About High Performance Factor of Fans and Efficiency of Ventilation Systems

V. G. Karadzhi, Candidate of Engineering, Consultant on Scientific Research for LLC “INNOVENT”
Yu. G. Moskovko, Candidate of Engineering, Consultant on Scientific Research for LLC “INNOVENT”

Keywords : maximum fan performance factor, fan performance factor in working mode, ventilation system, ventilation system efficiency

The article discusses the main factors that affect the aerodynamic efficiency of a ventilation system.

Описание:

В статье рассмотрены основные факторы, влияющие на аэродинамическую эффективность вентиляционной системы.

О высоком КПД вентиляторов и эффективности вентиляционных систем

Ю. Г. Московко , канд. техн. наук, советник по научным разработкам ООО «ИННОВЕНТ», otvet@сайт

В настоящее время большое внимание уделяется энергоэффективности процессов, оборудования и т.д., не составляют исключение и вентиляционные системы. Если систему рассматривать только с точки зрения аэродинамики (то есть не учитывать подвод или отвод теплоты), то аэродинамически эффективной мы называем систему, которая для перемещения необходимого расхода воздуха потребляет минимальную мощность. При этом следует понимать, что речь идет о некой вентиляционной системе, которая по своей конфигурации может быть далеко не оптимальной.

Данная статья представлена в форме скрытого диалога как ответ авторов на ряд дискуссионных вопросов, связанных с эффективностью вентиляционных систем.

Как определить эффективность вентиляционной системы? Мы предложили свой вариант, который был изложен в статье . В дальнейшем на эту тему на 44-м конгрессе KGH-2013 в Белграде был сделан доклад (ISSN 0350–1426), а по предложению Российского секретариата ИСО в Комитете ISO TK 117 (Fans) была открыта работа.

Какие основные факторы влияют на аэродинамическую эффективность вентиляционной системы?

В равной мере для эффективности вентиляционной системы важны и коэффициент полезного действия вентилятора (КПД) на рабочем режиме, и аэродинамические потери в вентиляционной системе. Что мы имеем в виду? Например, для подачи 100000 м 3 /ч (27,8 м 3 /с) свежего воздуха в первоначальном проекте суммарные потери в вентиляционной системе (включая потери в приточной установке) составляли 1500 Па, а после ее оптимизации – 1000 Па. Если принять, что вентиляторы в обоих случаях подобраны должным образом и на рабочем режиме они имеют довольно высокий КПД, равный 80%, то потребляемая мощность вентиляторов будет равна 52 и 35 кВт. То есть выигрыш в оптимизации потерь в вентиляционной системе довольно значителен. Однако если во втором случае вентилятор подобран неоптимально, например его КПД на рабочем режиме только 54%, то он будет потреблять те же 52 кВт, то есть ожидаемого эффекта от оптимизации вентиляционной системы не будет.

КПД вентилятора

Рассмотрим более подробно первую составляющую эффективности вентиляционной системы, а именно КПД вентилятора. Возникает вполне резонный вопрос: нужно ли гнаться за высоким максимальным КПД вентилятора? Однозначно утверждаем, что да, хотя и с некоторыми оговорками, о которых речь пойдет далее.

Сразу же необходимо пояснить: существуют два коэффициента полезного действия – по полным и статическим параметрам. Физический смысл и различие этих двух коэффициентов, как нам кажется, достаточно хорошо описаны в нашей книге . В дальнейшем мы говорим о полном КПД вентилятора, если речь идет о сети на всасывании и нагнетании вентилятора, и о статическом КПД, если сеть расположена только на всасывании.

Существует ряд национальных и международных стандартов, которые так или иначе устанавливают градации эффективности различных типов вентиляторов. Например, в международном стандарте ISO 12759:2010 «Вентиляторы. Классификация по эффективности» введена классификация эффективности вентиляторов с различными приводами. В ЕС действует Директива Европейского парламента и Совета 2009/125/ЕС, в которой прописаны требования к экологическому проектированию продукции, связанной с энергопотреблением, и Регламент комиссии (ЕС) № 327/2011 по ее применению. Россия не осталась в стороне от этого процесса. С июля этого года начал действовать ГОСТ 31961–2012 «Вентиляторы промышленные. Показатели энергоэффективности», разработанный в техническом комитете ТК061 «Вентиляторы и кондиционеры». В стандарте введены три класса эффективности вентиляторов без учета потерь в электродвигателях и т.д, то есть «чисто» вентилятора. На этот год в плане ТК061 стоит разработка российского стандарта, в котором уже будут учитываться потери в приводах (электродвигатели, ременные передачи, частотные приводы и т.д.).

Еще раз повторим, что крайне важно использовать вентиляторы с высоким максимальным КПД. На сегодняшний день максимальный КПД лучших общепромышленных вентиляторов достигает 85–88%, и очевидно, что это уже потолок, так как даже незначительное его увеличение сопряжено с увеличением стоимости вентилятора. Здесь стоит сделать оговорку: в ряде случаев высокий полный КПД получен за счет большой доли динамического давления на выходе вентилятора (большой скорости потока на выходе)! Как правило, наиболее высокий максимальный КПД имеют вентиляторы остро настроенные на определенный узкий диапазон работы. Но для построения энергоэффективной вентсистемы важно, чтобы вентилятор на расчетном режиме имел высокий КПД, в идеале близкий к максимальному значению. В российском стандарте ГОСТ 10616–90 «Вентиляторы радиальные и осевые. Размеры и параметры» на это прямо указано: рабочий диапазон вентилятора должен быть ограничен областью, в которой КПД вентилятора не ниже 0,9 от его максимального значения. Насколько нам известно, мало кто сейчас подбирает рабочий режим вентилятора, учитывая это требование. Можно попасть в ситуацию, схематично изображенную на рис. 1. Здесь вентилятор 1 с максимальным КПД η max1 = 0,86 в вентиляционной системе будет работать менее эффективно (рабочий режим – точка А), чем вентилятор 2 с меньшим максимальным КПД η max2 = 0,76, но работающий в оптимальном диапазоне (рабочий режим – точка Б). То есть высокий максимальный КПД вентилятора – это не самоцель. Можно провести более понятную аналогию. Представьте себе, вы купили дорогой спортивный автомобиль, а ездите по горным дорогам на первой или второй передаче, так как нет прямых участков для скоростной езды! Понятно, что речь об эффективном использовании автомобиля не идет, так как он эксплуатируется далеко не в оптимальном режиме.

Последняя международная выставка «Мир Климата – 2014» показала, что некоторые западные и отечественные производители плохо представляют себе, как определенные конструктивные элементы вентилятора влияют на его КПД. Мы имеем в виду форму лопаток, радиальные и осевые зазоры между лопатками, коллектором и корпусом и т.д. Впечатления о посещении выставки мы отразили в , и нет необходимости здесь их повторять. Основной посыл статьи: показать, на что необходимо в первую очередь обращать внимание , чтобы по внешнему виду вентилятора определить, насколько он будет эффективен в работе. Покажем очень кратко, что бросилось в глаза: огромные радиальные зазоры, упрощенные втулки и лопатки осевых вентиляторов (рис. 2), упрощенные коллекторы, огромные осевые зазоры между коллекторами и колесами (рис. 3) и самое впечатляющее – несоответствие радиального корпуса направлению вращения рабочих колес (рис. 4). И это все – «лучшие» образцы, специально подготовленные к выставке!

Аэродинамически эффективный вентилятор не может быть дешевым, так как для его изготовления необходимо использовать специальное оборудование, качественные комплектующие, а при сборке должны выдерживаться все необходимые элементы технологии, проводить работы должен квалифицированный персонал и т.д. Удешевление стоимости вентилятора за счет упрощения конструкции, технологии, использования неквалифицированного персонала и т.д. неизбежно приводит к ухудшению аэродинамических характеристик и КПД вентиляторов. В конечном итоге, покупая дешевый вентилятор, можно гарантированно получить шлейф проблем: невозможность вывести систему на требуемые режимы, перерасход энергии и т.д. Другими словами, «скупой платит дважды». Это не всегда значит, что чем дороже вентилятор, тем он лучше, но совсем дешевый вентилятор хорошим не бывает.

Как быть проектировщику, который отвечает за свое проектное решение?
Проектировщик подбирает вентиляторы по каталогам, не видя самих вентиляторов, руководствуясь своей практикой, советами коллег, форумом, наконец. При этом если производитель привел в каталоге реальные параметры вентилятора, то можно сказать, что проектировщику (или монтажнику) повезло. Но если параметры позаимствованы из каталога «уважаемого» производителя, который делает «качественный» вентилятор, то это прямой обман со всеми вытекающими последствиями.

Как быть монтажнику?
Монтажники могут заменить оборудование, в том числе и вентиляторы, на более дешевые, так как при этом имеют прямую выгоду. При этом если система не выходит на нужный режим, то всегда можно сослаться на «плохой» проект. Насколько нам известно, редко дело доходит до того, что для решения спора вентилятор испытывается в аэродинамической лаборатории.

К сожалению, в России отсутствует независимый орган (лаборатория), который мог бы дать квалифицированную техническую оценку тому, что есть на вентиляционном рынке. Исключение, насколько нам известно, составляет независимая лаборатория АПИК, которая верифицирует небольшие воздушно-тепловые завесы. По вентиляторам, приточным установкам, кондиционерам ничего подобного нет. Над созданием лаборатории сейчас работают в комитете ТК061.

Здесь хотелось бы сделать замечание. Представьте себе: вы спроектировали вентиляционную систему, заложили вентилятор известного производителя с высоким максимальным КПД, монтажники все реализовали на объекте в металле без отступлений от проекта, но при наладке оказалось, что вентилятор не выходит на заданный расход. В чем проблема? С большой долей вероятности – в соединении вентилятора с сетью (в западной технической литературе – System Factor). Другими словами, элементы вентиляционной сети, расположенные перед вентилятором, могут ухудшать его аэродинамические характеристики. Равно как и вентилятор может увеличивать аэродинамические потери в элементах сети, расположенных непосредственно на его выходе. Но это уже совершенно другая тема.

Завершая тему вентиляторов с высоким КПД, следует сказать, что существует расхожее мнение, что проблему малого КПД вентилятора на расчетном режиме (или же неоптимального выбора вентилятора) может решить частотный преобразователь. Оно ошибочно. Частотный преобразователь изменяет частоту вращения колеса, и соответственно давление и потребляемую мощность, но не изменяет его КПД (если не меняются характеристики самой вентсистемы). Например, при уменьшении частоты вращения потребляемая вентилятором мощность уменьшается пропорционально кубу уменьшения частоты вращения. То есть имеет место прямая выгода. Но при этом КПД вентилятора остается неизменным, и если вентилятор изначально плохо подобран, то он и будет продолжать работать с низким КПД при всех частотах вращения. К слову сказать, при частотном регулировании существует ряд проблем, на которые пока не обращают внимания. Общий КПД привода (электродвигатель плюс частотный привод) сильно зависит от частоты вращения, загрузки электродвигателя и частотного преобразователя. В ряде случаев, несмотря на высокий исходный КПД вентилятора, общий КПД системы может уменьшиться на 20–30%. Кроме этого, при малых частотах вращения ухудшаются условия охлаждения электродвигателя при увеличивающихся внутренних тепловыделениях электродвигателя.

Аэродинамические потери в вентиляционной системе

О второй стороне проблемы, а именно об аэродинамических потерях вентиляционной системы или о том, как построена сама система. Для вентиляционной системы основным параметром является расход воздуха, а необходимое давление вентилятора – производной величиной, которая зависит от множества параметров: скорости воздуха в воздуховодах, конфигурации воздуховодов и т.д. Таким образом, чтобы увеличить эффективность вентиляционной системы, необходимо не только использовать вентилятор с высоким КПД на рабочем режиме, но и оптимизировать аэродинамические потери в самой системе. Говоря об аэродинамической оптимизации вентсистемы, мы подразумеваем, что это не только уменьшение потерь трения в воздуховодах, потерь в сетевых элементах и т.д., но и рациональное построение самой вентиляционной системы. Возвратимся к более понятной аналогии с автомобилем. Для минимизации затрат топлива при перевозке большого груза по маршруту с заездами в ряд удаленных от магистрали населенных пунктов маршрут должен быть соответствующим образом оптимизирован. Например, можно пустить по маршруту две менее грузоподъемные машины (разбиение вентсистемы на две), можно пустить одну большую машину, а для заезда в удаленные населенные пункты использовать менее грузоподъемные машины (использование вентиляторов-доводчиков) и т.д. Оптимизация вентиляционных сетей – довольно обширная тема, и мы предлагаем рассказать о ней в следующем номере журнала.

Литература

1. Караджи В.Г., Московко Ю.Г. Об оценке аэродинамической эффективности вентиляционных систем // АВОК. 2008. № 7.
2. Вентиляционное оборудование. Технические рекомендации для проектировщиков и монтажников . М. : АВОК-ПРЕСС, 2010.
3. Караджи В.Г., Московко Ю.Г. Картинки с выставки // Мир климата. 2014. № 84.

По горизонтальной оси: Q – производительность (количество воздуха, перекачиваемое вентилятором в единицу времени), измеряется куб метрами в час.
По вертикальной оси: Pv – полное давление. Полное давление вентилятора равно разности полных давлений потока за вентилятором и перед ним. Масштаб графиков - логарифмический.

На графике:
Pv – полное давление, Па;
Q – производительность, тыс. м3/час;
Nу – установочная мощность, кВт;
n – частота вращения рабочего колеса, об/мин;
η – КПД агрегата.

Реальные кривые полного давления вентилятора Pv(Q) при вращении его рабочего колеса (крыльчатки) при оборотах n=950 об/мин и n=1450 об/мин обозначены двумя жирными линиями. Здесь же приведена серия ниспадающих кривых, пересекающих кривые Pv(Q) (тонкие линии). Эти кривые иногда называют кривыми мощности (или кривыми равной мощности). На каждой такой кривой приведена мощность электродвигателя.

На самом деле, это кривые полного давления Pv’(Q), которое имел бы этот вентилятор, если бы он работал с переменной частотой вращения, но при постоянной мощности.
Слева от точки пересечения с реальной кривой Pv(Q) — с повышенной частотой вращения относительно номинала, а правее точки пересечения - с пониженной частотой.

Из всего выше сказанного следует понимать, что в левой части, до пересечения мнимой кривой (тонкой линии) с реальной (жирной линии) электродвигатель вентилятора работает с запасом по мощности, а в правой части после пересечения – электродвигатель перегружен, и при длительной работе может выйти из строя.

Пример характеристики вентилятора при комплектации электродвигателем

Рассмотрим такой пример. Если взять вентилятор ВЦ 14-46 №4 , укомплектовать его электродвигателем 4кВт 1500 об/мин и включить такой вентилятор с открытым входом – то в таком случае рабочая точка вентилятора сместиться в крайнее правое положение на кривой полного давления Pv(Q) для n=1450 об/мин (при этом Q > 10 тыс. куб м и Рv=1400 Па) (точка А на графике). Но чтобы перекачать такое количество воздуха и с таким давлением нужна установочная мощность электродвигателя не менее 7,5 кВт, а лучше и 11 кВт (см. графики). Поэтому в таком режиме электродвигатель 4 кВт 1500 об/мин будет работать с большой перегрузкой и наверняка очень скоро перегреется и выйдет из строя (если у него нет соответствующей защиты).

И что же делать?

Надо закрывать (т.е. шиберовать) вход вентилятора. По идее, первый запуск вентилятора должен происходить при закрытом шибере на входе вентилятора (т.е. на «холостом» ходу).

«Холостой» ход для вентилятора — это работа вентилятора при закрытом входе (рабочая точка на реальной кривой полного давления вентилятора смещена влево).

После пуска агрегата шибер открываются одновременно с измерением тока потребления электродвигателя (рабочая точка по кривой смещается вправо). Постепенно открытием шибера значение тока потребления электродвигателя доводится до номинального* и при этом шибер фиксируется (точка В на графике). Дальнейшее открытие шибера будет смещать рабочую точку вентилятора вправо (к точке А ), а это в нашем случае будет вводить электродвигатель 4 кВт 1500 об/мин в режим перегрузки.

* — Номинальный ток электродвигателя указан на шильдике электродвигателя.

05 апреля

В каталогах для вентиляторов часто приводят аэродинамические характеристики вентилятора в виде графика. В качестве примера рассмотрим такой график для центробежного вентилятора среднего давления ВЦ 14-46 №4.По горизонтальной оси: Q - производительность (количество воздуха, перекачиваемое вентилятором в единицу времени), измеряется куб метрами в час. По вертикальной оси: Pv - полное давление. Полное давление вентилятора равно разности полных давлений потока за вентилятором и перед ним. Масштаб графиков — логарифмический.

На графике:
Pv - полное давление, Па;
Q - производительность, тыс. м3/час;
Nу - установочная мощность, кВт;
n - частота вращения рабочего колеса, об/мин;
η - КПД агрегата.

Реальные кривые полного давления вентилятора Pv(Q) при вращении его рабочего колеса (крыльчатки) при оборотах n=950 об/мин и n=1450 об/мин обозначены двумя жирными линиями. Здесь же приведена серия ниспадающих кривых, пересекающих кривые Pv(Q) (тонкие линии). Эти кривые иногда называют кривыми мощности (или кривыми равной мощности). На каждой такой кривой приведена мощность электродвигателя. На самом деле, это кривые полного давления Pv’(Q), которое имел бы этот вентилятор, если бы он работал с переменной частотой вращения, но при постоянной мощности. Слева от точки пересечения с реальной кривой Pv(Q) — с повышенной частотой вращения относительно номинала, а правее точки пересечения — с пониженной частотой. Из всего выше сказанного следует понимать, что в левой части, до пересечения мнимой кривой (тонкой линии) с реальной (жирной линии) электродвигатель вентилятора работает с запасом по мощности, а в правой части после пересечения - электродвигатель перегружен, и при длительной работе может выйти из строя.

Например, если взять вентилятор ВЦ 14-46 №4, укомплектовать его электродвигателем 4кВт 1500 об/мин и включить такой вентилятор с открытым входом - то в таком случае рабочая точка вентилятора сместиться в крайнее правое положение на кривой полного давления Pv(Q) для n=1450 об/мин (при этом Q > 10 тыс. куб м и Рv=1400 Па)(точка А на графике). Но чтобы перекачать такое количество воздуха и с таким давлением нужна установочная мощность электродвигателя не менее 7,5 кВт, а лучше и 11 кВт (см. графики). Поэтому в таком режиме электродвигатель 4 кВт 1500 об/мин будет работать с большой перегрузкой и наверняка очень скоро перегреется и выйдет из строя (если у него нет соответствующей защиты).

И что же делать?

Надо закрывать (т.е. шиберовать) вход вентилятора. По идее, первый запуск вентилятора должен происходить при закрытом шибере на входе вентилятора (т.е. на «холостом» ходу). «Холостой» ход для вентилятора — это работа вентилятора при закрытом входе (рабочая точка на реальной кривой полного давления вентилятора смещена влево). После пуска агрегата шибер открываются одновременно с измерением тока потребления электродвигателя (рабочая точка по кривой смещается вправо). Постепенно открытием шибера значение тока потребления электродвигателя доводится до номинального* и при этом шибер фиксируется (точка В на графике). Дальнейшее открытие шибера будет смещать рабочую точку вентилятора вправо (к точке А), а это в нашем случае будет вводить электродвигатель 4 кВт 1500 об/мин в режим перегрузки.

* — Номинальный ток электродвигателя указан на шильдике электродвигателя.

При выборе вентилятора полезными могут оказаться закономерности, связанные с частотой вращения его рабочего колеса (крыльчатки):

• Производительность пропорциональна частоте вращения: удвоение частоты вращения рабочего колеса вентилятора в два раза — увеличивает его производительность в два раза.
• Давление пропорционально квадрату частоты вращения: удвоение частоты вращения — увеличивает давление в 4 раза.
• Потребляемая мощность пропорциональна частоте вращения в третьей степени: удвоение частоты вращения — увеличивает потребляемую мощность в 8 раз.

Вентиляторами называют воздуходувные машины, предназначенные для перемещения воздуха, других газов и пылегазовоздушных смесей. До недавнего времени их использовали в системах вентиляции и кондиционирования при давлениях до 2000... 3000 Па, а теперь ввиду значительного повышения аэродинамических и прочностных качеств область применения вентиляторов расширилась до давлений 20 000 и даже 30 000 Па.

Наибольшее распространение получили радиальные и осевые вентиляторы.

В зависимости от разности полных давлений, создаваемых при перемещении воздуха плотностью 1,2 кг/м 3 , радиальные вентиляторы делятся на три группы :

Вентиляторы низкого давления с разностью полных давлений, до 1000 Па;

Вентиляторы среднего давления с разностью полных давлений от 1000 до 3000 Па;

Вентиляторы высокого давления с разностью полных давлений более 3000 Па.

В системах вентиляции и кондиционирования воздуха чаще применяются вентиляторы низкого и среднего давления. Вентиляторы высокого давления используются в технологических установках, а также в вентиляционных системах при значительной протяженности воздуховодов и большом гидравлическом сопротивлении сети.

В зависимости от состава перемещаемого воздуха вентиляторы могут быть:

Обычного исполнения - из углеродистой стали для перемещения неагрессивных малозапыленных сред с температурой до 80 °С;

Коррозийностойкого исполнения - из титана, нержавеющей стали, алюминия, винипласта, полипропилена, углеродистой стали с антикоррозионным покрытием;

Пылевые - для воздуха с содержанием пыли свыше 150 мг/м 3 (поскольку эти вентиляторы подвергаются интенсивному истиранию, к материалу, из которого они изготовлены, предъявляются повышенные требования в отношении износоустойчивости);

Взрывобезопасного исполнения - по специальным условиям.

Вентиляторы изготавливаются со следующими типами приводов: с непосредственным соединением с электродвигателем, с клиноременной передачей при постоянном передаточном отношении, с регулируемой бесступенчатой передачей через гидравлические и индукционные муфты скольжения. Последние два способа применяются для вентиляторов больших размеров.

Предусматривается ряд схем исполнения радиальных и осевых вентиляторов (рис. 5.1). При исполнении 1 и 1а рабочее колесо непосредственно насаживается на вал электродвигателя, при исполнениях 2, 2а и 3 валы вентиляторов и электродвигателей соединяются с помощью эластичной муфты, при исполнениях 4-6 радиальные вентиляторы и исполнении 6 осевые вентиляторы снабжены шкивами для соединения с электродвигателями с помощью ременной передачи. При исполнении 7 радиальный вентилятор имеет двустороннее всасывание.

Радиальные вентиляторы

Радиальный вентилятор (рис. 5.2) состоит из трех основных частей: лопастного рабочего колеса турбинного типа (его называют также ротором или турбиной), корпуса спиральной формы (также именуемого кожухом или улиткой) и станины. Рабочее колесо служит для создания давления и подачи воздуха в сеть. Лопатки колеса передают мощность двигателя перемещаемому воздуху. Улиткообразный корпус служит для собирания потока воздуха, сбегающего с лопаток рабочего колеса, и для частичного преобразования динамического давления в статическое. Изготавливаются радиальные вентиляторы правого и левого вращения. Рабочее колесо вентилятора правого вращения вращается по часовой стрелке, если смотреть со стороны всасывания воздуха; рабочее колесо вентилятора левого вращения, соответственно, вращается против часовой стрелки.

Радиальные вентиляторы могут иметь различное положение кожуха и направление выпуска воздуха (рис. 5.3).

При вращении рабочего колеса возникает центробежная сила, под действием которой воздух отбрасывается к наружной поверхности лопаток, собирается в кожухе и выбрасывается через выхлопное отверстие. Вследствие выхода части воздуха в межлопаточном пространстве создается разрежение и воздух извне под действием атмосферного давления поступает во всасывающее отверстие вентилятора.

При прохождении через радиальный вентилятор воздух изменяет первоначальное направление своего движения, поворачивая на 90°.

Рис. 5.1. Схема исполнения радиальных и осевых вентиляторов.

рис. 5.2. Радиальный вентилятор: 1 - лопастное колесо; 2 - спиральный корпус; 3 - входное отверстие; 4 - выходное отверстие.

Рис. 5.3. Расположение спиральных корпусов правого (а) и левого (б) вращения.

Правильным является вращение колес по ходу разворота спиральных корпусов. При обратном же вращении колес производительность, давление и КПД вентиляторов резко уменьшаются, но реверсирование, т. е. изменение направления подачи воздуха, не происходит.

В радиальных вентиляторах встречаются лопатки рабочего колеса, загнутые вперед, назад и расположенные радиально (рис. 5.4).

Наибольшее давление создают вентиляторы, рабочие колеса которых снабжены лопатками, загнутыми вперед; наибольший КПД будет

Рис. 5.4. Форма лопаток радиального вентилятора: а - загнутые вперед; б - радиальные; в - загнутые назад.

при лопатках, загнутых назад. При этих же лопатках вентилятор создает меньший шум.

Осевые вентиляторы

Осевые вентиляторы называются так потому, что движение воздуха происходит параллельно оси вентилятора. При прохождении осевого вентилятора воздух сохраняет направление своего движения ине поворачивает на 90°, как в радиальном вентиляторе.

Рис. 5.5. Осевой вентилятор: 1 - обечайка; 2 - втулка; 3 - лопасти; 4 - электродвигатель; 5 - направление потока воздуха.

Осевой вентилятор (рис. 5.5) состоит из рабочего колеса - втулки с лопастями - и обечайки. Число лопаток может быть различным - от двух и выше.

Осевые вентиляторы обладают значительной производительностью при сравнительно небольшом давлении - обычно до 350 Па, иногда до 700 Па и выше. Чаще всего осевой вентилятор соединяется с электродвигателем на одном валу или на одной оси. Применяются также соединения с помощью клиноременной передачи.

Осевые вентиляторы имеют более высокий КПД, чем радиальные, так как по пути движения потока через осевой вентилятор меньше внутренних потерь давления.

Осевые вентиляторы в конструктивном исполнении значительно проще радиальных, имеют меньшую металлоемкость. При работе осевых вентиляторов создается значительный шум, что является одним из основных недостатков.

Осевые вентиляторы устанавливаются без вентиляционной сети или с сетью незначительной протяженности, так как они рассчитаны на создание сравнительно небольших давлений. Осевые вентиляторы некоторых конструкций обладают реверсивностью, т. е. изменением направления движения воздуха через вентиляторы. Реверсивные вентиляторы имеют симметричный профиль лопаток.

Крышные вентиляторы

Для удаления воздуха из верхней зоны помещения служат крышные осевые и радиальные вентиляторы. При транспортировании липкой, волокнистой и цементирующейся пыли крышные вентиляторы не применяются .

Осевые крышные вентиляторы предназначены для удаления воздуха с температурой до 40 °С при общеобменной вытяжной вентиляции, а также для направления удаляемого воздуха сосредоточенной струей вверх.

Радиальные крышные вентиляторы (стальные) могут применяться для установок с сетью воздуховодов (в том числе для многоэтажных зданий). В тех случаях, когда не требуется очистка воздуха перед выбросом в атмосферу, радиальные крышные вентиляторы используются для удаления воздуха с температурой не более 50 °С от местных укрытий.

Коррозионно стойкие крышные вентиляторы из титана типа ВКРТ предназначены для удаления невзрывоопасных газовоздушных смесей с агрессивными примесями, вызывающими ускоренную коррозию вентиляторов из углеродистой и нержавеющей стали. Эти вентиляторы применяются как для общеобменной вытяжной вентиляции, так и для систем местных отсосов, гидравлическое сопротивление которых находится в пределах напора, создаваемого вентилятором.

Характеристики вентиляторов

Между основными параметрами вентилятора и числом оборотов рабочего колеса существуют следующие соотношения.

Производительность вентилятора прямо пропорциональна числу оборотов рабочего колеса:

Давление, создаваемое вентилятором, прямо пропорционально квадрату числа оборотов:

Мощность вентилятора прямо пропорциональна кубу числа оборотов:

Приведенные зависимости называются законами пропорциональности.

Зависимость между основными параметрами вентилятора производительностью L, давлением Н, мощностью N, КПД и числом оборотов п определяется экспериментальным путем на основе стендовых испытаний и выражается в виде таблиц и номограмм. Эти таблицы и номограммы называются характеристиками вентиляторов.

На графике по оси абсцисс отложена производительность вентилятора L, а по оси ординат - полное давление Н.

При подборе вентиляторов наибольшие удобства и наглядность представляют характеристики, построенные для каждого вентилятора при разной частоте вращения (рис. 5.6).

Верхняя кривая HL обычно соответствует наибольшей допустимой частоте вращения по соображениям прочности, а нижняя кривая HL определяет условия работы нагнетателя без сети при L=L max т. е. Н=Н ДИН.

Рис. 5.6. Характеристика радиального вентилятора.

Работа вентилятора в сети не может рассматриваться изолированно от ее особенностей. Один и тот же вентилятор, работая при одинаковом числе оборотов в различных сетях, будет подавать различные количества воздуха и создавать различные давления. Это видно при рассмотрении характеристики вентилятора.

Режим работы вентилятора в данной сети может быть определен при совмещении характеристики вентилятора с выполненной в том же масштабе характеристикой сети.

Характеристика сети выражается уравнением:

Н с = k х L 2 , (5.4)

ще Н с - потери давления в сети; L - расход воздуха в сети; к - коэффициент, зависящий от особенностей сети.

Этому уравнению соответ-. ствует парабола, проходящая через начало координат.

Точка пересечения характеристики сети с характеристикой вентилятора называется рабочей точкой. При этом соблюдено условие, что производительность вентилятора L равна расходу воздуха в сети, а сопротивление сети Н с равно давлению, создаваемому вентилятором Н.

Совмещение характеристики вентилятора с характеристикой сети показано на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Совмещение характеристики вентилятора с характеристикой сети.

Подбор вентилятора и электродвигателей

Вентиляторы подбирают по характеристикам, помещенным в каталогах и справочниках . Для подбора вентилятора необходимо знать его производительность L и давление Н.

Производительность вентилятора определяется с учетом потерь илиподсосов воздуха в воздуховодах. Для этого вводятся поправочные коэффициенты на расчетное количество воздуха: для стальных, пластмассовых и асбоцементных (из труб) воздуховодов длиной до 50 м - 1,1; для остальных - 1,15. Кроме того, количество подсасываемого воздуха в пылеуловителях следует принимать по паспортным данным.

Производительность вентиляторов (в м 3 /ч) определяют по формуле:

где L p - расчетная производительность, м 3 /ч; п - поправочный коэффициент. Давление вентилятора Н принимают равным расчетному, если вентилятор предназначается для перемещения чистого и малозапылен-ного воздуха.

Давление вентилятора, транспортирующего запыленный воздух (в Па), определяют по формуле:

Н = 1,1 Н р х(1 +kμ), (5.6)

где к - коэффициент, учитывающий особенности перемещаемого материала;

μ - массовая концентрация транспортируемой смеси, т. е. отношение массы перемещаемого в воздушном потоке материала к массе воздуха.

Вентиляторы выбирают в следующем порядке: по заданным значениям производительности и давления на характеристике вентилятора находят точку пересечения координат L и Н. В том случае, если эта точка располагается между «рабочими» характеристиками, то ее сносят по вертикали на лежащую ниже «рабочую» характеристику и пересчитывают систему на новое давление, соответствующее полученной рабочей точке, или же повышают ее до расположенной выше «рабочей» характеристики. По принятой «рабочей» характеристике, по заданным L и Н находят частоту вращения рабочего колеса вентилятора п, мин -1 , его коэффициент полезного действия η. Затем определяют потребляемую мощность N, кВт.

Характеристики вентиляторов даны в пределах допустимых частот вращения рабочих колес нагнетателей из условий их прочности, поэтому применение вентиляторов с большей частотой вращения не допускается. Частоту вращения рабочих колес вентилятора ограничивают условия бесшумности.

Обычно определенным значениям L и Н удовлетворяют несколько номеров и типов вентиляторов. Остановиться нужно на вентиляторе, который имеет более высокий КПД.

Как правило, коэффициент полезного действия вентилятора должен быть не ниже 90% от максимально возможного для данной серии.

При подборе вентиляторов необходимо учитывать, что характеристики вентиляторов составлены для стандартных условий, т. е. для чистого воздуха при t=20°C; ф=50%; р=1,2 кг/м 3 , р б =0,101 МПа. Поэтому для условий, отличающихся от стандартных, при выборе вентилятора следует принимать производительность вентилятора и условное давление равным соответственно:

где L p - расчетный объем воздуха при рабочих условиях, м 3 /ч;

L - расход воздуха, принимаемый для подбора вентилятора,

Н в.р. - расчетное сопротивление сети, Па (для систем пневмЫтранспорта и аспирации с учетом потерь на примеси);

Н у - условное давление, принимаемое для подбора вентилятор

t - температура воздуха или газа, °С;

Р б - барометрическое давление в месте установки вентилятора,

р г - плотность газа (t=0 °C и р б =0,101 МПа);

р в - плотность воздуха при тех же условиях. Потребляемая мощность на валу электродвигателя N, кВт, опре« деляется по формуле:

При перемещении воздуха с механическими примесями:

где L - производительность вентилятора, м 3 /ч; Н - создаваемое вентилятором давление, Па; η в - КПД вентилятора в рабочей точке характеристики; η п - КПД передачи, принимаемый по табл. 5.1.

Таблица 5.1,

Значение КПД передач

Установочная мощность электродвигателя принимается с коэффициентом запаса k 3:

N ycт = k 3 x N. (5.10)

Значения коэффициента запаса мощности приведены в табл. 5.2,¾

Таблица 5.2

По установочной мощности подбирают электродвигатель. При этом нужно учитывать характер помещения, где расположена вентиляционная установка. В случае необходимости применяют электродвигатели в защищенном или взрывобезопасном исполнении.

При установке электродвигателей в помещениях с температурой 45 °С установленную мощность электродвигателя необходимо увеличить на 8%, а при 50 °С - на 15%.

Пример

Подобрать радиальный вентилятор для перемещения L=30000 м 3 /ч чистого воздуха с температурой t=60 °C. Сопротивление сети воздуховодов Н в.р =660 Па. Барометрическое давление р б =0,089 МПа.

Решение

Температура перемещаемого воздуха отличается от стандартной (t=20 °C). Поэтому условное давление для подбора вентилятора определяем по формуле (5.7):

Этим условиям удовлетворяет радиальный вентилятор, универсальная характеристика которого приведена на рис. 5.8.

Вентилятор при L=30000 м 3 /ч и Н у =852 Па имеет КПД, равный 0,84.

В точке пересечения линии давления и производительности по характеристике для данного вентилятора находим частоту вращения рабочего колеса вентилятора (п=845 об./мин).

При установке вентилятора на клиноременной передаче требуемая мощность электродвигателя по формуле (5.8) составит:

Рис. 5.8. Аэродинамическая характеристика вентилятора ВЦ4-75-10 (исполнение 6).

Установочная мощность электродвигателя с учетом запаса по формуле (5.10) должна быть не менее N y =l,l x 8,7=9,6 кВт. Принимаем ближайший больший по мощности электродвигатель.

Электродвигатели

Выбор типа электродвигателя зависит от места его установки. В сухих малозапыленных помещениях, не содержащих в воздухе агрессивных газов и взрывоопасных веществ, устанавливаются защищенные электродвигатели.

В помещениях пыльных, влажных и содержащих агрессивные газы применяют закрытые обдуваемые электродвигатели. Этот же тип двигателей применяется при установке на открытом воздухе .

В помещениях, содержащих взрывоопасные соединения, а также при установке электродвигателей в одном помещении с вытяжными вентиляторами, обслуживающими взрывоопасные производства, применяют электродвигатели во взрывобезопасном исполнении. Условия установки электродвигателей во взрывобезопасном исполнении приведены в .

При использовании клиноременной передачи электродвигатели устанавливаются на салазках.

Передачи

При непосредственном соединении двигателей с вентиляторами по схемам исполнения 2 и 3 (см. рис. 5.1) применяют упругие втулочно-пальцевые муфты типа МУВП (МН 2096-64).

Муфты этой конструкции подразделяются на нормальные (тип МН) - для передачи крутящих моментов от 128 до 15350 Нм и облегченные (тип МО) - для передачи крутящих моментов от 67 до 7160 Нм.

Крутящий момент можно определить по формуле:

где N - установочная мощность электродвигателя, кВт;

п - частота вращения вала, на котором устанавливается муфта,

Клиноременные передачи применяются при соединении двигателей с вентиляторами по схемам 4, 6 и 7 (см. рис. 5.1) . Клиноременную передачу рассчитывают по ГОСТ 1284-80.

Механические устройства, служащие для перемещения воздуха по воздуховодам, или непосредственной подачи либо забора воздуха из помещения. Перемещение воздуха происходит из-за создания перепада давления между входом и выходом вентилятора.

Классификации вентиляторов

Вентиляторы классифицируются по многим параметрам, таким как:

а) конструкция и принцип действия: могут быть осевыми, радиальными и диаметральными

б) в зависимости от величины полного давления: могут быть низкого (до 1 кПа), среднего (до 3 кПа) и высокого давления (до 12 кПа)

в) в зависимости от направления вращения рабочего колеса: могут быть правого и левого вращения

г) в зависимости от состава перемещаемой среды: обычные, термостойкие, взрывобезопасные, пылевые и т.д.

д) по месту установки: обычные, устанавливаемые на специальной опоре (раме,фундамент и т.д.); канальные, устанавливаемые непосредственно в воздуховоде; крышные, размещаемые на кровле.

Основными характеристиками вентиляторов являются следующие параметры:

• расход воздуха, м 3 /ч;
• полное давление. Па;
• частота вращения, об/мин;
• потребляемая мощность, затрачиваемая на привод вентилятора, кВт;
• КПД - коэффициент полезного действия вентилятора, учитывающий, механические потери мощности на различные виды трения в рабочих органах вентилятора., объемные потери. результате утечек через уплотнение и аэродинамические потери в проточной части вентилятора;
• уровень звукового давления, дБ.

Самые популярные типы вентиляторов

Самые популярные и спрашиваемые на рынке типы (по различным классификациям) - следующие:

• Осевые
• Потолочные
• Центробежные
• Канальные
• Вытяжные
• Взрывозащищенные
• Бытовые
• Промышленные
• Крышные
• Вентиляторы дымоудаления
• Приточные
• Тангенциальные
• Оконные (настенные)

Промышленные вентиляторы применяются в системах вентиляции квартир, офисов, коттеджей, производств и т.п., то есть, там, где необходимо подавать в помещение или удалять из помещения достаточно большие объемы воздуха. Производительность промышленных вентиляторов может достигать 75 000 м3/час. Промышленные вентиляторы изготавливаются из металла. Но есть в некоторых моделях и исключения, например, в вентиляторах для агрессивных сред.

Бытовые вентиляторы предназначены обеспечения вытяжки или притока воздуха в помещениях небольшого объема, таких как, ванная комната, санузел, котельная, бытовка, подвал, подсобные помещения и т.п. Вентиляторы могут быть оснащены системой автоматики, которая в зависимости от исполнения может включать их по сигналу от таймера, гигростата, датчика движения и т.д. Как правило, все бытовые вентиляторы изготавливаются из пластика. Бытовые вентиляторы также подразделяются по видам исполнения на центробежные, осевые, оконные, вентиляторы для усиления каминной тяги и т.д.

Потолочные вентиляторы – это осевые вентиляторы с широкими лопастями. Они подвешиваются к потолку и предназначены перемешивания воздуха в помещениях, таких как, торговые центры, павильоны, крытые спортивные площадки и стадионы, ангары, офисы, квартиры и т.п.

Осевые вентиляторы

Вентиляторы осевые предназначены для перемещения воздуха в системах вентиляции зданий. Они могут использоваться как для непосредственной установки в канал воздуховода, так и для настенной установки.

Вентиляторы осевые имеют простую конструкцию: корпус, в котором помещается осевое рабочее колесо с лопатками, и двигатель, обеспечивающий вращение. Эти вентиляторы легко регулировать и обеспечивать большую производительность посредством направления поворота лопаток.

Вентиляторы осевые обладают рядом преимуществ: небольшая площадь для монтажа, возможность управления вращением, малая мощность потребления энергии. Вентилятор осевой канальный применяется для приточной и вытяжной вентиляции в производственных, сельскохозяйственных и административных помещениях.

Вентилятор осевой канальный может эксплуатироваться при температуре от +40°C до -40°C. Он создает направленные воздушные потоки вдоль оси вращения, обеспечивая принудительную циркуляцию воздуха. Вентиляторы осевые гарантируют быструю очистку окружающей атмосферы от разнообразных примесей.

Также, вентиляторы осевые , перемещая объёмы воздуха из внешнего пространства во внутренние помещения способны выполнять функцию кондиционирования.

Канальный вентилятор

Канальный вентилятор широко применяется в офисных помещениях, на предприятиях общественного питания, на производствах и в иных зданиях, где необходима недорогая и эффективная вентиляция.

Канальный вентилятор предназначен для непосредственной установки в прямоугольный канал систем кондиционирования воздуха и вентиляции промышленных и общественных зданий. Канальный вентилятор может использоваться для перемещения воздуха без твердых, волокнистых и абразивных материалов, а также других невзрывоопасных газовых смесей.

Допустимая температура перемещаемого воздуха от -30°С до +40°С. Канальный вентилятор может быть прямоугольным, квадратным и круглым. Вентилятор канальный круглый - элемент оборудования для вентиляции приточно-вытяжной системы, он позволяет обеспечить стабильное, контролируемое снабжение чистым воздухом промышленных и общественных зданий.

Вентилятор канальный круглый может использоваться в любых системах вентиляции круглого сечения. Канальный вентилятор легко монтируется - устанавливается в систему воздуховодов при помощи гибких креплений или непосредственно в тело воздуховодов.

Центробежный вентилятор

Радиальный (центробежный) вентилятор состоит из вращающегося ротора, который состоит из лопастей особой спиральной формы. Через входное отверстие ротора воздух засасывается внутрь, где приобретает вращательное движение. Спиральные лопасти и возникшая центробежная сила направляют воздушный поток в выходное отверстие спирального кожуха. При этом поток воздуха входит по оси вращения ротора, а выходит в радиальной плоскости. Радиальные вентиляторы , если сравнивать их с осевыми вентиляторами , создают поток воздуха с большим давлением, так как перемещаемым воздушным массам передается дополнительная энергия при переходе от радиуса входа к радиусу выхода. Поэтому такие чаще всего используют при создании вентиляционных систем.

В соответствии с ГОСТ радиальные вентиляторы по создаваемому ими давлению делятся на вентиляторы низкого, среднего и высокого давления. Радиальные вентиляторы низкого давления (до 1000 Па) способны развивать скорость вращения не выше 50 м/с, при этом рабочие колеса вентилятора имеют лопасти с большой рабочей поверхностью. Такие вентиляторы комплектуются лопастями загнутыми назад. Если же в вентиляторе применяются широкие колеса, то профильные лопасти применяют с чуть наклонным или плоским передним диском. Радиальные вентиляторы среднего давления (до 3000 Па) развивают максимальную окружную скорость не выше 80 м/с. Лопасти вентиляторов среднего давления могут быть загнуты по направлению движения рабочего колеса или против направления движения рабочего колеса. Радиальные вентиляторы высокого давления могут создавать давление нагнетаемого воздуха свыше 3000 Па. На давление более 10000 Па создают вентиляторы с узкими рабочими колесами (напоминают компрессорные) и малой быстроходностью. Скорость вращения таких вентиляторов может достигать и 200 м/с.

По скорости вращения вентиляторы делятся на большой, средней и малой скорости вращения. Вентиляторы с большой скоростью вращения обладают широкими рабочими колесами с небольшим количеством загнутых назад лопастей. Вентиляторы со средней скоростью вращения могут быть, как оснащены колесом барабанного типа с загнутыми вперед лопастями и большим диаметром входного отверстия, так и рабочими колесами меньшей ширины с загнутыми назад лопатками. Вентиляторы с малой скоростью вращения характеризуются небольшими диаметрами входного отверстия, узкими рабочими колесами с загнутыми или вперед, или назад лопастями, а также на небольшую ширину раскрытым спиральным корпусом.

В вентиляционных системах с разветвленной сетью воздуховодов, системах воздушного отопления и кондиционирования целесообразнее использовать радиальные (центробежные) вентиляторы . Это связано с тем, что радиальные вентиляторы обеспечивают минимальные потери производительности и высокое качество вентиляции. Например, радиальные вентиляторы применяют в системах дымоудаления, для подачи воздуха в сушильное или фильтровальное оборудование. Радиальные (центробежные) вентиляторы также применяются также в кухонных бытовых вытяжных установках.