem Dampf (HeiBdampfverfahren) 249
9. Luftheizungsanlage. . . . . . . . . . • • . . • . . • . . . . 251
10. Spanetransportanlagen ...•...•.•.......... 254
11. Bemerkungen uber Trocknen, Entnebelung, Entstaubung und Spane-
transport . . • . . . . . . • . . . . . 261
V. Festigkeitsberechnungen des Laufrades 272
Einleitung. . . • . . . • . . . . • .'. . . 272
1. Der frei rotierende Ring . . . . . . . . 273
2. Die volle Scheibe gleicher Dicke. . . . . . . . . . . 275
3. Die Kreisscheibe gleicher Dicke mit zentraler ()ffnung. 277
4. Die Kreisscheibe mit absatzweise sich andernder Dicke 279
5. Uber die Festigkeit der Schaufeln. . . . . . . . . . 280
6. Der EiufluB der Nietlocher . . . . . . . . . . . . . 282
7. Baustoffe und zulassige Beanspruchung. . • . . • • . 283
8. Rechnungsbeispiel I. Laufrad eines Niederdruckventilators • 283
9. Beispiel II. Hochdruckventilator ffir mittlere Geschwindigkeiten
nach Abb. 219 .' . . . 285
a) Die Schaufeln. . . 285
b) Die Ruckenscheibe. 286
c) Die Deckscheibe. . 287
10. Beispiel III. Hochdruckventilator ffir hohe Geschwindigkeiten 289
a) Die Ruckenscheibe. 289
b) Die Deckscheibe. . . . . . . . . 294
11. Die Nabe . . . . . . . . . . . . . 297
12. Die Welle. . . . . . . . . . . . . 298
13. Uber das Auswuchten der Laufrader. 300
Nachtrag: Die Gleichungen ffir die rotierende Kreisscheibe gleicher Dicke. 301
a) Die Radialverschiebung. . . . . . . . 301
b) Die volle Kreisscheibe . . • . • • • . 301
c) Die Kreisscheibe mit zentraler Bohrung 302
d) Die ruhende Scheibe. • • . . . . • • 303
Anhang: Zahlentafel ffir Druckverlust in Rohrleitung 304
GeschwindigkeitshOhen ffir r = 1,2 . 305
Li teraturverzeichnis 306
Sach verzeichnls . . 307
Einleitung.
Ventilatoren sind bewegliehe Vorriehtungen mit umlaufendem
Fliigelrad, die der Luft unter Veranderung der Druekverhaltnisse eine
Bewegung erteilen; sie dienen, an eine Luftleitung angesehlossen, zum
Bewegen und Fordern der Luft. Sie werden auch Schleudergeblase
oder Zentrifugalventilatoren genannt, eine Benennung, die gleichzeitig
ihre Wirkungsweise andeutet. Wir nennen sie hier kurzweg Yen tila
toren.
Geblase anderer Art sind: Blasebalge, Kolben- und Kapselgeblase
und Sehraubengeblase.
Unter diesen Geblasen spielen heutzutage die Ventilatoren die
wichtigste Rolle. Sie haben mit der Zeit eine hohe Vervollkommnung
in bezug auf Bau und Wirkungsgrad erfahren und werden innerhalb
gewisser Grenzen in beliebiger Gro13e, mit den versehiedensten Ge
o
sehwindigkeiten und Leistungen hergestellt, schlie13en sieh vorziiglich
an die heutigen schnellaufenden Kraftmasehinen, Elektromotoren und
Dampfturbinen an, besitzen keine beweglichen Teile au13er dem rotie
renden Fliigelrad, das im iibrigen starr gebaut ist, und verlangen ganz
geringe Wartung, so daB sie andere Geblasemasehinen stark verdrangt
haben. Wir behandeln deshalb ausschliel3lich die Ventilatoren und
gestatten uns beilaufig nul' noch die Schraubengeblase, Propeller, auch
Fliigelradventilatoren genannt, kurz in den Kreis unserer Betrachtungen
zu ziehen, da zwischen beiden wenigstens au13erlich eine gewisse Ver
wandtsehaft besteht.
Die physikalischen Eigenschaften del' Luft brauchen nicht so aus
fiihrlich behandelt zu werden wie in einem Werk iiber Kompressoren,
da hier keine gro13en Zustandsanderungen in Frage kommen, sOo da13
in den meisten Fallen beim Durehgang der Luft dureh den Ventilator
mit einem mittleren spezifischen Gewicht gereehnet werden kann.
Hingegen kann im Einzelfalle das spezifische Gewicht der Luft, worauf
es hauptsachlieh ankommt, sehr verschieden sein. Es wird auch die
Forderung anderer Gasarten, die leichter oder sehwerer als Luft sind,
behandelt.
Unter den Bewegungsvorgangen verdient der Leitungswiderstand
der Luft beim Durchgang durch Rohren und geschlossene KanaIe,
Wiesmann, Ventilatoren. 20 Auf!. 1
2 Einleitung.
welcher von den sog. Proportionalitatsgesetzen beherrscht wiTd, be
sondere Beachtung, weil bei unrichtiger Abmessung der Forderleitung
der Effekt der besten Geblasemaschine in Frage gesteHt wird. Beinahe
ebenso wichtig ist eine fortwahrende Kontrolle der LuftfOrderung durch
selbstregistrierende MeBapparate.
Die Ventilatoren sind sog. Kreisel. Ihre Theorie ist im Grunde
genommen die namliche wie diejenige der Zentrifugalpumpe. Fiir beide
gelten die namlichen Gesetze. Der Unterschied besteht hauptsachlich
in der Verschiedenheit des Fordergutes (Luft, Gas oder Wasser und
andere Flussigkeiten) und dem dadurch bedil1gtel1 Ul1terschied in der
Fordergeschwindigkeit, wobei selbstredel1d dem spezifisch leichteren
Korper die groi3ere Geschwindigkeit zukommt. Es ergeben sich bei der
AusfUhrung gewisse konstruktive Unterschiede, hauptsachlich in der
Lange und Form der Fliigel.
Sowohl fiir die Theorie als auch ihre Anwendung sind zur Erleichte
rung des Verstandnisses zahlreiche Zahlenbeispiele eingeflochten.
1m iibrigel1 ist der Inhalt dem jetzigen Stand der HersteHung in
den verschiedenen Anwel1dungsgebieten angepaBt.