Вентилятори для канальних вентиляційних систем
У цьому модулі розглядаються відцентрові та осьові вентилятори, що використовуються в канальних вентиляційних системах, та розглядаються окремі аспекти, включаючи їхні характеристики та експлуатаційні атрибути.
Два поширені типи вентиляторів, що використовуються в інженерних системах будівель для канальних систем, загалом називаються відцентровими та осьовими вентиляторами – назва походить від визначального напрямку потоку повітря через вентилятор. Ці два типи самі по собі поділяються на кілька підтипів, які були розроблені для забезпечення певних характеристик об'ємної витрати/тиску, а також інших експлуатаційних характеристик (включаючи розмір, шум, вібрацію, можливість очищення, ремонтопридатність та надійність).
Таблиця 1: Опубліковані в США та Європі дані про пікову ефективність вентиляторів діаметром >600 мм
Деякі з найпоширеніших типів вентиляторів, що використовуються в системах опалення, вентиляції та кондиціонування повітря, наведено в таблиці 1 разом з орієнтовними піковими показниками ефективності, зібраними1 з даних, опублікованих низкою американських та європейських виробників. Окрім цього, в останні роки зростає популярність вентиляторів типу «plug» (що насправді є варіантом відцентрового вентилятора).
Рисунок 1: Загальні криві вентилятора. Реальні вентилятори можуть значно відрізнятися від цих спрощених кривих
Характерні криві вентилятора показано на рисунку 1. Це перебільшені, ідеалізовані криві, і реальні вентилятори можуть відрізнятися від них; однак, вони, ймовірно, демонструватимуть подібні характеристики. Це включає області нестабільності, що виникають через коливання, коли вентилятор може перемикатися між двома можливими швидкостями потоку при однаковому тиску або внаслідок зупинки вентилятора (див. Зупинка блоку регулювання потоку повітря). Виробники також повинні вказувати бажані «безпечні» робочі діапазони у своїй літературі.
Відцентрові вентилятори
У відцентрових вентиляторах повітря надходить у крильчатку вздовж її осі, а потім радіально випускається з крильчатки завдяки відцентровому руху. Ці вентилятори здатні створювати як високий тиск, так і високу об'ємну витрату. Більшість традиційних відцентрових вентиляторів укладені в корпус спірального типу (як на рисунку 2), який спрямовує рухоме повітря та ефективно перетворює кінетичну енергію на статичний тиск. Для переміщення більшої кількості повітря вентилятор може бути сконструйований з крильчаткою «подвійної ширини з подвійним входом», що дозволяє повітрю надходити з обох боків корпусу.
Рисунок 2: Відцентровий вентилятор у спіральному корпусі з нахиленим назад робочим колесом
Існує кілька форм лопатей, з яких може складатися робоче колесо, основними типами є загнуті вперед і загнуті назад – форма лопаті визначатиме її продуктивність, потенційну ефективність та форму характеристичної кривої вентилятора. Іншими факторами, що впливатимуть на ефективність вентилятора, є ширина робочого колеса, зазор між вхідним конусом і обертовим робочим колесом, а також площа, яка використовується для виходу повітря з вентилятора (так звана «площа дуття»).
Цей тип вентилятора традиційно приводився в рух двигуном із ремінно-шківною системою. Однак, з удосконаленням електронних регуляторів швидкості та збільшенням доступності електронно-комутованих (безщіткових) двигунів, прямі приводи стають все частіше використовуваними. Це не тільки усуває неефективність, властиву ремінному приводу (яка може становити від 2% до понад 10%, залежно від обслуговування2), але також, ймовірно, зменшує вібрацію, скорочує витрати на обслуговування (менше підшипників та потреб в очищенні) та робить вузол компактнішим.
Відцентрові вентилятори з назад загнутими лопатями
Вентилятори з назад загнутими лопатями (або «похилі») характеризуються лопатями, які нахилені від напрямку обертання. Вони можуть досягати ефективності близько 90% при використанні аеродинамічних лопатей, як показано на рисунку 3, або з гладкими лопатями, сформованими в трьох вимірах, і трохи менше при використанні гладких вигнутих лопатей, і ще менше при використанні простих плоских пластинчастих лопатей, нахилених назад. Повітря залишає кінчики робочого колеса з відносно низькою швидкістю, тому втрати на тертя в корпусі низькі, а шум, що генерується повітрям, також низький. Вони можуть зупинитися на крайніх межах робочої кривої. Відносно ширші робочі колеса забезпечать найбільшу ефективність і можуть легко використовувати більш масивні аеродинамічні профільовані лопаті. Тонкі робочі колеса матимуть незначну користь від використання аеродинамічних крил, тому, як правило, використовують плоскі пластинчасті лопаті. Вентилятори з назад загнутими лопатями особливо відомі своєю здатністю створювати високий тиск у поєднанні з низьким рівнем шуму та мають характеристику потужності, що не перевантажується – це означає, що зі зменшенням опору в системі та збільшенням витрати потужність, що споживається електродвигуном, зменшуватиметься. Конструкція вентиляторів із загнутими назад лопатями, ймовірно, буде міцнішою та важчою, ніж менш ефективний вентилятор із загнутими вперед лопатями. Відносно повільна швидкість повітряного потоку вздовж лопатей може призвести до накопичення забруднюючих речовин (таких як пил та жир).
Рисунок 3: Ілюстрація робочих коліс відцентрового вентилятора
Відцентрові вентилятори з загнутими вперед лопатями
Вентилятори з загнутими вперед лопатями характеризуються великою кількістю загнутих вперед лопатей. Оскільки вони зазвичай створюють нижчий тиск, вони менші, легші та дешевші, ніж еквівалентний вентилятор із загнутими назад лопатями з двигуном. Як показано на рисунках 3 та 4, цей тип вентилятора з робочим колесом включатиме понад 20 лопатей, які можуть бути такими ж простими, як виготовлені з одного металевого листа. Підвищена ефективність досягається у більших розмірах з індивідуально сформованими лопатями. Повітря виходить з кінчиків лопатей з високою тангенціальною швидкістю, і ця кінетична енергія повинна бути перетворена на статичний тиск у корпусі – це знижує ефективність. Зазвичай вони використовуються для малих та середніх об'ємів повітря при низькому тиску (зазвичай <1,5 кПа) та мають відносно низький ККД нижче 70%. Спіральний корпус особливо важливий для досягнення найкращої ефективності, оскільки повітря виходить з кінчиків лопатей з високою швидкістю та використовується для ефективного перетворення кінетичної енергії на статичний тиск. Вони працюють на низьких швидкостях обертання, і, отже, рівень механічного шуму, що генерується, як правило, менший, ніж у високошвидкісних вентиляторів із загнутими назад лопатями. Вентилятор має характеристику перевантаження потужності, коли працює з низьким опором системи.
Рисунок 4: Відцентровий вентилятор з вперед загнутими лопатями та вбудованим двигуном
Ці вентилятори не підходять для тих випадків, коли, наприклад, повітря сильно забруднене пилом або містить краплі жиру.
Рисунок 5: Приклад вентилятора з прямим приводом та назад загнутими лопатями
Відцентрові вентилятори з радіальними лопатями
Радіальний відцентровий вентилятор з лопатями має перевагу в тому, що може переміщувати забруднені частинки повітря під високим тиском (близько 10 кПа), але, працюючи на високих швидкостях, він дуже шумний і неефективний (<60%), тому його не слід використовувати для систем опалення, вентиляції та кондиціонування повітря загального призначення. Він також страждає від характеристики перевантаження потужності – зі зменшенням опору системи (можливо, через відкриття заслінок регулювання об'єму) потужність двигуна зростатиме і, залежно від розміру двигуна, може статися «перевантаження».
Підключіть вентилятори
Замість того, щоб монтуватися в спіральному корпусі, ці спеціально розроблені відцентрові робочі колеса можна використовувати безпосередньо в корпусі вентиляційного блоку (або, власне, в будь-якому повітропроводі чи пленумі), і їхня початкова вартість, ймовірно, буде нижчою, ніж у відцентрових вентиляторів у корпусі. Відомі як «пленумні», «штекерні» або просто «без корпусу» відцентрові вентилятори, вони можуть забезпечити деякі переваги в просторі, але ціною втрати експлуатаційної ефективності (при цьому найкраща ефективність подібна до ефективності відцентрових вентиляторів з загнутими вперед лопатями в корпусі). Вентилятори втягують повітря через вхідний конус (так само, як і вентилятор у корпусі), але потім випускають повітря радіально по всій зовнішній окружності крильчатки на 360°. Вони можуть забезпечити велику гнучкість вихідних з'єднань (з пленуму), що означає, що може бути менша потреба в сусідніх вигинах або різких переходах у повітропроводах, які самі по собі додадуть до падіння тиску в системі (і, отже, до додаткової потужності вентилятора). Загальну ефективність системи можна підвищити, використовуючи розтрубні вхідні отвори до повітропроводів, що виходять з пленуму. Однією з переваг вентилятора з підключеним вентилятором є його покращені акустичні характеристики, що значною мірою зумовлено поглинанням звуку всередині пленуму та відсутністю шляхів «прямого огляду» від крильчатки до отвору повітропроводу. Ефективність дуже залежить від розташування вентилятора всередині пленуму та його розташування відносно виходу – пленум використовується для перетворення кінетичної енергії повітря, що збільшує статичний тиск. Істотно різна продуктивність та стабільність роботи залежатимуть від типу крильчатки – крильчатки зі змішаним потоком (що забезпечують поєднання радіального та осьового потоку) використовуються для подолання проблем з потоком, що виникають через сильну радіальну картину потоку повітря, створену за допомогою простих відцентрових крильчаток3.
Для менших установок їхня компактна конструкція часто доповнюється використанням легкокерованих ЕС-двигунів.
Осьові вентилятори
У осьових вентиляторах повітря проходить через вентилятор по вісі обертання (як показано на простому трубчастому осьовому вентиляторі на рисунку 6) – тиск створюється аеродинамічною підйомною силою (подібно до крила літака). Вони можуть бути порівняно компактними, недорогими та легкими, особливо підходять для переміщення повітря за відносно низького тиску, тому часто використовуються у витяжних системах, де перепади тиску нижчі, ніж у системах припливної вентиляції – припливна вентиляція зазвичай включає перепади тиску всіх компонентів кондиціонування повітря в блоці обробки повітря. Коли повітря виходить з простого осьового вентилятора, воно закручується через обертання, що передається повітрю під час проходження через робоче колесо – продуктивність вентилятора може бути значно покращена за допомогою напрямних лопаток, розташованих нижче за течією, для усунення завихрення, як у лопатевому осьовому вентиляторі, показаному на рисунку 7. На ефективність осьового вентилятора впливає форма лопаті, відстань між кінчиком лопаті та навколишнім корпусом, а також усунення завихрення. Крок нахилу лопаті можна змінювати для ефективного регулювання потужності вентилятора. Змінюючи напрямок обертання осьових вентиляторів, можна також змінити напрямок повітряного потоку, хоча вентилятор буде розроблений для роботи в основному напрямку.
Рисунок 6: Трубчастий осьовий вентилятор
Характеристична крива осьових вентиляторів має область зупинки, що може зробити їх непридатними для систем з широким діапазоном робочих умов, хоча вони мають перевагу у вигляді характеристики потужності, що не перевантажується.
Рисунок 7: Осьовий вентилятор з лопатями
Осьові вентилятори з лопатевими лопатями можуть бути такими ж ефективними, як і відцентрові вентилятори з назад загнутими лопатями, і здатні створювати високі потоки за розумного тиску (зазвичай близько 2 кПа), хоча вони, ймовірно, створюють більше шуму.
Вентилятор зі змішаним потоком є розвитком осьового вентилятора і, як показано на рисунку 8, має конічну крильчатку, де повітря радіально втягується через розширювані канали, а потім проходить аксіально через випрямляючі напрямні лопаті. Комбінована дія може створювати тиск набагато вищий, ніж це можливо з іншими осьовими вентиляторами. ККД та рівень шуму можуть бути подібними до рівня відцентрового вентилятора зі зворотними кривими.
Рисунок 8: Канальний вентилятор зі змішаним потоком
Встановлення вентилятора
Зусилля щодо забезпечення ефективного рішення для вентиляторів можуть бути серйозно підірвані взаємозв'язком між вентилятором та місцевими повітроводами для повітря.
Час публікації: 07 січня 2022 р.