Вентиляторы для канальных вентиляционных систем
В этом модуле рассматриваются центробежные и осевые вентиляторы, используемые в системах канальной вентиляции, и анализируются отдельные аспекты, включая их характеристики и эксплуатационные параметры.
В системах вентиляции зданий с воздуховодами обычно используются два типа вентиляторов: центробежные и осевые – название происходит от направления потока воздуха через вентилятор. Эти два типа, в свою очередь, подразделяются на ряд подтипов, разработанных для обеспечения определенных характеристик объемного расхода/давления, а также других эксплуатационных характеристик (включая размер, шум, вибрацию, возможность очистки, ремонтопригодность и прочность).
Таблица 1: Опубликованные в США и Европе данные о пиковой эффективности вентиляторов диаметром >600 мм.
В таблице 1 перечислены некоторые из наиболее часто встречающихся типов вентиляторов, используемых в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), а также ориентировочные значения пиковой эффективности, полученные на основе данных, опубликованных рядом американских и европейских производителей. Помимо этого, в последние годы растет популярность вентиляторов с центробежным вентилятором (которые фактически являются разновидностью центробежного вентилятора).
Рисунок 1: Типичные кривые работы вентиляторов. Реальные вентиляторы могут значительно отличаться от этих упрощенных кривых.
Характерные кривые работы вентилятора показаны на рисунке 1. Это преувеличенные, идеализированные кривые, и реальные вентиляторы могут значительно отличаться от них; однако они, вероятно, будут обладать схожими характеристиками. Это включает в себя области нестабильности, возникающие из-за колебаний, когда вентилятор может переключаться между двумя возможными расходами при одном и том же давлении, или в результате срыва потока (см. раздел «Срыв потока воздуха»). Производители также должны указывать предпочтительные «безопасные» рабочие диапазоны в своей документации.
Центробежные вентиляторы
В центробежных вентиляторах воздух поступает в рабочее колесо вдоль его оси, а затем радиально выходит из него за счет центробежного движения. Эти вентиляторы способны создавать как высокое давление, так и большой объемный расход. Большинство традиционных центробежных вентиляторов заключены в корпус спирального типа (как показано на рисунке 2), который направляет движущийся воздух и эффективно преобразует кинетическую энергию в статическое давление. Для перемещения большего объема воздуха вентилятор может быть сконструирован с рабочим колесом «двойной ширины и двойного входа», позволяющим воздуху поступать с обеих сторон корпуса.
Рисунок 2: Центробежный вентилятор в спиральном корпусе с рабочим колесом, наклоненным назад.
В качестве формы лопаток рабочего колеса могут использоваться лопатки различной формы, основными типами являются лопатки с изгибом вперед и лопатки с изгибом назад. Форма лопатки определяет производительность, потенциальную эффективность и форму характеристической кривой вентилятора. Другие факторы, влияющие на эффективность вентилятора, включают ширину рабочего колеса, зазор между входным конусом и вращающимся рабочим колесом, а также площадь, используемую для отвода воздуха из вентилятора (так называемая «зона выброса»).
Традиционно вентиляторы такого типа приводились в движение двигателем с ременной передачей и шкивом. Однако с усовершенствованием электронных регуляторов скорости и расширением доступности электронно-коммутируемых («EC» или бесщеточных) двигателей все чаще используются прямые приводы. Это не только устраняет неэффективность, присущую ременной передаче (которая может составлять от 2% до более чем 10% в зависимости от технического обслуживания²), но также, вероятно, снижает вибрацию, уменьшает объем технического обслуживания (меньше подшипников и требований к очистке) и делает конструкцию более компактной.
Центробежные вентиляторы с обратным изгибом
Вентиляторы с обратным изгибом (или «наклонными») лопатками характеризуются наклоном в сторону, противоположную направлению вращения. Они могут достигать КПД до 90% при использовании лопаток аэродинамического профиля, как показано на рисунке 3, или гладких лопаток трехмерной формы, и немного меньше при использовании гладких изогнутых лопаток, и еще меньше при использовании простых плоских лопаток с обратным изгибом. Воздух выходит из концов рабочего колеса с относительно низкой скоростью, поэтому потери на трение внутри корпуса невелики, а шум, создаваемый воздухом, также низок. На крайних значениях рабочей кривой они могут срываться на месте. Относительно более широкие рабочие колеса обеспечивают наибольший КПД и позволяют легко использовать более массивные лопатки аэродинамического профиля. Тонкие рабочие колеса мало выигрывают от использования аэродинамических профилей, поэтому обычно используются плоские лопатки. Вентиляторы с обратным изгибом лопаток особенно известны своей способностью создавать высокое давление в сочетании с низким уровнем шума и обладают характеристикой мощности, предотвращающей перегрузку – это означает, что по мере уменьшения сопротивления в системе и увеличения расхода потребляемая электродвигателем мощность будет уменьшаться. Конструкция вентиляторов с обратным изгибом лопаток, вероятно, будет более прочной и несколько тяжелее, чем у менее эффективных вентиляторов с прямым изгибом лопаток. Относительно низкая скорость воздушного потока вокруг лопаток может способствовать накоплению загрязнений (таких как пыль и смазка).
Рисунок 3: Иллюстрация рабочих колес центробежных вентиляторов
Центробежные вентиляторы с изогнутыми вперед лопастями
Вентиляторы с лопастями, изогнутыми вперед, характеризуются большим количеством таких лопастей. Поскольку они обычно создают более низкое давление, они меньше, легче и дешевле, чем аналогичные вентиляторы с лопастями, изогнутыми назад. Как показано на рисунках 3 и 4, рабочее колесо такого типа вентилятора может включать более 20 лопастей, которые могут быть изготовлены из одного металлического листа. Повышение эффективности достигается в больших размерах за счет отдельных формованных лопастей. Воздух выходит из лопастей с высокой тангенциальной скоростью, и эта кинетическая энергия должна быть преобразована в статическое давление в корпусе – это снижает эффективность. Они обычно используются для малых и средних объемов воздуха при низком давлении (обычно <1,5 кПа) и имеют относительно низкую эффективность – менее 70%. Спиральный корпус особенно важен для достижения наилучшей эффективности, поскольку воздух выходит из лопастей с высокой скоростью и используется для эффективного преобразования кинетической энергии в статическое давление. Они работают на низких скоростях вращения, и, следовательно, уровень механического шума, как правило, ниже, чем у высокоскоростных вентиляторов с лопастями, изогнутыми назад. Вентилятор обладает характеристикой перегрузки по мощности при работе в условиях низкого сопротивления системы.
Рисунок 4: Центробежный вентилятор с изогнутыми вперед лопастями и встроенным двигателем.
Эти вентиляторы не подходят, например, для помещений, сильно загрязненных пылью или содержащих капли жира.
Рисунок 5: Пример вентилятора с прямым приводом и лопастями, изогнутыми назад.
Центробежные вентиляторы с радиальными лопастями
Радиально-лопастной центробежный вентилятор обладает преимуществом в том, что способен перемещать загрязненные частицы воздуха при высоком давлении (порядка 10 кПа), но при работе на высоких скоростях он очень шумный и неэффективный (<60%), поэтому его не следует использовать для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха общего назначения. Он также страдает от перегрузки по мощности – по мере снижения сопротивления системы (возможно, за счет открытия заслонок регулирования объема) мощность двигателя возрастает и, в зависимости от размера двигателя, может привести к «перегрузке».
Вентиляторы с вилкой
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 пленуме), и их первоначальная стоимость, вероятно, будет ниже, чем у центробежных вентиляторов в корпусе. Известные как «пленумные», «заглушечные» или просто «бескорпусные» центробежные вентиляторы, они могут обеспечить некоторые преимущества в плане занимаемого пространства, но ценой потери эффективности работы (при этом наилучшая эффективность сопоставима с эффективностью центробежных вентиляторов с изогнутыми вперед лопастями в корпусе). Вентиляторы будут забирать воздух через входной конус (так же, как и вентиляторы в корпусе), а затем выводить воздух радиально по всей внешней окружности рабочего колеса на 360°. Они обеспечивают большую гибкость выходных соединений (из пленума), что означает меньшую необходимость в смежных изгибах или резких переходах в воздуховодах, которые сами по себе увеличили бы падение давления в системе (и, следовательно, дополнительную мощность вентилятора). Общая эффективность системы может быть повышена за счет использования раструбных входных отверстий в воздуховодах, выходящих из пленума. Одним из преимуществ вентилятора с лопастным ротором является улучшенная акустика, в значительной степени обусловленная звукопоглощением внутри пленума и отсутствием прямых путей обзора от рабочего колеса к входному отверстию воздуховода. Эффективность будет сильно зависеть от расположения вентилятора внутри пленума и его положения относительно выходного отверстия – пленум используется для преобразования кинетической энергии воздуха и, следовательно, повышения статического давления. Существенно различная производительность и стабильность работы будут зависеть от типа рабочего колеса – рабочие колеса смешанного потока (обеспечивающие сочетание радиального и осевого потока) использовались для преодоления проблем с потоком, возникающих из-за сильного радиального воздушного потока, создаваемого простыми центробежными рабочими колесами³.
В случае небольших устройств их компактная конструкция часто дополняется использованием легко управляемых электродвигателей.
Осевые вентиляторы
В осевых вентиляторах воздух проходит через вентилятор вдоль оси вращения (как показано на рисунке 6, где изображен простой трубчатый осевой вентилятор) – давление создается за счет аэродинамической подъемной силы (подобно крылу самолета). Такие вентиляторы могут быть сравнительно компактными, недорогими и легкими, особенно подходящими для перемещения воздуха против относительно низкого давления, поэтому они часто используются в вытяжных системах, где перепад давления ниже, чем в системах подачи – при этом подача обычно включает в себя перепад давления всех компонентов системы кондиционирования воздуха в воздухообрабатывающем агрегате. Когда воздух выходит из простого осевого вентилятора, он будет завихряться из-за вращения, передаваемого воздуху при прохождении через рабочее колесо – производительность вентилятора может быть значительно улучшена за счет направляющих лопаток, расположенных ниже по потоку, для восстановления завихрения, как в осевом вентиляторе с лопатками, показанном на рисунке 7. На эффективность осевого вентилятора влияют форма лопатки, расстояние между кончиком лопатки и окружающим корпусом, а также восстановление завихрения. Шаг лопатки можно изменять для эффективного регулирования производительности вентилятора. Изменение направления вращения осевых вентиляторов позволяет также изменить направление воздушного потока, хотя вентилятор будет спроектирован для работы в основном направлении.
Рисунок 6: Трубчатый осевой вентилятор
Характеристика осевых вентиляторов имеет область срыва потока, что может сделать их непригодными для систем с широко варьирующимся диапазоном рабочих условий, хотя они и обладают преимуществом отсутствия перегрузки по мощности.
Рисунок 7: Лопастной осевой вентилятор
Лопастные осевые вентиляторы могут быть столь же эффективными, как и центробежные вентиляторы с обратным изгибом лопаток, и способны создавать высокие потоки при разумном давлении (обычно около 2 кПа), хотя они, вероятно, будут создавать больше шума.
Вентилятор смешанного потока является развитием осевого вентилятора и, как показано на рисунке 8, имеет коническое рабочее колесо, в котором воздух затягивается радиально через расширяющиеся каналы, а затем проходит аксиально через выпрямляющие направляющие лопатки. Совместное действие позволяет создавать давление, значительно превышающее возможности других осевых вентиляторов. Эффективность и уровень шума могут быть аналогичны показателям центробежного вентилятора с обратной кривизной.
Рисунок 8: Вентилятор смешанного потока, расположенный в линию
Установка вентилятора
Усилия по созданию эффективного решения с использованием вентилятора могут быть серьезно подорваны взаимосвязью между вентилятором и местными воздуховодами, по которым циркулирует воздух.
Дата публикации: 07.01.2022