Построение эффективной вентиляционной системы

Давление вентилятора

Связь между кинематикой струйки тока и подводимой мощностью (на единицу производительности) устанавливает уравнение Эйлера [1]:

Ptv=rС2uU2-rС1uU1 (1)

Здесь r -плотность воздуха; С1u ,С2u- окружная составляющая скорости на входе и выходе из колеса; U1, U2 - окружная скорость на входе и выходе из колеса. Положительное значение окружной составляющей скорости С1u или С2u принимается в направлении, совпадающем с направлением вращения колеса.
Величина Ptv =N/Q- мощность приходящаяся на единицу секундного обьема Q, имеет размерность давления и называется теоретическим давлением. Если бы вентилятор не имел потерь, то вся подводимая к колесу мощность шла бы на увеличение полного давления, и вентилятор имел бы давление равное теоретическому - Ptv (при данном значении производительности). В действительности, из-за различного рода потерь, давление вентилятора Pv меньше теоретического, причем степень аэродинамической эффективности передачи энергии колесу характеризует коэффициент полезного действия вентилятора (КПД) равный _= Pv/ Ptv или _ =Pv* Q/ N.

Типы вентиляторов, используемых в системах вентиляции

Вентиляторы - лопаточные машины, предназначенные для перемещения воздуха или других газов. Вентиляторы условно делятся по развиваемому давлению на вентиляторы:
-низкого давления - до 1000Па;
-среднего давления от 1000Па до 3000Па;
-высокого давления - свыше 3000Па.
Как правило, давление, развиваемое вентиляторами, работающими в вентиляционных системах, не превышает 2000Па.
В системах вентиляции и кондиционирования используются следующие типы вентиляторов:
-осевые;
-радиальные;
-диаметральные.

Рис.1.1 Схемы осевых вентиляторов:
а) К-колесо; б) К+СА -колесо и спрямляющий аппарат; в) ВНА+К –входной направляющий аппарат и колесо, г) ВНА+К+СА -входной направляющий аппарат, колесо и спрямляющий аппарат;
1-входной коллектор, 2-лопатки колеса, 3-втулка колеса, 4-электродвигатель, 5-корпус, 6,8-спрямляющий аппарат, 7-входной направляющий аппарат

Схемы осевых вентиляторов приведены на рис.1.1. В осевых вентиляторах поток воздуха входит и выходит по оси вращения колеса. Осевые вентиляторы могут состоять из одного колеса (рис. 1.1а), колеса и спрямляющего аппарата (рис.1.1б), входного направляющего аппарата и колеса (рис.1.1в), входного направляющего аппарата, колеса и спрямляющего аппарата (рис.1.1г). Электродвигатель может быть расположен как перед колесом (рис.1.1а), так и за колесом (рис.1.1б), причем аэродинамические характеристики вентиляторов, имеющих одинаковые колеса, будут при этом приблизительно одинаковыми.
Как правило, на расчетных режимах течение в осевых вентиляторах происходит по цилиндрическим поверхностям, при этом окружные скорости равны, то есть u2 = u1 = u. Теоретическое давление осевого вентилятора (1) равно:

Ptv= ru (С2u - С1u )

Треугольники скоростей на текущем радиусе осевого вентилятора схемы ВНА+К приведены на рис.1.2. В данном случае входной направляющий аппарат создает подкрутку потока на входе в колесо против направления вращения, причем величина С1u <0. Если же входной аппарат отсутствует, величина С1u=0, то теоретическое давление равно Ptv =ruС2u. Необходимо иметь в виду, что всегда за колесом имеется закрутка потока (за исключением турбинного режима), то есть величина С2u не равна нулю. Остаточная закрутка потока является источником потерь, кроме того может быть причиной дополнительных потерь в элементах, сопрягающих вентилятор с сетью на выходе. Для уменьшения закрутки за колесом используется спрямляющий аппарат.

Рис. 1.2. Треугольники скоростей в осевом вентиляторе схемы ВНА+К

При равных частотах вращения и диаметрах колес, осевые вентиляторы создают в 2-3 раза меньшее давление, но имеют большую производительность, чем радиальные вентиляторы, поэтому в вентиляционных системах они используются в основном для перемещения больших объемов воздуха - на вытяжке, для создания противодымного подпора и т. д.
Осевые вентиляторы могут быть одноступенчатыми, двухступенчатыми и многоступенчатыми. В многоступенчатом вентиляторе, созданном на базе нескольких одноступенчатых, происхо-дит увеличение давления примерно пропорционально числу ступеней при прежней производительности. Сущест-вуют также схемы со встречным вращением и вентиляторы с меридио-нальным ускорением потока [2].

Рис. 1.4. Схемы радиальных вентиляторов:
а) назад и б) вперед загнутые лопатки; 1-входной коллектор, 2-лопатки колеса, 3-корпус, 4-выходное сечение

Схемы радиальных вентиляторов приведены на рис. 1.4. В радиальных колесах поток входит по оси вращения колеса, а выходит в радиальной плоскости. Спиральный корпус служит для преобразования потока на выходе из колеса и дополнительного повышения давления вентилятора. Наиболее широко применяются два типа радиальных колес: колеса с лопатками загнутыми назад (рис.1.4а) и с лопатками загнутыми вперед (рис.1.4б).
Треугольники скорости в колесе радиального вентилятора приведены на рис.1.5. Теоретическое давление радиального вентилятора:

Ptv=rС2uU2- rС1uU1

Радиальные вентиляторы развивают большее давление, по сравнению с осевыми вентиляторами, так как единице объема перемещаемого воздуха сообщается энергия при переходе от радиуса входа к радиусу выхода колеса. Колесам с назад загнутыми лопатками соответствуют углы примерно _1=10..20о, _2=20..50о, а с вперед загнутыми лопатками - _1 =90о, _2=145..175о.
В канальном прямоточном вентиляторе поток имеет осевое направление (рис. 1.6). Существует много различных конструктивных исполнений канальных вентиляторов, более подробно об этом можно прочитать в главе 3.
Схема радиального вентилятора двустороннего всасывания приведена на рис.1.7. Вентилятор имеет два входных отверстия и общее выходное и представляет как бы объединение двух зеркальных вентиляторов в спиральных корпусах. Такого типа вентиляторы имеют приблизительно удвоенную производительность (при том же давлении, что и единичный вентилятор). Многоступенчатые радиальные вентиляторы в системах вентиляции встречаются крайне редко. Среди рассматриваемых типов вентиляторов радиальные - наиболее используемые в вентиляционных системах. Более подробно о радиальных вентиляторах можно прочитать в [1].
Схема диаметрального вентилятора приведена на рис. 1.8. Поток входит в колесо в диаметральном направлении (перпендикулярно оси вращения колеса), и выходит также в диаметральном направлении. Угол между входом и выходом потока может быть разным (на рис.1.8 угол составляет 90о), существуют также вентиляторы с различными углами выхода потока, вплоть до 180?. В диаметральных вентиляторах используются радиальные колеса с вперед загнутыми лопатками, близкие к тем, что используются в радиальных вентиляторах. Отличительной особенностью диаметральных вентиляторов является возможность увеличения длины колеса (осевой протяженности), что дает возможность увеличивать производительность вентилятора (при соответствующем увеличении мощности привода). Несмотря на очевидные компоновочные преимущества, диаметральные вентиляторы не нашли широкого применения в вентсистемах. Это связано с относительно малой аэродинамической эффективностью этих вентиляторов. В основном они используются в маломощных завесах, хотя известны попытки применения диаметральных вентиляторов в воздухоприточных установках.

Рис. 1.5. Треугольники скоростей в колесе радиального вентилятора

Аэродинамические параметры вентиляторов

Основные свойства вентилятора, как устройства предназначенного для перемещения воздуха, принято оценивать по его аэродинамическим параметрам: давлению, производительности и потребляемой мощности при нормальных атмосферных условиях, а также коэффициенту полезного действия (КПД).
Единицы измерения:
-давления вентилятора: статическое, полное, динамическое измеряются в Па
(1 Па ~0,1 мм. вод. ст);
-производительность вентилятора измеряется в м³/час, м³/с;
-потребляемая мощность вентилятора измеряется в Вт, кВт.
Полное давление вентилятора равно разности полных давлений потока за вентилятором и перед ним:
Pv = P02-P01;
Здесь: P01 - осредненное по входному сечению, P02 -осредненное по выходному сечению полное давление потока.
Статическое давление вентилятора Psv равно разности полного давления Pv и динамического давления вентилятора Pdv:
Psv= Pv - Pdv :
Динамическое давление вентилятора Pdv определяется по среднерасходной скорости Vвых-вент выхода потока из вентилятора:
Pdv=rV2вых-вент/2
Скорость выхода потока из вентилятора (один из способов осреднения):
Vвых-вент =Q/Fвых ;
где Fвых - площадь поперечного сечения выхода потока из вентилятора; Q-производительность вентилятора.
Полный и статический КПД вентилятора:
_= Pv Q/ N; _st= Psv Q /N
где N - мощность, потребляемая вентилятором. Nэл сеть - мощность, пот-ребляемая вентилятором из электрической сети: Nэл сеть= N/ (__ _эл двиг),
где _эл двиг - КПД электродвигателя.

Безразмерные параметры вентиляторов

Геометрически подобные вентиляторы описываются безразмерными характеристиками (при автомодельности по числу Re), которая называется типовой. Типовая характеристика не зависит ни от диаметра вентилятора, ни от частоты вращения, ни от плотности воздуха (температуры).

Рис. 1.6. Схема канального радиального вентилятора в квадратном корпусе:
1-входной коллектор, 2-лопатки колеса, 3-корпус, 4-выходное сечение, 5-двигатель

Рис. 1.7. Схема радиального вентилятора двустороннего всасывания:
1-входной коллектор, 2-лопатки колеса, 3-корпус, 4-выходное сечение

Типовая характеристика - это зависимость безразмерных величин коэффициентов давления y и мощности l от коэффициента производительности j или ja (для осевых вентиляторов):
-коэффициент производительности:
j=Q/Fu;
-коэффициент осевой скорости:
ja=j(1-n2);
-коэффициент полного давления:
y=2Pv/ru2;
-коэффициент мощности: l=2N/rFu3;
где F=pD2/4- площадь, ометаемая колесом вентилятора (для осевых и радиальных вентиляторов), м²; D -диаметр колеса вентилятора, м; u=pDn/60- окружная скорость конца лопаток, м/с; n - частота вращения колеса вентилятора, об/мин; v=dвт/D -относительный диаметр втулки (только для осевых вентиляторов); r -плотность перемещаемого воздуха, кг/м3.
Переходя к безразмерным параметрам вентилятора:
-коэффициент полного давления:
y = ys+ydv ;
-коэффициент динамического давления:
ydv=j2 (F / Fвых)2;
ydv=j2a (для осевых вентиляторов);
-полный и статический КПД:
h=jy/l; hs=jys/l
Безразмерные характеристики вентиляторов позволяют сравнивать вентиляторы различных типов по нагруженности лопаточных аппаратов, получать размерные характеристики обратным пересчетом для любых значений частоты вращения, диаметров колес, температуры перемещаемого воздуха.
Вентиляторы имеют широкие диапазоны параметров: полное давление от десятков до нескольких тысяч Паскалей, производительность от нескольких кубических метров до тысяч кубических метров в секунду, мощность от одного Ватта до нескольких тысяч киловатт, а диаметры колес - от нескольких сантиметров до нескольких метров. Окружные скорости концов лопаток, как правило, не превышают 150м/с. Несмотря на огромный диапазон размерных параметров, безраз-мерные параметры вентиляторов всех типов и размеров укладываются в область, ограниченную коэффициентом производительности j=0…3 и коэффициентом полного давления y =0…8 (рис.1.9). Здесь же, для сравнения, приведены максимально возможные значения КПД вентиляторов. Как видно, осевые вентиляторы являются самыми слабонапорными, но имеют наибольшие полные КПД среди рассматриваемых типов вентиля-торов. Радиальные вентиляторы занимают промежуточную область по давлению и КПД. Диаметральные вентиляторы имеют самые большие коэффициенты давления y, достигающие значений 6…8, так как потоку сообщается энергия дважды, при входе в колесо и при выходе из него, однако имеют самые малые значения полного КПД.

Рис. 1.8. Схема диаметрального вентилятора:
1-входной коллектор, 2-лопатки колеса, 3-корпус, 4-выход потока

Изменение параметров вентиляторов при изменении температуры

Так как при изменении внешних условий сохраняются безразмерные характеристики вентилятора, то его размерные параметры при изменении температуры (при постоянной частоте вращения) определяются по следующим формулам:
-давление Pi=P*ri/r;
-мощность Ni=N*ri/r;
где: ri=r*293/ (273+ti ), r=1,2 кг/м3;
индекс i соответствует произвольной температуре воздуха.
Таким образом, необходимо помнить, что при изменении температуры производительность вентилятора не меняется, а остальные параметры изменяются прямо пропорционально отношению плотностей.
Однако, возможны ситуации, когда параметры вентиляторов не соответствуют полученным прямым пересчетом. Например, при работе при низких температурах, если двигатель не имеет достаточного запаса по мощности, то он снижает обороты (см. раздел 1.3.3) и, следовательно, формулы прямого пересчета в этом случае не действуют.

Рис. 1.9. Поле безразмерных параметров вентиляторов различных типов:
I- осевые; II- радиальные; III- диаметральные

Регулирование вентиляторов

В ряде случаев в процессе работы необходимо изменять аэродинамические характеристики вентилятора. Регулирование вентиляторов (изменение аэродинамических параметров вентилятора) осуществляется следующими способами:
-лопаточным аппаратом;
-изменением частоты вращения колеса.
При регулировании лопаточным аппаратом изменяется безразмерная характеристика, а следовательно, и размерная характеристика вентилятора. При частотном регулировании безразмерная характеристика вентилятора и положение рабочего режима на ней не меняются, поэтому сохраняется и КПД вентилятора при новой частоте вращения. В ряде случаев, это может приводить к неэффективной работе вентилятора в данной сети.
Регулирование лопаточным аппаратом. Регулирование аэродинамических характеристик осевых вентиляторов осуществляется поворотом лопаток (закрылков) входного направляющего аппарата (подкрутка по и против вращения колеса), поворотом лопаток колеса (во время вращения или при остановленном вентиляторе). Регулирование лопаточным аппаратом может приводить как к увеличению (в пределах располагаемой мощности вентилятора), так и к уменьшению давления.
Радиальные вентиляторы регулируются входным направляющим аппаратом только в сторону снижения давления. Схема радиального вентилятора в спиральном корпусе с входным направляющим аппаратом приведена на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Схема радиального вентилятора с входным направляющим аппаратом:
1- входной патрубок; 2- рабочее колесо; 3- спиральный корпус; 4- выходное отверстие; 5- входной направляющий аппарат

Регулирование диаметрального вентилятора осуществляется изменением углов входа потока в вентилятор, внутренним направляющим аппаратом (ВНА) или различного рода вихреобразователями.
Регулирование изменением частоты вращения. Регулирование изменением частоты вращения обычно осуществляется преобразователями напряжения или частотными приводами. В вентиляторах, имеющих шкиво-ременную передачу, регулирование осуществляется подбором шкивов. Регулирование изменением частоты вращения обычно осуществляется в сторону снижения давления вентилятора, так как электродвигатель обычно подбирается на мощность, соответствующую максимальным давлению и производительности.
Изменения параметров вентилятора при изменении частоты вращения определяются по следующим формулам:
-производительность Qi= Q*ni/n;
-давление Pi=P*(ni/n)2;
-мощность Ni=N*(ni/n)3 ,
индекс i соответствует произвольному режиму по частоте вращения.

Литература.
1. Центробежные вентиляторы. Под ред. Т.С. Соломаховой. М., Машиностроение, 1975, 416с.
2. И.В.Брусиловский. Аэродинамика осевых вентиляторов.
М. Машиностроение.1984, 238с.

---

Караджи В.Г., Московко Ю.Г.
По материалам
компании "ИННОВЕНТ"