Вентиляторы для систем канальной вентиляции
В этом модуле рассматриваются центробежные и осевые вентиляторы, используемые в системах канальной вентиляции, а также рассматриваются отдельные аспекты, включая их характеристики и эксплуатационные параметры.
Два распространённых типа вентиляторов, используемых в строительстве для канальных систем, называются центробежными и осевыми вентиляторами – название происходит от направления воздушного потока, проходящего через вентилятор. Эти два типа, в свою очередь, подразделяются на ряд подтипов, разработанных для обеспечения определённых характеристик расхода/давления, а также других эксплуатационных характеристик (включая размер, уровень шума, вибрацию, удобство очистки, ремонтопригодность и надёжность).
Таблица 1: Опубликованные в США и Европе данные о пиковой эффективности вентиляторов для вентиляторов диаметром более 600 мм
Некоторые из наиболее распространённых типов вентиляторов, используемых в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, перечислены в таблице 1 вместе с ориентировочными значениями пиковой эффективности, полученными1 из данных, опубликованных рядом производителей США и Европы. Кроме того, в последние годы всё большую популярность приобретает «прямоточный» вентилятор (фактически являющийся разновидностью центробежного вентилятора).
Рисунок 1: Типичные кривые вентилятора. Реальные вентиляторы могут значительно отличаться от этих упрощённых кривых.
Характерные кривые вентилятора показаны на рисунке 1. Это преувеличенные, идеализированные кривые, и реальные вентиляторы могут существенно отличаться от них; однако они, вероятно, будут обладать схожими характеристиками. Сюда входят области нестабильности, возникающие из-за колебаний, когда вентилятор может переключаться между двумя возможными значениями расхода при одном и том же давлении, или вследствие остановки вентилятора (см. раздел «Остановка потока воздуха»). Производители также должны указывать в своей документации предпочтительные «безопасные» рабочие диапазоны.
Центробежные вентиляторы
В центробежных вентиляторах воздух поступает в рабочее колесо вдоль его оси, а затем выбрасывается радиально из рабочего колеса под действием центробежной силы. Эти вентиляторы способны создавать как высокое давление, так и большой объёмный расход. Большинство традиционных центробежных вентиляторов заключены в корпус спирального типа (как на рисунке 2), который направляет движущийся воздух и эффективно преобразует кинетическую энергию в статическое давление. Для увеличения производительности вентилятор может быть сконструирован с рабочим колесом двойной ширины с двойным впуском, что позволяет воздуху поступать с обеих сторон корпуса.
Рисунок 2: Центробежный вентилятор в спиральном корпусе с наклонным назад рабочим колесом
Существует ряд форм лопаток, из которых может состоять рабочее колесо, основными из которых являются лопатки с загнутыми вперёд и назад загнутыми. Форма лопатки определяет его производительность, потенциальный КПД и форму характеристической кривой вентилятора. Другими факторами, влияющими на эффективность вентилятора, являются ширина рабочего колеса, зазор между входным конусом и вращающимся рабочим колесом, а также площадь, используемая для выхода воздуха из вентилятора (так называемая «площадь струи»).
Традиционно вентиляторы этого типа приводились в движение двигателем с ременной передачей и шкивом. Однако с развитием электронных систем управления скоростью и повышением доступности бесщёточных двигателей с электронной коммутацией (EC-двигателей) всё чаще используются прямые приводы. Это не только устраняет неэффективность, присущую ремённому приводу (которая может составлять от 2% до более чем 10% в зависимости от обслуживания2), но и, вероятно, снижает вибрацию, сокращает потребность в обслуживании (меньше подшипников и меньше чистки) и делает узел более компактным.
Центробежные вентиляторы с загнутыми назад лопатками
Вентиляторы с загнутыми назад (или «наклонными») лопатками характеризуются лопатками, которые наклонены в сторону от направления вращения. Они могут достигать эффективности около 90% при использовании лопаток с аэродинамическим профилем, как показано на рисунке 3, или с простыми лопатками, сформированными в трех измерениях, и немного меньше при использовании простых изогнутых лопаток, и еще меньше при использовании простых плоских пластинчатых лопаток с наклоном назад. Воздух покидает кончики рабочего колеса с относительно низкой скоростью, поэтому потери на трение внутри корпуса низкие, а генерируемый воздухом шум также низкий. Они могут срываться на крайних точках рабочей кривой. Относительно более широкие рабочие колеса обеспечат наибольшую эффективность и могут легко использовать более прочные лопатки с аэродинамическим профилем. Тонкие рабочие колеса не покажут большого преимущества от использования аэродинамических профилей, поэтому, как правило, используют плоские пластинчатые лопатки. Вентиляторы с загнутыми назад лопатками особенно известны своей способностью создавать высокое давление в сочетании с низким уровнем шума и не перегружаются, что означает, что по мере снижения сопротивления в системе и увеличения расхода мощность, потребляемая электродвигателем, снижается. Конструкция вентиляторов с загнутыми назад лопатками, вероятно, более прочная и довольно тяжёлая, чем менее эффективные вентиляторы с загнутыми вперёд лопатками. Относительно низкая скорость воздушного потока, проходящего через лопасти, может способствовать накоплению загрязнений (например, пыли и жира).
Рисунок 3: Изображение рабочих колес центробежных вентиляторов
Центробежные вентиляторы с загнутыми вперед лопатками
Вентиляторы с загнутыми вперед лопатками характеризуются большим количеством загнутых вперед лопаток. Поскольку они обычно создают меньшее давление, они меньше, легче и дешевле, чем эквивалентные вентиляторы с загнутыми назад лопатками. Как показано на рисунках 3 и 4, этот тип рабочего колеса вентилятора будет включать в себя более 20 лопаток, которые могут быть настолько простыми, как изготовленные из одного металлического листа. Повышенная эффективность достигается в больших размерах с индивидуально сформированными лопатками. Воздух покидает кончики лопаток с высокой тангенциальной скоростью, и эта кинетическая энергия должна быть преобразована в статическое давление в корпусе - это снижает эффективность. Они обычно используются для низких и средних объемов воздуха при низком давлении (обычно <1,5 кПа) и имеют относительно низкий КПД - менее 70%. Спиральный корпус особенно важен для достижения максимальной эффективности, поскольку воздух покидает кончики лопаток с высокой скоростью и используется для эффективного преобразования кинетической энергии в статическое давление. Они работают на низких скоростях вращения, поэтому уровень создаваемого ими механического шума, как правило, ниже, чем у высокоскоростных вентиляторов с загнутыми назад лопатками. Вентилятор имеет перегрузочную способность при работе с низким сопротивлением системы.
Рисунок 4: Центробежный вентилятор с загнутыми вперед лопатками и встроенным двигателем
Такие вентиляторы не подходят, например, для случаев, когда воздух сильно загрязнен пылью или содержит частицы жира.
Рисунок 5: Пример прямоточного вентилятора с прямым приводом и загнутыми назад лопатками
Центробежные вентиляторы с радиальными лопатками
Радиально-лопастной центробежный вентилятор обладает преимуществом в способности перемещать загрязнённые частицы воздуха при высоком давлении (порядка 10 кПа), однако при работе на высоких скоростях он очень шумный и малоэффективный (<60%), поэтому его не следует использовать в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха общего назначения. Кроме того, он подвержен перегрузкам: по мере снижения сопротивления системы (например, за счёт открытия заслонок регулирования расхода) мощность двигателя возрастает и, в зависимости от размера двигателя, может привести к его перегрузке.
Вентиляторы с электроприводом
Вместо установки в спиральный корпус, эти специально разработанные центробежные рабочие колеса могут использоваться непосредственно в корпусе воздухообрабатывающего агрегата (или, по сути, в любом воздуховоде или коллекторе), и их первоначальная стоимость, вероятно, будет ниже, чем у центробежных вентиляторов в корпусе. Известные как «пленумные», «плунжерные» или просто «безкорпусные» центробежные вентиляторы, они могут обеспечить некоторые преимущества в плане пространства, но ценой потери эффективности работы (при этом наилучшая эффективность аналогична эффективности центробежных вентиляторов в корпусе с загнутыми вперед лопатками). Вентиляторы всасывают воздух через входной конус (как и корпусные вентиляторы), а затем выпускают его радиально по всей 360° внешней окружности рабочего колеса. Они обеспечивают большую гибкость выходных соединений (из коллектора), что означает, что может потребоваться меньше смежных изгибов или резких переходов в воздуховодах, которые сами по себе увеличивают падение давления в системе (и, следовательно, дополнительную мощность вентилятора). Общую эффективность системы можно повысить, используя раструбные входы в воздуховоды, выходящие из камеры. Одним из преимуществ прямоточного вентилятора являются улучшенные акустические характеристики, в основном благодаря звукопоглощению внутри камеры и отсутствию «прямой видимости» путей от рабочего колеса к устью воздуховода. Эффективность будет сильно зависеть от расположения вентилятора в камере и его расположения относительно выходного отверстия, поскольку камера используется для преобразования кинетической энергии воздуха и, таким образом, повышения статического давления. Существенно различающиеся производительность и стабильность работы будут зависеть от типа рабочего колеса. Рабочие колеса смешанного потока (обеспечивающие комбинацию радиального и осевого потока) использовались для решения проблем с потоком, возникающих из-за сильного радиального потока воздуха, создаваемого простыми центробежными рабочими колесами3.
Компактная конструкция небольших агрегатов часто дополняется применением легко управляемых двигателей EC.
Осевые вентиляторы
В осевых вентиляторах воздух проходит через вентилятор вдоль оси вращения (как показано на рисунке 6) – давление создаётся за счёт аэродинамической подъёмной силы (аналогично крылу самолёта). Такие вентиляторы могут быть сравнительно компактными, недорогими и лёгкими, особенно подходящими для перемещения воздуха в условиях относительно низкого давления, поэтому их часто используют в вытяжных системах, где перепад давления ниже, чем в приточных системах (приток обычно учитывает перепад давления во всех компонентах системы кондиционирования воздуха в приточно-вытяжной установке). Когда воздух выходит из простого осевого вентилятора, он завихряется из-за вращения, передаваемого воздуху при прохождении через рабочее колесо. Производительность вентилятора может быть значительно улучшена за счёт установки направляющих лопаток, которые возвращают завихрение, как в лопастном осевом вентиляторе, показанном на рисунке 7. Эффективность осевого вентилятора зависит от формы лопатки, расстояния между её кончиком и корпусом, а также от способности возвращать завихрение. Шаг лопатки можно изменять для эффективного регулирования производительности вентилятора. Изменяя направление вращения осевых вентиляторов, можно также изменить направление воздушного потока, хотя вентилятор будет рассчитан на работу в основном направлении.
Рисунок 6: Трубчатый осевой вентилятор
Характеристическая кривая осевых вентиляторов имеет область срыва потока, что может сделать их непригодными для систем с широким диапазоном рабочих условий, хотя они и обладают преимуществом неперегружаемой характеристики мощности.
Рисунок 7: Осевой вентилятор с лопатками
Осевые вентиляторы с лопастями могут быть столь же эффективны, как и центробежные вентиляторы с загнутыми назад лопатками, и способны создавать высокие потоки при разумном давлении (обычно около 2 кПа), хотя они, вероятно, создают больше шума.
Вентилятор смешанного потока является усовершенствованным вариантом осевого вентилятора и, как показано на рисунке 8, имеет коническое рабочее колесо, в котором воздух всасывается радиально через расширяющиеся каналы, а затем проходит аксиально через выпрямляющие направляющие лопатки. Совместное действие позволяет создавать значительно более высокое давление, чем другие осевые вентиляторы. Эффективность и уровень шума могут быть аналогичны показателям центробежного вентилятора с загнутыми назад лопатками.
Рисунок 8: Встроенный вентилятор смешанного потока
Установка вентилятора
Усилия по обеспечению эффективного решения проблемы вентиляции могут быть серьезно подорваны взаимосвязью между вентилятором и местными воздуховодами.
Время публикации: 07 января 2022 г.